CN102186625B - 用于无切割气体的激光熔化切割的方法 - Google Patents

Abstract

在根据本发明的用于工件(1)的无切割气体的激光熔化切割的方法中，借助激光束(2)在工件(1)中熔化一切口(3)，在此这样地选择工作点中的激光束直径(D)，使得熔化的材料(4)在没有切割气体的情况下从切口(3)被排出。

Description

用于无切割气体的激光熔化切割的方法

技术领域

本发明涉及一种用于工件、特别是金属工件的激光熔化切割的方法。

背景技术

在已知的激光熔化切割中，借助激光束在工件中熔化出切口并且在此借助切割气体(例如氮或氩)将熔化的材料从切口排出。除了在至高达20巴的压力下切割气体的消耗很高之外，切割气体的输送不仅在加工部位的可接近性而且在后续导向(制导)方面都是有问题的。这特别是出现在所谓的远程应用中，在远程应用中激光束可以通过扫描仪光学装置在没有加工头的行进运动的情况下覆盖宽的加工区。DE 102 04 993 A1为此提出，在扫描仪光学装置(激光扫描仪)上可运动地安置气体喷嘴并且通过控制装置根据光束转向对这些气体喷嘴进行制导，由此气体流和从激光扫描仪排出的激光束在工件表面上相遇。这里的缺点是除了仍然有很高的气体消耗之外还存在气体喷嘴的干扰轮廓或者说更大的加工头尺寸以及控制技术集成的耗费。此外，激光束的转向速度受到气体喷嘴的最大行进速度限制。

在升华式或升华切割中切口中的材料通过高功率密度(高于已知的激光熔化切割)的激光脉冲尽可能低熔化地蒸发，在升华切割中可以消除切割气体，因为通过切口中的材料蒸汽产生足够高的压力，该压力使熔化部分向上和/或向下从切口或者去除区域排出。视应用情况而定，加工部位通过过程气体例如氮、氩或氦被隔离以免氧化。然而为了执行该方法需要高的激光功率密度，使得去除率和由此切割深度在实践中、特别是在金属的情况下受限。随着材料厚度的增加，该方法由于去除体积小而需要多次轮廓加工。

发明内容

与此相对，本发明的任务是给出一种用于激光熔化切割的方法，在该方法中即便在板厚较大时仍能够消除切割气体输送及与此相关的缺点。

该任务根据本发明通过用于工件、特别是金属工件的无切割气体的激光熔化切割的方法解决，其中，借助激光束在工件中熔化出一切口，并且在此这样地选择工作点中、即视工件厚度而定在工件上或内部的激光束直径，使得熔化的材料在没有切割气体的情况下从切口被排出。

根据本发明已知的是，在增大的激光束直径的情况下，在切口中在切割正面的区域内形成的材料蒸汽和由此导致的蒸汽压力已经足以使切割正面上的熔液主要向下排出。优选地，将所述工作点中的激光束直径调节到对于工件的具有切割气体的激光熔化切割所需的、工作点中的最大激光束直径的至少约1.5倍、特别是约1.5至约7倍。如实验已经显示，工作点中的激光束直径甚至可以一直达到具有切割气体的传统激光熔化切割方法的直径的15至30倍。这是令人惊奇的，因为由于更大的在工作点中的激光束直径而更大的切割宽度实际上不会猜想到切口内部的足够压力上升。优选地，工作点中的激光束直径在根据本发明的方法中位于约0.3至约3mm的范围中，特别是约0.5至约1mm的范围中。工作点中的激光束直径可以通过焦点本身或者通过工作点的散焦形成。

优选地，这样地选择用于熔化切口的功率密度和激光束相对于工件的进给速度，使得支持无切割气体的熔液排出过程。

优选地，用于熔化切口的激光束的功率密度相对于在相同的进给速度下对于工件的具有切割气体的激光熔化切割所需的功率密度被减小。

与传统的具有切割气体的激光熔化切割相比，根据本发明可以减少激光束在工件上的功率密度。优选地，工件上的功率密度在此位于传统的激光束焊接的范围中，其中，与传统的激光焊接相比在焊入实心材料中时在焊入深度等于工件厚度的情况下进给速度被减小、特别是减小直到30至60％。在较高的进给速度的情况下，由于那时较窄的熔化区域，熔化的材料(熔液)的表面张力不能再通过材料蒸汽和由此材料压力克服。进给速度的减小另一方面受到由此产生的过高的热输入及与此相关的较大的熔化体积限制，该较大的熔化体积不能再通过材料蒸汽排出。这里特别是在进给速度小于约1.5m/min的情况下焊接过程又开始。

因为不需要切割气体输送及其上述缺点，根据本发明的无切割气体的激光熔化切割可灵活地使用，特别是也可与远程加工***一起使用和/或用在难于接近的位置上。

与使用远程加工***或者具有固定光学装置的***(其中光束导向仅仅通过操作装置使加工头运动来实现)无关，基于本发明可使用标准光学装置、特别是焊接光学装置。特别有利的是，就此而言，选项，即焊接和切割任务，特别是在约0.5至约5mm的板厚范围中能够无改装耗费地执行。

优选地，这样地选择用于熔化切口的激光束的功率密度和激光束相对于工件的进给速度，使得熔化的材料至少绝大部分在与激光束相对置的工件侧上从切口排出。实验已经表明，排出侧(薄板底面)上的熔液排出具有指向切割进给方向的分量。在传统的具有切割气体的熔化切割方法中，溶液排出的分量主要与切割进给方向相反指向。

特别是在焦距很大的情况下，例如在远程加工的情况下以及特别是在整个加工区上和/或在含有大量金属蒸汽的环境空气的情况下，为了始终保证过程条件保持不变，在根据本发明的激光切割方法的另一种优选的变型中，在光学装置与工件之间的区域中吹入气体(优选空气)和/或吸出金属蒸汽，以将含有金属蒸汽的环境空气限制在靠近工件的区域上、特别是限制在距离加工区最大100至150mm的区域上。通过含有大量金属蒸汽的环境空气否则会改变激光束的焦点位置和/或衰减激光功率。

优选地，所述至少一个气流具有这么小的流动速度，从而工件的加工区不会受到该气流的影响。此外，所述至少一个气流可以在激光束的光束方向上倾斜地指向加工区和/或倾斜地指向加工区前面的区域。优选地，所述至少一个气流发散地指向会聚的激光束。优选地，产生多个围绕激光束的气流，以将含有金属蒸汽的环境空气限制在靠近工件的区域上。

通过至少一个合适的气体喷嘴将至少一个体积流比较小的气流向着会聚的激光束引导到加工区或接合区上，该气流穿过激光束路径或者至少部分地覆盖该激光束路径。即该气流从上面向工件实现。气体喷嘴可以是同轴喷嘴的形式或者也可以是多个单个喷嘴围绕激光束布置。变换地，气流可以平行于工件实现。气流的任务在此不是在工件上实现切割气体或保护气体作用，而是尽可能保持入射的激光的辐射空间没有含金属蒸汽的环境空气。视该喷嘴或这些喷嘴与加工区的距离而定，匹配气体输送装置的定向以及流量。特别是当气体输送装置与加工头耦合时，在较大的焦距和由此较大的至加工区的距离的情况下，增加流量并且使喷嘴的定向相对于较小的焦距适配。特别是在将激光加工头用于远程加工时，气体输送装置在焦距增大的情况下越来越平行于激光束定向，以保证将含有金属蒸汽的环境空气限制在靠近工件的区域上。

本发明还涉及将用于工件的激光焊接的机器也用于工件的无切割气体的激光熔化切割。当焊接应用满足对用于无切割气体的激光束熔化切割的激光束直径的要求时，为了将传统的激光焊接转换成无切割气体的激光熔化切割，仅需要减小进给速度、特别是减小到传统激光焊接中的进给速度的至多30至60％。必要时这里也可以通过用于改变焦点大小的光学装置或者散焦装置简单地适配激光束直径。

本发明最后涉及将用于工件的具有切割气体的激光熔化切割的机器也用于工件的无切割气体的激光熔化切割。为了从传统的具有切割气体的激光熔化切割转换成无切割气体的激光熔化切割，仅需要增大激光束直径以及必要时减小激光束在工件上的功率密度并且相应地调节切割进给速度。

附图说明

本发明的其它优点由权利要求、说明书和附图给出。上述的和有待进一步列举的特征同样可以逐个地使用或者多个成任意组合地使用。所示的和所述的实施方式不应理解为穷尽性列举，而是更多地具有用于说明本发明的示例特性。其中：

图1示出根据本发明的用于无切割气体的激光熔化切割的方法的第一变型；

图2示出根据本发明的用于无切割气体的激光熔化切割的方法的第二变型，其中，多个具有比较小的体积流的气流指向加工区和加工区上方的区域；

图3示出根据本发明的用于无切割气体的激光熔化切割的方法的第三变型，其中，在激光切割中形成的含有金属蒸汽的环境空气被吸出；

具体实施方式

图1示意地示出根据本发明的用于无切割气体的激光熔化切割的方法，其中借助激光束2在金属工件1中熔化一个切口3。在此，这样地选择用于熔化该切口3的激光束2的功率密度和激光束2相对于工件1的进给速度v，使得熔化的材料(熔液)4在没有切割气体的情况下从切口3被排出，确切地说主要在与激光束2相对置的工件底面5上被排出。这样在工件底面5上从切口3排出的材料(熔液、熔渣)用6表示，而在此形成的烟雾用7表示。

实验已经表明，在激光束直径相对于具有切割气体的传统激光熔化切割增大以及特别是功率密度也减小且进给速度v降低的情况下，在切口3中形成的材料蒸汽和由此导致的压力足够将那里的在切割正面上熔化的材料4主要向下排出。熔液排出在工件底面5上具有指向进给方向v的分量。

与具有切割气体的传统激光熔化切割相比，在无切割气体的激光熔化切割中通过扩大激光束2在工件1上的直径D实现增大的切割缝隙或切口3，从而通过形成熔化压力或蒸汽压力允许在没有切割气体的情况下排出熔液。直径D可以为传统激光熔化切割方法的直径的至多30倍、优选至多为15倍，特别是1.5至7倍。典型地，在无切割气体的激光熔化切割中直径D在0.3mm至3mm的范围内，特别是在0.5mm至1mm的范围内。

激光束2的功率密度优选位于激光焊接中的功率密度的范围内，其中，激光束2在工件1上的进给速度v与在焊入到实心材料中时在焊入深度等于板厚的情况下的激光焊接相比被减小，特别是至多减小到30至60％。如实验已经表明，在较高的进给速度的情况下表面应力由于那时较窄的熔化区域而不能再被材料蒸汽和由此材料压力克服。进给速度v的减小另一方面受到由此产生的过高的热输入及与之相关的较大的熔化体积限制，该较大的熔化体积不能再通过材料蒸汽排出。这里特别是在进给速度v小于1.5m/min的情况下，激光焊接过程又开始。

与所使用的远程加工***或者具有固定的光学装置(其中光束导向完全通过加工头的运动实现)的***无关，在无切割气体的激光熔化切割中可使用标准光学装置、特别是焊接光学装置。特别有利的是，在此意义上，选项，焊接和切割任务，特别是在0.5至5mm的板厚范围中可以无需改装耗费地执行。当焊接应用满足对于无切割气体的激光熔化切割的激光束直径的要求时，为了将传统的激光焊接转换成无切割气体的激光熔化切割，仅需要降低进给速度，特别是降低到传统激光焊接中的进给速度的至多30％至60％。

下面对于大约0.5至5mm厚的钢板比较无切割气体的激光熔化切割和传统的具有切割气体的激光熔化切割之间的重要区别：

图2中示出的方法与图1的区别在于，这里多个具有比较小的体积流的气流8附加地从上指向工件1的加工区以及指向加工区上方的区域。为此，在具有焦距f、特别是至少200mm的焦距的会聚光学装置9上设有限制装置10，该限制装置将在激光切割中在会聚的激光束2内部形成的含有金属蒸汽的环境空气11限制在靠近工件的区域12上、特别是限制在加工区前面最大100至150mm的区域上。

限制装置10具有多个围绕入射的激光束2设置的气体喷嘴13，这些气体喷嘴各将一个具有比较小的体积流的发散气流8从上引向加工区和加工区上方的区域。气流8具有如此小的流动速度，使得工件1的加工区不受气流影响。气体是相对于激光束2不反应的并且优选是空气。气流8的任务在此不是在工件1上实现切割气体和/或保护气体作用，而是将混合物11排挤出入射激光束2的远离工件的辐射空间。因此，具有小的流动速度和小的压力(例如0.2巴)的气流是足够的。对于专业人员已知的是，随着工件和气体输送装置之间的距离增加，应当在压力增加的意义上进行相应的压力适配。

在一种未示出的变型中，多个气体喷嘴13通过一个唯一的相对于激光束2同轴地设置的环形喷嘴取代。

原则上，气体输送装置不仅可以倾斜地而且可以垂直地指向加工部位，其中气流优选至少部分地穿过激光束2。

图3中示出的方法与图1不同在于，这里附加地吸出在激光切割中形成的含有金属蒸汽的环境空气11。为此，在入射的激光束2侧旁设置吸出装置14，该吸出装置产生用于吸出含有金属蒸汽的环境空气11的负压。吸出装置14布置在加工区前面最大100至150mm的距离上，从而会聚的激光束2内部的含有金属蒸汽的环境空气11被限制在靠近工件的区域12中。

Claims (20)

1.用于工件（1）的无切割气体的激光熔化切割的方法，其特征在于，借助唯一的激光束（2）在工件（1）中熔化一切口（3），并且在此这样地选择增大工作点中的激光束直径（D），使得熔化的材料（4）在没有切割气体的情况下从切口（3）被排出，其中将所述工作点中的激光束直径（D）调节到对于工件（1）的具有切割气体的激光熔化切割所需的、工作点中的激光束直径的至少1.5倍。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，将所述工作点中的激光束直径（D）调节到对于工件（1）的具有切割气体的激光熔化切割所需的、工作点中的激光束直径的1.5至7倍。

3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述工作点中的激光束直径（D）在0.3至3mm的范围中。

4.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，这样地选择用于熔化切口（3）的激光束（2）的功率密度和激光束（2）相对于工件（1）的进给速度（v），使得支持熔化的材料（4）从切口（3）中的无切割气体的排出。

5.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，用于熔化切口（3）的激光束（2）的功率密度相对于在相同的进给速度（v）的情况下对于工件（1）的具有切割气体的激光熔化切割所需的功率密度被减小。

6.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，用于熔化切口（3）的激光束（2）的功率密度被调节到对于工件（1）的激光焊接所需的功率密度。

7.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，激光束（2）相对于工件（1）的进给速度（v）被调节到在相同的功率密度的情况下且在焊入深度等于工件厚度的情况下对于工件（1）的激光焊接所需的进给速度的20至70%。

8.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，将在激光切割中形成的含有金属蒸汽的环境空气（11）限制在工件（1）的加工区前面的靠近工件的区域（12）中。

9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，在激光切割中形成的含有金属蒸汽的环境空气（11）通过指向工件（1）的加工区的至少一个气流（8）被限制在工件（1）的加工区前面的所述靠近工件的区域（12）上。

10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，所述至少一个气流（8）具有这么小的流动速度，使得工件（1）的加工区不受气流（8）影响。

11.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，所述至少一个气流（8）在激光束（2）的束方向上倾斜地指向加工区和/或倾斜地指向加工区前面的一个区域。

12.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，所述至少一个气流（8）发散地指向会聚的激光束（2）。

13.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，含有金属蒸汽的环境空气（11）通过多个围绕激光束（2）产生的气流（8）被限制在所述靠近工件的区域（12）上。

14.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，在激光切割中形成的含有金属蒸汽的环境空气（11）在所述靠近工件的区域外部被吸出。

15.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法用于金属工件的无切割气体的激光熔化切割。

16.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述工作点中的激光束直径（D）在0.5至1mm的范围中。

17.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，这样地选择用于熔化切口（3）的激光束（2）的功率密度和激光束（2）相对于工件（1）的进给速度（v），使得至少主要在与激光束（2）相对置的工件侧（5）上实现熔化的材料（4）的无切割气体的排出。

18.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，激光束（2）相对于工件（1）的进给速度（v）被调节到在相同的功率密度的情况下且在焊入深度等于工件厚度的情况下对于工件（1）的激光焊接所需的进给速度的30至60%。

19.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，将在激光切割中形成的含有金属蒸汽的环境空气（11）限制在从工件（1）的加工区延伸至加工区前面最大150mm的靠近工件的区域（12）中。

20.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，将在激光切割中形成的含有金属蒸汽的环境空气（11）限制在从工件（1）的加工区延伸至加工区前面最大100mm的靠近工件的区域（12）中。