CN102695577B - 利用激光设备与电弧设备加工工件的方法与装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及利用激光设备(17)和电弧设备(18)加工工件(12)的方法以及实现该方法的装置，在所述方法中，通过作为引导设备的激光设备(17)的激光束(19)，一个或多个电弧被输送至电弧设备(18)；在所述电弧设备(18)与所述工件(12)上的加工部位(22)之间，来自所述电弧设备(18)的电弧(24)被输送至所述加工部位(22)，恰在等离子气体喷流到达工件(12)的加工部位(22)之前，激光束(19)从外移向等离子气体喷流(23)并切割等离子气体喷流(23)，或者至少一个激光束(19)完全位于等离子气体喷流(23)内，通过激光束(19)在等离子气体喷流(23)形成用于以受控的方式增加等离子气体喷流(23)的电导率的通道。

Description

利用激光设备与电弧设备加工工件的方法与装置
技术领域
本发明涉及利用激光设备与电弧设备加工工件的方法与设备，从而激光束和电弧被引导到将被加工的工件的部位。
背景技术
在专利公开文献DE20101452U1中公开了一种用于加工工件的装置；该装置包括激光设备与电弧设备。电弧设备将电弧聚焦到将被加工的工件的部位。从激光设备，激光束借助于聚焦装置被指向到电弧的底部，从而它们在工件上汇合。电弧被引导通过激光束，而激光束由于其可控的运动而相对于电弧移动，并且因而将电弧引导到期望的位置并且如果必要的话使得电弧偏向。由于游荡的激光束运动，所以电弧在工件上跟随着激光束的足点/投影点和/或焦点。因此，电弧可以被正确地定位并引导到工件上。特别地以这种方式可以实现振荡的焊接运动。
由于加工材料的同时在精度和加工速度和/或缩短过程时间的方面的连续增加的要求，所以必须进一步开发这种已知的技术。
发明内容
因此，本发明的目的在于提出借助于激光设备和电弧设备加工工件的方法和装置，由此，等离子气体喷流的功率密度增加，以便增加用于加工工件的供能。
该目的借助于这样一种用于加工工件的方法实现，在该方位中，根据第一可选例，恰在等离子气体喷流到达电弧设备之前，激光束相对于等离子气体喷流从外朝向工件的加工部位移动并且与等离子气体喷流相交。这使得通过激光束在等离子气体喷流内产生通道(channel)，造成了等离子气体喷流的电导率的受控增加。通过电导率的这种增加，电弧电流的增加也同时实现，这导致了由于最小化损失而造成的引入能量的增加或相应地针对电弧电流的减小的电阻。
根据第二可选实施例，根据本发明的用于加工工件的方法设置成至少一个激光束完全位于等离子气体喷流内，并且因而通道在该等离子气体喷流内形成，以便实现等离子气体喷流的电导率的受控的增加。电弧沿该通道由于增加的电导率以及因而减小的电阻而被引导。以这种方式，电弧能够在等离子气体喷流内被聚焦并被稳定。因此，激光束本身在该方法中不产生影响或仅仅产生微小影响，也就是说激光能量不会显著帮助材料加工，而仅仅影响等离子气体喷流。
因此，根据本发明的方法尤其有助于利用激光引发的等离子体内的电弧实现材料去除。这种材料去除包括不同的材料例如金属、玻璃、陶瓷等的表面加工以及这种材料、尤其金属片材的分割或切割。同样，也可以实现材料焊接。通过电弧在由激光束在等离子气体喷流内产生的通道中的稳定与引导，也可以将不同的钢和铝结合。同时，可以实现少的材料破坏、更高的精度以及加工速度。该方法的优选实施例设置成，激光束与等离子喷流共轴线地在等离子气体喷流内被引导。由此，可以减少电弧的加宽并且可以实现等离子气体的高程度电离化，以增加电导率。
此外，通过等离子气体喷流内的激光束，电离化气体的浓度沿激光束路径增加。借助于激光引燃等离子体通道。等离子体理解为一种强聚集状态(forthaggregatestate)，其中，气体具有极高的能态(电离化)。因此，等离子体是导电的。通过这些附加的高能原子，等离子气体喷流的浓度和/或能量增加。
电导率的增加可以是由于借助于激光束产生等离子体并且还由于气体分子的激发状态的产生(光电流效应)，其中减少了用于电离化的附加能量。
通过激光束的直径，等离子气体喷流内的通道的直径优选设成收缩电弧以便加工所述工件。以这样的方式，可以控制不同的参数，从而取决于进行加工的任务，激光束的直径可以改变。由激光所形成的等离子体通道的尺寸和/或直径决定等离子气体喷流的直径。通过改变等离子体通道(借助于原束变化而改变激光束)，等离子气体喷流可以任意***纵。由此，出现这样的可能性，即取决于应用(表面加工、切割、焊接等)，设定最优的加工参数。等离子体通道的宽度确定切割连接部宽度以及因而决定切割速度。在焊接时，为了重合的加工部位的所需的直径可以任意设定。
激光束的焦点优选针对电弧设备的电极设定，从而焦点位于电极上或者位于电极与工件上或内的加工部位之间。以这样的方式，电导率可以增加，并且因此电弧的电流受到影响并且在等离子体束内聚集。同时，取决于加工方法，相应地启动材料去除。可选地，还可以设置成焦点位于待加工的工件下方。此外，优选设置成等离子气体喷流由气体保护。该保护气体有助于减小周围环境的污染。此外，可以实现等离子气体喷流的更好的成形。
在加工的开始时，可以看出激光应用在改进引燃适用性方面是特别有利的。特别地，通过针对吸收特性专门选择等离子体和保护气体可以改进加工控制。
为了特别高效地加工工件，设置成等离子气体喷流垂直地输至工件的加工部位。这实现了最大化能量供应。同时，可以实现从切割槽的材料去除。该方法中的等离子气体喷流造成了由电弧加热的材料的烧蚀。
该方法的优选实施例设置成，等离子体喷流和激光束与环形电极共轴线地输向工件的加工部位。由此，在工件加工的过程中，设定增加等离子气体喷流内的通道的电导率的恒定条件。此外，通过这种共轴线的布置结构，可以扩展环形电极与工件上的加工部位之间的间隙。
该方法的进一步优选的实施例设置成，通过激光设备的激光束与所述电弧设备的电弧的组合，电弧电压或者电弧电流能够被调节并被监测。这使得可以以专门的方式加工材料、例如焊接或切割和部分去除材料、尤其在工件内镂刻或引入轮廓。在当前的焊接源中，电弧电压与电流-间隙之间的联系已经被用作为一种控制变量。监测该间隙可以同时被用于变量与功率控制。这提供了在最优条件下的受控加工的可行性。
本发明的任务在于一种保持工件以便在工件上执行根据第一实施例的加工方法的装置，该任务得以实现在于设置至少一个加工头，通过该加工头，等离子气体喷流从电弧设备指向工件的加工部位，激光设备的一个或多个激光束从外部直接在加工部位之前靠近等离子喷流并与其相交。由此，能够在等离子气体喷流内实现用于增加等离子气体喷流的电导率的通道，通过该通道可以实现电弧的专门引导。在该实施例中，特别可以设置成直接在加工部位之前从外彼此相邻地设置多个激光束，激光束实现了等离子气体喷流的收缩并且防止扩散。
该装置设有根据另一替代实施例的加工头，在该加工头中，激光设备的激光束在等离子气体喷流内被引导，从而等离子气体喷流内的激光束形成增加所述等离子气体喷流的电导率的通道。由此，由于激光束的支持再次改进了等离子体切割工艺。同时，还由于该实施例，可以产生改进的边缘品质以及缩窄的切割连接部和增加的轮廓精度。
该装置的进一步优选的实施例设置成，在加工头内，引向加工部位的激光束和电弧设备的电极是彼此相对固定的。这允许简化启动激光设备和电弧设备沿工件上或内的加工部位相对的引导。由此，确保了同样的环境总是使得通过激光束在等离子气体喷流内产生通道。
加工头优选通过单轴或多轴操纵装置、尤其机器人移动。这提供了灵活的应用准备。
可选地，可以设置成加工头就像扫描仪那样在待加工的工件上方移动。为此目的，加工头优选能够沿位于工件夹具上的工件沿x轴线方向和y轴线方向平移，并且优选能够沿z轴线方向移动，并且至少设置成绕着三个空间轴线中的一个空间轴线枢转。该实施例允许加工头例如在现有结构的激光平板切割机中被采用。此外，这种加工头还可以用于其它现有的设有单轴或多轴直线***的激光切割机中。可以像现有技术那样采用为激光束和光束引导部件提供的连接。
此外，优选设置成电弧设备的电极被形成为环形电极，并且激光束以可行的方式设在电极的中央开口内。这种结构具有简单的设计。此时，作为容易损耗部件的这种环形电极可以迅速且容易替换。
加工头的优选实施例设置成，加工头设有用于形成等离子气体喷流的喷嘴口，并且在该喷嘴口内设置电弧设备的电极。因而，优选地设置成电极被形成为中心穿过激光束的环形电极，或者一个或多个激光束引导到喷嘴口外。该加工头可以包括与用于等离子气体喷流的喷嘴口共轴线的、用于发出保护气体的喷嘴口，该喷嘴口包围等离子气体喷流，通过该喷嘴口，等离子气体喷流的过早加宽得到防止。
根据加工头的进一步优选的实施例，可以设置成电弧设备的电极邻接喷嘴口或位于该喷嘴口内，从而等离子气体在电极周围完全流动，并且优选沿从等离子气体喷流看过去的流动方向，用于保护气体的喷嘴口在等离子气体喷流排出之后位于其喷嘴口以外。以这样的方式，可以确保等离子气体喷流的全面保护。
根据本发明的进一步替代实施例设置成，一个或多个激光束从外输向所述等离子气体喷流以便产生所述通道，这设置成在所述加工部位中存在共同交叉点，所述等离子气体喷流与一个或多个激光束之间的锐角为小于15°、优选小于10°并且尤其小于5°。由此，可以抵消等离子气体喷流的加宽。同时，在等离子气体喷流达到加工部位之前可以在等离子气体喷流内形成通道，以便增加电导率并且确保电弧的引导。
附图说明
在以下的段落中基于附图中示出的实例更加详细地说明并解释本发明以及本发明的其它有利实施例和改型。根据本发明，源自说明书和附图的特征可以单独地或任意组合地应用。在附图中示出了：
图1示出了用于加工工件的装置的示意图；
图2示出了根据图1的装置的加工头的第一实施例的示意图；
图3示出了针对图2的替代实施例的示意性剖视图；并且
图4示出了用于形成加工头的激光设备与电弧设备的替代结构的另一示意性剖视图。
具体实施方式
在图1中，示出了装置11，该装置用于接收在工件夹具14上的板形工件12。在借助于装置11进行加工之前，板形或片形工件12放置在该工件夹具14上。装置11包括控制***16，其中所述控制***设置用于启动激光设备17和电弧设备18。借助于激光设备17产生激光束19，其中所述激光束经由未详细示出的光束引导***被输送至加工头21，并从这里被指向位于工件12上或中的加工部位22。借助于电弧设备18产生等离子气体喷流23，其中所述等离子气体喷流同样经由加工头21输送至加工部位22。在该等离子气体喷流23内引导电弧24，其中所述电弧被引导至加工部位22。
为了加工工件12，设置成加工头21在铺设在工件夹具14上的工件12上方沿X和Y方向借助于所设置的直线轴向运动***或操纵装置至少能够移动。此外，加工头21优选能够沿Z方向移动和/或绕三个空间轴线中的至少一个轴线枢转。多轴线性***或操纵装置例如机器人优选被使用。替代地，可以设置成加工头是静止的或者仅仅能够沿Z轴移动，并且为了加工，工件夹具14沿X和Y方向移动。通过具有激光设备17和电弧设备18的装置11的实施例，实现利用激光引发的等离子体和/或在等离子气体喷流23的通道内引导的电弧24加工工件，因而通道由激光束19形成。为此目的，工件12优选被形成为负电极，而加工头被形成为正电极。取决于专门的应用，这种情况也可以颠倒。激光设备17例如可以采用CO2激光器或UV激光器。同样，短脉冲激光器以及具有长脉冲持续时间的激光器证明是有利的。同样，二极管激光器或者纤维和/或圆盘激光器可以应用。
在附图2至4中，详细地说明用于建立与形成加工头21的各个实施例或布置结构。
在图2中，示出了加工头21的示意性剖视图，在该加工头中，激光束19穿过加工头21居中地引出并且朝向加工部位22引导。等离子气体喷流23相对于激光束19被同轴地引导，因而激光束19和等离子气体喷流23被引导穿过电极26、尤其穿过环形电极26。通过激光束19在等离子气体喷流23中的同轴布置结构，形成一通道27，在所述通道内，电离化的等离子气体具有增加的电导率，从而将电弧24引导至加工部位22。
等离子气流通过环形电极26被收缩并被形成。通过优选同轴引导的激光束19，在加工部位22上可以产生等离子气体喷流23的足点(footpoint)和/或目标点(targetpoint)。例如，由于该实施例，可以取消保护气体，从而可以实现加工头的简化实施例。
供至加工头21的等离子气体喷流23由单原子氩气和/或双原子气体例如电离化的氢气、氮气或氧气组成。另外，电离化的空气可以被用作为等离子气体喷流。特别地，通过针对吸收特性而专门选择保护气体，可以改进加工方式。
环形电极26和/或该环形电极相对于出口的纵向轴线优选垂直于板形工件12和/或垂直于该工件沿X和Y方向的投影平面。环形电极26因而在加工头21上被安置为可替换的环形电极并且尤其设有喷嘴形出口。
在图3中，以示意性剖视图的方式示出了加工头21的替代实施例。环形电极26的开口28位于等离子气体喷嘴31的喷嘴口29中，其中所述等离子气体喷嘴31位于保护喷嘴32的喷嘴开口32内。激光束19也被同轴地引导穿过环形电极26并指向加工部位22。等离子气体喷嘴31收缩所供应的等离子气体，以便通过喷嘴开口29形成等离子气体喷流。随后，等离子气体喷流23借助于保护气体喷嘴32由保护气体包围。该实施例具有与根据图2的实施例相同的优点。等离子气体喷流附加地在保护喷流内输送。以这种方式，等离子气体喷流23能够仍束缚在一起。此外，激光束19聚焦通道27，由此，电弧24同样在加工部位22上被聚焦。
在图4中，以基于图2和3的剖视图示意性示出了加工头21的替代实施例。在该结构中，设置成电极26形成为杆或销并且安置在等离子气体喷嘴31内，因而等离子气体喷流首先由等离子气体喷嘴31成形并且沿朝向加工部位22的方向排出。一个或多个激光束19在等离子气体喷嘴31外指向朝向加工部位22的方向。优选地，激光束19在到达加工部位之时或之前与等离子气体喷流23相交，从而形成增加等离子气体的电导率的通道22，以便使得电弧29偏向并引导电弧。激光束29优选以相对于垂直方向小于15°的角度被倾斜地输送，这形成了等离子气体喷流的输送轴线。优选地，小于10°的角度被设置并且尤其小于5°的角度被设置。以这种方式，在加工部位22之前在激光束19与等离子气体喷流23之间可以实现更大的重叠部分。为了加工工件22、尤其为了分割工件12，优选地设置成首先为了开始这种分割或切割过程，借助于等离子气体喷嘴31与电极26之间的高压首先引燃所谓的导引电弧(pilotarc)。该导引电弧造成等离子气体喷流31与工件12之间的电离化，因而开始电弧24的引燃并且导引电弧断开。因此，等离子气体喷流23在电极26与工件12之间燃烧。在等离子气体喷流23中，通过由激光束19产生的通道27限定排出部分，通过该排出部分引导电弧26并且可以实现材料烧蚀。此外，通过该材料加工、尤其材料去除，获得精确的边缘轮廓。通过引导至切割缝隙的等离子气体喷流23，所去除的材料可以以合适的方式被排离。抽吸可以有效地作为附加的支持。在工件12的加工过程中，优选地设置成优化并且激活激光束19的时间一致性以及电极26的最大电压。这可以借助于共用的基本信号实现，其中所述信号同时用于增加激光设备17的加工能量并且用于扩大电极26的加工能量。取决于加工任务，激光束19的焦点的位置可以位于电极26的直接下方，从而在等离子气体喷流23中出现激光束19与通道27的仅仅稍微加宽。同样，焦点可以位于电极与工件12之间，但还位于工件12下方。此外，足够清楚地，采用等离子切割，在穿透时等离子气体喷流的引燃过程造成了电极、喷嘴与喷嘴帽的显著损耗。通过借助于激光器获得的等离子通道，在气体中出现高能量值，从而对于引燃过程需要更少的能量，这高效地保护电极并因此可以减小损耗。

Claims (13)

1.一种利用激光设备(17)和电弧设备(18)加工工件(12)的方法，其中：
在所述电弧设备(18)与所述工件(12)上的加工部位(22)之间，来自所述电弧设备(18)的等离子气体喷流(23)被输送至所述加工部位(22)，并且电弧(24)在电极(26)与所述工件(12)之间产生，
通过所述激光设备(17)，激光束(19)被聚焦到所述工件(12)上，
其特征在于，
恰在由所述电弧设备(18)产生的等离子气体喷流(23)到达所述工件(12)的加工部位(22)之前，所述激光束(19)从外部被引导至所述等离子气体喷流(23)并且与所述等离子气体喷流(23)相交，
通过位于所述等离子气体喷流(23)内的激光束(19)，电离化的气体浓度沿激光束路径增加，
设置控制***(16)，其控制所述激光设备(17)以及所述电弧设备(18)，并且由所述激光束(19)在所述等离子气体喷流(23)内形成通道(27)，以便以受控的方式增加所述等离子气体喷流(23)的电导率，
所述电弧(24)或等离子气体喷流(23)被用于进行切割。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，通过所述激光束(19)的直径，所述等离子气体喷流(23)内的通道(27)的直径设成收缩所述电弧(24)以便加工所述工件(12)。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述激光束(19)的焦点针对所述电弧设备(18)的电极(26)设定，其中所述焦点位于所述电极(26)上或者位于所述电极(26)与所述工件上的加工部位(22)之间。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述等离子气体喷流(23)由保护气体包围。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述等离子气体喷流(23)被垂直地输到所述工件(12)的加工部位(22)上。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，通过所述激光设备(17)的激光束与所述电弧设备(18)的电弧(24)的组合，电弧电压或者电弧电流或者二者都被调节并被监测。
7.一种用于安装工件以便在工件(12)上进行加工的、执行根据权利要求1至6任一所述的方法的装置，所述装置包括加工装置，所述加工装置包括激光设备(17)以及电弧设备(18)，其特征在于，
设置至少一个加工头(21)，通过所述加工头，等离子气体喷流自所述电弧设备(18)被指向所述工件(12)的加工部位(22)，并且
所述激光设备(17)的一个或多个激光束从外部直接在所述加工部位(22)之前被引导靠近所述等离子气体喷流(23)并与所述等离子气体喷流相交；并且
所述等离子气体喷流(23)内的激光束(19)形成用于增加所述等离子气体喷流(23)的电导率的通道。
8.根据权利要求7所述的装置，其特征在于，输向所述加工部位(22)的激光束(19)和所述电弧设备(18)的电极(26)在所述加工头(21)处是彼此相对静止的。
9.根据权利要求7所述的装置，其特征在于，所述加工头(21)能够借助于单轴或多轴操纵装置移动。
10.根据权利要求9所述的装置，其特征在于，所述加工头(21)能够沿位于工件夹具(14)上的工件(12)在x轴线方向和y轴线方向上移动，并且能够在z轴线方向上移动，并且绕着三个空间轴线中的至少一个空间轴线能够枢转地安装。
11.根据权利要求7所述的装置，其特征在于，所述加工头(21)设有形成所述等离子气体喷流(23)的喷嘴口(29)，该喷嘴口邻近所述电弧设备(18)的电极(26)的开口(28)，其中所述电极形成为环形电极，并且与所述等离子气体喷流(23)的喷嘴口(29)同轴地设置用于发出保护气体的保护喷嘴(32)。
12.根据权利要求11所述的装置，其特征在于，所述电弧设备(18)的电极(26)在所述等离子气体喷嘴的喷嘴口(29)内设置，并且所述等离子气体喷流(23)的喷嘴口(29)在所述用于发出保护气体的喷嘴口内设置。
13.根据权利要求7所述的装置，其特征在于，一个或多个激光束(19)从外输向所述等离子气体喷流(23)以便产生所述通道(27)，这设置成在所述加工部位(22)上存在共同交叉点，所述等离子气体喷流(23)与一个或多个激光束(19)之间的锐角为小于15°。
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