用于借助激光射束刺入到金屬工件中的方法以及相應的激光加工機和計算機程序產品與流程

本發明涉及一種用于借助從激光加工噴嘴中射出的激光射束和過程氣體在刺入部位處刺入到金屬工件中的方法，其中，在刺入時在工件表面上圍繞刺入部位沉積一個隆起，本發明還涉及一種適用于實施該刺入方法的激光加工機和一種計算機程序產品。

背景技術：

在借助激光射束刺入到金屬工件中時，尤其是在使用氧氣作為過程氣體時，必須這樣調整激光加工噴嘴到工件的間距，使得將過程氣體最佳地導入到過程點中。在刺入到厚板材(板材厚度≥5mm)時由在刺入孔周圍的、熔化并且又凝固的金屬或金屬氧化物形成隆起，所述隆起的尺寸隨著板材厚度的增大而顯著地增大。在此，特別之處是隆起圍繞刺入部位的柱形生長(也稱為“Hütchen”)。該現象導致，過程氣體耦合隨生長的隆起而改變，從而刺入過程不再能最佳地被實施。因此在實際中在刺入厚板時將激光加工噴嘴到板材的刺入間距調整成恒定，該恒定的刺入間距這樣選擇，使得在“還能容忍的隆起生長”和“還良好的過程氣體耦合”之間產生盡可能最好的平衡。恒定的刺入間距必須始終選擇得這么大，使得隆起不會生長直到貼到激光加工噴嘴上并且在那里引起損傷。

由WO 2013/007674 A1已知一種切割方法，其中，在切割過程期間由間距調節裝置的信號確定工件的表面形貌。

由JP 03000490 A或JPH 04052094 A已知，在刺入時關斷間距調節而在接著的切割時在激光加工頭走過確定的路程之后才又開啟間距調節。在刺入時，將激光加工頭連同其激光加工噴嘴一起相對于工件定位在與在接著的切割時相比較大的間距上。

還由未公布的DE 10 2013 210 845.1已知一種用于借助激光射束和過程氣體刺入金屬工件中的方法，其中，在第一步驟中借助激光射束和過程氣體刺透工件得到刺入孔。在第二步驟中，借助當前調整到較大的焦點直徑的激光射束熔化在第一步驟中圍繞刺入孔在工件表面上沉積的隆起并且在此將其盡可能成型成較平的形狀或將其至少部分地去除。

技術實現要素：

本發明的任務在于，這樣改進開頭提到的類型的方法，使得盡管隆起生長但仍可將過程氣體最佳地耦合到刺入部位中，而不會由于隆起的生長而損害激光加工噴嘴。

根據本發明，該任務以下述方式解決，在刺入期間連續地測量激光加工噴嘴到隆起的間距并且根據所測的間距改變至少一個刺入參數，由此尤其通過改變激光加工噴嘴到工件表面的間距將激光加工噴嘴到隆起的間距調節到預給定的額定間距。

根據本發明，借助間距傳感裝置探測刺入部位處的隆起的生長，然后根據所測的間距改變一個或多個刺入參數。對激光加工噴嘴到隆起(例如到隆起上側面)的間距的測量例如可通過已知的通常布置在激光加工機的加工頭上的電容式間距傳感裝置進行。替代地，也可感應式地或光學地例如通過光段傳感裝置(Lichtschnittsensorik)或借助攝像機測量間距。

優選，被改變的刺入參數涉及激光加工機中的激光加工噴嘴的高度位置(z位置)或涉及激光加工噴嘴到真正的工件表面的間距。在隆起生長時，將激光加工噴嘴到工件表面的間距增大，由此將激光加工噴嘴到隆起的間距調節到預給定的(例如恒定的)額定間距。即，相應于隆起的高度在z軸方向上補充調節激光加工噴嘴(或者說激光加工頭)的位置。通過補充調節來根據隆起最佳地進行所述過程并且顯著地優化所需的過程時間。

對間距傳感裝置的間距數據的分析處理使得在刺入時能推斷出隆起的生長和高度。通過這些信息可在下游實現一調節，該調節在過程進行期間連續地或逐步地調整激光加工噴嘴相對于隆起(即，相對于隆起上側面)的最佳間距。將激光加工噴嘴到隆起的間距調節到預給定的、尤其恒定的額定間距使得相對于已知的解決方案能更好地將過程氣體耦合到刺入部位中，在已知的解決方案中固定地設定激光加工噴嘴到工件表面的間距。激光加工噴嘴到隆起的額定間距可具有恒定值。替代地，所述額定間距在所述過程的進行中可改變。例如，激光加工噴嘴到隆起上側面的間距可朝刺入過程的結束變小，以便不超過激光加工噴嘴到工件表面之間的間距的邊界值。

優選，在刺入期間，根據所測的間距一次地、連續地或逐步地改變以下刺入參數中的至少一個：激光加工噴嘴到工件表面的間距、激光加工噴嘴到隆起的間距、激光射束相對于工件的焦點位置、激光射束的焦點直徑、激光射束的功率、由激光加工噴嘴射出的過程氣體的氣壓、和由激光加工噴嘴射出的過程氣體的氣體種類。通過間距傳感裝置來測量激光加工噴嘴到隆起(或者說到隆起上側面)的間距，但是對此的反應既可通過間距改變也可(附加地或替代地)通過其他調整參數(焦點位置、焦點直徑、功率、鍵頻率(Tastfrequenz)，氣壓，氣體類型(從開始時的氧氣換成氮氣)進行。

在根據本發明的方法的擴展方案中，在刺入期間，替代于由間距調節裝置的傳感器信號地，由激光加工噴嘴與工件表面成直角地走過的路程來求取激光加工噴嘴到真正的工件表面的間距和/或隆起的高度。根據所求取的激光加工噴嘴到工件表面的間距或根據所求取的隆起高度可有利地在刺入期間一次地、連續地或逐步地改變上面提到的其他調整參數中的至少一個。

隨著激光加工噴嘴到真正的工件表面的間距的增大，例如可

-使焦點位置向下移動，以便使焦點位置相對于工件表面保持恒定或按希望改變；

-使焦點直徑改變，以便使工件上的焦點直徑保持恒定或按希望改變。

-提高氣壓，以便使工件處的氣壓保持恒定或按希望改變；

-提高激光射束的功率，以便使工件處的功率保持恒定或按希望改變；

-將過程氣體例如從開始時的氧氣改變成惰性氣體。

根據本發明的方法既可在固體激光器切割機上實施也可在具有二氧化碳激光器的激光切割機上實施并且尤其在刺入到板材厚度為至少10mm的厚板材中時是有利的。

本發明在另一方面還涉及一種激光加工機，其包括：用于產生激光射束的激光射束產生器；可運動的激光加工頭，該激光加工頭具有激光加工噴嘴，激光射束與過程氣體一起從該激光加工噴嘴射出；布置在激光加工頭上的間距傳感裝置，用于測量激光加工噴嘴到工件的間距；機器控制裝置，其用于使激光加工頭運動；和調節裝置，該調節裝置被編程，以便在借助激光射束刺入到金屬工件中期間根據所測量的激光加工噴嘴到隆起(該隆起在刺入時圍繞刺入部位在工件表面上沉積)的間距來改變至少一個刺入參數，尤其是通過改變激光加工機中的激光加工頭的高度位置來將激光加工噴嘴到隆起的間距調節到預給定的額定間距。

本發明還涉及一種計算機程序產品，其具有代碼單元，當該程序在激光加工機的控制裝置上運行時，該代碼單元被適配用于實施根據本發明的刺入方法的所有步驟。

本發明的主題的其他優點和有利構型可由說明書、附圖和權利要求書中得到。之前提出的特征或之后還會舉出的特征同樣可自身單獨使用或在多個特征的情況下以任意組合使用。所示出和所描述的實施方式不應理解為窮舉，而是具有用于說明本發明的示例性特征。

附圖說明

附圖示出：

圖1一種適用于實施根據本發明的刺入方法的激光切割機；

圖2a-2d在根據本發明的刺入方法的情況下在時間上的進展；以及

圖3在用靜止的激光加工頭進行的刺入過程期間電容式間距傳感裝置的變化的測量值在時間上的變化過程。

具體實施方式

在圖1中立體地示出實施為激光切割機的激光加工機1。其他實施例例如是激光焊接機或組合式的沖壓切割/激光切割機。該激光加工機1例如具有二氧化碳激光器、半導體激光器或固定激光器作為激光射束產生器2、可在X、Y、Z方向上移動的激光加工頭3、和工件支承件4。在激光射束產生器2中產生激光射束5，該激光射束借助(未示出)的光導纜線或(未示出)的轉向鏡從激光射束產生器2被引導到激光加工頭3。借助布置在激光加工頭3中的聚焦光具使激光射束5對準工件6，該工件布置在工件支承件4上。此外，激光加工機1被供應以過程氣體7，例如氧氣和氮氣。替代地或附加地也可設置壓力空氣或專用氣體。各種氣體的使用與待加工工件6的材料和切割棱邊方面的質量要求有關。過程氣體7被供應給激光加工頭3的激光加工噴嘴8，所述過程氣體與激光射束5一起從所述激光加工噴嘴射出。

在激光加工頭3中集成有間距傳感裝置9，其用于電容式地測量激光加工噴嘴8和工件6之間的間距A。所述間距測量替代地也可感應式地或光學地進行。

激光加工機1還包括機器控制裝置10，用于使激光加工頭3連同激光加工噴嘴8一起在X、Y、Z方向上運動。

在圖2a至2d中示出在根據本發明地刺入到工件6中時在時間上的進展。所述工件6例如可涉及由鋼制成的板材，該板材的板材厚度為至少10mm。

圖2a示出刺入過程的開始(時間點t0)，其中，可借助脈沖式或連續的激光射束5并且用氧氣作為過程氣體7在刺入部位11處刺入到工件6中。激光加工噴嘴8到工件表面12的初始噴嘴間距A0相應于固定地預給定的例如為5mm的額定間距B。

在圖2b中在時間點t1借助激光射束5和過程氣體7將刺入孔13刺入到工件表面12中，該刺入孔的深度約為工件厚度的1/3。在刺入時融化的工件材料圍繞刺入孔13沉積并且在工件上側面12上形成隆起14。在刺入期間，連續地用間距傳感裝置9測量激光加工噴嘴8到隆起14的間距并且借助集成在機器控制裝置10中的調節裝置15將該間距調節到額定間距B。由于隆起14長高，所以激光加工噴嘴8到真正的工件表面12的噴嘴間距A1改變并且比初始噴嘴間距A0大，所大的值為隆起14的高度H(A1>A0)。此外，隨著噴嘴間距A的改變，與刺入過程相關地有意義的是：通過機器控制裝置10或調節裝置15相對于工件表面12適配激光射束5的焦點位置。尤其可將所述焦點位置向下移動，以便使焦點相對于工件6的位置保持恒定。

在圖2c中，刺入孔13在時間點t2的深度約為工件厚度的2/3。隆起14的厚度H相應地進一步增長并且激光加工噴嘴8到隆起14的間距被調節到額定間距B。由于隆起14進一步長高，所以激光加工噴嘴8到真正的工件表面12的噴嘴間距A2也增長并且比初始噴嘴間距A0大，所大的值為隆起14的高度H(A2>A1>A0)。

最后，圖2d示出時間點t3，在該時間點刺透刺入孔13并且刺入過程結束。如果隆起14，如在圖2d中示出的那樣，已從工件上側面12脫離，則激光加工噴嘴8相對于工件表面12又處于初始間距A0。

替代于或附加于調節激光加工噴嘴8到隆起14的間距或適配焦點位置，也可根據噴嘴間距A或隆起14的高度H來改變其他刺入參數，即：

-焦點直徑，以便使工件6上的焦點直徑保持恒定；

-過程氣體7的氣壓，以便使工件6處的氣壓保持恒定。在圖2a至2c中氣壓的上升示意性地通過流動箭頭的不同寬度表示；

-激光射束5的功率，以便使工件6上的功率保持恒定；

-過程氣體7的氣體種類，例如從開始時的氧氣改變為惰性氣體。

為此，在刺入期間由激光加工噴嘴8的與工件表面12成直角地走過的路程來求取噴嘴間距A和/或隆起14的高度H。

在圖3中示例性地示出在用靜止的激光加工頭3進行的刺入過程期間電容式間距傳感裝置9的變化的測量值(過濾過的)在時間上的變化過程。測量值由于隆起14的生長，即由于隆起上側面和激光加工噴嘴8之間的間距的減小而改變。所測量的傳感器信號變化過程例如可借助存放在調節裝置15中的、之前在測試測量中通過實踐求取的換算特征曲線來換算成激光加工噴嘴8到隆起14的實際間距的變化過程。所求取的數據用作用于調節激光加工噴嘴8和隆起14之間的間距的基礎。