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CN101896308A - 用于借助先行激光束和后随激光束无小孔地激光熔融切割的方法 - Google Patents

用于借助先行激光束和后随激光束无小孔地激光熔融切割的方法 Download PDF

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Abstract

在用于无小孔地熔融切割工件(2)的方法中，其中，该工件(2)通过激光束(3)沿着要产生的切缝(5)被熔化并且在此产生的熔液(7)通过具有高压力的气体射流从已产生的切缝(5)排出，根据本发明至少一个激光射束(4)在切割方向(6)上后随该激光束(3)，该至少一个激光束(4)这样地影响熔液(7)，使得所述工件(2)的两个切割侧面(9a，9b)中的至少一个具有比没有后随激光束(4)的情况下更好的切割质量。

Description

用于借助先行激光束和后随激光束无小孔地激光熔融切割的方法
技术领域
本发明涉及一种用于无小孔(Keyhole-freien)地熔融切割工件的方法，其中，该工件通过激光束沿着要产生的切缝被熔化并且在此产生的熔液通过具有高压力的气体射流从产生的切缝排出。
背景技术
在已知常规的激光熔融切割中，借助CO2激光器或固体激光器产生的激光束熔化材料并且惰性气体(例如氮气或者氩气)以高压力将熔液和熔渣从切缝向下吹出。熔池的形成以及出现的熔流矢量与吸收相关。与常规的激光熔融切割相反，在所谓的小孔激光切割时，该材料不仅被熔化，而且还产生蒸汽。如果该蒸汽流出，那么该蒸汽施加压力到熔液上并且挤排溶液，由此产生细长的蒸汽毛细管(小孔)。该蒸汽毛细管被熔液包围并且随着激光束运动穿过工件。
在借助CO2射束切割钢时可以认为：由于小的布儒斯特最大值，切割前沿的仅一个位置有限的区域最优地吸收激光束，由此熔液的表面温度没有达到沸点。因此，对于较厚的板，熔液排出主要在切割前沿的顶点上进行。由此产生一沿着切割前沿仅些许变化的熔流矢量，因为在这种情况下没有出现表面汽化。结果是非常定向的、聚束的锥形熔液排出，如对于CO2熔融切割已知的一样。
在使用波长在大约1μm范围内的固体激光器时，与具有10.6μm波长的CO2激光器相比，布儒斯特角以及布儒斯特最大值的位置并且因此吸收发生变化。该沿着切割前沿变化的吸收局部地导致具有大的温度梯度的表面汽化。这引起切割前沿顶点中的与温度相关的熔液表面应力的变化并且因此也引起熔流矢量，这些熔流矢量不仅具有垂直的分量，还具有水平的分量。这在时间上是不稳定的并且导致在固体激光器熔融切割中已知的较差的切割棱边基本纹痕形象和较差的切割边缘粗糙度。到目前为止的借助固体激光器在不锈钢中的激光束熔融切割，从大于2mm板厚起显出较差的切割边缘质量、增强毛刺产生以及切割侧面上的增加的氧化。可能的工艺窗口与CO2激光束工艺相比通常是非常小的，并且此外尤其是在中等的和厚的板区域中在切割侧面上可测到明显更差的粗糙度值。
发明内容
因此本发明的任务在于，如下扩展构造开始所述类型的激光熔融切割方法，使得切割质量例如切割边缘粗糙度能够被改善，具体地说尤其是在借助目前在工件上导致提高的水平熔流矢量分量的激光波长和激光强度激光切割的情况下。
该任务根据本发明以这样的方式实现：在切割方向上在激光束后面跟随至少一个激光束，所述至少一个激光束这样地影响熔液，使得工件的两个切割侧面中的至少一个具有比没有后随激光束更好的切割质量，特别是切割边缘粗糙度。
先行的激光束沿着要产生的切缝运动并且实施真正的切割，而该后随的激光束以这样的方式影响切割前沿，即产生对于排出熔液更有利的条件。这通过由后随激光束影响先行激光束切割前沿顶点上的熔液排出来实现。由此，先行激光束的熔液部分(该熔液部分在固体激光器熔融切割时显然地导致已知较差的纹痕形象)在凝固并导致较差的纹痕形象之前，能够不较大影响后来生成的切割侧面地通过惰性气体排出。根据本发明，通过在相应照射角时的吸收比例并且尤其是通过熔液表面应力梯度而确定的熔流在切缝中沿着切割前沿被影响。借助本发明，例如借助高功率的固体激光器，在材料厚度5mm时可获得的平均粗糙度值相对于通常的单点技术可减少多达25％。
在根据本发明方法的优选变型中，该后随激光束相对于该先行激光束侧向错置地照射在工件上。先行激光束的熔液的部分遇到侧向错置的激光束的熔流，该侧向错置的激光束提高该流过来的熔液的温度水平并且减小熔融粘度。后随激光束的水平熔流部分由于较小的熔化体积而更少地脱落并且因此导致更小地影响纹痕形象。优选该后随激光束最大侧向错开该先行激光束的一个直径地照射在工件上，具体地说相对于先行激光束侧向错置一个相对于切割方向大约20°至70°、优选大约40°的角度。在仅一个非对称地后随的激光束的情况下也仅改善一个切割侧面(良好侧)。借助两个在两侧对称地后随的激光束能够改善两个切割侧面，也就是获得两个良好侧。
在根据本发明方法的另一优选变型中，该后随激光束相对于该先行激光束侧向没有错置地并且具有比该先行激光束大的直径地照射在工件上。
该先行激光束和该后随激光束可以在工件上或者在工件内部至少部分地重叠，并且该先行激光束的焦点与该后随激光束的焦点能够在射束方向上相互错置。因为该先行激光束实施真正的切割而该后随激光束应当仅影响切割前沿，所以优选该先行激光束的功率大于该后随激光束的功率，尤其是以大约60∶40的比例分配。
该先行激光束和该后随激光束优选由具有小于10μm、优选大约1μm或者更小的波长的固体激光器产生并且能够是同一激光束的两个分束，这两个分束例如通过双焦点光具产生。该双焦点光具基本上通过射束分配器将原射束分成两个分束，然后这些分束通过切割光具聚焦到板表面上。替代双焦点光具，可设想一衍射光具，该衍射光具不产生两个分束，而是通过例如具有相应强度分配的三角射束成形装置模拟多射束布置。替换地可借助一个或者两个线性焦点工作。
附图说明
从权利要求、说明书、附图中得到本发明的其他优点。在附图中示出本发明的实施例。前面所述的以及还进一步提出的特征也能够单个地或者多个地以任意组合应用。所示出的和描述的实施方式不能理解为全部的列举，而是具有用于描述本发明的示例性特征。附图示出：
图1根据本发明方法的第一变型，其中，先行激光束和在中心后随的激光束分别以相同的能量照射在工件上，
图2根据本发明方法的第二变型，其中，先行激光束和侧向错置地后随的激光束分别以相同的能量照射在工件上，
图3根据本发明方法的第三变型，其中，先行激光束和侧向错置地后随的激光束分别以不同的能量照射在工件上，并且，
图4根据本发明方法的第四变型，其中，先行激光束和两侧各一个侧向错置地后随的激光束分别以相同能量的照射在工件上。
具体实施方式
在图1中示出的射束组件1用于借助一个先行激光束3和一个同心地后随的激光束4激光熔融切割工件2，这两个激光束从上面照射在该工件2上。该先行激光束3在切割方向6上沿着要产生的切缝5运动并且实施真正的切割，其中，在此产生的熔液7通过从喷嘴8排出的、具有高压力的惰性气体射流从已产生的切缝5向下排出。在切割方向6上后随的激光束4在工件2上具有与先行激光束3相同的射束直径以及相同的能量。该射束组件的优点是：与没有后随激光束4的常规激光熔融切割相比更快的切割速度。
在所有示出的实施方式中，该后随激光束4的焦点设置在切割前沿10的后随部分中，并且以双焦点光具(焦距150mm)和以激光束3、4的两个焦点之间的尽可能小的、300μm的点间距进行试验。在试验的范围内调节和检查该尽可能小的300μm的点间距，因为从计算出的聚焦的射束焦散点得知，更大的点间距导致切割前沿的更少照射，因为后随激光束能量的大部分没有到达切割前沿并且由此未被利用地传播通过切缝。
在图2示出的射束组件1中，该后随激光束4相对于先行激光束3侧向错置地照射在工件2上，具体说具有与先行光束3相同的能量和相同的射束直径。该后随光束4大约侧向错开先行激光束3的一个射束半径地照射在工件2上，具体说相对于先行激光束3大约侧向错置40°的角度α。该先行激光束3的熔液7部分与侧向错置地后随的激光束4的熔流相遇，该后随激光束提高流过来的熔液7的温度水平并且减小熔液粘滞性。正如试验已表明，该熔液7及切割前沿10被侧向错置的后随激光束4这样地影响，使得工件2的离后随激光束4最近的切割侧面9b具有比没有后随激光束4情况下更好的切割质量，特别是更小的切割边缘粗糙度。显然，该先行激光束3的在固体激光器熔融切割时导致已知的较差纹痕形象的熔液部分在其凝固并且导致不好的纹痕形象之前，不较大影响后来构成的切割侧面地通过惰性气体射流排出。
在图3中示出的射束组件1与图2的射束组件的区别仅在于，在这里两个激光束3、4不具有相同的能量，而是该先行激光束3具有比后随激光束3更高的能量。如对于60∶40的能量分配试验所显出的那样，这里熔液7也通过侧向错置的后随激光束4被这样地影响，使得离后随激光束4最近的切割侧面9b具有比没有后随激光束4情况下更好的切割质量，特别是更小的切割边缘粗糙度。
在图4示出的射束组件1中，在两侧各有一个相对于该先行激光束3侧向错置的激光束4后随该先行激光束3，由此工件2的两个切割侧面9a，9b具有比没有后随激光束4情况下更好的切割质量。
在借助双焦点光具试验的范围内也调整不同的焦点位置，即焦点位置0mm(激光束3、4的焦点位于工件上侧面上)以及焦点位置-1mm和-2mm(激光束3、4的焦点位于工件中)。
通过双焦点试验表明，具有以40°侧向角度错置的后随激光束4并具有先行激光束3和后随激光束4的改变了的、60∶40的光束分配比例的变型方案实现最好的粗糙度值。对此，分别在离板上侧面/下侧面0.5mm处以及在中间3个测量位置上测量切割侧面的平均粗糙度，其中，粗糙度值向工件下侧升高。在具有不侧向角度错置的后随激光束4的变型方案的情况下以及具有40°侧向角度错置的后随激光束4并且第一与第二激光束3、4的射束分配比例为50∶50的变型方案的情况下，粗糙度值分别大于最先提到的变型方案。
如试验进一步表明，在其它切割参数相同的情况下，气体压力的减小导致在工件下侧上的切割边缘的更强的氧化。

Claims (13)

1.用于无小孔地熔融切割工件(2)的方法，其中，该工件(2)通过激光束(3)沿着要产生的切缝(5)被熔化并且在此产生的熔液(7)通过具有高压力的气体射流从已产生的切缝(5)排出，其特征在于，至少一个激光射束(4)在切割方向(6)上后随该激光束(3)，该至少一个激光束(4)这样地影响该熔液(7)，使得该工件(2)的两个切割侧面(9a，9b)中的至少一个具有比没有后随激光束(4)情况下更好的切割质量，特别是切割边缘粗糙度。
2.根据权利要求1的方法，其特征在于，所述后随激光束(4)影响在先行激光束(3)的切割前沿(10)区域中的、尤其是该切割前沿(10)顶点上的先行激光束(3)的熔液。
3.根据权利要求1或2的方法，其特征在于，所述后随激光束(4)相对于先行激光束(3)侧向错置地照射在所述工件(2)上。
4.根据权利要求3的方法，其特征在于，所述后随激光束(4)最多侧向错开所述先行激光束(3)的一个直径地照射在所述工件(2)上。
5.根据权利要求3或4的方法，其特征在于，所述后随激光束(4)相对于所述先行激光束(3)侧向错开一个相对于切割方向(6)大约20°至70°、优选大约40°的角度(α)地照射在工件(2)上。
6.根据权利要求3至5之一的方法，其特征在于，在切割方向(6)上在两侧各有一个相对于所述先行激光束(3)侧向错置的激光束(4)后随所述先行激光束(3)。
7.根据权利要求1或2的方法，其特征在于，所述后随激光束(4)相对于所述先行激光束(3)在侧向上不错置并且比所述先行激光束(3)具有更大直径地照射在工件(2)上。
8.根据上述权利要求之一的方法，其特征在于，所述先行激光束(3)和所述后随激光束(4)在工件(2)上面或者内部至少部分地重叠。
9.根据上述权利要求之一的方法，其特征在于，所述先行激光束(3)的焦点和所述后随激光束(4)的焦点在射束方向上相互错置。
10.根据上述权利要求之一的方法，其特征在于，所述先行激光束(3)的功率大于所述后随激光束(4)的功率，尤其是以大约60∶40的比例分配。
11.根据上述权利要求之一的方法，其特征在于，所述先行激光束(3)和/或所述后随激光束(4)具有小于10μm、优选大约1μm或者更小的波长。
12.根据上述权利要求之一的方法，其特征在于，至少所述先行激光束(3)借助固体激光器产生。
13.根据上述权利要求之一的方法，其特征在于，所述先行激光束(3)和所述后随激光束(4)是同一激光束的两个分束。
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