專利名稱：用于借助先行激光束和后隨激光束無小孔地激光熔融切割的方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種用于無小孔(Keyhole-freien)地熔融切割工件的方法，其中，該 工件通過激光束沿著要產生的切縫被熔化并且在此產生的熔液通過具有高壓力的氣體射 流從產生的切縫排出。
背景技術：
在已知常規(guī)的激光熔融切割中，借助C02激光器或固體激光器產生的激光束熔化 材料并且惰性氣體(例如氮氣或者氬氣)以高壓力將熔液和熔渣從切縫向下吹出。熔池的 形成以及出現(xiàn)的熔流矢量與吸收相關。與常規(guī)的激光熔融切割相反，在所謂的小孔激光切 割時，該材料不僅被熔化，而且還產生蒸汽。如果該蒸汽流出，那么該蒸汽施加壓力到熔液 上并且擠排溶液，由此產生細長的蒸汽毛細管(小孔)。該蒸汽毛細管被熔液包圍并且隨著 激光束運動穿過工件。在借助C02射束切割鋼時可以認為由于小的布儒斯特最大值，切割前沿的僅一個 位置有限的區(qū)域最優(yōu)地吸收激光束，由此熔液的表面溫度沒有達到沸點。因此，對于較厚的 板，熔液排出主要在切割前沿的頂點上進行。由此產生一沿著切割前沿僅些許變化的熔流 矢量，因為在這種情況下沒有出現(xiàn)表面汽化。結果是非常定向的、聚束的錐形熔液排出，如 對于C02熔融切割已知的一樣。在使用波長在大約1 ii m范圍內的固體激光器時，與具有10. 6 ii m波長的C02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發(fā)生變化。該沿著切割前沿 變化的吸收局部地導致具有大的溫度梯度的表面汽化。這引起切割前沿頂點中的與溫度相 關的熔液表面應力的變化并且因此也引起熔流矢量，這些熔流矢量不僅具有垂直的分量， 還具有水平的分量。這在時間上是不穩(wěn)定的并且導致在固體激光器熔融切割中已知的較差 的切割棱邊基本紋痕形象和較差的切割邊緣粗糙度。到目前為止的借助固體激光器在不銹 鋼中的激光束熔融切割，從大于2mm板厚起顯出較差的切割邊緣質量、增強毛刺產生以及 切割側面上的增加的氧化?？赡艿墓に嚧翱谂cC02激光束工藝相比通常是非常小的，并且 此外尤其是在中等的和厚的板區(qū)域中在切割側面上可測到明顯更差的粗糙度值。

發(fā)明內容
因此本發(fā)明的任務在于，如下擴展構造開始所述類型的激光熔融切割方法，使得 切割質量例如切割邊緣粗糙度能夠被改善，具體地說尤其是在借助目前在工件上導致提高 的水平熔流矢量分量的激光波長和激光強度激光切割的情況下。該任務根據本發(fā)明以這樣的方式實現(xiàn)在切割方向上在激光束后面跟隨至少一個 激光束，所述至少一個激光束這樣地影響熔液，使得工件的兩個切割側面中的至少一個具 有比沒有后隨激光束更好的切割質量，特別是切割邊緣粗糙度。先行的激光束沿著要產生的切縫運動并且實施真正的切割，而該后隨的激光束以
3這樣的方式影響切割前沿，即產生對于排出熔液更有利的條件。這通過由后隨激光束影響 先行激光束切割前沿頂點上的熔液排出來實現(xiàn)。由此，先行激光束的熔液部分(該熔液部 分在固體激光器熔融切割時顯然地導致已知較差的紋痕形象)在凝固并導致較差的紋痕 形象之前，能夠不較大影響后來生成的切割側面地通過惰性氣體排出。根據本發(fā)明，通過在 相應照射角時的吸收比例并且尤其是通過熔液表面應力梯度而確定的熔流在切縫中沿著 切割前沿被影響。借助本發(fā)明，例如借助高功率的固體激光器，在材料厚度5mm時可獲得的 平均粗糙度值相對于通常的單點技術可減少多達25%。在根據本發(fā)明方法的優(yōu)選變型中，該后隨激光束相對于該先行激光束側向錯置地 照射在工件上。先行激光束的熔液的部分遇到側向錯置的激光束的熔流，該側向錯置的激 光束提高該流過來的熔液的溫度水平并且減小熔融粘度。后隨激光束的水平熔流部分由于 較小的熔化體積而更少地脫落并且因此導致更小地影響紋痕形象。優(yōu)選該后隨激光束最大 側向錯開該先行激光束的一個直徑地照射在工件上，具體地說相對于先行激光束側向錯置 一個相對于切割方向大約20°至70°、優(yōu)選大約40°的角度。在僅一個非對稱地后隨的激 光束的情況下也僅改善一個切割側面(良好側)。借助兩個在兩側對稱地后隨的激光束能 夠改善兩個切割側面，也就是獲得兩個良好側。在根據本發(fā)明方法的另一優(yōu)選變型中，該后隨激光束相對于該先行激光束側向沒 有錯置地并且具有比該先行激光束大的直徑地照射在工件上。該先行激光束和該后隨激光束可以在工件上或者在工件內部至少部分地重疊，并 且該先行激光束的焦點與該后隨激光束的焦點能夠在射束方向上相互錯置。因為該先行激 光束實施真正的切割而該后隨激光束應當僅影響切割前沿，所以優(yōu)選該先行激光束的功率 大于該后隨激光束的功率，尤其是以大約60 40的比例分配。該先行激光束和該后隨激光束優(yōu)選由具有小于川^！^優(yōu)選大約丨?。。。?！或者更小的 波長的固體激光器產生并且能夠是同一激光束的兩個分束，這兩個分束例如通過雙焦點光 具產生。該雙焦點光具基本上通過射束分配器將原射束分成兩個分束，然后這些分束通過 切割光具聚焦到板表面上。替代雙焦點光具，可設想一衍射光具，該衍射光具不產生兩個分 束，而是通過例如具有相應強度分配的三角射束成形裝置模擬多射束布置。替換地可借助 一個或者兩個線性焦點工作。


從權利要求、說明書、附圖中得到本發(fā)明的其他優(yōu)點。在附圖中示出本發(fā)明的實施 例。前面所述的以及還進一步提出的特征也能夠單個地或者多個地以任意組合應用。所示 出的和描述的實施方式不能理解為全部的列舉，而是具有用于描述本發(fā)明的示例性特征。 附圖示出圖1根據本發(fā)明方法的第一變型，其中，先行激光束和在中心后隨的激光束分別 以相同的能量照射在工件上，圖2根據本發(fā)明方法的第二變型，其中，先行激光束和側向錯置地后隨的激光束 分別以相同的能量照射在工件上，圖3根據本發(fā)明方法的第三變型，其中，先行激光束和側向錯置地后隨的激光束 分別以不同的能量照射在工件上，并且，
圖4根據本發(fā)明方法的第四變型，其中，先行激光束和兩側各一個側向錯置地后 隨的激光束分別以相同能量的照射在工件上。
具體實施例方式在圖1中示出的射束組件1用于借助一個先行激光束3和一個同心地后隨的激光 束4激光熔融切割工件2，這兩個激光束從上面照射在該工件2上。該先行激光束3在切割 方向6上沿著要產生的切縫5運動并且實施真正的切割，其中，在此產生的熔液7通過從噴 嘴8排出的、具有高壓力的惰性氣體射流從已產生的切縫5向下排出。在切割方向6上后 隨的激光束4在工件2上具有與先行激光束3相同的射束直徑以及相同的能量。該射束組 件的優(yōu)點是與沒有后隨激光束4的常規(guī)激光熔融切割相比更快的切割速度。在所有示出的實施方式中，該后隨激光束4的焦點設置在切割前沿10的后隨部 分中，并且以雙焦點光具(焦距150mm)和以激光束3、4的兩個焦點之間的盡可能小的、 300 u m的點間距進行試驗。在試驗的范圍內調節(jié)和檢查該盡可能小的300 u m的點間距，因 為從計算出的聚焦的射束焦散點得知，更大的點間距導致切割前沿的更少照射，因為后隨 激光束能量的大部分沒有到達切割前沿并且由此未被利用地傳播通過切縫。在圖2示出的射束組件1中，該后隨激光束4相對于先行激光束3側向錯置地照 射在工件2上，具體說具有與先行光束3相同的能量和相同的射束直徑。該后隨光束4大 約側向錯開先行激光束3的一個射束半徑地照射在工件2上，具體說相對于先行激光束3 大約側向錯置40°的角度a。該先行激光束3的熔液7部分與側向錯置地后隨的激光束4 的熔流相遇，該后隨激光束提高流過來的熔液7的溫度水平并且減小熔液粘滯性。正如試 驗已表明，該熔液7及切割前沿10被側向錯置的后隨激光束4這樣地影響，使得工件2的 離后隨激光束4最近的切割側面9b具有比沒有后隨激光束4情況下更好的切割質量，特別 是更小的切割邊緣粗糙度。顯然，該先行激光束3的在固體激光器熔融切割時導致已知的 較差紋痕形象的熔液部分在其凝固并且導致不好的紋痕形象之前，不較大影響后來構成的 切割側面地通過惰性氣體射流排出。在圖3中示出的射束組件1與圖2的射束組件的區(qū)別僅在于，在這里兩個激光 束3、4不具有相同的能量，而是該先行激光束3具有比后隨激光束3更高的能量。如對于 60 40的能量分配試驗所顯出的那樣，這里熔液7也通過側向錯置的后隨激光束4被這樣 地影響，使得離后隨激光束4最近的切割側面9b具有比沒有后隨激光束4情況下更好的切 割質量，特別是更小的切割邊緣粗糙度。在圖4示出的射束組件1中，在兩側各有一個相對于該先行激光束3側向錯置的 激光束4后隨該先行激光束3，由此工件2的兩個切割側面9a，9b具有比沒有后隨激光束4 情況下更好的切割質量。在借助雙焦點光具試驗的范圍內也調整不同的焦點位置，即焦點位置0mm(激光 束3、4的焦點位于工件上側面上)以及焦點位置-1mm和_2mm(激光束3、4的焦點位于工 件中)。通過雙焦點試驗表明，具有以40°側向角度錯置的后隨激光束4并具有先行激光 束3和后隨激光束4的改變了的、60 40的光束分配比例的變型方案實現(xiàn)最好的粗糙度 值。對此，分別在離板上側面/下側面0. 5mm處以及在中間3個測量位置上測量切割側面的平均粗糙度，其中，粗糙度值向工件下側升高。在具有不側向角度錯置的后隨激光束4的 變型方案的情況下以及具有40°側向角度錯置的后隨激光束4并且第一與第二激光束3、4 的射束分配比例為50 50的變型方案的情況下，粗糙度值分別大于最先提到的變型方案。
如試驗進一步表明，在其它切割參數(shù)相同的情況下，氣體壓力的減小導致在工件 下側上的切割邊緣的更強的氧化。
權利要求
用于無小孔地熔融切割工件(2)的方法，其中，該工件(2)通過激光束(3)沿著要產生的切縫(5)被熔化并且在此產生的熔液(7)通過具有高壓力的氣體射流從已產生的切縫(5)排出，其特征在于，至少一個激光射束(4)在切割方向(6)上后隨該激光束(3)，該至少一個激光束(4)這樣地影響該熔液(7)，使得該工件(2)的兩個切割側面(9a，9b)中的至少一個具有比沒有后隨激光束(4)情況下更好的切割質量，特別是切割邊緣粗糙度。
2.根據權利要求1的方法，其特征在于，所述后隨激光束(4)影響在先行激光束(3)的 切割前沿(10)區(qū)域中的、尤其是該切割前沿(10)頂點上的先行激光束(3)的熔液。
3.根據權利要求1或2的方法，其特征在于，所述后隨激光束(4)相對于先行激光束 (3)側向錯置地照射在所述工件(2)上。
4.根據權利要求3的方法，其特征在于，所述后隨激光束(4)最多側向錯開所述先行激 光束(3)的一個直徑地照射在所述工件(2)上。
5.根據權利要求3或4的方法，其特征在于，所述后隨激光束(4)相對于所述先行激光 束⑶側向錯開一個相對于切割方向(6)大約20°至70°、優(yōu)選大約40°的角度(a)地 照射在工件(2)上。
6.根據權利要求3至5之一的方法，其特征在于，在切割方向(6)上在兩側各有一個相 對于所述先行激光束(3)側向錯置的激光束(4)后隨所述先行激光束(3)。
7.根據權利要求1或2的方法，其特征在于，所述后隨激光束(4)相對于所述先行激光 束(3)在側向上不錯置并且比所述先行激光束(3)具有更大直徑地照射在工件(2)上。
8.根據上述權利要求之一的方法，其特征在于，所述先行激光束(3)和所述后隨激光 束(4)在工件(2)上面或者內部至少部分地重疊。
9.根據上述權利要求之一的方法，其特征在于，所述先行激光束(3)的焦點和所述后 隨激光束(4)的焦點在射束方向上相互錯置。
10.根據上述權利要求之一的方法，其特征在于，所述先行激光束(3)的功率大于所述 后隨激光束(4)的功率，尤其是以大約60 40的比例分配。
11.根據上述權利要求之一的方法，其特征在于，所述先行激光束(3)和/或所述后隨 激光束⑷具有小于川^！^優(yōu)選大約丄！?。。?！或者更小的波長。
12.根據上述權利要求之一的方法，其特征在于，至少所述先行激光束(3)借助固體激 光器產生。
13.根據上述權利要求之一的方法，其特征在于，所述先行激光束(3)和所述后隨激光 束(4)是同一激光束的兩個分束。
全文摘要
在用于無小孔地熔融切割工件(2)的方法中，其中，該工件(2)通過激光束(3)沿著要產生的切縫(5)被熔化并且在此產生的熔液(7)通過具有高壓力的氣體射流從已產生的切縫(5)排出，根據本發(fā)明至少一個激光射束(4)在切割方向(6)上后隨該激光束(3)，該至少一個激光束(4)這樣地影響熔液(7)，使得所述工件(2)的兩個切割側面(9a，9b)中的至少一個具有比沒有后隨激光束(4)的情況下更好的切割質量。
文檔編號B23K26/06GK101896308SQ200880120237
公開日2010年11月24日 申請日期2008年12月9日 優(yōu)先權日2007年12月11日
發(fā)明者T·霍夫曼 申請人:通快機床兩合公司