用求取过程辐射强度刺钻切金属工件的方法和加工机器技术

本发明专利技术涉及一种用于以激光加工过程对金属工件进行穿刺、钻孔或切割的方法，包括：使脉冲式激光射束聚焦到工件上的加工位置上；检测从加工位置发出的过程辐射；求取这样的时间点(tPP,S)，在该时间点上，在脉冲式激光射束的激光脉冲(LP)后跟随有脉冲间歇(PP)；求取在脉冲间歇(PP)期间的多个相继跟随的时间点(tM1，tM2，tM3，…)上的过程辐射强度(IP1，IP2，IP3，…)；多次确定在各两个在时间上相继跟随的时间点(tM1，tM2；tM2，tM3)之间的过程辐射强度(IP)梯度(dIP1-P2/dt，dIP2-P3/dt，…)并且该梯度(dIP1-P2/dt，dIP2-P3/dt，…)与梯度阈值(dIP,S/dt)比较；如果超过梯度阈值(dIP,S/dt)的次数处于预给定的极限值以上，则检测工件上的自发式材料去除。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术涉及一种用于以激光加工过程对金属工件进行穿刺、钻孔或者切割的方法以及一种用于执行该方法的加工机器。
技术介绍
在利用激光射束穿刺、钻孔和切割到金属工件材料中的情况下、尤其在利用氧气作为过程气体支持该加工过程的情况下，可能出现自发式、通常不期望的材料去除过程。在穿刺的情况下，自发式材料去除可能如此剧烈，使得去除掉不可接受的大颗粒量。此外，在激光加工机器中，自发式材料去除可能会导致污染、损伤或者甚至毁坏靠近加工过程的光学元件和加工喷嘴。在JP 2003251477 A中描述了用于产生孔的激光加工装置和激光加工方法，该激光加工装置和该激光加工方法构造用于，直接在错误孔的产生之后识别出错误。为此，分支出一部分脉冲式加工激光射束。经分支的分射束的脉冲能或脉冲功率被积分并且将积分的值与用于产生孔所需的预给定的许可能量水平相比较。在JP 8010976 A中描述了一种用于穿刺到工件中的方法，其中，探测工件上反射的辐射强度并且与阈值相比较，以便决定是否结束该穿刺过程。由DE 3926859 A1、DE 4336136 A1、EP 0470583 B1、JP 06091384 A和JP 06246466 A已知，通过测量从工件发出的(过程-)射束来探测自发式材料去除过程(blow up)的出现和/或穿刺过程的结束。在这些文献中建议，通过将连续地探测的光线量与事先确定的基准值或者极限值相比较来探测所出现的不期望的过程状态。在超过极限值时，可以通过控制该加工机器来改变加工参数，以便防止自发式材料去除。在明显超过极限值时停止加工。在此致力于，将用于穿孔或钻孔所需的时间尽可能保持很短，以便提高激光加工机器的生产率。但是这个时间在没有显著降低穿孔质量的情况下并不能够任意地缩短，因为在引入过多能量的情况下会导致上述的自发式材料去除过程。
技术实现思路
本专利技术的任务在于，提供一种方法和一种加工机器，该方法和该加工机器能够实现在激光加工过程期间在穿刺、钻孔或者切割工件时对自发式材料去除过程进行探测并且尤其监控。本专利技术的第一方面涉及一种开头提到类型的方法，其包括以下步骤：使脉冲式激光射束聚焦到工件上的加工位置上；检测从加工位置发出的过程辐射；求取到这样的时间点，在该时间点上，在脉冲式激光射束的激光脉冲后跟随有脉冲间歇；求取到在脉冲间歇期间的多个相继跟随的时间点上的过程辐射强度；多次确定在各两个相继跟随的时间点之间的过程辐射强度梯度并且将该梯度与梯度阈值相比较；如果用上述方式所确定的梯度超过了阈值的次数处于预给定的极限值以上时，则探测工件上的自发式材料去除。由工件上的加工位置所求取到的过程辐射(该过程辐射的波长典型地处于红外波长范围内)在激光加工过程期间连续地或准连续地(即以例如约100毫秒的数量级的高扫描率)在相继跟随的测量点上被检测或者被确定其强度。时间区间精确的开始时间点和结束时间点(在该时间区间中，脉冲间歇跟随在激光脉冲之后)典型地依据激光控制装置的激光参数来求取，该激光控制装置预给定了脉冲式激光射束的脉冲频率以及占空比。在脉冲间歇期间(即周期持续时间的这样的子区间：在该子区间内，激光射束不作用于工件)，过程辐射的强度具有衰减特性，依据该衰减特性能够得出关于激光加工过程的瞬时稳定性或非稳定性的结论。如果过程辐射强度在时间上的走向不遵循由引入的激光功率所决定的确定性，则这是一个提示：即该过程达到了一定程度的固有动态，也就是说，出现了自发式、爆炸式的材料去除。如果探测到这种自发式材料去除，则可以影响该激光过程，以便使加工过程稳定。但是，为了减少穿刺时间也可以的是，有针对性地如此控制该激光加工过程，使得出现自发式材料去除，如同下面还要详细解释的那样。过程辐射强度的梯度是针对衰减特性的尺度并且在稳定的(或者说非临界的)激光加工过程时在脉冲间歇中理应假定足够大的(负的)值。在此，过程辐射强度的梯度准连续地通过在直接相继跟随的两个扫描时间点(或者说测量时间点)所测得的过程辐射强度的差值形成来确定。扫描时间点典型以例如100μs的(恒定的)时间间隔。如果以上述方式求取到的梯度多次地、即超过多个扫描时间点仍未取得足够大的负的值(梯度阈值)，则识别出临界的材料去除。也就是说，对(负的)阈值的超过的频度进而超过的持续时间是用于临界的材料去除的特征。针对梯度斜率的梯度阈值以及针对许可超过梯度阈值的次数的极限值可以存储在分析处理单元中，通过该分析处理单元实现对测得强度的分析处理。这些数据也可以存储在其它位置或其它装置中，所述其它位置或其它装置与分析处理单元处于信号技术连接。例如，这些数据可以通过测试测量(即通过在测试工件上以典型的激光和过程参数进行钻孔试验、穿刺试验或者切割试验)求取。通过针对许可超过的次数而对阈值和极限值的选择最终调整了激光加工过程的目标质量。通常，上文所述对自发式材料去除针对激光加工过程的每个激光脉冲和每个随后的脉冲间歇来探测。脉冲式激光射束的典型脉冲频率处于约1Hz至低于切割频率(约5000Hz)之间的范围内。但也可以的是，从这个范围向下偏离(到所谓的“紫外低频”范围内)或者向上偏离(也就是偏离到几千赫兹或者甚至兆赫兹范围内)。根据可供使用的数据处理的速度，尤其可以在脉冲频率高的情况下实现分析处理，必要时可只在每两个、每三个、…激光脉冲(和紧接的脉冲间歇)时实现分析处理。优选地，在按照本专利技术的方法的改进方案中，确定所检测到的过程辐射连续在激光加工过程直至目前的持续时间上的平均强度，并且，为了探测自发式材料去除，将过程辐射在脉冲间歇中(尤其在过程间歇结束时)的强度与强度阈值相比较，该强度阈值与所述平均强度相关。除了在脉冲间歇中的过程辐射梯度以外，通过这种方式使过程辐射在脉冲间歇中的绝对值对于自发式材料去除的出现或者不出现是重要的。也就是说，在检验存在或者不存在自发式材料去除时，除了这种检验以外，也可以依据梯度来检验出：过程辐射在脉冲间歇中的强度的绝对值是否落到在激光加工过程的整个直至目前的持续时间上所获取的平均强度以下，或者说是否落到由这个强度根据要实现的目标质量通过以过程特定的因数加权所确定的强度阈值以下。为了确定平均强度(也称为过程曲线)，在各个扫描时间点或测量时间点上探测到的过程辐射强度从加工过程开始(例如从穿刺开始)相加并且除以自过程开始起直至目前的测量时间点的次数。自本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于以激光加工过程对金属工件(8)进行穿刺、钻孔或者切割的方法，包括：‑使脉冲式激光射束(6)聚焦到所述工件(8)上的加工位置(B)上，‑检测从所述加工位置(B)发出的过程辐射(7)，‑求取这样的时间点(tPP,S)：在该时间点上，在所述脉冲式激光射束(6)的激光脉冲(LP)后跟随有脉冲间歇(PP)，‑求取所述过程辐射(7)在所述脉冲间歇(PP)期间的多个相继跟随的时间点(tM1，tM2，tM3，…)上的强度(IP1，IP2，IP3，…)，‑多次确定所述过程辐射(7)在各两个在时间上相继跟随的时间点(tM1，tM2；tM2，tM3)之间的强度(IP)梯度(dIP1‑P2/dt，dIP2‑P3/dt，…)，并且将该梯度(dIP1‑P2/dt，dIP2‑P3/dt，…)与梯度阈值(dIP,S/dt)相比较，以及‑如果超过所述梯度阈值(dIP,S/dt)的次数处于预给定的极限值以上，则探测所述工件(8)上的自发式材料去除。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2012.10.22 DE 102012219196.81.一种用于以激光加工过程对金属工件(8)进行穿刺、钻孔或者切
割的方法，包括：
-使脉冲式激光射束(6)聚焦到所述工件(8)上的加工位置(B)上，
-检测从所述加工位置(B)发出的过程辐射(7)，
-求取这样的时间点(tPP,S)：在该时间点上，在所述脉冲式激光射束(6)
的激光脉冲(LP)后跟随有脉冲间歇(PP)，
-求取所述过程辐射(7)在所述脉冲间歇(PP)期间的多个相继跟随
的时间点(tM1，tM2，tM3，…)上的强度(IP1，IP2，IP3，…)，
-多次确定所述过程辐射(7)在各两个在时间上相继跟随的时间点
(tM1，tM2；tM2，tM3)之间的强度(IP)梯度(dIP1-P2/dt，dIP2-P3/dt，…)，并
且将该梯度(dIP1-P2/dt，dIP2-P3/dt，…)与梯度阈值(dIP,S/dt)相比较，以及
-如果超过所述梯度阈值(dIP,S/dt)的次数处于预给定的极限值以上，
则探测所述工件(8)上的自发式材料去除。
2.如权利要求1所述的方法，其中，确定所检测到的过程辐射(7)
连续在所述激光加工过程直至目前的持续时间上的平均强度(<IP>)，并且，
为了探测自发式材料去除，将所述过程辐射(7)在所述脉冲间歇(PP)中
的强度(IP)与强度阈值(IP,S)相比较，该强度阈值与所述平均强度(<IP>)
相关。
3.如上述权利要求中任一项所述的方法，其中，在探测自发式材料去
除时，改变所述脉冲式激光射束(6)的至少一个激光参数(tLP，tPP)。
4.如权利要求3所述的方法，其中，在探测自发式材料去除时，延迟
或者禁止所述脉冲式激光射束(6)对所述工件(8)的重新作用。
5.如上述权利要求中任一项所述的方法，其中，在探测自发式材料去
除时，改变所述激光加工过程的至少一个加工参数(A)。
6.如上述权利要求中任一项所述的方法，其中，在探测自发式材料去
除时，只有在一次或者在多次超过所述梯度(dIP1-P2/dt，dIP2-P3/dt，…)的
容许阈值(dIP,DS/dt)的情况下才改变所述脉冲式激光射束(6)的至少一个
激光参数(tLP，tPP)和/或所述激光加工过程的至少一个加工参数(A)。
7.一种用于以激光加工过程对金属工件(8)进行穿刺、钻孔或者切
割的方法，包括：
-使尤其脉冲式激光射束(6)聚焦到所述工件(8)上的加工位置(B)
上，
-使平行于所述激光射束(6)的射束方向(Z)走向的过程气束(22)
朝着所述加工位置(B)定向，以及
-检测从所述加工位置(B)发出的过程辐射(7)，其中，当依据所检
测到的过程辐射(7)来探测自发式材料去除时，使相对于所述激光射束(6)
的射束方向(Z)以角度(α)走向的辅助气束(23)朝着所述加工位置(B)
定向。
8.如权利要求7所述的方法，还包括步骤：
-求取这样的时间点(tPP,S)：在该时间点上，在所述脉冲式激光射束(6)
的激光脉冲(LP)后跟随有脉冲间歇(PP)，
-求取所述过程辐射(7)在所述脉冲间歇(PP)期间的多个相继跟随
的时间点(tM1，tM2，tM3，…)上的强度(IP1，IP2，IP3，…)，
-多次确定所述过程辐射(7)在各两个在时间上相继跟随的时间点
(tM1，tM2；tM2，tM3)之间的强度(IP)梯度(dIP1-P2/dt，dIP2-P3/dt，…)，并
且将该梯度(dIP1-P2/dt，dIP2-P3/dt，…)与梯度阈值(dIP,S/dt)相比较，其中，
如果超过所述梯度阈值(dIP,S/dt)的次数处于预给定的极限值以上，则探测
所述工件(8)上的自发式材料去除。
9.如权利要求7或8所述的方法，其特征在于，所述过程气束(22)
是氧气束，并且，所述辅助气束(23)是惰性气束、氮气束或者空气束。
10.如权利要求7至9中任一项所述的方法，其特征在于，所述辅助
气束(23)以高于所述过程气束(22)的压力朝着所述加工位置(B)指向。
11.如权利要求7至10中任一项所述的方法，其特征在于，在探测自
发式材料去除时，减小所述过程气束(22)的体积流。
12.一种用于以激光加工过程对金属工件(8)进行穿刺、钻孔或者切
割的加工机器(1)，包括：
-激光源(2)，用于产生脉冲式激光射束(6)，
-聚焦装置(16)，用于使所述激光射束(6)聚焦到所述工件(8)上
的加工位置(B)上，
-测量装置(18)...

【专利技术属性】
技术研发人员：M·施皮斯，M·布拉施卡，
申请(专利权)人：通快机床两合公司，
类型：发明
国别省市：德国;DE