利用流体射流引导的复合激光束切割或烧蚀工件的方法和设备技术

本发明专利技术涉及用于利用耦合到流体射流中的脉冲激光束来切割或烧蚀工件的特定材料的方法(100)和设备(300)。所述方法包括：利用至少一个激光源产生所述脉冲激光束，将加压的流体射流提供到所述工件上，以及将所述脉冲激光束耦合到朝向所述工件的所述流体射流中。所述脉冲激光束包括基于所述工件的特定材料选择的至少两种叠加的脉动。第一脉动具有与第二脉动不同的功率和频率。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】利用流体射流引导的复合激光束切割或烧蚀工件的方法和设备
本专利技术涉及一种用于利用耦合到加压流体射流中的激光束切割或烧蚀工件、尤其是工件的特定材料的方法和设备。该方法和设备使用的激光束是复合脉冲激光束，即包括多种叠加的激光脉动(pulsation)的脉冲激光束。根据本专利技术的实施方式，复合脉冲激光束的不同脉动可以对工件产生不同的影响，例如可以分别用于切割或烧蚀、以及平滑工件的特定材料。
技术介绍
用于机加工工件的传统方法使用耦合到加压流体射流的简单激光束。为了利用激光束切割工件，流体射流在工件上沿着确定的切割路径移动。流体射流通常由流体射流生成喷嘴产生，并且激光束通过全内反射耦合到流体射流中并在流体射流中被引导到工件上。传统方法中的激光束是连续激光束或包括单种激光脉动的脉冲激光束。传统方法经常遇到的问题、特别是当利用流体射流引导的激光束深入切割工件或甚至切穿工件时遇到的问题是切割的表面质量较差和/或存在缺陷。例如，切割表面经常表现出过高的表面粗糙度和/或沿切口随机出现的表面质量变化。此外，传统方法在切割工件材料时经常会在工件材料中产生缺陷，特别是导致材料被切出碎屑。例如，工件的正面和背面都可能受到这种碎屑的伤害。此外，当用传统方法进行切割时，通常会沿切口形成锋利的边缘。上述问题使得利用传统的方法和设备切割某些种类的材料变得困难，甚至不可能。所述材料例如新型合金材料或非常脆的材料。此外，上述问题对进入工件的切割深度或工件的总厚度产生了很大的限制，所述工件将被分成两部分或更多部分。>因此，本专利技术的实施方式旨在改进用于利用流体射流引导的激光束切割或烧蚀工件的传统方法和设备。一个目的特别是提供这样一种方法和设备，其适用于以改进的切割或烧蚀结果切割或烧蚀工件。一般来说，切割表面或烧蚀表面的表面质量应该比使用传统方法或设备时更好。更具体地，切割表面或烧蚀表面的表面粗糙度应该显著更低。此外，应该减少或避免沿切口出现的表面质量变化和缺陷或碎屑。特别是在切割或烧蚀各种不同的材料、特别是新型合金材料和极脆材料时应达到上述目的。此外，该方法和设备应该能够比传统方法和设备更深地切割或烧蚀工件、或分离更厚的工件。
技术实现思路
本专利技术的目的是通过所附独立权利要求中呈现的实施方式来实现的。在从属权利要求中限定了这些实施方式的有利实现方式。特别地，本专利技术的实施方式基于耦合到流体射流中的复合脉冲激光束的用途。复合脉冲激光束尤其适用于待切割的材料，以提高切割质量。本专利技术的第一方面提供了一种利用脉冲激光束切割或烧蚀工件的特定材料的方法，该方法包括：利用至少一个激光源产生脉冲激光束，将加压流体射流提供到工件上，以及将脉冲激光束耦合到朝向工件的流体射流中，其中脉冲激光束包括基于工件的特定材料选择的至少两种叠加的脉动，其中第一脉动具有与第二脉动不同的功率和频率。换句话说，对于待使用第一方面的方法切割或烧蚀的单个工件材料，选择并组合至少两种脉动以形成复合脉冲激光束。每种激光脉动为复合脉冲激光束贡献某种特定规则的脉冲形状——即至少具有第一激光功率和第一激光频率的第一激光脉冲形状以及具有第二激光功率和第二激光频率的第二激光脉冲形状。两种激光功率和激光频率叠加。因此，复合脉冲激光束可以显示出跳动图案。指定该方法主要用于切割或烧蚀由一种类型的材料(特定材料)的实心块制成的工件，并且该方法使用至少两种脉动来切割该特定材料。然而，该方法也可以应用于包括多于一种材料的工件，例如，由多层不同材料制成的工件。在这种情况下，通过每层使用至少两种脉动，可以理想地单独切割或烧蚀每个材料层。如果要同时切割或烧蚀两个这样的材料层，则优选选择多种脉动，特别是每层至少两种脉动。脉冲激光束中的第一脉动可以由例如第一激光源输出的主/主要(dominant/master)激光发射形成，并且第二脉动可以由例如第二激光源输出的从(slave)激光发射形成。每个激光源可以被配置为输出具有确定的功率(绝对峰值功率和/或脉冲宽度)和频率(脉冲重复率)的简单脉冲激光束。例如，主/主要激光发射可以被选择为使得待切割或烧蚀的特定材料显示出对该激光更强的吸收和/或它具有比从激光发射更高的强度，而从激光发射被选择为使得特定材料表现出对该激光的更弱吸收和/或它具有比主激光发射更低的强度。然而，与此处描述的主/从激光发射相关的影响不一定在本文档中根据命名“第一”脉动和“第二”脉动进行限定。因此，每个激光脉动的功率和频率的选择可以基于(取决于)待切割或烧蚀的特定材料的频率相关吸收系数。换句话说，特定材料在不同的激光发射波长和脉冲特性下可以有不同的吸收。值得注意的是，两种叠加的激光脉动也可以由单个专用激光源形成。因此可以组成复合脉冲激光束，使得复合脉冲激光束形成穿过/进入工件材料的切口，该切口使切割表面非常均匀，或者使得复合脉冲激光束形成工件材料的烧蚀，该烧蚀使烧蚀表面非常均匀。切割表面(当利用激光束切割时)沿着激光束的传播方向(例如，如果激光束垂直撞击到工件表面上，则传播方向垂直于工件表面)形成。例如切割可以将工件分成两部分。烧蚀表面、也称为铣削表面(当利用激光束进行烧蚀/铣削时)是通过从工件表面逐层去除工件材料而形成的。因此，烧蚀/铣削表面成为新的工件表面，并且如果去除均匀厚度的一层或多层，则烧蚀/铣削表面可以平行于原始工件表面。值得注意的是，一层被烧蚀的工件材料限定烧蚀表面的质量。特别地，通过根据特定工件材料选择至少两种脉动，对于切割表面或烧蚀表面可以实现非常低的表面粗糙度，以及很少或甚至没有表面质量变化。此外，可以显著地减少或甚至完全地抑制缺陷和碎屑的出现。此外，避免了切割表面的所谓锥度效应(tapereffect)。因此，第一方面的方法总体上改进了工件、特别是由硬材料和/或脆材料制成的工件的切割和/或烧蚀。此外，与传统方法相比，第一方面的方法允许更深地切入或穿过更厚的工件，或者允许烧蚀更厚的工件材料层，而不会牺牲切口的表面质量。在该方法的一种实现形式中，第一脉动适合于切割或烧蚀工件的特定材料，而第二脉动不适合于切割或烧蚀工件的特定材料。这意味着脉冲激光束中的第一脉动(即主激光发射)单独就可切穿或至少充分切入工件、或烧蚀工件，但表面质量相对较差。第二脉动(第二脉冲激光发射)将不能单独切穿或充分切入工件、或烧蚀工件，而仅能够划伤工件的表面。两种激光脉动的这些能力是由于它们的特定特性、特别是由于它们各自的功率和频率而引起的。这些特性是基于待切割或烧蚀的材料的类型来选择的。该至少两种激光脉动当叠加在第一方面的方法所使用的脉冲激光束中时共同作用，从而以改善的表面质量切割或烧蚀工件。在该方法的一种实现形式中，第一脉动适合于切割或烧蚀工件的特定材料，而第二脉动适合于使工件的特定材料的表面平滑、特别是使通过利用第一脉动切割或烧蚀特定材料而形成的表面平滑。这导致切口的边缘更平滑，并且还导致表面粗糙度相当低，或者导致烧蚀表面更平滑。此外，可以在很大程度上避免缺陷和材料碎屑。在该方法的一种实现形式中，第二脉动适合于本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种用于利用脉冲激光束(200)切割或烧蚀工件(310)的特定材料的方法(100)，所述方法(100)包括：/n利用至少一个激光源(301，301a)产生(101)所述脉冲激光束(200)，/n将加压的流体射流(303)提供到所述工件(310)上，以及/n将所述脉冲激光束(200)耦合到朝向所述工件(310)的所述流体射流(303)中，/n其中，所述脉冲激光束(200)包括基于所述工件(310)的特定材料选择的至少两种叠加的脉动(201，202)，/n其中，第一脉动(201)具有与第二脉动(202)不同的功率和频率。/n

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】20190122 EP 19152959.31.一种用于利用脉冲激光束(200)切割或烧蚀工件(310)的特定材料的方法(100)，所述方法(100)包括：
利用至少一个激光源(301，301a)产生(101)所述脉冲激光束(200)，
将加压的流体射流(303)提供到所述工件(310)上，以及
将所述脉冲激光束(200)耦合到朝向所述工件(310)的所述流体射流(303)中，
其中，所述脉冲激光束(200)包括基于所述工件(310)的特定材料选择的至少两种叠加的脉动(201，202)，
其中，第一脉动(201)具有与第二脉动(202)不同的功率和频率。


2.根据权利要求1所述的方法(100)，其中：
所述第一脉动(201)适合于切割或烧蚀所述工件(310)的特定材料，以及
所述第二脉动(202)不适合于切割或烧蚀所述工件(310)的特定材料。


3.根据权利要求1或2所述的方法(100)，其中：
所述第一脉动(201)适合于切割或烧蚀所述工件(310)的特定材料，以及
所述第二脉动(202)适合于使所述工件(310)的特定材料的表面平滑、特别是使通过利用所述第一脉动(201)切割或烧蚀所述特定材料而形成的表面(610)平滑。


4.根据权利要求3所述的方法(100)，其中：
所述第二脉动(202)适合于使作为所述工件(310)的特定材料的均质金属或陶瓷材料的表面平滑到粗糙度轮廓的算术平均值等于或小于0.3μm、特别是等于或小于0.1μm。


5.根据权利要求1至4中任一项所述的方法(100)，其中：
所述工件(310)的特定材料的厚度为1mm或更大。


6.根据权利要求1至5中任一项所述的方法(100)，所述方法用于切割或烧蚀所述工件(310)的多于一种的材料，其中：
所述工件(310)包括多个不同的材料层，以及
所述脉冲激光束(200)包括所述工件(310)的每个材料层所选择的至少两种叠加的脉动(201，202)。


7.根据权利要求1至6中任一项所述的方法(100)，其中：
还基于至少一个参数、特别是基于所述流体射流(303)的宽度和/或压力来选择所述至少两种叠加的脉动(201，202)。


8.根据权利要求1至7中任一项所述的方法(100)，其中：
所述第一脉动(201)的频率与所述第二脉动(202)的频率具有不同的技术范围，其中，特别地，所述第一脉动(201)的频率在1kHz-40kHz之间，所述第二脉动(202)的频率在60kHz-300kHz之间。


9.根据权利要求1至8中任一项所述的方法(100)，其中：
所述第一脉动(201)和所述第二脉动(202)是同步的。


10.根据权利要求1至...

【专利技术属性】
技术研发人员：F·布鲁克特，G·索莱尔，G·拉波特，B·里彻兹哈根，
申请(专利权)人：辛诺瓦有限公司，
类型：发明
国别省市：瑞士;CH