激光切割工艺的控制方法及执行该方法的激光切割系统技术方案

根据本发明专利技术，通过将由存在于被激光头（12）聚焦的激光束的辐照的体积中的气体（无论是辅助气体还是杂质气体）或者更一般地发射要素发射的辐射所特有的一个或者多个发射谱线用作参考信号以及通过基于该参考信号来调节以下工艺控制参数中的至少一个来控制激光切割工艺：激光器的功率、激光脉冲的频率和占空比、由形成激光头（12）的一部分的喷嘴（16）发射的辅助气体的压力、激光头（12）相对于工件（P）的相对速度、激光头（12）与工件（P）的表面（S）之间的距离、以及激光束的焦点（F）与工件（P）的表面（S）之间的距离。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】激光切割工艺的控制方法及执行该方法的激光切割系统本专利技术大体涉及激光切割工艺领域，并且更准确地涉及用于控制激光切割工艺的方法及执行该方法的激光切割系统。表述“激光切割工艺”对于本专利技术目的而言旨在是指这样的工艺，其中，聚焦在工件表面上或者在该表面附近的激光束使得被该激光束撞击的工件的材料的产生转变，以首先获得通孔然后获得从这个通孔开始的切割线。激光束相对于工件的相对运动决定该工艺涉及的材料的总面积、或体积。典型地，由于该工艺导致的材料的转变为机械型转变(变形)或者物理型转变(由于熔化、蒸发或者升华而导致的相变)并且由于以下两个主要因素而以可变的比例组合:a)由聚焦的激光束供应的热；以及b)由所谓的辅助气体导致的化学反应供应的热，假定这种反应是放热反应(典型地是燃烧反应，或者更一般地是涉及辅助气体与工件材料的化合的反应)。对于不允许提供在上文中以b)表示的热供应的情况，辅助气体是惰性气体(诸如例如N2、Ar或者He)并且具有屏蔽或者机械推进(即，它用来将由于激光束供应的热的原因而已经发生熔化、蒸发或者升华的材料吹走)的作用。相反,对于在上文中以b)表示的热供应必须等于或者大于总能量供应的40%的情况，辅助气体是反应性气体并且充当能量产出手段或者作为助燃物。在该情况下，辅助气体在激光加工工艺中的作用因此是借助于放热反应而对工艺产出能量，其中对工艺具有两个同时的效果:1)使所涉及的材料体积的温度的增大，这导致由于热效应而产生的状态的物理变化(增塑、熔化、蒸发或者升华)；以及2)反应的自我维持，因为所涉及的材料体积的温度和可获得的热能保证了导致和维持放热反应所需的条件。反应型辅助气体的一个实例是氧气(02)，其用于在碳钢合金上执行的激光加工操作中，因为它能够维持包含在钢中的铁的氧化反应。作为切割的初步阶段的激光穿孔(piercing)通常不存在激光束相对于工件的相对运动的方式来执行并且就随后的切割工艺而言旨在使材料的壁破坏。激光穿孔通过光学结构以及通过必须同样与在材料的壁已被破坏之后立即进行的切割工艺相容的相对于材料的焦点位置来执行。激光穿孔在直到工艺结束都保持闭合的体积中进行。如在附图的图1中示意性图示的，激光穿孔工艺首先涉及工件P的表面S，然后发展成形成圆柱体，该圆柱体包括从激光束的光轴A开始的一空间，该空间收集在一气氛下蒸发的/升华的、熔化的和加热的材料，该气氛包括辅助气体、来源于工件材料与共存的气体之间的化学反应的可能副产物、以及包含在处理中的工件被放置于其中的空气中的可能的其他气体(这些气体作为杂质(contaminant)而存在)。与穿孔不同，激光切割工艺提供聚焦的激光束相对于工件的相对运动。此外，如在附图的图2中示意性示出的，激光切割在一开放体积中进行，该开放体积由由三个表面限定，即，由平行于聚焦激光束相对于工件的相对运动的方向延伸的一对平坦表面S1、S2以及由连接之前两个表面并且呈现有切口前缘的第三表面S3限定。如在附图的图3 (其为正在通过激光而被切割的材料的壁的剖视图，该视图通过穿过平行于切割的方向的剖面获得)中示意性示出的，切口前缘由在一气氛中加热、熔化和蒸发/升华的材料的不同的层形成，该气氛包括辅助气体、来源于工件材料与共存的气体之间的化学反应的可能副产物、以及包含在工件被放置于其中的空气中的可能的其他气体(这些气体作为杂质而存在)。文献US5，373，135披露了一种用于基于设定两个温度阈值以及通过测量光强度而测量温度来控制激光切割工艺的方法，所述两个温度阈值即为分别对应于处理中的材料的熔化温度以及包含在处理中的材料的熔化温度与蒸发温度之间的温度的最小温度阈值和最大温度阈值。当所测温度高于预定最大阈值时，则关闭激光，而当所测温度低于预定最小阈值时，则打开激光。该已知的方法的控制参数因此为温度。承上所述，本专利技术的一个目的是提供一种用于控制上述类型的激光切割工艺的方法，而无论该工艺是使用反应性气体还是使用惰性气体、使用CO2激光器还是使用固态激光器(Nd: YAG、光纤(fiber)激光器、圆盘激光器、二极管激光器)执行,该方法允许在将反应性气体用作辅助气体的工艺的情况下工艺失去控制并且进入突发状况的风险最小，允许切口闭合的风险以及因此工艺中断的风险最小，并且还允许相对于已用于激光切割工艺的控制的控制方法而言可获得的结果而改善工艺的最终结果的品质。根据本专利技术，该目的借助于包括在所附的独立权利要求1中阐述的步骤的用于控制激光切割工艺的方法来充分实现。根据本专利技术的另一方面，该目的借助于具有在所附的独立权利要求10中阐述的特征的激光切割系统来充分实现。根据本专利技术的控制方法的实现的有利模式以及根据本专利技术的激光切割系统的有利实施例为从属权利要求的主题，从属权利要求的内容将被认为是下文中的描述的一体的或综合的部分。简而言之，本专利技术基于控制激光切割工艺(包括初始穿孔阶段)的理念，所述激光切割工艺通过将由存在于被聚焦的激光束的辐照涉及的体积中的气体(无论是辅助气体还是杂质气体)发射的或者更一般地由发射要素(element)发射的辐射特有的一个或者多个发射谱线用作参考信号以及通过基于该参考信号调节以下工艺控制参数中的至少一个来控制:激光器的功率、激光脉冲的频率和占空比、辅助气体的压力、激光器相对于工件的相对速度、激光头与工件表面之间的距离、以及激光束的焦点与工件表面之间的距离。根据本专利技术的控制方法因此提供用于实现包括以下步骤的控制循环:-来自于被激光工艺涉及的体积的辐射由传感器装置检测，该传感器装置以预先选定为最适合用于控制该工艺的波长为中心的带来操作；-这样被检测到的信号被适当地滤波和处理，并且然后作为输入而发送至电子控制单元；以及-电子控制单元解释作为输入而接收的信号并且如果必要的话改变上述的工艺控制参数中的一个。优选地，出于工艺控制的目的而被监测的辐射(下文中称为控制辐射)特有的发射谱线包含在从180nm至2000nm的范围内并且以不宽于IOOnm的带宽监测。优选地，将氧气或者氮气用作发射气体。一般而言，可将这样的气体用作发射气体:当该气体存在于由激光加工工艺涉及的体积中时，由于与激光器直接作用、或者由于该工艺因为气体与处理中的材料的结合而产生的可能化合物的向离子态转变或在旋转震动模式(roto-vibrational mode)之间转变而导致的温度的原因，该气体能以包括在180nm与2000nm之间的带发射。用作发射气体的气体可一般地为辅助气体或杂质气体。在该第二种情况下，该气体可一般地为通常存在于处理中的工件周围气氛中的气体或者是出于该目的而特别弓I入被激光工艺涉及的体积中的气体。在将气体用作发射待检测的辐射的要素的情况下，该控制方法基于以下论述。如果该气体具有主要为反应性的特性，则其发射可被解释为反应工艺发生的强度等级的指示:过低的等级意味着反应工艺并未以可能的的速率发生，而过高的等级意味着反应工艺正在以过高的速率发生因此有不受控制或者爆炸(explosive)的工艺的情形的风险。对于脉冲激光器的情况，信号的导数或者在随后的脉冲之前关闭的激光器达到的最小等级可给出这样的指示，即，工艺将趋于减小或者增大其强度，因此一方面变得效率低且另一方面变得不受控或者爆炸性。对于连续激光器的情况，本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2011.04.21 IT TO2011A0003521.用于激光切割工艺的控制方法，所述工艺通过由激光源(10)产生并且由激光头(12)聚焦的激光束来提供工件(P)的辐照，并且所述工艺通过所述激光头(12)的喷嘴(16)来提供辅助气体的流的供应， 所述控制方法包括以下步骤: a)检测由存在于被聚焦的激光束辐照的材料体积中的发射要素发射的辐射的波长信号，以及 b)基于检测到的信号来调节以下工艺控制参数中的至少一个:所述激光器的功率、激光脉冲的频率和占空比、所述辅助气体的压力、所述激光头(12)相对于所述工件(P)的相对速度、所述激光头(12)的所述喷嘴相距所述工件(P)的表面(S)的距离、以及所述激光束的焦点(F)相距所述工件(P)的所述表面(S)的距离。2.根据权利要求1所述的方法，其中，通过检测以至少一个预定波长带发射的辐射来执行步骤a)，所述至少一个预定波长带介于从ISOnm到200nm的范围内并且具有不宽于IOOnm的带宽。3.根据权利要求1或者权利要求2所述的方法，其中，将所述辅助气体用作发射要素。4.根据权利要求1或者权利要求2所述的方法，其中，将存在于被所述聚焦的激光束辐照的所述材料体积中的杂质气体用作发射要素。5.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，将包含在所述工件(P)的材料中的金属要素或者在被所述聚焦的激光束辐照的所述材料体积中作为杂质而存在的金属要素用作发射要素。6.根据权利要求2所述的方法，其中，所述至少一个预定波长带包括777nm的波长。7.根据权利要求2或者权利要求6所述的方法，其中，所述至少一个预定波长带包括介于从500nm到600nm范围内的波长带。8.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，为了在切割的准备中执行穿孔操作，所述步骤b)包括以下子步骤: bl)在第一预定时间间隔内打开所述激光源(10)，所述第一预定时间间隔在将氧气用作辅助气体的情况下介于从0.5毫秒到5毫秒的范围内，并且所述第一预定时间间隔在将除氧气之外的气体用作辅助气体的情况下介于从0.5毫秒到100毫秒的范围内； b2)在所述第一预定时间间隔终止时关闭所述激光源(10);以及 b3)等待直到检测到的波长信号已变成低于给定阈值，并且仅在这时重复子步骤bl)和b2)。9.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述步骤b)以以下方式执行:如果在步骤a)中检测到的所述波长信号超过给定阈值，则这在使用惰性气体切割的情况下被解释为切口的局部闭合或者在使用反应性气体切割的情况下被解释为反应工艺的失去控制的开始，并且相应地改变至少一个前述的工艺控制参数；而如果在步骤a)中检测到的所述波长信号变得低于给定阈值，则这被解释为意味着所述工艺过慢，并且相应地改变至少一个前述的工艺控制参数。10.激光切割设备，包括: -激光源(10)； -激光头(12)，包括用于将由所述激光源(10)产生的激光束聚焦到工件(P)上的聚焦装置(14)及用于供应辅助气体的喷嘴(16); -光路，用于将由所述激光源(10)产生的所述激光束传送至所述激光头(12)的所述聚焦装置(14)； -驱动装置，用于使所述激光头(12)和所述工件(P)以能调节的速度相对于彼此移动，并且用于控制所述辅助气体的压力、用于调节所述喷嘴(16)相距所述工件(P)的表面(S)的距离以及用于调节所述激光束的焦点(F)相对于所述工件(P)的所述表面(S)的位置；以及 -工艺控制装置，包括:传感器装置，用于检测由存在于被所述聚焦的激光束辐照的材料体积中的给定气体或给定材料发射的辐射的至少一个预定波长带；信号处理装置，用于处理由所述传感器装置检测到的信号；以及控制装置，用于基于由所述信号处理装置接收的所述信号来控制所述激光源(10)和/或所述驱动装置以调节以下工艺控制参数中的至少一个:所述激光器的功率、所述激光脉冲的频率和占空比、所述辅助气体的压力、所述激光头(1...

【专利技术属性】
技术研发人员：毛里齐奥·斯贝蒂，斯特凡诺·贝托尔迪，达尼埃莱·科隆博，芭芭拉·普雷维塔利，乔瓦尼·里瓦，马特奥·达内西，洛伦佐·莫利纳里·托萨蒂，迭戈·帕拉佐利，
申请(专利权)人：艾迪奇股份公司，
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