[发明专利]用求取过程辐射强度刺钻切金属工件的方法和加工机器

说明书

技术领域

本发明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。

背景技术

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。

发明内容

本发明的任务在于，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。

本发明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。