[发明专利]材料的加工

说明书

本发明涉及一种从工件上切除材料的装置和方法，特别是在工件上加工盲槽的装置和方法。

本说明书中，“盲槽”指不完全通过而是部分通过工件的细槽沟、长缝、槽和孔。

已知向工件表面垂直照射激光束使金属熔化，并经过氮气的离轴喷射进行清除，可以在工件上加工出槽。将氮气喷嘴和激光束相对固定，移动工件，即可在工件上加工出窄槽。

由于喷压集结于槽底，气体喷射速度和槽中熔融材料的排除速度就降低，因而这种加工方法只能造成低效，且只能用于较浅槽的加工。

另一种激光切割加工是应用激光并用气流以40°-45°射向材料表面。

国际专利公开号WO 94/21419公开了在工件上加工通槽的方法，该方法包括用激光束加热工件表面并向该表面直射两束气流。

假如工件材料能有效地吸收辐射能，使用高功率的激光器熔化一定体积的材料是比较容易的，激光加工的问题不是熔化过程而是如何高速高效地清除熔融材料，当在工件上加工非常窄而深的盲槽时，这一问题就显得特别突出。

本发明的目的是提供一种使用热源如激光束加工工件的装置和方法，此装置和方法比现有方法更能有效地从深的盲沟、盲槽中清除去熔融金属。

依据本发明的一个观点，在工件上加工盲槽的方法包括：用材料熔点以上的温度加热工件表面并用至少两束气流直射槽底，气流在槽底共同形成具有预定旋向的涡流，从而使熔状材料从槽中清除。

最好是使用激光束加热工件表面，第一气流作为射流与工件表面基本成直角，而第二气流作为射流与工件表面成锐角。

另一办法是由作用于工件表面并紧贴着激光束的相对真空产生，而第二气流作为射流与工件成锐角。

依据本发明的另一观点，在工件上加工盲槽的装置包括：熔化工件表面的热源和产生至少两束气流的装置。所产生的气流与槽底相互作用，形成具有预定旋向的涡流，从而清除槽中的熔状材料。

现将本发明的具体装置用例子并参照所附略图进行说明。

图1是在工件上加工盲槽的装置示意图。

图2是与图1相似的示意图，但标出了两束气流的速度矢量。

图3说明了图1中工件加工时的槽底气流速度为气体喷射速度的函数。

图4为槽深和表面堆积层与气压的关系图。

图5为按本发明的方法加工具有大量盲槽的工件的剖视图。

如图1和图2所示，在工件2上加工深盲槽3的装置1包括：激光能源4即CO₂激光器，它可使激光束与工件2上表面(图示)基本成直角。喷嘴装置8用于使第一气流5如氧气流射向工件2的上表面并与激光束基本同轴，在第一气流的大体方位面(in general direction)内，与上述气流5隔开的第二气流6如氮气流，与工件2的上表面成脱角(a)射向所述的工件表面。气流5和6之间的距离“X”可以为2-6mm。

在使用中，如图示，工件2相对于CO₂激光束向右移动，而激光束以足够的功率聚焦于工件表面上，使工件2局部熔化从而形成槽3。实质上，第一和第二气流5和6与槽3底部一起形成具有预定旋向的涡流，将槽3中的熔状材料和其他堆积层清除掉。

涡流旋转速度由有效稳定的第一气流的速度变化控制。参见图3，此图说明图1中接近标有A-B的槽前沿处，从槽度部向工件表面上升的气体速度是固定的第一气流5的速度的函数，如果此速度很低如5m/s，则第二气流6用于从槽3中吹除熔状材料和堆积层。

一般上升气体的速度随稳定气流的速度的升高而升高，例如稳定气流的速度增至100m/s，则上升气体的速度升至最大值130m/s。然而稳定气流向150-200m/s进一步增高，则会起反作用，反面使上升气体的速度下降，这时涡流濒于改变其方向。

一般说涡流能将熔状金属从槽3的深处有效地吸出，通过改变激出束下工件的移动速度和稳固定气流5的喷射速度，可以控制槽3的深度。另外，图1中以X标出的气流源5和6之间的距离对控制槽3的深度有影响，X值越大，槽越深。

同使用其他气体相比，使用氧气作为第一气流即稳定气流，在槽里起作用的放热能量可加工更深的槽。

通过改变第一气流的压力即改变其速度，加工出槽。在上面描述的具体装置中，固定气体由纯氧化组成，同时第二氮气流的压力设定为11bar。