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CN102947045A - 用于求出板材的激光可加工性的方法、用于板材的激光加工的方法以及用于执行所述方法的装置和计算机程序产品 - Google Patents

用于求出板材的激光可加工性的方法、用于板材的激光加工的方法以及用于执行所述方法的装置和计算机程序产品 Download PDF

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CN102947045A CN2011800319666A CN201180031966A CN102947045A CN 102947045 A CN102947045 A CN 102947045A CN 2011800319666 A CN2011800319666 A CN 2011800319666A CN 201180031966 A CN201180031966 A CN 201180031966A CN 102947045 A CN102947045 A CN 102947045A
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Abstract

在用于求出板材（2）的激光可加工性的方法的范围中，确定所涉及的板材（2）的表面的反射特性并且附加地由板材（2）的材料借助激光束产生等离子体并且使所产生的等离子体经受光谱分析。通过光谱分析这样地确定至少一个对于板材（2）的可加工性重要的材料成分的板材材料含量，使得根据所确定的材料含量能够确定板材（2）的稍后的激光加工的至少一个参数。在提到的第二种情况中，所产生的等离子体在一个在开始形成等离子体的时间点之后的时间点经受光谱分析。在本申请中也描述了一种用于执行开头最先提到的方法的分析装置（4）。

Description

用于求出板材的激光可加工性的方法、用于板材的激光加工的方法以及用于执行所述方法的装置和计算机程序产品
技术领域
本发明涉及一种用于求出板材的激光可加工性的方法，其中，在一种情况中确定板材表面的反射特性。本发明还涉及一种用于板材的激光加工的方法。本发明最后涉及一种用于求出板材的激光可加工性的分析装置以及一种用于板材的激光加工的装置。
背景技术
由JP04339239A已知一种用于在确定板材表面的反射特性的条件下求出板材的激光可加工性的方法以及分析装置。该文献此外公开一种用于板材的激光加工的方法和装置。在一个设置用于板材加工的激光机中，激光束指向一个待加工的板材并且检测接下来在板材上表面上反射的光。由反射光的强度推导出板材的特性以及由此推导出板材的激光可加工性。
由文献US2005/0061779A1公开了一种用于求出板材的激光可加工性的方法和分析装置以及一种用于板材的激光加工的方法和装置，在这种情况下不考虑待加工的板材表面的反射特性。在激光束的加工部位上形成的等离子体通过光谱分析在其化学组成上被检查。由等离子体云的化学组成获得关于激光束在工件上的进入深度的知识。根据激光束的进入深度来控制工件加工。
发明内容
本发明的任务是，在求出板材的激光可加工性方面优化现有技术并且提供一种用于板材的激光加工的相应优化的方法和相应优化的装置。
该任务按照本发明通过根据独立权利要求1、10和12的方法以及通过根据独立权利要求14、16和17的装置和通过根据权利要求19的计算机程序产品来解决。
一方面本发明不满足于，仅确定待加工板材的表面的反射特性或仅确定待加工板材的材料的化学组成。而是使这两种措施相互结合。
另一方面在保持不考虑待加工板材的表面的反射特性的情况中，在时间上在一个紧跟在开始形成等离子体的时间点后的时间点对所产生的等离子体进行光谱分析。
在这两种情况下都允许获得关于所涉及的板材的激光可加工性的特别可靠的知识，这些知识又能够为加工过程的控制提供特别合适的基础。加工过程可以例如与待加工板材的交变表面特性和/或变化的材料类型协调，但是也可以与依赖于批次或制造商的材料差别相协调。尤其是在激光切割时的切口质量以显著的程度受到所加工的板材的材料组成和表面特性（锈层、氧化皮层、漆层等）影响，但是也仅受材料组成本身的影响。对于激光切割本发明相应地保证了最佳的切割结果。
按照本发明的光谱分析允许以传统的光谱仪、例如借助光栅光谱仪执行。变换地可想到由合适的过滤器和测量接收器组成的结构。
在光谱分析时，来源于所产生的等离子体的电磁辐射被分解为它们的光谱成分并且被分析。在所接收的光谱中根据材料组成出现不同的光谱线。由这些光谱线能够推导出所加工的材料的化学组成和此外也能够推导出所加工材料的种类。在运行实践中必须特别频繁地被加工的材料是结构钢、不锈钢和铝合金。
如果所产生的等离子体在一个紧跟在开始形成等离子体的时间点后的时间点受到光谱分析，那么能够获得关于所涉及的板材的化学组成的特别可靠的信息。在这里重要的是光谱仪的图像拍摄和等离子体形成的开始的时间协调。等离子体形成的开始非常近似地与通过产生等离子体的激光束对板材进行加载的开始重合。必须保证的是，等离子体在一个其位于有表达能力的状态中的时间点被光谱仪检测。为此目的可以例如求出激光束离开激光束源时的时间点。然后在时间上延迟地对所产生的等离子体进行光谱仪图像拍摄。光谱仪图像拍摄的时间延迟可以通过实验确定大小。在一种有表达能力的状态中，所产生的等离子体可以大约出现在所产生的等离子体云开始萎缩的时间点。
CO2激光器作为激光束源特别适合于按照本发明的方法，因为它由于其波长能够特别简单地产生等离子体。但是所述方法也允许通过其它激光器结构形式、尤其是通过固体激光器实现，它们最近也越来越多地被用于切割用途（例如圆盘形激光器、纤维激光器、棒式激光器、盘形激光器）。在所有情况中激光束源必须这样地被运行，使得保证形成有表达能力的等离子体。
按照独立权利要求1、10和12的方法以及按照独立权利要求14、16和17的装置的特殊实施方式由从属权利要求2至9、11、13、15和18得到。
原则上在本发明的情况中在所涉及的板材的每个任意部位上产生有待进行光谱分析的等离子体。例如存在以下可能性，即等离子体在板材的不同部位上产生并且在光谱分析的范围中每个所产生的等离子体经受光谱分析并且在每次光谱分析中确定对于板材可加工性很重要的该或这些材料成分的材料含量。板材的稍后的激光加工的至少一个参数可以根据所确定的材料含量的平均值进行确定。该措施保证了对所涉及的板材的很多区域的分析检测。在板材上出现的材料组成的波动被抵消。
按照本发明优选根据权利要求3的方法变型，根据该方法变型在板材的一个区域中产生等离子体，该区域在板材的稍后的激光加工中形成加工残余。由于该措施，稍后的激光加工的结果不受预先进行的板材的激光可加工性的求取的影响。
按照本发明，用于产生有待分析的等离子体的激光束以不同的方式和方法作用到所涉及的板材上。优选根据权利要求4使在激光束穿刺到板材中时产生的等离子体经受光谱分析。因为激光束在穿刺时完全穿过板材，所以所产生的等离子体云的组成对于板材材料的组成是具有特别代表性的。此外借助激光束的板材切割加工通常开始于穿刺过程。如果在穿刺过程中产生的等离子体用于光谱分析，那么板材的激光可加工性的求取允许最佳地集成到切割过程中。
可想到的是，为了完全穿刺需要多个激光脉冲。在这种情况中能够在每个激光脉冲时执行对板材材料的材料分析。各个分析结果可以被求平均，或者稍后的激光加工的参数根据导致最守恒的加工参数的分析结果被限定。
不同的化学元素对板材的激光可加工性作用不同。为了简化待执行的光谱分析以及对分析结果进行分析处理，推荐的是，在光谱分析时专注于所选择的化学元素的材料含量。在这种情况中，不需要检测和分析很宽带的光谱。在该背景下，在本发明的一种优选设计方案中设置权利要求5的特征部分特征。因此通过光谱分析确定板材的铁和/或铝和/或合金成分和/或硅的材料含量。
板材表面的反射特性的确定与由板材的材料产生的等离子体的光谱分析的组合能够在更多方面优化板材的激光可加工性的求取。
根据权利要求6，通过板材表面的反射特性的确定获得的知识被直接用作确定板材的稍后的激光加工的至少一个参数的基础。为此目的，板材表面的反射特性可以在产生有待光谱分析的等离子体之前、同时或之后被求出。
与此不同，在根据权利要求7的按照本发明的方法的范围中，板材表面的反射特性始终在产生等离子体之前被确定。如果在这里发现的反射特性表明板材表面具有覆层，那么在产生等离子体之前使板材表面经受清洁。作为板材表面的覆层尤其是锈层、氧化皮层或漆层。通过去处可能的表面覆层来保证：接下来产生的等离子体仅仅获得板材的材料成分而不是表面覆层的成分。通过板材表面的覆层的等离子体产生的延迟被排除。
一种特别可靠的关于板材表面的反射特性的信息提供了一种为此目的执行的光谱分析（专利权利要求8）。在这里，板材表面借助光源照射并且反射光借助一个光谱仪检测。由获得的光谱能够推导出板材的表面特性。
为了清洁板材表面，按照本发明提供了不同的可能性。优选地根据权利要求9借助激光束清洁板材表面。激光束可以优选地通过与用于产生有待光谱分析的等离子体的激光束和/或用于板材的稍后的激光加工的激光束相同的激光束源产生。借助一个激光束可以例如蒸发掉板材表面的覆层。
在按照本发明的用于板材的激光加工的方法的范围中，在板材经受真正的激光加工之前，首先求出板材的激光可加工性。在求取激光可加工性时由板材的材料产生等离子体。等离子体的表达力在很大程度上取决于等产生离子体的参数。但是也存在以下可能性，即用于分析目的的等离子体产生的参数不适合或仅有条件地适合板材的随后的激光加工。因此权利要求13在按照本发明的用于板材的激光加工的方法的扩展构型中规定，同一个参数对于产生用于求出板材的激光可加工性的等离子体以及对于板材的稍后的激光加工被不同地确定。
按照权利要求15在根据权利要求14的按照本发明的分析装置的优选设计方案中规定，板材表面的反射特性和为了求出板材的激光可加工性而产生的等离子体借助同一个分析仪器被分析。
根据权利要求18，在按照本发明的用于板材的激光加工的装置的优选结构方式的情况中，同一个激光束源被用于产生用于分析目的的激光束和用于产生用于经分析的板材的稍后的激光加工的激光束。
附图说明
下面根据举例的示意图详细阐述本发明。其示出：
图1具有分析装置的、用于板材的激光加工的装置的第一结构形式的非常示意化的视图；
图2具有分析装置的、用于板材的激光加工的装置的第二结构形式的非常示意化的视图；
图3用于说明在由板材材料产生的等离子体的光谱分析时根据图1和2的分析装置的工作方式的视图；
图4借助根据图1的分析装置执行的确定不同的板材表面的反射特性的结果；
图5借助根据图1和2的分析装置执行的确定不同的板材表面的化学组成的结果。
具体实施方式
根据图1，用于板材2的激光加工、尤其是切割的装置1包括一个激光加工设备3以及一个分析装置4。
为了板材2的切割加工，激光加工设备3的一个激光束源、在所示的例子情况中是一个构造为CO2激光器的激光谐振器5产生一个激光束，该激光束通过一个传统的光束引导装置转向到激光加工设备3的未详细示出的切割头的内部中的聚焦元件6。激光束从该聚焦元件6作为加工光束指向板材2。为了产生所希望的切口走向，激光加工设备3的聚焦元件6或切割头和板材2以常见的方式相对彼此运动。
切割工艺的参数存放在CNC控制器7中，该CNC控制器设置作为激光加工设备3的可编程的设备控制器。重要的工艺参数例如是激光器功率、切割速度以及所使用的切割气体的气压。
板材2的切割激光加工的参数在真正的切割过程前借助分析装置4确定。为此目的，该分析装置4包括一个用于确定板材表面的反射特性的设备8以及一个用于执行对由板材材料产生的等离子体进行光谱分析的光谱分析设备9。该设备8以及光谱分析设备9的一个共同的分析仪器由一个光谱仪10以及一个连接在该光谱仪上的分析处理单元11构成。光谱仪10指的是传统的光栅光谱仪。分析处理单元11基本上包括一个分析处理计算器并且与激光加工设备3的CNC控制器7连接。
除了光谱仪10和分析处理单元11，用于确定板材表面的反射特性的设备8还具有一个光源12、一个由照明纤维13形成的照明光导体和一个构造为观察纤维14的观察光导体。在待分析的板材表面附近，照明纤维13和观察纤维14在一个探头15中聚拢，观察纤维14中心地布置在该探头上并且照明纤维13卫星状地围绕观察纤维14布置在该探头上。在向着工件侧的端面的视图中，探头15在图1中在右下侧被示出。
用于执行对之前产生的等离子体进行光谱分析的光谱分析设备9除了光谱仪10和分析处理单元11外还包括一个光导纤维16作为光导体。光谱分析设备9的光导纤维16和设备8的观察纤维14在到达光谱仪10之前在一个纤维-组合器17中聚集在一起。
分析装置4的功能也通过CNC控制器7控制。为此目的一个相应的计算机程序在CNC控制器7上运行。
为了确定在板材2上执行的切割工艺的参数，在根据图1的装置1上首先借助为此设置的设备8确定板材2的表面的反射特性。为此目的板材表面在探头15处被白光照射，白光来源于光源12的卤素灯并且通过照明纤维13到达探头15。由板材表面反射的光通过设备8的观察纤维14被检测并且被输送给光谱仪10。在那里对反射光进行光谱分析并且分析结果在分析处理单元11中被分析处理。
借助设备8执行的不同板材表面的反射特性的举例的测定结果在图4中示出。在该图像中线18表示白板金属板材表面的反射特性，线19表示具有粗糙氧化皮层形式的覆层的板材表面的反射特性，线20表示具有光滑氧化皮层的板材表面的反射特性以及线21表示受腐蚀的板材表面的反射特性。在此在给出的波长范围中所提到的板材表面的腐蚀特性被设置成与银平面反射镜的参照表面的反射特性相比。
如果借助设备8发现了表明存在设有覆层的板材表面的反射特性，即例如根据线19、20、21之一的反射特性，那么CNC控制器7开始使激光加工设备3执行清洁过程。为了清洁设有覆层的板材表面，通过CNC控制器7相应地预给定存储在那里的过程参数。尤其是激光加工设备3以一个激光功率运行，该激光功率相对于用于板材切割加工的激光功率减小。在这样减小的功率时，由激光谐振器5产生的激光束驶过污染的板材表面以便去除表面覆层。
在结束清洁过程之后，可以很容易地引入用于求出板材2的激光可加工性的第二分析步骤，即对由板材材料产生的等离子体的光谱分析。变换地存在以下可能性，即在引入第二分析步骤之前首先检查清洁过程的结果。为此目的借助设备8重新确定板材表面的反射特性并且与额定特性、即与根据图3中的线18的白板金属板材表面的反射特性比较。在产生有待光谱分析的等离子体之前，在需要时使板材表面受到一个另外的清洁。
在第二分析步骤中在之前描述的确定板材表面的反射特性之后由板材2的材料产生等离子体。等离子体的产生借助激光束进行，该激光束在所示的例子情况中与用于稍后的板材切割加工的激光束一样通过激光谐振器5产生并且穿刺到板材2中。对于穿刺过程，CNC控制器7这样地限定过程参数，使得在穿刺部位形成适合于分析目的的等离子体。
根据经验，不能在穿刺过程的开始之后紧接着就在激光束的穿刺部位上提供有表达能力的等离子体。该问题在控制光谱仪10对所产生的等离子体进行光谱分析时要考虑。一种为此存在的可能性在图3中草图绘出。
根据图3在激光谐振器5的反射镜22上安装一个具有高时间分辨率的功率测量装置23。借助该功率测量装置23测量激光功率。该功率测量装置23由此能够检测激光束从在所示的例子情况中脉冲式运行的激光谐振器5射出时的时间点。功率测量装置23将该信息传递给延迟发生器24，该延迟发生器以一个之前设定的、相对于激光谐振器5上的激光束的射出时间点的时间延迟激活光谱仪10拍摄图像。
变换地在激光谐振器5的控制器中可以获取一个信号，该信号精确地标记了激光束或激光脉冲的开始时间点。该信号限定了光谱图像拍摄的时间延迟开始进行的时间点。
在这两种情况中，只有在能够从等离子体取得关于所涉及的板材材料的化学组成的可靠信息的时间点，光谱仪10才检测由激光束在板材2上形成的并且在图3中作为云表示的等离子体。例如对等离子体的光谱仪检测在所产生的等离子体云萎缩的时间点以及在此在结束以激光束照射板材2的那一时间点进行。
如果光谱仪10被激活，那么它通过在板材表面附近结束的光导纤维16检测由板材2的材料产生的等离子体。由等离子体发射的光在光谱仪10中被分析并且分析结果通过分析处理单元11被分析处理。这样的分析处理的举例的结果在图5中示出。
根据图5允许借助一个借助光谱分析设备9执行的光谱分析的结果可靠地相互区分铝制板材、不锈钢（Cr-Ni钢）板材和结构钢板材。在之前清洁掉板材表面的可能的覆层之后，在板材2上产生的等离子体的光谱分析的结果精确地再现了板材2的实际化学组成。
基于在板材2上产生的等离子体的光谱分析的结果，CNC控制器7限定用于在分析之后的切割过程的参数。在所示的例子情况中，切割过程可以直接接在为分析目的使用激光束穿刺到板材2中的后面。
根据在图5中所示类型的分析结果，对于真正的板材加工预设定不同的参数，这根据待加工的板材是否是铝制板材、Cr-Ni板材或结构钢板材来决定。对于所有这些材料种类，在CNC控制器7中存储用于板材切割加工的参数数组。
在用于各个材料种类的参数数组内根据相应材料种类的化学组成能够实现进一步的区分。例如在CNC控制器7中对于结构钢板材可以根据结构钢的铜含量和/或根据结构钢的硅含量存储不同的参数数组并且在板材加工时使用。
与以上描述的方法不同存在以下可能性，即借助设备8获得的关于所研究的板材表面的反射特性的知识被直接用于确定稍后的切割过程的参数。在这种情况中补充了借助设备8并且借助光谱分析设备9得到的关于板材2的特性的信息。
有待光谱分析的等离子体也在一个在图2中草图绘出的用于板材2的激光加工的装置50上产生。在图2中所示的装置50与根据图1的装置1的区别在于一个分析装置54。在其余方面装置60与装置1在结构和工作方式上相一致。对于彼此相对应的部件在图1和2中使用相同的附图标记。
与装置1的分析装置4不同，分析装置54没有配备用于确定板材表面的反射特性的装置。相应地在装置50上在求取待加工板材2的激光可加工性时或者说在对板材2进行激光加工时不考虑板材表面的反射特性。在装置50上板材切割加工的参数也仍然突出地与板材材料的化学组成相协调。以下情况为此负责，即分析装置54、具体地该分析装置的光谱分析设备9始终在一个在时间上在开始形成等离子体的时间点之后的时间点检测由板材2的材料产生的等离子体，例如在等离子体萎缩的时间点。因此在所涉及的板材2的材料组成方面具有特殊表达力的等离子体始终被光谱分析。
等离子体检测在一个合适的时间点进行，由此保证根据图3的装置50的分析装置54也被建造和控制。相应地以上关于图3的实施方式也适用于分析装置54。
借助分析装置54的光谱分析设备9执行的光谱分析的结果原则上相当于在图5中显示的分析结果。

Claims (19)

1.用于求出板材（2）的激光可加工性的方法，其中，确定板材表面的反射特性，其特征在于，除了确定板材表面的反射特性外由所涉及的板材（2）的材料借助激光束产生等离子体并且使所产生的等离子体经受光谱分析，在光谱分析的范围中这样地确定至少一个对于板材（2）的可加工性重要的材料成分的材料含量，使得根据所确定的材料含量能够确定板材（2）的稍后的激光加工的至少一个参数。
2.根据权利要求1的方法，其特征在于，所产生的等离子体在一个在时间上在开始形成等离子体的时间点之后的时间点经受光谱分析。
3.根据权利要求1或2的方法，其特征在于，所述等离子体在板材（2）的一个区域中产生，该区域在板材（2）的稍后的激光加工中形成加工残余。
4.根据权利要求1至3之一的方法，其特征在于，在激光束穿刺到板材（2）中时产生的等离子体经受光谱分析。
5.根据权利要求1至4之一的方法，其特征在于，借助光谱分析确定板材（2）的铁和/或铝和/或合金成分和/或硅的材料含量。
6.根据权利要求1至5之一的方法，其特征在于，板材表面的反射特性这样地被确定，使得根据所确定的反射特性能够确定板材（2）的稍后的激光加工的至少一个参数。
7.根据权利要求1至6之一的方法，其特征在于，在产生等离子体之前确定板材表面的反射特性并且在反射特性表明板材表面具有覆层时在产生等离子体之前使板材表面经受清洁。
8.根据权利要求1至7之一的方法，其特征在于，板材表面的反射特性通过光谱分析确定。
9.根据权利要求1至8之一的方法，其特征在于，借助激光束，优选借助来源于与用于产生等离子体的激光束相同的激光束源（5）的激光束使板材表面经受清洁。
10.用于求出板材（2）的激光可加工性的方法，其中，由板材（2）的材料借助激光束产生等离子体，所等离子体经受光谱分析，在光谱分析的范围中这样地确定至少一个对于板材（2）的可加工性重要的材料成分的材料含量，使得根据所确定的材料含量能够确定板材（2）的稍后的激光加工的至少一个参数，其特征在于，所产生的等离子体在一个在时间上在开始形成等离子体的时间点之后的时间点经受光谱分析。
11.根据权利要求10的方法，其特征在于权利要求3至5中的至少一项的特征部分的特征。
12.用于板材（2）的激光加工的方法，其特征在于，在板材（2）的稍后的激光加工之前首先按照根据权利要求1至9之一的方法或按照根据权利要求10或11的方法求出板材的激光可加工性，并且根据在此确定的材料含量来确定板材（2）的稍后的激光加工的至少一个参数。
13.根据权利要求12的方法，其特征在于，同一个参数对于产生用于求出板材（2）的激光可加工性的等离子体和对于板材（2）的稍后的激光加工被不同地确定。
14.用于求出板材（2）的激光可加工性的分析装置，具有一个用于产生激光束的激光束源（5）以及一个用于确定板材表面的反射特性的设备（8），其特征在于，激光束在由所涉及的板材（2）的材料产生等离子体的情况下能够指向板材（2）并且设有一个用于对所产生的等离子体进行光谱分析的光谱分析设备（9），借助该光谱分析设备能够这样地确定至少一个对于板材（2）的可加工性重要的材料成分的材料含量，使得根据所确定的材料含量能够确定板材（2）的稍后的激光加工的至少一个参数。
15.根据权利要求14的分析装置，其特征在于，用于确定板材表面的反射特性的设备（8）包括一个分析仪器（10，11）并且该分析仪器（10，11）同时被设置为用于对所产生的等离子体进行光谱分析的的分析仪器（10，11）。
16.用于求出板材（2）的激光可加工性的分析装置，具有一个用于产生激光束的激光束源（5），激光束在由所涉及的板材（2）的材料产生等离子体的情况下能够指向板材（2），以及具有一个用于对所产生的等离子体进行光谱分析的光谱分析设备（9），其中，借助该光谱分析设备（9）能够这样地确定至少一个对于板材（2）的可加工性重要的材料成分的材料含量，使得根据所确定的材料含量能够确定板材（2）的稍后的激光加工的至少一个参数，其特征在于，借助光谱分析设备（9）能够在一个在开始形成等离子体的时间点之后的时间点对所产生的等离子体进行光谱分析。
17.用于板材（2）的激光加工的装置，其特征在于，设有一个根据权利要求14至16之一的分析装置（4，54）以及一个用于板材（2）的稍后的激光加工的激光加工设备（3），其中，该激光加工设备（3）具有一个可编程的设备控制器（7），借助该设备控制器能够根据至少一个参数控制稍后的激光加工，所述至少一个参数根据借助分析装置（4，54）确定的材料含量来确定。
18.根据权利要求17的装置，其特征在于，激光加工设备（3）的一个激光束源（5）被设置作为分析装置（4，54）的激光束源（5），借助该激光束源能够产生一个用于板材（2）的稍后的激光加工的激光束。
19.计算机程序产品，它具有代码单元，当程序在数据处理设备上运行时，该代码单元适合用于执行根据权利要求1至13中至少一项的方法的所有步骤。
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