[发明专利]金属材料的激光加工方法以及相关的机器和计算机程序

说明书

一种金属材料的激光加工方法以及相关的机器和计算机程序，通过在材料的至少一个工作平面处具有预定横向功率分布的聚焦的激光束来激光加工该材料，包括：提供激光束发射源；沿着光束传输光路向设置为接近材料的工作头引导激光束；沿着入射在材料上的传播光轴使激光束准直；在材料的工作平面的区域中聚焦所准直的激光束；以及材料上的包括一系列工作区域的工作路径引导所聚焦的激光束，激光束由以下步骤成形：通过具有多个独立可移动反射区域的可变形受控表面反射元件来反射所准直的光束，通过控制反射区域的布置以根据金属材料上的当前工作平面的区域和/或工作路径的当前方向，在金属材料的至少一个工作平面上建立光束的预定横向功率分布。

技术领域

本发明涉及金属材料的激光加工，更具体地，涉及用于切割、钻削或焊接所述材料的激光加工方法。

根据其他方面，本发明涉及用于金属材料的激光加工的设置为实现激光加工方法的机器，以及包括一个或多个代码模块的计算机程序，该程序在由电子处理装置执行时用于实现上述方法。

背景技术

在以下说明书和权利要求书中，术语“金属材料”用于限定无差别具有封闭截面(例如，中空的圆形、矩形或正方形的形式)或开放截面(例如，平坦截面或以L、C、U等的形式的截面)的诸如片材或细长轮廓的任意金属工件。

在工业金属加工方法中，并且具体地，在金属片材和轮廓的加工方法中，激光用作用于各种应用的热工具，其取决于激光束与被处理的材料的相互作用参数，特别是激光束在材料上的的每一入射量的能量密度以及相互作用时间间隔。

例如，通过在延长时间(大约几秒)内引导低能量密度(每mm²表面大约几十W)来实现硬化处理，同时在大约几飞秒或几皮秒的时间内引导高能量密度(每mm²表面大约几十MW)来实现光切除处理。在增加能量密度且降低工作时间的中间范围中，这些参数的控制使能够进行焊接、切割、钻削、雕刻和标记处理。

在包括钻削和切割处理的许多处理中，辅助气体流必须被提供至激光束与材料之间的相互作用所出现的工作区域，该辅助气体流具有推进熔融材料的机械功能或辅助燃烧的化学功能或者甚至屏蔽工作区域周围的环境的技术功能。

在金属材料的激光加工的领域中，激光切割、钻削和焊接是可由同一机器执行的加工操作，该机器被适配为生成在金属材料的至少一个工作平面上具有预定横向功率分布的高功率聚焦激光束(通常为具有从1至10000kW/mm²的范围的功率密度的激光束)并且管理沿着材料的光束方向和入射位置。可在材料上执行的不同类型的加工之间的差异大致可归因于使用的激光束的功率以及激光束与经受加工的材料之间的相互作用的时间。

在图1和图2中示出根据现有技术的激光加工机器。

图1示意性示出在空气中具有激光束的光路的CO₂激光器的工业加工机器，其包括能够发射单模或多模激光束B的发射源10(诸如，CO₂激光发生器设备)以及被适配为沿着光束传输光路朝向设置在材料WP附近的工作头(集中表示为14)引导从发射源发射的激光束的多个反射镜12a、12b和12c。工作头14包括激光束的光学聚焦系统16，该光学聚焦系统通常由被适配为沿着在金属材料上入射的传播光轴聚焦激光束的聚焦透镜组成。喷嘴18设置在聚焦透镜的下游，并且由指向材料的工作平面的区域的激光束穿过。喷嘴被适配为向材料上的工作区域引导由未示出的对应系统注入的一束辅助气体。辅助气体用于控制工作过程的执行以及可获得的加工质量。例如，辅助气体可包括允许切割速度增加的氧气(其有利于与金属进行放热反应)或者诸如氮气的惰性气体，该惰性气体不促进材料的熔合但是保护材料免受工作轮廓的边缘处的不必要氧化，保护工作头免受熔融材料的任何溅出，并且还可用于冷却在材料上产生的凹槽的侧面，这限制热改变区域的膨胀。