[发明专利]金属材料的激光处理的方法及相关机器和计算机程序

说明书

本申请描述了一种金属材料的激光处理的方法及相关机器和计算机程序，通过在金属材料的至少一个工作平面上具有预定的横向功率分布的聚焦激光束来执行该激光处理，该方法包括以下步骤：‑提供激光束发射源；‑将激光束沿光束传送光径引至布置在材料附近的工作头；‑将激光束沿入射在材料上的传播光轴校准；‑将校准的激光束聚焦在材料的工作平面的区域中；以及‑将聚焦的激光束沿金属材料上的包括一系列工作区域的工作路径引导。该方法在过程的操作速度、结果质量和成本效益方面具有改善的性能，其实时可控以在所有操作条件下获得精确处理结果，可在不增大现有机器的尺寸的情况下实现。

技术领域

本发明涉及金属材料的激光处理，更具体地，涉及用于所述材料的切割、钻孔或焊接的激光处理的方法。

根据其他方面，本发明涉及用于激光处理金属材料的机器，其布置为实施上述的激光处理的方法，并且本发明还涉及计算机程序，其包括用于在该程序由电子处理装置执行时实施上述方法的一个或多个代码模块。

背景技术

在以下描述中，术语“金属材料”用来限定这样的任何金属工件，诸如片材或细长轮廓，其一般具有封闭横截面，例如中空圆形、矩形或正方形形式，或具有开放横截面，例如平坦截面或L、C、U等形式的截面。

在工业金属处理方法中，并且特别是金属片材和轮廓的那些处理方法中，根据激光束与被处理的材料的相互作用参数，特别是根据激光束在材料上的每单位入射体积的能量密度以及相互作用时间间隔，激光用作热工具而用于各种应用中。

例如，通过在延长的时间(大约数秒)上引导低能量密度(每mm²表面大约数十瓦)，实现硬化过程，而通过在大约数飞秒或皮秒的时间引导高能量密度(每mm²表面大约数十兆瓦)，实现光消融过程。在增加能量密度和减少工作时间的中间范围内，对这些参数的控制使得能够执行焊接、切割、钻孔、雕刻和标记过程。

在包括钻孔和切割过程的许多过程中，辅助气体流必须提供给其中在激光束和材料之间发生相互作用的工作区，该相互作用具有推进熔融材料的机械功能，或辅助燃烧的化学功能，甚至屏蔽工作区周围环境的技术功能。

在金属材料激光处理的领域中，激光切割、钻孔和焊接是可由同一机器执行的处理操作，该机器适于生成在金属材料的至少一个工作平面上具有预定的横向功率分布的高功率聚焦激光束(通常为功率密度范围介于1kW/mm²到10000kW/mm²)，并管理激光束方向及其沿材料的入射位置。可在材料上执行的不同类型处理之间的差异基本上可归因于使用的激光束的功率与激光束和受到处理的材料之间相互作用的时间。

在图1和图2中示出了根据现有技术的激光处理机。

图1示意地示出具有CO₂激光器的工业处理机，该激光器具有激光束在空气中的光径，该激光器包括能够发射单模或多模激光束B的发射源10(诸如CO₂激光生成器设备)，以及多个反射镜12a、12b和12c，其适于将从发射源发射的激光束沿激光束传输光径朝向工作头引导，该工作头整体地由14表示，布置在材料WP附近。工作头14包括激光束的光学聚焦系统16，其通常由聚焦透镜构成，适于沿入射在金属材料上的传播光轴聚焦激光束。喷嘴18布置在聚焦透镜下游，并且被朝向材料工作平面的区域导引的激光束交叉。喷嘴适于将由未示出的对应系统喷射的辅助气体束朝向材料上的工作区域导引。辅助气体用来控制工作过程的执行和可获得的处理质量。例如，辅助气体可包括氧，其促进与金属的放热反应，允许切割速度提高，或包括惰性气体(诸如氮)，其虽对材料熔融无帮助，但保护材料免于在工作轮廓边缘处的不希望的氧化，保护工作头免受熔融材料的任何飞溅的影响，并且也可用来冷却在材料上产生的凹槽的侧面，限制热改变区域的膨胀。