在激光支持下进行等离子切割或等离子焊接的方法和装置制造方法
【专利摘要】本发明涉及一种用于对工件(3)进行激光支持的等离子切割或等离子焊接的方法，所述方法包括步骤：产生等离子射束(1)，所述等离子射束在一电极(2)和一处于所述工件(3)上的加工位置(3a)之间延伸，其中，所述等离子射束(1)具有一关于其沿传播方向(Z)延伸的中轴线(M)位于内部的中心区域(4)以及一位于外部的边缘区域(6)；供应激光辐射(7)到所述等离子射束(1)的边缘区域(6)中，其中，被供应的所述激光辐射(7)平行于所述中轴线(M)延伸。本发明还涉及一种对应的装置(10)，所述装置构造用于进行激光支持的等离子切割和/或等离子焊接。
【专利说明】在激光支持下进行等离子切割或等离子焊接的方法和装置
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种用于在激光支持下进行等离子切割或等离子焊接的方法和装置。
[0002]在等离子切割或等离子焊接中，在阴极和阳极之间点着电弧。通过碰撞电离在此产生热的等离子或者具有大于20000K温度的等离子气体的等离子射束。在等离子切割或等离子焊接金属工件时，阴极通常设置在加工头中，而待加工的导电工件形成阳极。
【背景技术】
[0003]通过阴极的一般情况下采用的尖形状和由此得到的电场线密度分布，在阴极和阳极之间的最短连接线上(所述连接线相应于等离子射束的中轴线)以及在等离子炬或者等离子射束的邻接中轴线的中心区域中，等离子中的带电粒子的碰撞率特别高。高的碰撞率导致等离子的高的温度和高的导电能力。等离子炬的中心区域由于导电能力增加而强烈地收缩并且形状稳定。随着与中心区域的径向距离的增加，带电粒子的碰撞率明显变的更小并且等离子炬的温度、密度和导电能力下降。这导致波动和等离子射束的扩大。在等离子切割时，该不稳定和等离子射束的边缘区域的扩大会产生不规则的并且因此差的切割结果。在等离子焊接时，焊缝变宽，从而可以实现更小的深度并且产生更大的热变形。
[0004]为了引导、收缩和稳定等离子射束，已知不同的方案:
[0005]由DE102009006132B4公开了，借助于水冷的喷嘴有针对性地冷却等离子射束从在阴极最低点的等离子上取走能量。通过相对于等离子烧嘴头直角地供入和/或导走冷却液，在那儿冷却液与喷嘴明显更长接触。由此，等离子射束在阴极最低点上收缩。
[0006]由DE102010005617A1公开了，至少在等离子切割过程的部分时间段期间有针对性地或者控制地使流过等离子烧嘴的电流有节奏地流动。此外，在那儿也建议，等离子气体和/或二级气体通过加工头的特别成形的喷嘴旋转地流动。
[0007]由W02000064618A2公开了，在等离子焊接时，将等离子射束和激光射束重叠，以便点燃并且沿着激光射束方向引导等离子射束。激光射束用于，激励包含在等离子气体中的分子振动并因此对于等离子射束预给出射束路径。
[0008]由W02011029462A1公开了一种用于用电弧装置和激光装置加工工件的装置和方法，其中，激光射束在等离子气体射束之内被引导，其中，在等离子气体射束中的激光射束形成用于提高等离子气体射束的导电能力的通道。电弧装置的电极可以构造成环形电极并且激光射束可以在环形电极的中心开口之内延伸。替换地，也可以将一个激光辐射或者多个激光辐射从外部邻近直接处于加工位置之前的等离子气体射束地并且与该等离子气体射束相交地引导至加工位置。
[0009]由DE19944469A1公开了一种用于复合焊接的装置，其中，至少一个聚焦的(替换地必要时非聚焦的)激光射束被引导到待加工的工件上并在电极和工件之间产生电弧，其中，电弧的轴线相对于激光辐射同中心的取向。激光射束和电弧基本射到工件上的同一位置上(加工位置)并且相互影响或者相互支持。
【发明内容】
[0010]本发明的任务在于，提出一种用于在激光支持下进行等离子切割或等离子焊接的方法和装置，所述方法和装置实现了改善的等离子射束的稳定和引导。
[0011]该任务通过用于在激光支持下进行等离子切割或等离子焊接通常板形工件的方法，所述方法包括步骤:产生等离子射束，所述等离子射束在电极和在工件上的加工位置之间延伸，其中，等离子射束具有关于其沿传播方向延伸的中轴线位于(径向)内部的中心区域以及(径向)外部基本环形的边缘区域；以及供应激光辐射(特别是供应经准直的激光辐射或者具有长的瑞利长度的激光辐射)到等离子射束的边缘区域中，其中，被供应的激光辐射平行于等离子射束的中轴线延伸。
[0012]本发明的一个重要的方面是，通过激光辐射同轴地不是照射整个等离子炬或者整个等离子气体射束，而是将供应的激光辐射的强度集中到等离子射束的边缘区域上，从而仅仅将激光辐射的强度的忽略不计地小的部分供应给中心区域。在此，通常使用经准直的激光辐射或者具有长的瑞利长度的激光辐射，以便实现激光辐射(基本上)平行于等离子射束的中轴线取向并且沿着等离子射束具有不变的射束形状。通常，激光辐射在等离子射束的背离工件的端部上(也就是说，在电极的区域中)供应给等离子射束，以便以这样的方式在等离子射束的整个长度上实现不变的射束引导。这在等离子切割时特别有益，因为在那儿首先加工厚的板(10mm-180mm)并且应该实现具有尽可能小的棱斜面的切割棱，从而供应的激光辐射在穿过工件时应该尽可能平行于中轴线延伸。为了实现这一点，可以使用准直的激光辐射，但是也可以使用稍微聚焦的或者非聚焦的激光辐射，所述激光辐射具有瑞利长度，该瑞利长度如此之大，以至于激光辐射在穿过工件时(近似)平行于中轴线延伸。为了保证这一点，使用的激光辐射的瑞利长度应该至少和被加工工件的厚度一样大。
[0013]发明人已经认识到，供应给等离子射束的中心区域的激光辐射由于已经很高的碰撞率不影响或者仅仅非常小地影响它的能量状态。相反地，在等离子射束的径向外部的边缘区域中具有较小的等离子密度，在该边缘区域中可以有针对性地并有效地使用激光辐射。激光辐射因此仅仅作用到等离子射束的这样的区域上，所述区域导致切割质量或者焊接深度降低。激光辐射的作用通常在等离子射束的边缘区域中通过光电效应导致等离子气体的电离提高，由此，提高被照射的等离子区域中的温度、密度和电导率。这有针对性地在边缘区域中稳定和收缩等离子射束并且其实现了在等离子射束的整个长度上引导等离子射束。
[0014]在本方法的一个变型方案中，激光辐射的波长这样选择，使得用于产生等离子射束的等离子气体被激光辐射(电子地)激励。使用的激光器或者激光辐射的波长应该这样选择，使得在等离子气体中进行电子激励，所述电子激励导致光电效应。因为氩是经常使用的等离子气体，因此例如可以借助于具有波长800nm-900nm的二极管激光器激励氩离子。替换地，也允许直接离子化或者激励氩原子。此外，需要200nm-500nm的短波长，所述短波长例如可以通过倍频的或者三倍频的固体激光器产生。可以理解的是，在使用不同于氩的其他等离子气体时，激光辐射的波长应该合适地调整。
[0015]在一个变型方案中，供应给等离子射束的激光辐射具有小于1000瓦特、优选小于500瓦特的功率。激光射束或者激光辐射的能量或功率通常不足以自身为工件加工做贡献，而是仅仅用于激励等离子的边缘区域中的光电效应。为了稳定等离子射束所需的激光功率取决于等离子炬或等离子射束的长度并且因此取决于待切割或者待焊接的工件厚度或者板材厚度。此外，功率由于布格-朗伯-比尔吸收定律取决于激光波长中等离子气体的各个待电激励的离子或分子的离子密度和作用横截面。几百瓦特的激光功率对于稳定通常是足够的。例如，供应给等离子射束的激光功率可以在大约10W和大约500W之间。
[0016]在根据本发明的方法的一个有利的变型方案中，借助于棒形电极、通常尖电极产生等离子射束。通过使用这样的电极，可以在环形阴极之内不具有激光辐射的同轴引导的复杂的加工头的情况下在等离子射束的边缘区域中激励光电效应。此外，尖电极由于它的几何结构可以较小电压下产生比同轴电极高的场强。
[0017]为了向等离子射束供应激光辐射，特别是在使用棒形电极时可以将激光辐射在至少一个侧向于中轴线错开的转向装置上在平行于等离子射束的中轴线的方向上转向。转向装置与棒形电极的中轴线的侧面错开距离的量值在此通常与等离子射束的基本环形的边缘区域的(平均)直径相一致，所述中轴线与等离子射束的中轴线一致，更准确地说，在中轴线和这样一个位置之间的间距，在所述位置上激光辐射在90°转向时射到转向装置上。
[0018]转向装置可以例如构造成转向镜或者必要时构造成电极-保持件的镜化的部分区域并且可以具有平的或者必要时弯曲的(例如截锥形)的镜面。可以理解的是，在转向装置上不必须强迫使激光辐射转向90°，而是必要时也可以使用更大的或者更小的转向角度，以便使激光辐射平行于中轴线取向。
[0019]在另一变型方案中，激光辐射通过用于将等离子气体施加到工件上的气体喷嘴的气体供应空间供应给等离子射束。在该变型方案中，激光辐射在典型的环形的气体供应空间中平行于气体喷嘴的中轴线延伸，所述中轴线一般与电极的中轴线一致，从而可以在等离子加工头的气体喷嘴的区域中省去转向装置，所述转向装置可能形成干扰等离子气体流动的干扰轮廓。
[0020]在另一变型方案中，供应给等离子射束的激光辐射具有环形的、旋转对称的或者非旋转对称的强度分布。激光辐射的作用可以在最简单的情况下环形地在等离子射束的整个边缘区域中进行。替换地，也允许激光辐射的非旋转对称的强度分布。激光辐射的强度分布例如在切割时这样形成，以至于激光辐射仅仅在切割前部上以及在合格件的侧上作用，因为剩余格栅状部的侧上的切割质量没有意义，所述剩余格栅状部通常作为废物被清除。
[0021]本发明的另一方面涉及一种用于在激光支持下进行等离子切割或等离子焊接工件装置，所述装置包括:等离子产生装置，所述等离子产生装置构造用于产生等离子射束，所述等离子射束在等离子产生装置的电极和在工件上的加工位置之间延伸，其中，等离子射束具有关于其沿传播方向延伸的中轴线位于(径向)内部的中心区域以及位于(径向)外部的、基本环形的边缘区域，以及射束供应装置，用于供应(经准直的)激光辐射(或者具有高瑞利长度的辐射)到等离子射束的边缘区域中，其中，供应给边缘区域的激光辐射平行于中轴线延伸。在根据本发明的装置中，与根据本发明的方法相应地，供应给边缘区域的激光辐射用于稳定等离子射束并且改进切割-或焊接效果。该装置能够可选地用于等离子切割或等离子焊接，这要视如何选择用于产生等离子或者产生使用的气体的压力的参数而定。
[0022]在一个实施形式中，该装置包括至少一个用于产生激光辐射的激光源。激光源可以是二极管激光器或者固体激光器。在选择合适的激光源时，特别是考虑光谱特性(中心波长和线宽)，但是也要考虑产生的波前的质量，因为最优的准直与平坦的波前一致并且因此使得等离子射束特别好地稳定和收缩。
[0023]在一个改进方案中，激光源构造用于产生具有波长的激光辐射，所述波长适合于激励用于产生等离子射束的等离子气体。等离子气体的光谱过渡可以从数据库中得到，例如可在WWW.nist.gov/pml/data/asd.cfm中可调用的数据库。U1或者U1 _氢混合气体经常被用作等离子气体，但是其他气体(例如氮、氧或者氢和它们的气体混合物)也可以用作等离子气体，在极少数的情况下也允许使用空气。
[0024]用于产生激光辐射的激光器的功率应该不大于1KW，通常不大于500W。对于稳定或者收缩等离子射束所需的激光功率较小并且处于能够在工件上引起切割加工或者焊接加工的激光功率之下。在激光源的上述最大的功率时假设，只存在唯一的激光源，所述激光源的激光功率基本没有损耗地供应给等离子射束的边缘区域。如果使用多于一个激光源来供应激光辐射到等离子射束的边缘区域中，则各激光源的最大激光功率可以相应地减小。
[0025]在另一实施形式中，电极构造成棒形，通常具有尖形端部，在所述尖形端部上，场强在电极和待加工的工件之间施加电压时特别高。如上所示，使用棒形电极实现了具有相对于环形的电极特别简化了的构造形式的等离子加工头的使用。但是可以理解的是，本发明的装置必要时也可以具有环形的电极。
[0026]在一个实施形式中，该装置具有至少一个侧向于中轴线错开的转向装置，以便使激光辐射转向到平行于等离子射束的中轴线的方向上。转向装置可以例如构造成与电极间隔开的转向镜。
[0027]在一个有利的改进方案中，转向装置形成在电极的经冷却的保持件上。为了借助于冷却液、例如水冷却，保持件可以具有一个或者多个冷却通道。该转向装置可以特别是形成在保持件的例如截锥形的段上，所述保持件过渡到电极中或者电极安装在所述保持件上。为了提高反射率，典型的金属保持件必要时在射束转向区域中可以设有反射涂层。在保持件上进行转向比在电极上转向更有益，因为电极一般不直接被冷却并且具有特别高的温度，这会导致电极的金属材料膨胀以及导致局部的变形，所述变形对于激光辐射有针对性的转向到等离子射束的边缘区域中是不好的。
[0028]在另一实施形式中，射束供应装置这样构造，使得通过用于将等离子气体施加到工件上的喷嘴的气体供应空间给等离子射束供应激光辐射，从而可以省去在电极区域中的激光辐射的转向。
[0029]在另一实施形式中，用于产生激光辐射(特别是经准直的激光辐射或者具有大的瑞利长度的激光辐射)的射束供应装置构造成具有环形的、旋转对称的或者非旋转对称的强度分布。射束供应装置在这种情况通常具有一个或者多个光学元件，在所述一个或所述多个光学元件上(近似)准直通常发散的、必要时收敛的激光射束。环形的强度分布在最简单的情况下是旋转对称的，但是也允许仅仅在一个或者多个限定的角区域中产生高的辐射强度。可以理解的是，环形的强度分布的(平均)半径基本上与等离子射束的环形的边缘区域的(平均)半径一致。环形的强度分布可以通过设置在中心的圆形光圈产生，但是有益的是，环形的强度分布基本在没有强度损失的情况下产生。
[0030]在另一改进方案中，射束供应装置具有轴棱镜，所述轴棱镜具有至少一个锥形的透镜面，以便由典型发散的激光辐射产生环形的、通常准直的强度分布，而不会在此出现激光辐射的显著或值得一提的强度损失。
[0031]在另一改进方案中，射束供应装置具有衍射光学元件。借助于衍射光学元件可以使用激光辐射的衍射布置，以便将射到衍射光学元件上的通常发散的强度分布成形为几乎任意形状的射出侧的强度分布。衍射光学元件可以因此用于产生环形的、旋转对称的或者非旋转对称的强度分布。后者可以例如用于，在等离子切割时仅仅在切割前部的形成合格件的一侧上产生等离子射束的稳定，对于所述合格件需要切割棱的高切割质量。
[0032]在另一实施形式中，射束供应装置具有多个环形地围绕中轴线设置的光导纤维，所述光导纤维通常平行于中轴线取向并且给所述光导纤维分别配置一个微透镜，用于准直射出的激光辐射。后者是需要的，因为在相应的(玻璃)光导纤维的面对工件的光导纤维端部上射出的激光辐射一般发散地射出并且因此必须(近似)被准直。微透镜可以以到相应的光导纤维端部预定的间距设置或者给各光导纤维端部设置一个微透镜，其方式是，熔化光导纤维端部，从而使得光导纤维端部自身用作微透镜(也称为“带透镜的石英光导纤维，，)。
【专利附图】
【附图说明】
[0033]从说明书和附图中得出本发明其他的优点。上述的和还继续说明的特征单独地或者几个任意组合应用。示出的和所述的实施形式不理解成穷举，而是更确切的说具有用于描述本发明的示例性特征。
[0034]其示出了:
[0035]图la、b:等离子射束的示意图，所述等离子射束用于在不稳定的情况下加工工件(图1a)以及具有稳定和收缩地通过准直的，在等离子射束的边缘区域中延伸的激光辐射加工工件；
[0036]图2:用于在激光支持下进行等离子切割或等离子焊接的装置的实施形式的示意图，所述装置具有射束供应装置，所述射束供应装置具有轴棱镜用于产生具有环形的强度分布的激光福射；
[0037]图3:具有准直透镜和圆形的光圈的射束成形装置用于产生环形的强度分布；
[0038]图4:具有衍射光学元件的另一射束成形装置用于产生环形的强度分布；
[0039]图5a、b:多个环形的围绕电极的中轴线设置的光导纤维的侧视图以及俯视图；
[0040]图6a、b:图5a、b光导纤维中的一个具有与光导纤维端部间隔开的微透镜(图6a)或者具有形成在光导纤维端部上的微透镜(图6b);
[0041]图7:用于在激光支持下进行等离子切割或等离子焊接的装置的另一实施形式，所述装置具有两个转向镜用于将侧面供应的激光辐射转向到等离子射束的传播方向上；
[0042]图8:单个的转向镜用于将激光辐射转向到等离子射束的传播方向上；以及
[0043]图9:电极，所述电极具有液体冷却的保持件，所述保持件用作用于激光辐射的转向装置，所述激光辐射侧面地供应给保持件。
【具体实施方式】
[0044]图1示出了等离子射束1，所述等离子射束在用作阴极的尖电极2和用作阳极的金属工件3 (板材)之间延伸并且所述等离子射束用于根据应用情况切割地或者焊接地加工工件3。等离子射束I具有中心的、位于径向内部的区域4，一中轴线M在所述区域的中心延伸，所述中轴线表示尖电极2和工件3之间的最短连接线并且所述中轴线与棒形电极2的中轴线一致。在等离子射束I的中心区域4中，等离子气体(在本实施例中是氩)的带电的(离子化的)粒子5的碰撞率特别高。高碰撞率导致中心区域4中的等离子的高温度和高导电性，所述中心区域强烈收缩并且在形状方面是稳定的，也就是说，等离子典型地基本上在热力学平衡中。
[0045]随着到中轴线M的径向间距增大，碰撞率下降，由此，等离子射束I的环绕基本圆形的中心区域4的、位于径向外部(基本上环形的)边缘区域6具有较小的碰撞率并且相应地具有较小的温度、密度和导电性。这导致，等离子射束I在边缘区域6中扩大并且在那儿出现不稳定性，所述不稳定性可能在等离子切割时导致不规律的并且进而差的切割结果并且在等离子焊接时导致焊缝加宽。
[0046]图1b示出了图1a的等离子射束1，在所述等离子射束中附加地供应在位于径向内部的边缘区域6中平行于等离子射束I的中轴线M(也就是说，垂直于工件3)延伸的、经准直的激光辐射7。供应给边缘区域6的激光辐射7导致稳定化并且特别是导致等离子射束I在边缘区域6中收缩，通过比较图1a和图1b可明显地看出这一点。如在图1b中所示地,激光辐射7仅仅供应给边缘区域6，而不供应给中心区域4，因为供应到中心区域4中的激光辐射7由于高的碰撞率只能对等离子产生小到可以忽略的影响。因此，激光辐射7准确地作用到等离子射束I的边缘区域6上，所述边缘区域是导致切割质量降低或者焊接深度变小的原因。
[0047]图2示出了装置10的实施例，所述装置构造用于实施激光支持的等离子切割和/或等离子焊接。装置10包括等离子产生装置11，所述等离子产生装置具有电源12，以便在用作阴极的尖电极2之间和用作阳极的金属板形的工件3之间产生电压或者电场。例如通过侧面地安装在工件3上的接触夹3使工件3与电源12电连接。在使用尖电极2作为阴极时，用于产生等离子射束I所需的电压较低，电极尖区域中的场强特别高。
[0048]等离子产生装置11的另一部分是用于向气体喷嘴15供应等离子气体14的气体供应装置。更准确地说，等离子气体14被供应给设置在气体喷嘴15中的环形气体供应空间16。气体喷嘴15形成等离子加工头(未示出)的一部分，等离子气体14通过没有详细描述的供应通道供应给所述等离子加工头。气体供应装置此外具有蓄气容器17，等离子气体14(例如氩气和氢气的混合物)以及工艺气体被存储在所述蓄气容器中。蓄气容器17与一用于对等离子气体14进行压力调整的装置18连接，在所述装置中必要时也进行与其他气体的混合。
[0049]供应给气体喷嘴15的等离子气体14在面对工件3的喷嘴开口上从气体喷嘴15喷出。通过施加高电压，等离子炬被点燃(点燃阶段)。等离子气体被离子化，由此，在电极2和工件3之间形成等离子射束1，所述等离子射束由正离子和负离子、电子以及被激励的和中性的原子和分子组成。为了可以将在等离子切割(切割阶段)时在切割间隙(未示出)处穿过工件3的等离子气体和工艺气体14畅通无阻地排出，在工件支座20 (工件桌)上设置多个支座片19作为间隔保持件。气体混合物在点燃-和切割阶段期间可以在它的组成成分和体积流量方面不同。在加工平放在工件支座20上的工件3时，在工件3和气体喷嘴5或者等离子加工头(未示出)之间通常发生相对运动，气体喷嘴5安装在所述等离子加工头上。所述相对运动通常发生在工件平面中，也就是说，在XYZ-坐标系的X和/或Y方向上。为了产生相对运动，具有等离子加工头的气体喷嘴15、工件3可以相对于工件支座20运动和/或工件支座20自身借助于常规的、这里未详细描述的移动单元运动。
[0050]在图2中示出的装置10中，具有在大约800到100nm范围内的波长λ的二极管激光器用作激光源21。激光辐射7的波长λ在此这样匹配于等离子气体14，使得等离子气体14的离子5 (见图1a)(在本例中是氩离子)被电激励(光电效应)。替换地或者附加地也允许，直接电离等离子气体中的气体-原子，为此，在氩气作为等离子气体14时，通常需要在大约200nm和500nm之间范围中的短波长，所述波长例如可以通过倍频的或者三倍频的固体激光器产生。可理解的是，除了氩气之外或者替代氩气地，也可以使用其他的等离子气体，例如氮、氧或氢，其中，激光源21的波长λ可以匹配各等离子气体并且优选地在大约200nm和100nm之间。必要时也可以使用由多种气体组成的气体混合物作为等离子气体14，其中，电激励或者电离等离子气体14的唯一的组成部分必要时就足以引起等离子射束的期望的收缩和稳定。
[0051]为了在等离子射束I的边缘区域6中产生光电效应，小的激光功率通常是足够的，从而当假设激光源21的可用的激光功率(几乎)完全供应给等离子射束I的边缘区域时，激光源21的大约1000W、通常大约100W和大约500W之间的最大功率就足够。
[0052]为了将激光源21的激光辐射7供应给等离子射束1，装置10具有射束供应装置22，所述射束供应装置可以是加工头的组成部分。所述射束供应装置在图2示出的实施例中具有带有圆锥形透镜面23a的轴棱镜23，以便由激光源21射出的激光辐射7的发散的强度分布产生环形的强度分布以及使激光辐射7准直。
[0053]轴棱镜23在此设置在激光辐射7的发散的光路中的一个位置上，在所述位置上，由轴棱镜23产生的环形强度分布的(平均)直径基本上与等离子射束I的基本环形的边缘区域6的(平均)直径一致，从而使得在轴棱镜23处准直的激光辐射7可以穿过气体喷嘴15的气体供应空间16直接(也就是说，没有附加的光学元件)供应给等离子射束I的边缘区域6。因为工件3的厚度d在等离子切割时一般在大约1mm和180_之间，小的棱倾斜以及在等离子切割时形成的切割棱的好的轮廓精度特别重要。这可以借助于准直的激光辐射7得到，所述激光辐射沿着等离子射束I具有不变的射束形状。
[0054]用于产生具有环形的旋转对称的强度分布的经准直的激光辐射7的另一可能性在图3中示出，在该图中，图2的供应装置22的轴棱镜23被准直透镜24以及在光路中布置在下游的圆形光圈25代替，所述光圈将激光辐射7的强度分布的处于径向内部的区域隐没，从而总地产生环形的强度分布。特别是气体喷嘴15或者必要时尖电极2的上端部也有相应的遮光作用，从而如图3所示，必要时可以完全不必设置附加的光圈。
[0055]在图2和图3中示出的射束供应装置22中产生具有环形强度分布和旋转对称的经准直的激光辐射，而在图4所示的射束供应装置22中设置衍射光学元件26，所述衍射光学元件-根据设计-实现了，使激光源21的发散的强度分布要么变成具有围绕中轴线M的旋转对称的环形强度分布，要么变成-如果期望-非旋转对称的强度分布。
[0056]当装置10用于沿着工件3上的切割前部进行等离子切割时，合格件位于所述切割前部的切割棱中的一个上，在另一切割棱属于剩余格栅状部，所述剩余格栅状部在该切割过程或者几个另外的切割过程之后被清除，则这样的非旋转对称的强度分布可以例如是有益的。在这种情况下，仅仅在切割前部那侧上需要高切割质量，合格件的切割棱在所述侧上延伸，因为在剩余格栅状部那侧上的切割质量不重要。因此，衍射光学元件26(不同于图4所示)可以产生非旋转对称的环形的强度分布，在所述强度分布中，高强度例如限于圆环的一半，合格件的切割棱沿着所述一半延伸。
[0057]为了实现具有不同几何形状的强度分布，衍射光学元件26必要时借助于(未示出)更换装置可以换成其他衍射光学元件。在图4中同样可见，气体喷嘴15为了将等离子气体14施加到工件3上可以被其他气体喷嘴27环形围绕，所述其他气体喷嘴具有另一环形的供应空间28，用于(未示出)包裹-或者涡流气体(氧、氮或者氮和氧的气体混合物)。
[0058]在图5a、b中示出一供应装置22，所述供应装置同样允许将平行于棒形电极2的中轴线M取向的激光辐射7穿过气体喷嘴15的环形的供应空间16进行供应。供应装置22在这种情况下具有多个光导纤维29 (纤维束)，所述光导纤维围绕电极2的中轴线M以环形的布置分布，特别是可以在图5b的俯视图中看到这一点。电极2的中轴线M和各自的光导纤维之间的间距在此基本匹配等离子射束I的环形边缘区域6的(平均)半径。
[0059]微透镜30可以用于使发散地从光导纤维29射出的激光辐射7准直，所述微透镜或者与相应的光导纤维端部间隔开地设置(见图6a)或者形成在相应的光导纤维29的熔融的光导纤维端部上(所谓的带透镜的石英光导纤维，英语为“lensed silica fiber”)，见图6b ο
[0060]在上述做法中，激光辐射7穿过(未示出)等离子加工头的气体喷嘴15的气体供应空间16(典型地将相应的射束形成或准直元件23、24、26、29布置在其中)，除了或者替代上述的做法，也可以侧面地供应激光辐射7到气体喷嘴15的喷嘴开口的区域中，如下面根据图7中示出的装置10的另一实施例详细地描述的那样。
[0061]在图7的装置10中，激光辐射7基本平行于工件3地被侧面地引导到气体喷嘴15的射出侧的区域中，更确切地说，在棒形电极2的尖形端部的区域中。在本实施例中在那儿安装两个平转向镜31a、31b，所述转向镜将激光辐射7转向90°并且沿等离子射束I的边缘区域6的中轴线M的方向供应激光辐射。激光辐射7在图7示出的实施例中由两个不同的激光源21a、21b产生，但是可以理解的是，激光辐射7仅仅由一个或者多个激光源产生并且例如可以借助于射束分配器分配，从而相应的子射束被供应给转向镜31a、31b中的一个。
[0062]激光辐射射到相应转向镜31a、31b上的位置这样定位，使得激光辐射7转向到等离子射束I的边缘区域6中(但是不到中心区域4中)。可以理解，也可以在电极2的区域中设置多于两个转向镜，以便给等离子射束I的中心区域4供应激光辐射7，其中，转向镜例如可以沿着圆周方向彼此以规律的角间距设置。必要时也可以在多个平面转向镜的位置上在电极2的区域中设置一个或者多个圆形环绕的锥形镜面，以便使径向射入的激光辐射7在等离子射束I的边缘区域4中转向。
[0063]因为等离子射束I首先从电极2的尖端燃烧，转向镜31a、31b不同于图7所示地可以继续向上装到气体喷嘴15中。为了侧面地供应激光辐射7，在此气体喷嘴15的壁可以设有透明的材料(例如玻璃或者诸如此类)。为了避免转向镜31a、31b形成干扰等离子气体流动的干扰轮廓，可以在气体喷嘴15上代替一个环形的供应空间地必要时也可以设置多个(例如四个)沿着圆周方向围绕电极2分布的供应空间，在所述供应空间之间设置转向镜。激光源21a、21b的激光辐射7可以(借助于在图7中未示出的光学元件)准直地射到转向镜31a、31b上。替换地或者附加地，转向镜31a、31b或者它们的镜面可以具有曲率，以便将通常发散地射到其上的激光辐射7在转向时准直。
[0064]如图8所示，必要时也可以在装置10中设置唯一的侧面地相对于电极2错开的转向镜31a，以便将激光辐射7供应给等离子射束I的边缘区域6的沿着圆周方向相对小的段。通常，在这种情况下，切割前部的那个面对合格件并且应得到高切割质量的切割棱位于等离子射束I的边缘区域6的该段(在该段中供应激光辐射7)中。
[0065]图9示出了从侧面向等离子射束I的边缘区域6供应激光辐射7的另一可能性，其中，用于棒形电极2的保持件的镜化的、锥形的段用作转向装置34。例如介电的或者金属的涂层(例如由铝构成)可以用来镜化。在电极保持件32中设有冷却通道33，以便借助于(未示出)冷却液(例如水)冷却保持件32或者棒形电极2。在经冷却的区域中设置用于激光辐射7的转向装置34是有益的，因为电极2自身通常被加热到特别高的温度上，从而可能导致电极2的材料的膨胀和可能变形。所述膨胀和变形使经准直的激光辐射7的有针对性的转向或者在转向到边缘区域4中时使激光辐射7的准直变得困难。
[0066]通过上述的装置10，可以借助于射到等离子射束I的边缘区域6中的经准直的激光辐射7实现等离子射束I的保持不变的射束引导并且因此实现等离子射束I的稳定或者收缩，所述激光辐射通常沿着电机2的整个等离子射束I延伸至工件2。以这种方式可以在等离子切割时在棱斜面和轮廓精度方面改善切割质量并且通过更窄的切割间隙提高可能的进给速度。在等离子切割时，借助于装置10可以实现更深更薄的切割间隙以及更小的热影响区。如果代替经准直的激光辐射(如上所述)而使用不完全准直的激光辐射，也实现加工质量的改进，所述激光辐射具有大的瑞利长度，也就是说，尽可能地平行或者近似平行于中轴线延伸的激光辐射。
【权利要求】
1.一种用于对工件(3)进行激光支持的等离子切割或等离子焊接的方法，所述方法包括步骤: 产生等离子射束(I)，所述等离子射束在一电极(2)和一处于所述工件(3)上的加工位置(3a)之间延伸，其中，所述等离子射束(I)具有一关于其沿传播方向(Z)延伸的中轴线(M)位于内部的中心区域⑷以及一位于外部的边缘区域(6);以及 供应激光辐射(7)到所述等离子射束(I)的边缘区域(6)中，其中，被供应的所述激光辐射(7)平行于所述中轴线(M)延伸。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，被供应的所述激光辐射(7)的波长这样选择，使得用于产生所述等离子射束(I)的等离子气体(14)由所述激光辐射(7)激励。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其中，供应给所述等离子射束(I)的激光辐射(7)具有小于1000瓦，优选小于500瓦的功率。
4.根据上述权利要求中任一项所述的方法，其中，借助于棒形电极(2)产生所述等离子射束(I)。
5.根据上述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述激光辐射(7)在至少一个侧向于所述中轴线(M)错开的转向装置(31a、31b、34)上转向到平行于所述等离子射束(I)的中轴线(M)的方向(Z)上。
6.根据上述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述激光辐射(7)通过用于将等离子气体(14)施加到所述工件(3)上的气体喷嘴(15)的气体供应空间(16)供应给所述等离子射束(I)。
7.根据上述权利要求中任一项所述的方法，其中，供应给所述等离子射束(I)的激光辐射(7)具有环形的、旋转对称的或者非旋转对称的强度分布。
8.一种用于对工件(3)进行激光支持的等离子切割或等离子焊接的装置，包括: 等离子产生装置(11)，所述等离子产生装置构造用于产生等离子射束(I)，所述等离子射束在所述等离子产生装置(11)的电极(2)和一处于所述工件(3)上的加工位置(3a)之间延伸，其中，所述等离子射束(I)具有一关于其沿传播方向(Z)延伸的中轴线(M)位于内部的中心区域⑷以及一位于外部的边缘区域(6);以及 用于供应激光辐射(7)到所述等离子射束(I)的边缘区域￠)中的射束供应装置(22)，其中，被供应的所述激光辐射(7)平行于所述等离子射束(I)的中轴线(M)延伸。
9.根据权利要求8所述的装置，还包括:至少一个用于产生所述激光辐射(7)的激光源(21、21a、21b)。
10.根据权利要求9所述的装置，其中，所述激光源(21、21a、21b)构造用于，产生具有波长(λ)的激光辐射(7)，所述激光辐射适合于激励位于所述装置(10)的蓄气容器(17)中的、用于产生所述等离子射束(I)的等离子气体(14)。
11.根据权利要求8至10中任一项所述的装置，其中，所述电极(2)构造成棒形。
12.根据权利要求8至11中任一项所述的装置，所述装置具有至少一个侧向于所述中轴线(M)错开的转向装置(31a、31b、34)，以便使所述激光辐射(7)转向到平行于所述等离子射束⑴的中轴线(M)的方向(Z)上。
13.根据权利要求12所述的装置，其中，所述转向装置(31a、31b、34)构造在所述电极(2)的被冷却的保持件(32)上。
14.根据权利要求8至13中任一项所述的装置，其中，所述射束供应装置(22)这样构造，使得所述激光辐射(7)通过用于将所述等离子气体(14)施加到所述工件(3)上的喷嘴(15)的气体供应空间(16)供应给所述等离子射束(2)。
15.根据权利要求8至14中任一项所述的装置，其中，所述射束供应装置(22)构造用于产生具有环形的、旋转对称的或者非旋转对称的强度分布的激光辐射(7)。
16.根据权利要求8至15中任一项所述的装置，其中，所述射束供应装置(22)具有轴棱镜(23)。
17.根据权利要求8至16中任一项所述的装置，其中，所述射束供应装置(22)具有衍射光学兀件(26)。
18.根据权利要求8至17中任一项所述的装置，其中，所述射束供应装置(22)具有多个环形地围绕所述中轴线(M)布置的光导纤维(29)，给所述光导纤维分别配置一个用于准直射出的激光辐射(7)的微透镜(30)。
【文档编号】B23K26/073GK104395032SQ201380034821
【公开日】2015年3月4日 申请日期:2013年4月24日 优先权日:2012年4月30日
【发明者】A·波普, T·黑塞, T·凯泽 申请人:通快机床两合公司