专利名称：材料的加工的制作方法
技术领域：
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。
图4给出了槽深和表面堆积层与氧气压力的关系曲线。太低的氧气压力导致切削无效。随表面堆积层的增加槽深减小。在1.5巴压力以下，这一过程是不稳定的，对一个特定的喷嘴调整，发现最佳压力为2.5巴。过高的压力对上升速度产生反作用，并使槽口封闭，产生不良的氧化反应。
图5示出了具有许多盲槽的工件如冷却管道。工件为200mm厚的钢块，槽是使用1kwCo2激光器以1.5m/min的速度加工而成的，槽宽30μm，深30mm，槽间的距离为1mm，氮气流的压力为11巴，氧气流的压力为2.4巴。
在以上述描述的装置中，尽管对第一气流直射工作的情况作了介绍，但现已发现通过产生一种真空而改变第一气流的方向，同样可以形成涡流。
此外，上述装置中仅描述了两束气流，显然，利用两束以上气流也可以形成涡流。
权利要求
1.在工件上加工盲槽的方法包括下列步骤用工件熔点以上的温度加热工件表面，并用至少两束气流射向上述工件表面，气流与槽底一起形成具有预定旋向的涡流，从槽中清除去熔状材料。
2.在权利要求1所述的方法中，其中使用激光束加热工件表面。
3.在权利要求1和2所述的方法中，其中第一气流射向工件表面并与之大致成直角，在第一气流大体的方位面(in the generaldirection)内，第二气流射向工件表面并与之成锐角。
4.如权利要求3所述的方法，其中第一气流是氧气流，第二气流是氮气流。
5.如权利要求1和2所述的方法，其中第一气流由作用于工件表面并紧贴着激光能量束的相对真空产生，大体上在真空所处的方位面内(in the general direction)第二气流射向工件表面并与之成锐角。
6.一种在工件(2)上加工槽(3)的装置包括熔化工件(2)表面的热源(4)和射向工件表面的至少两束气流(5)和(6)，气流相互作用并与槽(3)底部一起形成具有预定旋向的涡流，从槽(3)中清除去熔状材料。
7.如权利要求6所述的装置，其中所述的热源为激光束。
8.一种加工工件的方法基本上如上所述。
9.一种加工工件的装置，其构造、安装和操作应用，基本上如上所述，同时可参考附图1及2的图解说明。
全文摘要
在工件2上加工盲槽3的方法包括使用激光束以高于其熔点的温度对工件2的表面加热，并将至少两束气流5和6射向工件，它们与槽3底部一起形成具有预定旋向的涡流，从槽3中清除掉熔状材料。
文档编号B23K26/14GK1139024SQ9610723
公开日1997年1月1日 申请日期1996年4月13日 优先权日1995年4月13日
发明者W·奥尼尔 申请人:英国氧气集团有限公司