激光穿刺方法及相应控制器、激光加工机和可读程序载体与流程

本发明涉及一种用于对工件进行激光穿刺的方法、一种用于激光加工机的控制器、一种激光加工机和一种非易失性计算机可读程序载体。

背景技术：

激光切割因速度快、切缝窄、热影响区小、切缝边缘垂直度好等优点而得到广泛应用，特别是对于切割板材尤其有利。

目前，现有的尤其是用于中厚不锈钢的激光穿刺工艺总体上可以分为高功率快速穿刺和低功率脉冲氧气穿刺。

对于高功率快速穿刺，其优势是穿刺速度快，缺点是穿刺孔大，飞溅多，在穿刺点周围形成大量渣堆，影响穿刺点附近的切割，甚至使得穿刺点附近不能正常切割。例如，过大的渣堆会使得设置在激光加工头上的距离传感器将渣堆识别为是干扰轮廓而错误地控制激光加工头的运动，例如使激光加工头远离工件。还有可能的是，不规则的渣堆使得距离传感器无法识别，从而让切割头直接碰撞渣堆引发机床报警停机或者损坏加工头。此外，高功率快速穿刺会有高强度的反射光，极易引起光路和光源的损坏。

对于低功率脉冲氧气穿刺，其优势是穿刺孔小，在穿刺点周围几乎没有渣堆。由于使用较低的功率脉冲穿刺，使得较低的反射光不易损坏光路和光源。缺点是穿刺时间长，工作效率低。

为此，迫切需要对现有穿刺工艺进行改进。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种改进的对工件进行激光穿刺的方法、一种相应的用于激光加工机的控制器、一种相应的激光加工机和一种相应的非易失性计算机可读程序载体，以克服现有技术中的至少部分缺点。

为此，根据本发明的第一个方面，提供了一种用于对工件进行激光穿刺的方法，所述方法至少包括以下步骤：预穿刺步骤，所述预穿刺步骤用于在第一辅助气体的情况下利用激光束在工件的表面上一步形成初始凹坑；以及穿刺步骤，所述穿刺步骤用于在第二辅助气体的情况下利用激光束从初始凹坑的底部刺穿工件；其中，所述初始凹坑的开口直径大于穿刺步骤形成的穿刺孔的直径。

根据本发明的一个可选实施例，所述方法还包括以下步骤：在穿刺步骤之后执行的整形步骤，所述整形步骤用于在第三辅助气体的情况下利用激光束对穿刺操作形成的渣堆进行整形，以降低渣堆的高度和/或使渣堆的表面光滑化。

根据本发明的一个可选实施例，所述方法还包括以下步骤：在整形步骤之后执行的扩孔步骤，所述扩孔步骤用于在第四辅助气体的情况下利用激光束扩大所述穿刺孔。

根据本发明的一个可选实施例，所述方法还包括以下步骤：在预穿刺步骤之前执行的喷油步骤，所述喷油步骤用于使穿刺部位覆盖一层激光穿刺润滑油。

根据本发明的一个可选实施例，在预穿刺步骤中，将激光束的焦点设置在工件上方的第一焦点位置处；和/或将激光加工头相对于工件的上表面调节到第一预定高度处；和/或使第一辅助气体以第一预定压力喷射；和/或使激光束以第一预定频率的脉冲激光的形式照射。

根据本发明的一个可选实施例，在穿刺步骤中，将激光束的焦点设置在工件内的处于初始凹坑下方的第二焦点位置处；和/或将激光加工头相对于工件的上表面调节到第二预定高度处，其中，所述第二预定高度小于第一预定高度；和/或使第二辅助气体以第二预定压力喷射，其中，所述第二预定压力大于第一预定压力；和/或开启侧吹气体；和/或使激光束以平均功率从高逐渐变低、第二预定频率的脉冲激光的形式照射，其中，所述第二预定频率大于第一预定频率。

根据本发明的一个可选实施例，在整形步骤中，将激光束的焦点设置在工件上方的比第一焦点位置更高的第三焦点位置处；和/或将激光加工头相对于工件的上表面调节到第三预定高度处，其中，所述第三预定高度大于第一预定高度；和/或使第三辅助气体以第三预定压力喷射，其中，所述第三预定压力小于第二预定压力；和/或开启侧吹气体；和/或使激光束以第三预定频率的脉冲激光的形式照射，其中，所述第三预定频率小于第二预定频率。

根据本发明的一个可选实施例，在扩孔步骤中，使第四辅助气体以第四预定压力喷射，其中，所述第四预定压力大于第一预定压力；和/或将激光加工头相对于工件的上表面调节到第四预定高度处，其中，所述第四预定高度小于第二预定高度和/或与激光加工头随后从穿刺孔开始执行切割时所处的高度一致。

根据本发明的一个可选实施例，所述扩孔步骤至少包括以下子步骤：在整形步骤之后执行的第一扩孔子步骤，所述第一扩孔子步骤用于扩大穿刺孔的远离初始凹坑的部分，其中，激光束的焦点被设置在工件内的处于初始凹坑下方的第四焦点位置处；以及在第一扩孔子步骤之后执行的第二扩孔子步骤，所述第二扩孔子步骤用于进一步扩大穿刺孔的远离初始凹坑的部分，其中，激光束的焦点与第一扩孔子步骤时相比被朝向激光加工头的方向调整。

根据本发明的一个可选实施例，在第一扩孔子步骤中，使激光束的焦点邻近于工件的厚度的中心位置；和/或在第二扩孔子步骤中，使激光束以最高平均功率的连续波的形式扩孔；和/或第一扩孔子步骤和第二扩孔子步骤交替重复执行。

根据本发明的一个可选实施例，在穿刺过程中使用的所有辅助气体均为相同类型的非氧气气体；和/或所述侧吹气体为空气；和/或所述工件为不锈钢板。

根据本发明的一个可选实施例，所述非氧气气体为氮气和/或空气；和/或在穿刺过程中使用的所有辅助气体(侧吹气体除外)与之后的切割过程中使用的辅助气体为相同类型的气体。

根据本发明的第二个方面，提供了一种用于激光加工机的控制器，其中，所述控制器被配置成用于执行上述方法。

根据本发明的第三个方面，提供了一种激光加工机，其中，所述激光加工机包括：激光束产生器、可移动的激光加工头、工件支撑座以及所述控制器。

根据本发明的第四个方面，提供了一种非易失性计算机可读程序载体，其中，所述非易失性计算机可读程序载体存储有程序指令，所述程序指令在运行时用于执行上述方法。

根据本发明，与现有工艺相比既能保护激光切割机的一些硬件、又能大幅提高穿刺质量和穿刺效率，同时还降低了加工成本。

附图说明

下面，通过参看附图更详细地描述本发明，可以更好地理解本发明的原理、特点和优点。附图包括：

图1示意性地示出了根据本发明的一个示例性实施例的激光加工机的立体图。

图2示出了用于一步形成初始凹坑的预穿刺步骤。

图3示出了在预穿刺步骤之后执行的用于从初始凹坑的底部穿透不锈钢板的穿刺步骤。

图4示出了在穿刺步骤之后执行的用于对形成的渣堆进行整形的整形步骤。

图5-6示出了在整形步骤之后执行的用于扩大穿刺孔的扩孔步骤。

具体实施方式

为了使本发明所要解决的技术问题、技术方案以及有益的技术效果更加清楚明白，以下将结合附图以及多个示例性实施例对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用于解释本发明，而不是用于限定本发明的保护范围。

图1示意性地示出了根据本发明的一个示例性实施例的激光加工机的立体图，在此，激光加工机被实施为激光切割机1，但本领域的技术人员特别是在阅读了以下详细描述之后，可知本发明的思想并不局限应用于激光加工机中，也可以应用于其它类型的加工机、例如激光焊接机或组合式冲压/激光切割机中。

如图1所示，激光切割机1主要包括激光束产生器2、可移动的激光加工头3和工件支撑座4。激光束产生器2例如可以是二氧化碳激光器、二极管激光器或固体激光器等，激光束产生器2用于产生激光束5，该激光束5可借助于激光传导装置(未示出)、例如偏转镜或光纤从激光束产生器2传导到激光加工头3。工件6支撑在工件支撑座4上。激光束5借助于例如设置在激光加工头3上的光学器件、例如聚焦光学器件照射工件6，以切割或穿刺工件。

此外，在激光加工过程中通常还需要从辅助气体源7通过输送管道供给辅助气体，例如，空气、氧气、氮气或任何合适的气体组合，以协作完成激光加工过程。实际中，可例如根据所要加工的工件6的材料类型和/或对切割棱边的质量要求和/或对加工成本及效率的考虑等选择合适的辅助气体。在加工过程中，通常在激光照射工件6的相应部位进行加工的同时使辅助气体吹向该加工部位。为此，通常在激光加工头3上还设有辅助气体喷嘴8。

辅助气体根据需要可以起着物理作用，例如吹走激光加工所产生的料渣，有时也可起着某种化学作用，例如当辅助气体为空气时，可以使加工部位氧化。

辅助气体也不局限于仅从激光加工头3的方向吹向加工部位，例如也可从激光加工头3的侧旁吹向加工部位，即进行侧吹。

通常，激光切割机1还包括抽吸装置9，其与工件支撑座4下方的抽吸通道10连接，以收集激光加工中产生的烟尘等物质。

当激光切割机1要对工件6进行切割时，通常需要先对工件6进行穿刺以获得作为后续切割的起点的穿刺孔。激光切割机1在切割过程中和穿刺过程中可能会根据需要使用不同的辅助气体。

为了控制整个激光加工过程，如图1所示，激光切割机1还包括控制器11。

对于本领域的技术人员所知悉的更多技术细节，为了清楚起见，在此不再赘述。下面，将重点描述本发明所涉及的有关穿刺过程的更多技术细节和实施方式。

下面，结合图2-图6以不锈钢板工件为例描述根据本发明的一个示例性实施例的激光穿刺方法。所述激光穿刺方法至少包括预穿刺步骤和穿刺步骤。

图2示出了用于一步形成初始凹坑12的预穿刺步骤，所述初始凹坑12的开口直径大于穿刺步骤形成的穿刺孔的直径。

为了执行预穿刺步骤，激光加工头3应处于不锈钢板上所要穿刺的部位、即穿刺点上方。如果激光加工头3未处于穿刺点上方，可以通过使用驱动装置、例如x轴和/或y轴的伺服电机先使激光加工头3移动到穿刺点上方。

激光穿刺时，还需要设置激光加工头3到工件6的上表面的距离，该距离可通过优选设置在激光加工头3上的距离传感器(未示出)测量。然后，高度调节装置(未示出)可以基于距离传感器的测量值将激光加工头3调节到所期望的位置。如图2所示，在该预穿刺步骤中，将激光加工头3调节到较高的第一预定高度d1。

此外，激光穿刺时，还需要设置从激光加工头3射出的激光束5的焦点位置13，这可通过自动变焦系统(未示出)进行。如图2所述，在该预穿刺步骤中，将激光束5的焦点设置在不锈钢板上方的第一焦点位置处。

在该预穿刺步骤中，使辅助气体、优选氮气或空气以较低的第一预定压力喷射，如图2中的箭头14所示。

在激光穿刺时，除了需要调节焦点以外，还需要相应地调节和选择激光束5的工作特性，例如激光束5的功率特性、频率特性等。

根据本发明的一个示例性实施例，在该预穿刺步骤中，使激光束5以峰值功率较高、频率为相对较低的第一预定频率的脉冲激光的形式向不锈钢板照射适当长的时间。

此时，激光加工头3的高度、即第一预定高度d1被选择成既可使得预穿刺时飞溅的料渣不会损坏激光切割机1、尤其是激光加工头3上的一些部件、例如辅助气体喷嘴8和/或光学器件(例如，镜片)，又能穿刺出一个较大较深的初始凹坑12。该初始凹坑12可以减小下阶段还需要穿刺的不锈钢板的厚度，使下阶段穿刺能更快更容易地进行。同时，初始凹坑12还可以为下阶段穿刺的粉末状飞溅的料渣提供一个容器，使得下阶段穿刺的料渣较少地留在不锈钢板的上表面。

优选地，通过控制辅助气体的压力以使飞溅的料渣能被吹走，目的是使初始凹坑12的周围只有少量料渣，甚至没有料渣。如图2所示，没有料渣留在不锈钢板的上表面上，这是非常有利的。因此，在这种情况下，在预穿刺步骤之后不需要再单独提供向初始凹坑12吹送辅助气体的步骤。换言之，在该预穿刺步骤与随后的穿刺步骤之间不存在其它任何涉及向初始凹坑12吹送气体的步骤。

对于本领域的技术人员来说，也可以选择其它预穿刺参数，只要能在工件6上一步形成合适的初始凹坑12并使得其周围较少甚至没有料渣即可。

图3示出了在预穿刺步骤之后执行的用于从初始凹坑12的底部穿透不锈钢板的穿刺步骤。

如图3所示，在该穿刺步骤中，将激光加工头3调节到比第一预定高度d1低的合适的第二预定高度d2处，并且将激光束5的焦点设置在不锈钢板内的处于初始凹坑12下方的第二焦点位置处。

根据本发明的一个示例性实施例，在穿刺步骤中使辅助气体以比预穿刺时高的第二预定压力喷射。

根据本发明的一个示例性实施例，同时开启侧吹气体，以便在穿刺时尽量地吹除粉末状料渣。侧吹气体优选为空气。

根据本发明的一个示例性实施例，使激光束5以平均功率从高逐渐变低、峰值功率较高、频率为相对较高的第二预定频率的脉冲激光的形式向不锈钢板照射适当长的时间，其中，第二预定频率高于预穿刺步骤使用的第一预定频率。

从图3中可以看出，尽管在穿刺过程中吹走了一些粉末状料渣，但通常仍会在不锈钢板的上表面上形成围绕穿刺孔的渣堆15。

对于本领域的技术人员来说，在穿刺步骤中，有利的是，在尽快地刺穿不锈钢板的同时使得飞溅的料渣不会损坏例如辅助气体喷嘴8和/或光学器件(例如，镜片)。显然，为了实现这一技术目的，并不局限于上述穿刺参数，而是可以根据实际情况相应地调整各种穿刺参数。本发明并不意欲对此进行限制，以下列举的某些工艺参数同样如此。

图4示出了在穿刺步骤之后执行的用于对形成的渣堆进行整形的整形步骤。该整形步骤可视情况执行。

如图4所示，在该整形步骤中，将激光加工头3调节到通常比第一预定高度d1高的合适的第三预定高度d3处，并且将激光束5的焦点设置在不锈钢板上方的比第一焦点位置更高的第三焦点位置处。通过这种方式，可使激光照射的范围更大而尽可能覆盖整个渣堆15，同时能量密度也更为适合，有利于对渣堆15进行整形。

根据本发明的一个示例性实施例，在整形步骤中使辅助气体以较低的第三预定压力喷射。

根据本发明的一个示例性实施例，同时开启侧吹气体。侧吹气体优选为空气。

根据本发明的一个示例性实施例，使激光束5以平均功率较高、峰值功率较高、频率为较低的第三预定频率的脉冲激光的形式向不锈钢板、尤其是渣堆15照射适当长的时间。

整形步骤的目的是使渣堆15能够熔化后再形成一个高度较低、表面较光滑的渣堆，同时在整形之后穿刺点、即已经贯通的穿刺孔不会被熔渣覆盖，如图4所示。这样，通常会在穿刺点周围形成一圈渣堆，例如直径为7mm。

通过对比图3和图4可以看出，渣堆15在整形之后高度变低，也更为光滑。这样，辅助气体喷嘴8就能以很低的高度悬置于渣堆15之上，而且光滑的表面使得激光加工头3即使意外碰到渣堆，也不易损坏。

图5-6示出了在整形步骤之后执行的用于扩大穿刺孔的扩孔步骤。该扩孔步骤也是视情况执行。

如图5所示，在该扩孔步骤中，将激光加工头3调节到较低的第四预定高度d4处，并且将激光束5的焦点设置在不锈钢板内的处于初始凹坑12下方的第四焦点位置处，优选使焦点邻近于不锈钢板的厚度中心位置。这样，可以尽量扩大穿刺孔中下部分的横截面，以使之后真正的切割过程中能够有足够的割缝排渣。

根据本发明的一个示例性实施例，在该扩孔步骤中，将激光加工头3的高度调节到与激光加工头3随后从穿刺孔开始执行切割时所处的高度一致。换言之，使激光加工头3在扩孔步骤中的高度与激光加工头3在真正的切割过程中的高度保持一致，从而激光加工头3无需高度调节就能从扩孔步骤过渡到切割步骤，这会使得整个控制过程更为顺畅，进而提高了工作效率。

根据本发明的一个示例性实施例，在扩孔步骤中，使辅助气体以较高的第四预定压力喷射。辅助气体采用较高的压力喷射，有利于将扩孔步骤中形成的熔渣从穿刺孔的底部排出。

如果通过图5所示的扩孔步骤未能将穿刺孔扩到期望的程度，还可通过图6所示的进一步的扩孔步骤继续进行扩孔。

如图6所示，在激光加工头3的高度不变的情况下使激光束5的焦点上移，从而可以扩大激光束5在穿刺孔下部的照射范围。这样可尽快形成较大的割缝，穿刺孔下部割缝越大，越有利于排渣。

根据本发明的一个示例性实施例，在进一步的扩孔步骤中，使激光束5以最高平均功率的连续波的形式扩孔。

根据实际情况，为了逐步扩大穿刺点割缝值，可交替地重复执行图5和图6示出的扩孔步骤。

当然，根据实际情况，为了扩大穿刺点割缝值到合理大小，在图5和图6方式不足以获得理想效果时，也可以采用其它方法进行扩孔，本发明对此并不进行限制。

优选地，还可在预穿刺步骤之前执行喷油步骤。根据本发明的一个示例性实施例，将激光加工头3调节到较高的预定高度进行喷油。优选地使以穿刺点为中心至少10mm范围内均匀地覆盖一层激光穿刺润滑油。喷油的目的是使穿刺操作产生的飞溅料渣不易粘附在不锈钢板的表面。

根据本发明的一个示例性实施例，使预穿刺步骤、穿刺步骤、整形步骤和扩孔步骤使用相同类型的辅助气体，优选使用非氧气气体，例如氮气和/或空气。

根据本发明的进一步优选的实施例，整个穿刺过程中使用的辅助气体类型与之后进行的切割步骤所使用的辅助气体类型一致。具体地讲，如果切割步骤使用氮气作为辅助气体，穿刺过程也使用氮气；如果切割步骤使用空气作为辅助气体，穿刺过程也使用空气。

对于本领域的技术人员来说，使辅助气体前后保持一致可以使得不再需要中途更换辅助气体，这简化了操作步骤，提高了工作效率，也避免了因中途更换气体所引起的辅助气体纯度降低导致产品质量也相应降低。如果使用空气作为辅助气体，还可以降低加工成本。

由以上描述可知，根据本发明，可以至少在刺穿不锈钢板之前无需使用太高的峰值功率的激光束进行照射，从而不会有高强度的反射光。在这种情况下，不会引起一些部件、特别是激光加工头3上的光学器件和/或激光器及内外光路的光学器件损坏。

因此，在此提供了一种与现有工艺相比既能保护激光切割机的一些硬件、又能大幅提高穿刺质量和穿刺效率的穿刺方法。换言之，在保护激光切割机的硬件的前提下，使穿刺质量和穿刺效率取得良好的平衡。同时还降低了穿刺成本。

本发明还提供了一种用于实施这种激光穿刺方法的控制器11。这种激光穿刺方法也可以以程序指令的方式存储在非易失性计算机可读程序载体上来控制激光切割机的操作。

尽管这里详细描述了本发明的特定实施方式，但它们仅仅是为了解释的目的而给出的，而不应认为它们对本发明的范围构成限制。在不脱离本发明精神和范围的前提下，各种替换、变更和改造可被构想出来。