专利名称：利用激光束切割加工工件的方法
技术领域：
本发明涉及一种利用激光束切割加工工件的方法。该方法可用于由均质材料构成 的工件，还可用于具有多种材料的复合部件的工件。所谓的“吻切”(只需切割表面而不伤 及底层的加工方式)可特别优选地用于这种复合部件。
背景技术：
在许多应用中，除了对高工作生产率具有高要求外，也对质量具有高要求。这尤其 涉及所述的激光切割工艺中形成的切割边缘。窄切口是所需的。利用切割气体进给的工艺 在以下这些方面是不利的利用激光辐射能量实现了材料的熔化，随后在高压下，利用灌入 切口中的切割气体来驱除熔化物，虽然它们能在短切割时间内高效地实施。对于诸如金属 箔的柔性工件来说，由于受切割过程中切割气体的影响，柔性工件会发生变形。这可以利用 抵消处理系统进行抵消，但是会降低切割速度，且尤其是不能形成复杂的几何轮廓或仅能 非常缓慢地形成。
此外，也有公知工艺，其中材料的去除通过烧蚀来实现，且在这个过程中，材料通 过升华而从要被切割的工件上去除。但是这些基于烧蚀的公知技术只能实现低去除速度且 只能在小进给速度下工作。
在已经提及的“吻切”中，附接到载体的材料的各个部分都应在切割加工之后能从 载体上取下。在这种工艺中，基于纤维素的载体(诸如纸或聚合物)常常用作载体。在这 方面，不同的材料或基材可具有材料连续性地相互连接，优选利用适当的粘合剂进行连接， 以便这种连接也可再次解除。冲压工艺以前经常应用于此。但是在这方面，工具成本、最小 尺寸/最小幅材厚度的检查、刀具磨损的发生以及薄箔片型工件的机械加工的难度是不利 的。发明内容
本发明的目的在于提高机械加工速度、提高使用激光束对工件切割加工的灵活性 和质量，其中材料的去除应当仅通过烧蚀来实现。
根据本发明，这个目的通过具有权利要求1特征的方法来实现。本发明有利的其 他改进和实施例可通过从属权利要求所述的特征来实现。
在根据本发明的方法中，聚焦激光束应直接施加到要被机械加工的工件表面，而 材料的去除则应仅通过烧蚀来实现。利用本身公知的技术手段实现激光束和工件的相对移 动，形成所需的切割轮廓。在这方面，也优选偏转激光束来增加进给速度以及对所需几何轮 廓作出更灵活的反应。
在机械加工中，必须作为重要参数的是在激光束的焦点处的最小功率密度为 1 X 107w/cm2，优选至少为1 X 108w/cm2,以及150m/min，优选为200m/min，非常特别优选至少 700m/min的最小进给速度。但是，所述最小进给速度应小于1200m/min、优选小于IOOOm/ min0在这方面，移动速度要考虑到要去除的各种材料。为此，必须考虑材料对于所使用的激光辐射的各自的吸收能力。
由于机械加工中的高进给速度，也会发生切口中的材料不能在一次操作中完全去 除，从而实现完整的切割/分离。但是这可在相应切割轮廓的循环操作过程中实现。例如 对于环形轮廓来说，整个外围边缘因此可被多次移动，以便工件表面的相同位置可持续多 次暴露于激光辐射的作用下。除了一些关键区域(如拐角、小半径的地方，在这些区域进给 轴向必须进行较大改变)，不必采用脉冲模式操作所使用的激光器，这种脉冲操作在形成切 割轮廓或形成部件的许多情况下甚至是不利的。激光束的关闭仅在从切割一个轮廓变化到 后续将要形成的轮廓时是必要的，且进给速度仅在指定的关键区域内降低。
激光束的任何额外的振动叠加在实际进给移动上不是绝对必要的。但是其可以辅 助的方式被使用。
在本发明中，激光束应优选工作在CW (连续波)模式下。
从某种意义上讲，能完全摒弃使用切割气体。在材料去除中产生的蒸气可通过抽 取或还可通过气体流的供给而被除去，而可以使用与切割气体的情况相比具有非常低的气 压以及小的体积流的气体流，从而实现避免所形成的气体吸收的效果。
激光束应具有非常密集的焦点并具有高光束质量。焦点直径应小于ΙΟΟμπι，优选 为约25 μ m，且瑞利(Raleigh)长度应保持小于500 μ m。光纤激光器、圆盘激光器或其他固 态激光器可优选用于本发明中。
本发明可特别有利地应用于吻切中.例如，吸收激光辐射的金属零件(利用适当 的粘合剂可将该金属零件与纸幅材或聚合物箔片幅材胶接在一起)，因此可被切割成预设 的轮廓，且各个零件可随后从纸或聚合物形成的载体上取下。在这种处理中，只有金属被切 割，且随后其在切口的区域中被蒸发。载体材料不受或几乎不受激光辐射的影响。特别是在 各个载体的材料是对所使用的激光辐射透明或仅在非常低的程度下吸收激光辐射情况下。 根据本发明，仅对复合工件的表面处的材料进行机械处理，从而去除切口的区域中的材料， 继而形成轮廓，借此提高仍然连接到载体的零件的处理能力，而分离也能够容易地进行。
利用本发明可形成非常狭窄的切口，其间隙可约为焦点的直径尺寸。但是切口的 宽度还是受到各个进给速度和机械加工参数的影响，除非保持参数恒定。
利用本发明，可获得支撑在载体上的要被切割的材料的多个独立的部件或零件， 也可以是多种不同的几何图案设计，或在切割后利用本方法从工件获得以这种方式设计的 工件。其能对修改作出快速响应，且仅改写控制程序即可。狭窄的切口提高了材料利用率。
对于恒定的功率密度来说，各个材料的去除(去除的体积)可通过简单变化进给 速度来实现。各个要被切割的深度的变化也可通过材料表面的相应位置暴露于激光束下的 次数来实现。在这方面，也可将要被去除的工件材料的相应吸收行为考虑在内。因此，在 1070nm的激光波长下，可实现较高的铝的材料去除，其比钢的去除高。
本发明还可以去除任何毛边，该毛边可能在工序步骤中，在切割结束时形成在切 割边缘处，为去除毛边激光束在切割结束时可再次扫过相应轮廓。为了这个目的，也为了其 他应用，可进行激光束强度的压型，以便较高强度存在于光束横截面的径向外部边缘区域， 且该区域中的强度比内部(顶部剖面)的强度高。
具体实施方式
将通过举例的方式在下文中更详细地说明本发明。
为了从0. Imm厚的由钢制成的平坦、光滑的工件形成具有6. 5mm直径的100个环 形零件，使用具有IkW启动功率的固态激光器，该激光器可在CW模式下操作。激光器发射的 激光辐射具有1070nm的波长。二维有效2D扫描系统(可从SCANLAB公司商购获得)用于 偏转激光束。焦距f保持在160mm。在这方面，获得了在焦点处的激光束的截面为707 μ m2， 半径为30 μ m，且此处的功率密度1. 56X 108W/cm2。
进给速度保持在SOOm/min，则用于形成100个这种环形零件的所需用时是1. 92s。 对于0. 05mm厚度的工件来说，需要1. 17s，且对于0. 2mm的工件来说，需要2. 55s的时间。
但是，由复合材料形成的工件也可以这种方式被切割，而不是仅适用于纯金属工 件。在这方面，如上所述的由钢制成的工件，可借助基于丙烯酸酯的粘合剂，具有材料连续 性地连接到聚合物(例如PET)的软性载体上。在这方面，对所使用的激光辐射的波长而言， 聚合物材料是透明的。
在切割之后，通过烧蚀来实现材料的去除得到的零件能够被取下，以便这些零件 能用作工件或作为后续工序中的半成品。但是还能在随后获得复合物工件，该复合物工件 由金属和载体形成，其具有环形开口且它们仍然彼此连接，并具有材料连续性。
权利要求
1.一种利用激光束切割加工工件的方法，其包括将聚焦的激光束直接施加到工件的表面上以形成切口，且仅通过烧蚀来去除材料，其 中，所述聚焦的激光束在焦点处具有至少lX107W/cm2的功率密度，且根要被去除的材料 的吸收能力，具有150m/min 1200m/min的进给速度。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于将所述激光束多次施加于所述材料表面 的相同位置，以沿着切割轮廓连续去除材料。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于所述激光束的焦点具有小于100μ m 的直径。
4.根据前述任一权利要求所述的方法，其特征在于切割由至少两种已经彼此连接的 材料形成的工件，其中，仅去除所述工件表面的材料。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于在切割过程中形成所述零件，且将所述零 件从被切割的工件上取下。
6.根据权利要求4或5所述的方法，其特征在于被切割的所述工件中，形成该工件的 至少两种所述材料彼此连接，并具有材料连续性。
7.根据权利要求4 6中任一所述的方法，其特征在于被切割的所述工件具有吸收 相应激光辐射的材料，以及不吸收该激光辐射的材料，以便在将要形成的切口的区域中，仅 将吸收激光辐射的材料去除。
8.根据前述任一权利要求所述的方法，其特征在于保持至少700m/min的进给速度。
9.根据前述任一权利要求所述的方法，其特征在于所述激光束运行在CW模式下。
10.根据前述任一权利要求所述的方法，其特征在于对激光束的截面进行压型，使得 外部边缘区域的强度高于其内部的强度。
全文摘要
本发明涉及一种利用激光束切割加工工件的方法。该方法可用于由均质材料形成的工件，也可用于由复合部件形成的工件，该复合部件具有多种材料。本发明的目的在于提高切割速度，提高使用激光束切割加工工件的灵活性和质量，其中材料的去除仅通过烧蚀来实现。在本发明中，聚焦的激光束在焦点处具有至少1×107W/cm2的功率密度，且根据要被去除的材料的吸收能力，具有150m/min～1200m/min的进给速度，激光束直接施加在工件的表面上，以形成切口，且仅通过烧蚀来去除材料。
文档编号B23K26/40GK102036780SQ200980117857
公开日2011年4月27日 申请日期2009年5月28日 优先权日2008年5月29日
发明者埃克哈德·拜尔, 托马斯·希默, 洛特·莫根塔尔, 马蒂亚斯·吕特克 申请人:弗兰霍菲尔运输应用研究公司