激光机械加工法和激光机器

摘要

一种激光加工，在作主加工前先沿着最终需主加工的轨迹发射激光，在此条件下获得清除加工件表面的镀锌层等物质所需之能量密度。然后，向已经清除掉锌的裸面区域发射激光，同时按照需作切割加工的切割条件仅仅改变能量密度便可实现切割加工。

说明书

本发明是关于一种激光机械加工的方法以及应用该方法的一种装置，它利用激光对金属加工件作切割和焊接之类的加工，本发明尤其涉及在经过预加工的加工件上完成实际的机械加工的方法及其装置，以改善加工件的表面状态。

一般说来，在对诸如碳钢、不锈钢或铝质材料作激光加工时，是将激光发射至加工件上且辅之以注入气体。而对一些表面镀有低熔点物质之加工件来说，在对其加工时这些低熔点物质就会挥发并侵入到加工件的加工区，这样就降低了加工质量。

从图21至26是希望解决上述问题的传统上的切割和焊接技术，在图22至25以及箭头101则是表明激光1的加工或切割方向。

如图21所示，在日本特许公开No.平4-333386中介绍的一种技术是克服上述缺陷的一种方法。它是在用激光加工镀覆有低熔点物质的材料时加上一种辅助气体。其目的在于抑制低熔点物质之挥发以提高加工质量。

在图21中可见激光从激光振荡器(未示出)中发射出来，经透镜2聚焦在加工件3a或一块镀锌铁皮上。该加工件3a之表面镀有一层镀锌层3b。二只气瓶4a和4b分别存有氧气(O₂)和氩气(Ar)同时这二种气体送入混合器6。在加工头7的端头装有喷咀8，这样注入的氧氩混合气体可以通过喷咀8到达加工件3a上的加工点9。

下面就来介绍一下上述设备的工作过程。激光1从激光振荡器发生后经曲面镜(未示出)到达加工头7。然后，由透镜2对激光1聚焦再由喷咀8射到加工件3a的镀锌层3b的加工点9。在镀锌层3b上的激光1的密度是根据加工件3a的种类，板材厚度及加工速度等不同而改变的。另外，氧气和氩气是由气瓶4a和4b提供并在混合器6中加以混合。而混合气体又送到了加工头7里面的聚光镜2的下面再沿着激光1从喷咀8射到镀锌层3b上。混合气中之氧气将镀锌铁皮上的锌氧化成氧化锌或过氧化锌，因此，锌不再挥发，减少了溅沫也就减少了激光焊接时的气泡。

在日本特许公开No.平4-138888中介绍的技术是将激光分成二束，其中一束光将低熔点物质剥离开来而另一束再进行焊接，如图23所示那样。

在图23中，该装置有一架激光振荡器10和一块部分反射器Mm及一块全反射器Ms。

从振荡器10出来的激光1经过部分反射器Mm后分成二束，其中一束到加工件3a以除去如镀锌层3b之类的镀覆物质。而由部分反射器Mm反射出来的另一束则送到了全反射器Ms且由全反射器Ms再反射至加工件3a进行焊接。因此，该装置在按101方向移动时它同时在进行去除镀覆物和焊接工件工作。

由日本特许公开No.63-112088所介绍的方法也是在镀锌铁板上进行焊接的方法。它有如图24那样将加工件表面的锌层剥离的步骤，还有如图25那样进行焊接的步骤。

如图24所示，先将加工头7放在正常位置的上面一点，这样焦点位置也就在加工件3a的表面的上面了。另外，降低输出功率，然后再将激光射到镀锌层3b上，为了剥离该层将激光按101方向移动在加工件3a上准备好一条裸面以备后用。接着，在图25中所示那样，再将焦点位置移近加工件3a的表面然后加大功率以完成焊接工作。

然而，在使用混合气体作为辅助气的如图21所示之激光加工时，若加工件表面之锌镀层的原度很厚时，焊接质量会降低。另外，在做切割加工时往往需要用高纯度的氧作为辅助气体，因此若在切割加工时也使用混合气而不是高纯氧的话则势必降低切割质量。因而有必要对镀锌层很厚的镀锌铁板的焊接提出一种更好的方法。

图26为一个剖面图，说明了使用混合气体为辅助气在对镀锌层厚度为200μm的镀锌铁板上作焊接时其焊点3e的情况。在图中可见在焊点3e有气泡3f。

图22是说明在用激光对镀锌铁板作切割时发生质量问题的原因。

参见图22，对一镀锌铁板加工件3a作切割在加工件3a上产生一切割槽3c，由于锌的低熔点故那些未被氧化的锌混在挥发物11中一起侵蚀到了切割槽3c中去了。

如图22所示之，在用该激光对镀锌铁板作切割时，镀锌层3b挥发同时锌挥发物进入到切割槽3c中去。同在切割槽3c中之氧的纯度就降低，使得在加工件3a的切割面上发出大的缺口裂缝等而在背面有许多杂渣。因而在切割时需要防止锌挥发物进入到切割槽3c内。

如图23所示的激光加工时，先用一终结激光将镀锌层3b去除，然后第二次激光对加工件3a作焊接，因此在未及由于剥离镀层3b时产生的温度降下就开始进行作为主工序的焊接了。而如果在主工序进行时加工部分仍然处于高温状态的话，由于在加工时还要不断输入热量这样就会在切割加工时引起自燃现象，而在焊接时发生接缝处的膨胀和结构上脆裂现象。如果将部分反射器Mm和全反射器Ms的位置关系固定起来，则在所加工的轨迹十分复杂时，作为预处理的激光剥离时走的轨迹与作为主加工工序时走的轨迹相互会不重合。而在这种情况下，如果硬是要采取一些结构上的措施以使这二条轨迹相互重合，虽也未必不可，但该装置本身就会变得相当复杂、成本昂贵而失去实用意义。另外，使用部分反射器Mm和全反射器Ms的这种装置也仅仅适用于线性加工。

在图24和25所示之技术中，由于在第一道工序中作为燃烧掉镀锌层的加工条件必须要降低功率和移动焦点，这样就降低了这个速度。虽然这种方法可适用于那种镀锌材料，因为锌的吸收作用强且熔点低，但它却不适宜于那种镀覆吸收作用弱而熔点高的材料。另外，这种方法对处理各种不同镀覆材料的灵活性不够。再者，在高速加工时，为了要恰到好处地燃烧掉必须去除的镀覆材料，还必须根据各种不同的镀覆材料精确地选取输出功率、速度以及控制激光的能量密度。

除此以外，在工厂生产的轧钢过程中，大多数软质钢材都在其表面生成一层氧化膜。这层氧化膜称为碾屑(mill scale)。在对有碾屑层较厚或有薄有厚的色斑层的软质钢材上作激光加工时会引起色散。即如果切割一块表面有一层厚薄不一的氧化膜的软质钢材，则在该材料表面的激光吸收因素会发生变化。若吸收因素变化范围甚广则加工件的切割质量就要下降。同样在焊接加工时，如果吸收因素改变随之穿透深度也发生变化，这样就不可能稳定加工。如果焊接部分(焊珠)被加工件表面之氧化膜所污染，那么焊接强度也就会降低。

另外，若氧化膜的厚度超过一定厚度，那么在激光加工中由于热量的冲击会产生断断续续的裂痕，这样在有些激光位置上有氧化膜而在另一些位置却不存在氧化膜。因而，在切割表面上有厚度不一的氧化膜的软质钢材时，如上所述在该材料表面上的激光吸收因素就会有变化。若吸收因素发生了变化则加工件之切割质量就会下降。同样在焊接加工时，若吸收因素不一，则穿透深度发生变化，因而也不可能进行稳定加工。

再者，若软质钢材长时间放在高湿度的环境里还发生锈蚀。当激光切割到表面有锈蚀的地方会引起不正常的燃烧因而也降低了加工的质量。同样当焊接到表面有锈蚀的地方在焊珠上会产生汽泡。也就是说一旦加工件表面生了锈则在生锈部分与未生锈部分之间的激光的吸收因素就会发生变化。若吸收因素发生了变化，则切割的工件质量将受影响。同样在焊接时，若吸收因素发生了变化，穿透深度或宽度也会变化因而也不可能进行稳定的加工。

加工件表面越不规则或越粗糙，则激光切割的加工件的质量就越次。

表面越粗糙，就越容易引起激光吸收因素的变化。在有大的粗糙表面和吸收烟素的部位加工速度较高，而在有小粗糙表面和吸收因素的部位加工速度较低，这样加工质量就不稳定。激光的发射方向必须与加工件表面垂直，否则在切割槽中的辅助气体的流动会受到干扰而影响所切割质量。

另外，在对高反射性的材料作激光焊接时，在加工时激光被发射了出来，因而也不可能进行稳定的加工。

根据上述的观点，本发明之目的就在于提供一种激光加工方法以及使用该方法的装置，它先用预加工条件对加工件表面作预加工以备后用，然后再在主加工条件下用激光进行主加工以致能对加工件作恰如其分的加工。

本发明的另一个目的是提供一种激光加工方法以及使用该方法的装置，它能高速除去那些在加工件表面上性质不同而又可能会阻碍主加工工序的物质。

本发明的又一个目的是提供一种激光加工方法以及使用该方法的装置，它能方便地提高切割质量和焊接质量而不必对激光机本身作任何改动或使其复杂化。

本发明的又一个目的是提供一种激光加工方法以及使用该方法的装置，它能方便地提高切割质量或焊接质量而不需要对激光机本身作改动。

按所介绍之一种较佳模式，一种激光加工方法包括对加工件作预处理的预加工步骤以及沿着最后加工轨迹作加工的主加工工序。预加工工序包括如下几步：用光学聚光系统使激光聚成高能密度，沿着最终加工轨迹发射激光，在这种预加工条件下求得与主加工工序之主加工条件不同的能量密度，以事先除去加工件表面上之物质。主加工工序包括如下步骤：将激光发射至已除去表面物质的加工件表面上，同时按主加工条件改变激光能量密度，从而对加工件进行加工。

按本发明的一种激光加工装置，包括对加工件作预处理的预加工装置和沿着最终轨迹进行加工的主加工装置。预加工装置包括将激光聚成高能密度的装置以及沿着最终加工轨迹发射激光前端的装置。在这种预加工条件下求得与主加工工序中之主加工条件不同的能量密度，以预先除去加工件表面上之物质。主加工装置包括将激光发射至已除去表面物质的加工件表面上的装置，同时按主加工条件改变激光能量密度从而对加工件作加工。

按本发明另一种较佳的模式，一种激光加工方法包括一道对加工件作预处理的预加工工序和一道沿着最终加工轨迹的主加工工序。预加工工序包括下列几步：将激光聚成高能密度同时沿着最终加工轨迹发射前端，在此预加工条件下获得了一个不同于主加工工序的主加工条件中的能量密度的能量密度，以使得加工件表面上的不平整度相同。主加工工序包括这样的步骤，将激光发射到不平整度已相同的加工件的表面上。同时按主加工条件改变激光的能量密度，对加工件作加工。

按本发明的另一较佳模式，一种激光加工装置，它包括一种对加工件作预处理的预加工装置和一种能沿着最终加工轨迹对加工件作加工的主加工装置。预加工装置包括将激光聚成高能密度并沿着最终加工轨迹发射激光前端的装置。在此预加工的条件下获得一个不同于主加工工序的主加工条件中的能量密度的能量密度，以使得加工件表面有相同的不平整度。主加工装置包括这样的装置，将激光发射到不平整度已相同的加工件的表面上，同时按主加工条件改变激光的能量密度，对工件作加工。

按本发明的另一种较佳模式，一种激光加工方法包括一道对加工件作预处理的预加工工序和一道沿着最终加工轨迹的主加工工序。预加工工序包括下列几步：沿着最终加工轨迹发射激光，在此预加工条件下获得了一个不同于主加工工序的主加工条件中的能量密度的能量密度，以使得在加工件上开槽。主加工工序包括这样的步骤，向加工件的开槽区发射激光，并按主加工条件改变激光能量密度以对加工件作加工。

按本发明的又一个较佳的模式。一种激光加工装置包括一个对加工件作预处理的预加工装置和一个能沿着最终加工轨迹的主加工装置。预加工装置包括能沿着最终加工轨迹发射激光的装置，在此种预加工条件下获得一个不同于主加工工序的主加工条件中的能量密度的能量密度，以在加工件上开槽。主加工装置包括向加工件的开槽区发射激光的装置，并按主加工条件改变激光能量密度，以对加工件作加工。

按本发明的又一种较佳模式，一种激光加工方法包括对加工件作预处理的预加工工序和一个能沿着最终加工轨迹加工工件的主加工工序。预加工工序包括能沿着最终加工轨迹发射激光的步骤，在此预加工条件下获得了一个不同于主加工工序的主加工条件中的能量密度的能量密度，以在加工件上开槽。主加工工序包括向加工件的开槽区发射激光，同时按主加工条件改变激光的能量密度以加工工件。预加工工序还包括将激光的发射方向和与加工件表面有关的辅助气体的注入方向斜置过来的工序。主加工工序还包括确定激光的发射方向和与加工件表面有关的辅助气体的注入方向的工序。

按本发明的又一种较佳模式，一种激光加工的装置包括对加工件作预处理的预加工装置和一个能沿着最终加工轨迹作加工的主加工装置。预加工装置包括能沿着最终加工轨迹发射激光的装置，在此预加工条件下获得一个与主加工工序的主加工条件中的能量密度不同的能量密度，以在加工件上开槽。主加工装置包括向加工件的开槽区发射激光，同时根据主加工条件，改变激光的能量密度以对加工件加工。预加工装置还包括将激光的发射方向和与加工件表面有关的辅助气体的注入方向斜置过来的装置。主加工装置又包括确定激光的发射方向和与加工件表面有关的辅助气体的注入方向的装置。

按本发明又一个较佳的模式，一种激光加工方法，包括对加工件作预处理的预加工工序和一个能沿着最终加工轨迹进行加工的主加工工序。预加工工序包括能沿着最终加工轨迹发射激光的工序，在此预加工条件下，含氧的辅助气体氧化加工件表面，此时的加工件表面与在作焊接时的主加工工序中的条件是不同的。以对加工件表面作氧化处理。

主加工工序包括对加工件上经过氧化的区域发射激光，同时按主加工条件改变激光的能量密度，以对加工件作加工。

按本发明的又一种较佳模式，一种激光加工装置包括一种对加工件作预处理的预加工装置和一种能沿着最终加工轨迹进行加工的主加工装置。预加工装置包括能沿着最终加工轨迹发射激光的装置，在此预加工条件下，一种含氧辅助气体氧化加工件表面，此时的加工件表面与在作焊接时的主加工工序中的条件是不同的，以对加工件表面作氧化处理。主加工装置包括对加工件上经过氧化的区域发射激光的装置，同时按主加工条件改变激光的能量密度，以对加工件作加工。

按本发明的又一个较佳模式，一种激光加工方法包括一个对加工件作预处理的预加工工序和一个能沿着最终加工轨迹进行加工的主加工工序。预加工工序包括能沿着最终加工轨迹发射激光的工序，在此预加工条件下，能均匀地获得能量密度和能量分布，而这二者与在主加工工序中作切割、焊接及热处理中的至少一种主加工条件中的能量密度和能量分布不同，以使在对加工件加工前先除去加工件的表面物质。主加工工序包括向已除去表面物质的加工件表面发射激光，同时按主加工条件改变激光的能量密度和能量分布。以达到对加工件加工的目的。

按本发明的又一个较佳模式，一种激光加工装置包括一个对加工件作预处理的预加工装置和一个能沿着最终加工轨迹进行加工的主加工装置。预加工装置包括能沿着最终加工轨迹发射激光的装置，在此预加工条件下，能均匀地获得能量密度和能量分布，而这二者与在主加工工序中作切割、焊接及热处理中的至少一种主加工条件中的能量密度和能量分布不同，以使在对加工件加工前就先除去了加工件表面的物质。主加工装置包括向已除去表面物质的加工件表面发射激光的装置，同时按主加工条件改变激光的能量密度和能量分布，以达到对加工件加工的目的。

通过如下结合附图和较佳实施例所作进一步的说明，对本发明之另外的一些目的及优点就更一目了然了。

图1为一透视图说明了在使用本发明的激光加工方法和装置的实施例1中用到的在清除镀锌铁板加工件表面上的镀锌层以后激光切割的情况。

图2为一说明图例它说明了在按本发明的激光加工方法和装置的实施例1中镀锌铁板中的镀锌量M与为了清除发射部分镀锌层而需要的激光能量密度E之间的关系。

图3为一说明图例它说明了在按本发明的激光加工方法和装置的实施例1中镀覆量为(M＝20g/m²)的一种镀覆材料与为了要清除去这种镀覆材料而需要的能量密度E之间的关系。

图4是按本发明的激光加工方法和装置的实施例1中加工过程的流程图。

图5是说明使用按本发明的实施例一至实施例八的激光加工方法和激光加工装置的总体结构的设计图。

图6是一说明图例，它画出了在使用本发明之激光加工方法和装置的实施例一与在使用以往技术不清除镀覆层的方法作比较时，对镀锌表面作切割时镀锌量与加工缺陷比之间的关系。

图7是一剖面图，说明了在使用本发明的激光加工技术和装置的实施例二时清除了镀锌层后焊接加工件中之焊珠。

图8是一说明性图例，它画出了在使用本发明之激光加工技术和装置的实施例二的值与在使用以往不清除镀覆层的技术的值作比较时，将镀锌量作为一个参数情况的汽泡占有率的图例。

图9是一剖面图，说明在使用本发明激光加工技术和装置的实例三时处理切割加工件上不平整的氧化膜的情况。

图10为一说明性图例，它画出了在使用本发明之激光加工技术和装置的实施例三的值与在使用以往不清除镀覆层的技术的值作比较时氧化膜厚度与加工后加工件切割表面平整度R_max之间的关系。

图11(a)为一说明性图例说明了有关的激光加工技术和装置中切割斜面时的理论。

图11(b)为一说明性图例说明了本发明的第四个实施例切割斜面时的理论。

图12是一说明性图例，它画出了在使用本发明之激光加工技术和装置的实施例四时与以往使用的技术中对切割槽不作预加工的情况作比较时，水平方向的倾角与缺陷比的关系。

图13是一说明性图例，它画出了在使用本发明之激光加工技术和装置的实施例五时与以往使用的不作预处理的技术作比较时，在使用纯氧或含氧的混合气体的条件下材料表面被氧化后的焊接时加工速度与穿透深度之间的关系。

图14是一说明性图例，它画出了在相关技术中当激光和辅助气体垂直地射到加工件表面上时的情况。

图15是画出了按本发明激光加工和装置的实施例六中斜置喷咀形成的切割槽的说明图。

图16是画出了按本发明激光加工和装置的实施例六中切割厚板时采用先沿切割轨迹生成一个切割槽然后再进行切割的方法时的加工情况的说明图。

图17是一说明图例，它画出了按本发明激光加工和装置的实施例六中在切割厚度T不同的软质钢材时切割槽深度与相应缺陷之关系。

图18是一说明图例，它按本发明的实施例七的加工技术和装置，在对由于使用低精度的如机械加工的方法加工后的加工件作切割时，加工件上的切割轨迹熔化了，以改变其表面不平整度然后再进行切割时的加工情况。

图19是一说明图例，说明了在按本发明的加工技术和装置的实施例七中，在切割不同厚度T的软质钢材时加工件表面不平整度Rmax与相应缺陷比关系。

图20(a)和(b)是说明图，分别说明了在按本发明的激光加工技术和装置的实施例八中激光模式与激光状态之间的关系。

图21是显示了在传统上使用的激光加工技术和装置的剖面图。

图22是一种以往使用的激光加工技术和装置作切割工件时的透视图。

图23是以往使用的另一种激光加工技术和装置的设计图。

图24是以往使用的激光加工技术和装置中在焊接工件时作预加工的透视图。

图25是以往使用的激光加工技术和装置中在主加工时的透视图。

图26是以往使用的激光加工技术和装置中的焊接缺点的剖面图。

下面请参照有关附图来讨论按本发明的激光加工技术及装置推荐的几个模式，在所述附图中，各图中若用的是相同的参照号则说明它们是同样的部件。同样在描述以往所使用的有关的技术中的相同部分也使用相同的参照号以避免混淆和繁复。实施例一

图1是一张透视图，它说明在使用按本发明之激光加工技术和发明的装置的实施例一，已经除去了镀锌铁板表面的镀锌层以后作激光切割时的情况。

参见图1，由装置产生激光1。该装置包括振荡器，以及一个包括有透镜之类(未画出)的光学系统。激光发射到加工件3a的表面上即镀锌板的表面。虽然图1只画出了切割加工，事实上该发明之技术和装置可应用于包括切割、焊接等在内的各种加工中去。在图1中，加工件3a的镀锌层3b已被激光1清除，暴露出裸面3d同时按切割槽3c进行切割。

本发明之激光加工装置具有相应软件的微处理器(未画出)以改善其性能，这里对其详细的机械结构不作介绍了。所开发的软件可从图4之流程图及下面的描述弄明白。

下面就介绍激光加工方法。第一步是预加工，将激光聚成高能密度的光束，然后发射到以后即成主加工轨迹的最终加工轨迹上去，因而在主加工前就已清除掉了加工件表面上的镀锌层并使加工件3a的表面暴露出一个裸面3d以备后用。这一道预备工序是在预加工条件下进行的，而该条件的目的是为了获得一个与在切割工件的主加工时的主加工条件中的能量密度不同的预加工条件时的能量密度。第二阶段便是主加工工序。将激光发射到加工件3a的裸面3d上，其能量密度即是已改变过来的作激光切割时使用的按主加工条件的能量密度。

也就是说，在加工的第一阶段，先预置好预加工条件以除去加工件3a表面上之镀锌层3b，于是在该条件下利用加工程序控制激光1沿着所希望的最终的加工线进行加工。而在加工的第二阶段，激光先回到加工程序的初始加工位置。然后按预定的值设置好主加工条件，因而可以沿着裸面3d的线路对加工件3a作切割了。在实际切割时就不再会产生锌的挥发物，这样可以将作为辅助气体的氧的纯度调得很高以保证了加工的质量。

图2是一说明性图例，它说明了在镀锌铁板中镀锌量M[g/m²]与为了清除被照射部分的镀锌层3b所必须的激光的能量密度E[J/cm²]之间的关系。

能量密度E由下式(1)表示，它显示了激光输出功率P[W]，加工速度V[cm/S]及加工宽度L[cm]之间的关系。

E＝P/(V·L)                     (1)

图2中之斜线划出的区域表示了在该区域中可以完全清除掉锌。从加工效率的观点来看，只要能除去锌，应将预置加工条件设置得有尽量低的能量密度且按镀锌量M有尽量高的加工速度。参考图2，各种镀锌量M和最低能量密度E之间的关系由下式(2)给出。

E＝74·lnM＋130                 (2)

图3是一说明性的图例，它显示了由镀覆量为(M＝20g/m²)的镀覆金属材料和为了除了该金属激光1所必须具有的能量密度E[J/cm²]。

预加工条件最好能这样设置，即按照激光1的吸收因素及各种镀层材料之熔点应得到一个在图3中斜线区域中的能量密度E，且具有最高的加工速度。由实验表明，依次使用锌—铝合金，锌—镍合金，铁—锌合金以及锌作为镀覆材料的可以使用较低的能量密度E来清除这些覆盖材料。下面表达式(3)至(6)是表示下述这些镀覆材料的镀覆量和为了清除这些材料所必须有的能量密度E，其中Ea是指锌铝合金时所需之能量密度，En是指锌镍合金所需之能量密度，Ef是铁锌合金所需之能量密度以及E是锌需要之能量密度。

Ea＝80·lnM＋260        (3)

En＝78·lnM＋241        (4)

Ef＝76·lnM＋222        (5)

E ＝74·lnM＋130        (6)

为了清除这些镀覆材料所需之能量密度是存放在微处理器的存贮器中，作为本发明的激光加工装置的组成部分，是按镀覆材料的镀覆量和性质以上述表示式(3)至(6)的形式存放的。另外，根据所需之加工宽度和加工速度由表达式(1)可以将输出功率设置成所需之值。图4是说明本实施例加工过程的流程图。流程图有完整的说明，在S₁步时由操作员将参数输入，在S₃步则根据在S₂步中与数据库交换之数据计算后输出专门的结果。在S₄步是设置预加工条件，而在S₅步中则是除去镀覆材料。清除掉镀覆材料光束在S₆步又回到了起始点。在S₇步中设置主加工条件，在S₈步中开始主加工以及在S₉步中结束。这个过程由加工程序中许多不同的编码命令自动执行的。

图5是表示按本发明的第一至第八个实施例的技术而设计的激光加工方法和激光加工装置的总体结构设计图。

在该图中，激光机100主要包括一个带有谐振器(未画出)的激光振荡器10，电源面板11，冷却部件12，加工头7以及一个由熟知的CPU，ROM，RAM和清除镀覆材料部分用的数据库21之类的部件组成的控制部件20。激光1从激光振荡器10中射出经曲面镜Mb传导至加工头7。传到加工头7的激光1又由装在加工头7中的透镜2聚焦。聚好焦的激光1从装配在加工头7的导光端的喷咀8发射至稳固地置放在加工平台5上的加工件3a的表面上。

此时，根据诸如加工宽度，加工速度，某种镀覆层的镀覆量等的数据，按照图4中所示的操作过程，如图5所示那样利用镀覆材料清除部分的数据库21在控制部件20的专用输出计算部件20a上计算出激光1的能量密度，并将它输出到加工条件设置部分20b。从加工条件设置部分20b输出的数据通过加工命令输出部分20f。从镀覆材料清除启动命令部分20c和从返回命令部分20d输出的数据通过加工命令输出部分20f。在清除镀覆材料后，主加工条件在主加工条件设置部件20e中设定并且通过加工命令输出部件20f输出。激光振荡器10或加工平台5的加工条件或运行是受加工命令输出部分20f输出的数据控制的。

图6为一说明性图例，表示了将本实施例的值与以往使用的相关技术的值作比较时切割面的缺陷[％]与镀锌量[g/m²]之间的比例。这里，在切割表面上镀有锌层的16mm厚的软质钢材时所得到的数据就是所谓用“相关技术”得到的数据，而在切割表面上已除去镀锌层的16mm厚的软质钢材时所得到的数据就是所谓用“本发明所推荐的模式”或本实施例的方法所获得的数据。

对于实施例中清除镀覆的工作，从表达式(2)中选取一个条件使得有可能得到5mm的加工宽度和2000mm/分的速度。对本实施例及相关技术中当使用氧气(O₂)作为辅助气且其压力为0.6Kg/cm²内时，将条件设置成2200W的输出功率和800mm/分的加工速度。

在相关技术的方法中，缺陷比与镀锌量(镀锌层的厚度)是成正比地增加。而在本实施例中，对各种镀锌量缺陷比大约都是2％。

使用本实施例的方法及装置，切割加工件3a的质量是相当好的且令人满意的。

虽然本实施例所描述的只是关于锌镀层，然而本发明仍适用于熔点低于基板金属的任何镀覆材料并且可获同样良好的效果。实施例2

图7为一剖面图，说明了用本发明的激光加工方法和装置的实施例2时，在除去了镀锌层后进行焊接加工中得到的焊珠。本实施例的激光机的总体结构与在图5中所画出的第一实施例中的设计图完全相同，因而不再赘述。第二实施例考虑的是激光焊接，而第一实施例考虑的乃是激光切割。虽然在加工程序上为所需之焊接加工作了一些适当的修改，但是在本实施例中所用的装置与第一实施例中所用的装置是相似的，它用来实行本实施例的方法。

第二实施例也有一道作为第一阶段的预加工工序，且这道工序与实施例1中的一样，因此这里也不再赘述了。然后在作为第二阶段的主加工工序中，激光1发射到加工件3a的裸面上，这是在预加工工序中清除了镀锌层3b后得到的。同时激光1也发射到加工件3a供给的焊珠3e上，将它们焊接起来，此时，能量密度是按激光焊接的主加工条件改变过来的。

在本实施例中，选取的加工件3a的镀覆厚度为2mm，镀锌量为50g/m²。对于除去镀覆层的加工，从表达式(2)中选取一条件使得加工宽度为5mm，速度为2000mm/分。对于焊接加工，设置加工条件包括1200W的输出功率，2500mm/分的加工速度，同时使用氩作辅助气体，气流率为20l/分。

在本实施例中，在焊珠3e不产生气泡。

图8是一说明性图例，说明了气泡占有率[％]与作为参数的镀锌量[g/m²]之间关系。图8显示的结果是在输出功率为1800W，加工速度为1500mm/分的条件下，激光1在厚度3mm的镀锌铁板上的焊珠上作焊接加工时得到的。气泡占有率是气泡的截面积与焊珠3e的截面积之比。从有镀锌层的焊接加工时获得的数据称为是“相关技术”得到的数据，而在清除了镀锌层后所进行的焊接加工时获得的数据则称为是“本发明推荐之模式”或是本实施例中获得的数据。对于在实施例中除去镀覆的加工，则从表达式(2)中选取一个条件使得加工宽度为5mm，加工速度则是2000mm/分。

使用本实施例之方法和装置，在加工件3a上的焊接质量是很好的且令人满意。

另外，在本实施例中，在清除了镀锌层3b以后的焊接加工中，气泡生成大大下降以保证相当高的焊接质量。如在第一实施例中一样，虽然本实例仅介绍了关于锌的镀覆层，然而本发明同样还适用于熔点低于基板金属的任何镀覆材料并且可获得同样良好的效果。

同样在本实施例中，为清除镀覆材料所需之能量密度是存放在微处理器的存贮器中，作为本发明的激光加工装置的一个组成部分，且是按镀覆材料的镀覆量和性质以上述表达式(3)至(6)的形式存放。另外，根据所需加工的宽度和加工速度由表达式(1)可以将输出功率设置成所需之值。图4是说明本实施例加工过程的流程图。这个过程由加工程序中许多不同的编码命令自动执行的。实施例3

图9为一剖面图，它画出了在用本发明之激光加工方法和装置在表面上有不均匀的称为轧制铁鳞的氧化膜的加工件上作切割处理的情况。该实施例的激光机的总体结构同在图5中所示的实施例一中所介绍的相同，因而不再赘述。

实施例三如实施例一一样是关于激光切割的，但它处理的是在加工件3a上有氧化膜或在轧制时在其表面上留有所谓轧制铁鳞。它也使用在实例一中使用的那种装置，不过对其加工程序作了适当的改动，以适应所需的除去这种轧制铁鳞的工作。

实施例三也将处理轧制铁鳞作为是第一阶段的预加工工序，该预加工工序除了是处理轧制铁鳞以外其它均与实施例一相像。也就是说，就同在第一实施例中的除去镀锌层一样的方式，在预加工工序中先除去氧化膜3g以备下面的主加工工序之用。然后在作为第二工序的主加工工序中，将激光发射到加工件3a的已在预加工工序中清除了轧制铁鳞而十分清洁的表面上然后作切割。主加工工序与实施例一的完全相同，因而也就不再赘述了。

参考图9可知，加工件3a表面上的氧化膜3g的厚度对激光1的吸收因素有影响。一般来说，在氧化膜3g的厚度为非均匀时，虽然可以识别厚度中的色散以及控制加工条件，但还是不可能对加工件3a作加工。也就是说，即使在此时，切割或焊接都是在同样的加工条件下完成的。这样根据激光1的吸收因素的不同，加工件的加工质量也不一致。即使对在表面上有一致较厚的氧化物的加工件作加工时，这层氧化物经常会在加工时被剥离下来，这样加工件之质量就不一致因而也就较差，也就是在加工件上会产生不均匀的地方。

图10是一说明性图例，说明了在对厚度为12mm的软质钢材(SS400)加工以后氧化膜厚度[μm]与切割面不平整度R_max[μm]之间之关系。这里，对未清除氧化膜的加工件作切割时所得到的数据是称为“相关技术”获得的数据。而对已除去氧化膜的加工件作切割时所得到的数据是称为由“本发明推荐的模式”或本实施例得到的数据。切割条件要设置成有1500W的输出功率和1000mm/分的切割速度，同时在相同的相关技术和本实施例的条件下对加工件作切割。

一般来说，氧化膜越厚激光吸收因素就越大切割面也就越粗糙。然而，本实施例有良好的结果，其中，激光1的吸收因素是均匀的切割面的质量总是很好的且令人满意的。实施例4

图11(b)是一说明性图例，它示出了本发明在作斜面切割加工时激光加工方法和装置的实施例四的理论。图11(a)是一说明性图例，说明了利用相关技术在作斜面切割加工时激光加工方法和装置的理论，在图11(b)中，箭头指向的方向是辅助气体从喷咀8中喷射到加工件3a上已形成有切割槽的气体流向。在图11(a)中，箭头指向的方向是辅助气体从喷咀8中喷射到无切割槽的加工件上的气体流向。在本实施例中的激光机的总体结构同图5所示的设计图中的第一个实施例的结构相同。因而不再赘述。

实施例四是关于同实施例一相同的激光切割，然而它首先对工件3a作预处理，以形成一个切割槽。它使用与在实施例一中使用的相似的装置以执行本实施例的方法。不过在加工程序中作了适当的修改以适合先在加工件上形成切割槽，然后再进行切割的工作。

实施例四以预先处理加工件3a，在上面形成一个切割槽3h作为第一阶段的预加工工序，而不是像在实施例一中那样沿着预定的切割轨迹清除掉加工件表面上的镀锌层。也就是说，先在预加工工序形成切割槽3h以备后面主加工工序时用。然后，在作为第二工序的主加工工序中将激光1发射到加工件3a的切割槽上以作切割加工，同时又将辅助气体喷射到切割槽上去。

如上所述，实施例四是处理斜面加工件3a以提高其加工切割质量的。也就是说，在图11(a)所示之相关技术中，气流的方向是固定的且沿着加工件3a的斜面也发生倾斜，这样在被激光1照射而熔化的熔化部分3k上就不可能有所希望的压力产生。反之在图11(b)之所示的本实施例中，由于在对加工件作切割时，该加工件的表面上已经形成一道切割槽3h，这时该切割槽3h就可作为一个导向喷咀以引导辅助气体之流向，使得该气体能起到压住被熔化的部分3k的作用，因而很大程度地提高了切割能力。

图12是一说明图例，它揭示了在厚度为12mm的软质钢材(SS400)上作切割时，与水平方向所夹之倾角θ(度)与缺陷比[％]之间的关系。这里对表面上无切割槽3h的加工件作切割时所得之数据称为是由“相关技术”得到的数据，而在表面上已形成了切割槽3h的加工件上作切割时所得到的数据称为是由“本发明推荐之模式”或由本实施例而得到的数据。将切割条件设置成有1500W的输出功率和1000mm/分的切割速度，同时在相同的相关技术和本实施例的条件下对加工件作切割。

倾角越大，则本实施例与相关技术的缺陷比的差就越大。也就是说，在对斜面加工件3a作加工时，本实施例大大地改善了缺陷比。

使用了本实施例的方法和装置，切割加工件3a的切割质量是很好的且是令人满意的。

虽然本实施例只说明了对斜面加工件3a的加工，但是如果将激光的方向相对于加工件表面倾斜过来时也可以获得同样的优点。实施例五

在实施例五中，在作为第一阶段的预加工工序中，将激光1聚成高能密度再发射到与主加工轨迹相同的最终加工轨迹上。因而，在加工件3a的表面上先作氧化。预加工工序是在将含氧的辅助气体来氧化加工件3a表面的预加工条件下进行的，此时的加工件表面与切割时主加工时是不同的，在作为第二阶段的主加工工序中，将激光1发射到加工件3a的经过预处理的表面上作切割，此时的激光1是有按激光切割的主加工条件而改变的能量密度。

图13是一个说明性图例，它说明了在焊接铝合金(A5052)时的加工速度[m/分]和穿透深度[mm]之关系，其中包括使用本实施例五的加工方法和装置以及相关技术的方法和装置。本实施例中的激光机的总体结构同图5所示之设计图的第一实施例的结构相同，因而不再赘述。在实施例五中，在作焊接加工时是先用氧气或含氧混合气对加工件表面作氧化后才进行的。而在相关技术就不存在这一道预处理工序。为了氧化加工，加工条件要设置成有2000W的输出功率和3000mm/分的加工速度，同时以纯氧(O₂)作辅助气体其压力设置成2Kg/cm²。为了作焊接加工，加工条件应设置成有4000W的输出功率，同时以氩(Ar)作辅助气体、气流率设置成20l/分。在铝合金的表面未氧化前，激光1的吸收因素不大于5％，而在氧化后则吸收因素成为了原来的二倍或三倍。这就是说在本实施例中由于对加工件的表面作过氧化处理后其焊接能力便大大地提高了。

使用本实施例的方法和装置，加工件3a的焊接质量明显提高且是令人满意的。

本实施例虽然仅处理了铝合金，然它也适用于任何其它诸如铝、铜以及铜合金等有高反射率的其它材料，并且也可以有很高的质量。实施例六

图15为一说明性图例，说明由本发明之激光加工方法和装置的实施例六中斜向喷咀的切割槽的情况。图14是说明在相关技术使用的双切割技术中激光1垂直发射，辅助气体垂直喷射至加工件3a表面上时的割槽的情况。本实施例中的激光机的总体结构同由图5所示用在第一实施例中的设计图是相同的。因而不再赘述。

在激光切割中，发射的激光和喷射出来辅助气体将熔化部分3k吹向上面，这样熔化了的金属就会附着在喷咀8上。因而妨碍了辅助气体的进一步的流动，造成了加工上的缺点。因而，相关技术中的激光加工需要将熔化了的金属从其加工件的下部排出以保持稳定的加工。

反之，在本实施例中，如图15所示，喷咀8是斜向着加工件3a的，这样按此方向被吹起的金属不至于附着到喷咀头8上去，在本实施例中，在作切割槽加工时喷咀8与激光1也有一相对的倾斜度，这样熔化了的部分3k在将其排出时不至于粘着在喷咀8上，这时可以用这样的结构，即在喷咀8的边上再装上一个第二喷咀专门向喷咀8喷射气体以将熔化部分3k吹落并排出。

图16是说明性图例，说明了使用本实施例的激光加工方法和装置切割一厚板时的情况，先在加工件上沿着切割轨迹先形成一个割槽，然后再进行切割。

在这种情况下，加工件3a的厚度是T，割槽的深度为t，于是实际切割的厚度应是(T-t)，因而也有利于进行稳定的切割。

在图16中，参照号3i是指在切割加工件3a前由激光加工的切割槽。在加工切割槽3i时，须要重复切割一段小距离为整个切割槽3f作准备，或者要将加工气体压力设置成高于切割条件时的，同时以高速吹掉熔化的物质，或者将激光1的发射方向和辅助气体的喷射方向设置成凡从加工件表面上溅出的熔化了的物质不至于直接地粘着在喷咀头上，这样就防止了熔化了的物质在加工切割槽时粘着到喷咀头上去。

图17是一说明性图例，它说明了在切割不同厚度(分别为T＝12mm，T＝19mm和T＝25mm)的软质钢材时的切割槽深度[mm]和缺陷比[％]之间的关系。

厚度越小，缺陷比越低。然而，在每一种厚度的材料中，由于辅助气体的稳定割槽深度t越大则缺陷比越低。母件切割槽工作均在喷咀倾角θ＝30时完成。切割槽加工的加工条件在脉冲条件下设置成如下值：当切割槽深度t为1mm时，则输出功率1000W，加工速度1.5m/分以及气压3Kg/cm²；当切割槽深度t为2mm时，则输出功率1500W，加工速度1.2m/分及气压为3Kg/cm²；当切割槽深度t为3mm时，则输出功率为2000W，加工速度1.2m/分以及气压为3Kg/cm²；当切割槽深度t为4mm时，则输出功率为2200W，加工速度为1.0m/分以及气压为3Kg/cm²；当切割槽深度t为5mm时，则输出功率为2400W，加工速度为0.8m/分，气压为3Kg/cm²。

如上所述，实施例六同实施例一一样有第一和第二工序，同时在预加工工序中将激光的发射方向和辅助气的喷射方向相对于加工件3a的加过工的表面的方向成一个倾斜度。在主加工工序中，激光发射和辅助气的喷射方向被置成于加工件3a的加过工的表面垂直。

使用本实施例的方法和装置，加工件的切割质量明显提高且令人满意。实施例七

图18为一说明性图例，它说明了按本发明的激光加工方法和装置的实施例七的一种切割加工的加工情况。其中先将加工件的切割轨迹熔化掉以改变其表面的不平整度，然后再对该加工件作切割。在切割加工件时，切割后可由精度较低的机械加工之类的方法完成。本实施例中的激光机的总体结构同由图5所示用在第一实施例中的设计图的相同。因而不再赘述。

图18表示了切割前被熔化的表面3j。在对熔化后的表面3j作加工时，需要使用低输出功率条件，将焦点设置在非焦点的位置上，或者使用一种抑制氧化的辅助气体。

图19是一说明性图例表示了在切割不同厚度(分别为T＝12mm和T＝19mm)的软质钢材时，加工件表面不平整度R_max与缺陷比[％]之间的关系。

板的厚度越小则缺陷比越低，而对每一种厚度时，加工件表面不平整度R_max越大则缺陷比就越大。在熔化切割轨迹以改变表面不平整度之前表面不平整度大约为9μm(R_max)，如图19中之W所示。在厚度为T＝12mm时，缺陷比大约是5％而在厚度为T＝19mm时，缺陷比大约是9％。要使加工件的表面不平整度R_max成为匀称的条件是依赖于该表面不平整度的大小，然而在下列条件下可以获得好的结果。

若R_max＜50μm，则输出功率为300W，加工速度为2000mm/分，气压为0.1Kg/cm²。如果是50μm≤R_max≤150μm，则输出功率为450W，加工速度为2000mm/分，气压为0.1Kg/cm²，如果是在150μm≤R_max≤300μm，则输出功率为600W，加工速度为2000mm/分以及气压为0.1Kg/cm²。

如上所述，本实施例如实施例一一样有第一和第二加工工序，同时在第一工序中先用激光沿着切割轨迹发射以使原来不平整度不一的表面成为不平整度一致的表面。

使用本实施例的方法和装置，加工件之切割质量明显提高并是令人满意的。

虽然本实施例是适用于按加工件表面的不平整度的纵向平行地或不规则地进行加工或预处理，事实上它也可按凹面或凸面的交叉方向进行加工和预处理。实施例八

图20(a)和20(b)是说明性图例，分别说明了按本发明之激光加工方法和装置的实施例八的激光模式和激光状态的关系。图20(a)表示了一种性能极好的光束聚集的单模式也是最推崇的。图20(b)则表示了一种激光模式其中在激光束的发射部分上能量密度是一致的。

如果像图20(a)所示那样能量密度的情况将激光散焦以清除加工件上的镀覆材料，在加工件中心按收到高密度激光的部分有时会引起表面熔化。按上述观点，在图20(b)的激光模式中本实施例处理了加工件之表面预先清除了表面物质(镀覆物质，氧化膜或锈蚀)。在主加工或切割时，就从图20(b)的模式转换成图20(a)之模式。

一般来说，激光模式是由激光振荡器中的孔径半径来决定其转换的。这种模式转换是通过控制部件(未画出)中的信息自动地进行的，虽然加工条件是在预加工和主加工条件之间转换。

如上所述，本实施例有如实施例一那样的第一工序和第二工序，在第一工序中激光按此条件发射出来以获得一能量密度和一个与切割加工，焊接加工和热处理这三个加工条件之中的至少一个不相同的密度分布。在第二工序中，能量密度和能量分布按照切割加工、焊接加工和热处理这三个加工条件中至少一个条件来作转换。

使用本实施例的方法及装置加工件3a的切割质量十分好且令人满意。

这里对所述之推荐的实施例作了介绍但并不限于此，在下面所附之权利要求中指出的本发明的范围以及权利要求意义下的各种变化都应属此范畴。