采用并入液体射流中的激光束的材料加工装置

摘要

本发明涉及一种用于工件(45)的材料加工方法和装置,采用并入一液体射流(25)的激光束。利用喷嘴通道(29)以形成液体射流(25)的液体是无流动旋涡地特别是对喷嘴通道轴线(32)没有切向分流地输送给喷嘴通道口(28)的。激光射线被聚焦到喷嘴通道入口平面(30)上,液体是这样引导到喷嘴通道口(28)的,使得在辐线聚焦锥(38)中及其直接的周围区域内可以避免出现液体滞留区。

说明书

本发明涉及一种符合权利要求1前序部分所述的材料加工方法和一种符合权利要求4前序部分所述的材料加工装置。

现有技术

采用激光射束进行材料加工的工艺已广泛地用于切割、穿孔、焊接、打标记，以及通常用于材料磨削。为了能够开始进行材料磨削，必须在被加工的材料表面上达到预定的激光辐射强度。这种高的激光辐射强度原先是通过激光射线在焦点上的聚焦来达到的。其缺点则是焦点仍有很小的轴向扩展(射束辐度)，而上述高的激光辐射强度就是在该轴向扩展中达到的。如果要进行深切割或深穿孔的话，必须非常准确地保持焦点的位置，或者甚至还须跟踪制导。激光射束呈锥形地逐渐朝着焦点缩小，也就是说，特别是在进行深切割时，必须从材料表面开始，不断地切削掉如此多的材料，使得锥形的激光射束也能一直前进到加工点。因此，深切割或深穿孔必定总是带有斜的侧壁。

为了避免上述的焦点跟踪制导，和为了进行具有近似垂直侧壁的窄切割和窄穿孔，根据在EP-A0515 983、DE-A3643284及WO95/32834提出的，将激光束并入到一个光导体的对准被加工工件的液体射流中。

在DE-A3643284中，激光束是利用一玻璃纤维输送的。该玻璃纤维的端头被一个对准被加工工件的水射流所环绕冲洗。这种已知的装置的缺点是：水射流的直径决不能小于输送激光束的玻璃纤维的直径。它的另一个缺点是由于玻璃端头下方的一个死水区造成的，该死水区还会在水射流中产生干扰，从而最终导致水射流的迅速分散成水滴。

EP-A0515983曾试图克服上述的缺点，为此，设计了一个配有形成水射流的喷嘴块的光学装置。在形成水射流的喷嘴的前面有一个水滞留室，该滞留室有一个水入口和一个聚焦透镜，该透镜在喷嘴入口处对面封闭着上述水滞室，以用于激光射束的聚焦。聚焦透镜的位置和焦距是如此选择的，使得激光射束的焦点正好处于喷嘴通道内的轴向中心。在加工操作中证明：喷嘴特别快地受到激光射束的损害，从而不能再获得完善的激光束成形。

在WO95/32834中改进了激光射束并入液体射流中的方法，就是将待并入的激光射束的焦点置于喷嘴口的平面中，并消除了喷嘴口前面的水滞留室。但即使按这种布置，在材料加工操作中也会损害喷嘴。

本发明的任务

本发明的任务是提供一种采用并入液体射流中的激光束的材料加工方法和材料加工装置，利用这种方法和装置，可以保证很长的机器运行寿命前提下实现材料加工。只在预定的检修间隔时间内才会有加工操作的停歇。排除了不可预见的中断现象，特别是由于形成液体射流的喷嘴块受损而引起的中断现象。

技术方案

对本发明提出的方法而言，任务是通过权利要求1所述特征加以解决的；对本发明提出的材料加工装置而言，任务是通过权利要求4所述特征加以解决的。

根据本发明应注意：一方面，并入液体射流中的激光束要聚焦在形成液体射流的喷嘴通道的喷嘴入口平面中；另一方面，输送给喷嘴入口的液体要快速流动(无液体滞留室)和没有液体涡旋。根据上面所述的三个相关要求，完成了下述的光学装置的相应设计。

本发明的实施例

下面将参照附图对本发明提出的方法和本发明提出的装置的实施例做详细说明。本发明的其它优点见下面的说明文正文。附图表示：

图1本发明提出的材料加工装置的光学装置的横断面图，

图2图1中所示光学装置的纵断面图，放大示出向形成液体射流的喷嘴块的液体供给线，

图3图2中所示的保持在一喷嘴座中的喷嘴块的纵断面图，

图4沿图2中Ⅳ-Ⅳ线的横断面图，

图5图3中所示部分的放大图，它特别表示喷嘴通道中液体射流的形成和导向。

图1中以横断面表示的本发明提出的材料加工装置的光学装置1利用一个射束导体3经过一个射束导体插头5而与一激光辐射源6相连。在图中只是象征性地示出激光辐射源6。它是一个高功率激光器，例如一个Nd:YAG激光器。由插头5中的射束导体3中出来的射束7利用一个准直代9而准直成射束10。射束10被导引到一个射束扩径装置11。利用该扩径装置11，进入的射束10的直径可以改变为即扩大为出来的射束13的直径。为了射束的扩径，在这里给出了2至8的一个直径系数。这一扩径比例允许改变下面所述的激光射束13的射束宽度15(焦点的直径)。射束扩径装置的射束扩径系数是采用电动方式通过一个在图中未示出的调节装置的信号来改变的(“电动化的射束扩径器”)。被扩径了的射束13然后利用一个平面转向镜17转向90°，并利用另一个具有调节装置19的平面转向镜21转向到一个作为聚焦装置的聚焦镜组23上。调节装置19的工作方式和应用将在下面加以介绍。

必须指出的一点是，聚焦镜组23的理论焦点并不一定与聚焦的激光射束13的射束宽度15相重合。上述两个位置的偏差是由于激光射束13的射束散度造成的，这一射束散度也可以利用射束扩径装置11进行调制。

为了液体射流25的形成，使用一个具有一喷嘴通道29的喷嘴块27。聚焦镜组23和射束扩径装置11是如此调定或安装的，使得已聚焦的射束13的射束宽度15正好处在喷嘴通道口28的喷嘴通道入口平面30中。喷嘴通道入口平面30继续在两侧进入喷嘴块27的表面。图2至5表示出围绕着进入形成液体射流的喷嘴通道29的入口的直接区域。在与图2相比再加以扩大的图3所示部分中表示出了喷嘴块27。喷嘴通道29是被设计成圆筒状的。喷嘴块27是用一种对激光辐射(在这里具有的波长为1.06微米)透明的、机械性硬的材料例如石英制成的。但由于它设计得特别小，所以它也可以用钻石制成。用钻石制成的喷嘴块27比起用石英制成的喷嘴块具有更长的使用寿命，其中使用寿命的末期可以通过一个在短的液体射流长度之后已成珠状的液体射流25而显现出来。

为了充分利用喷嘴通道壁上的全反射的条件，喷嘴块不一定用一种对激光辐射透明的材料做成。它也可以用一种不透明的、吸收辐射的材料做成，只要喷嘴通道壁具有一层能反射激光辐射的涂层即可，该涂层应是对液体射流有抗蚀能力的。在使用不透明的喷嘴块材料的情况下，喷嘴块表面也应加以反射涂层(起保护作用，在出现校正误差时)，还有喷嘴块下侧也应加以涂层(为了防辐射保护，这种辐射是从工件或等离子体云而反射到工件上的)。

图3中所示的喷嘴块27有一个平的表面30，喷嘴通道29的轴线32垂直于该表面延伸。喷嘴通道口28上的边缘31在表面30和通道壁之间是设计成锐棱边的，所具半径最好小于5微米。倒圆的这种边缘31是下面所述的产生具有大的液体射流长度的液体射流25的其它先决条件之一。就是它能抑制液体涡旋的形成。喷嘴块27插装在一个喷嘴座33中。喷嘴座33和喷嘴块27之间的过渡区34是设计得没有阶梯存在。即使有一个阶梯也会产生液体涡旋，这些涡旋将会一直延续到借助喷嘴通道29形成的液体射流25中去。图3中所示的喷嘴块27的外径为2毫米，高度为0.9毫米。用一种钻石制作的具有上述大小级别的喷嘴块仍然保持在可接受的成本范围内。

如前面已经述及的，形成液体射流的喷嘴通道29在这里设计成圆筒状，其直径例如为150微米，长度为大约300微米。喷嘴通道29的长度应不大于喷嘴通道直径的两倍。与喷嘴通道29的出口相连的是一个呈锥形扩展的孔口26。锥的顶角在这里是80°。该锥的内表面35无阶梯地延伸到喷嘴座33中。

内表面35的锥形设计便于涂敷一种反射层，决不会妨碍液体射流，而且由于其倾斜度之故，可增强任何从液体射流25中因机械非均匀性(冲击波、虽经过滤仍被带进的污染杂质…)而出来的射束的反射行为。锥角的大小是如此选择的，使得从液体射流中出来的射束根本不会或者只在一个很平的角度下碰到它。

向喷嘴通道29的液体供给是经过一个窄的圆盘形的内室36来实现的，该内室的高度大致相当于喷嘴通道29的直径的一半。内室36的直径相当于喷嘴座33的直径。二十条按星形布置的具有圆横断面的供给管线37对喷嘴通道29的轴线32依径向地汇入到该内室36中，这些管线的相邻接的侧壁在汇入到内室36中时便彼此合并。供给管线37的这种布置支持着向喷嘴通道27的无涡旋的(径向的)液体输送。在供给管线37的入口侧安置了一个减压过滤器39。与该过滤器39相连的是一个环形室40，此环形室经过一条供给管线41而被供给液体。过滤器39的作用是在二十条供给管线37中产生均一的液体压力，从而向喷嘴入口提供一对称的液体流。由于供给管线41仅在一起，所以没有过滤器39，与供给管线41相邻的供给管线37比起对面的供给管线来具有较高的压力。在喷嘴通道口28的部位因此不会形成切向的分流。为了让激光射束能够到达喷嘴入口，圆盘形的内室36用一个对所用激光射束透明的盖子43不透液体地加以封盖。

由于内室36的高度很小，从而使液体获得高的流速。因高流速之故，排除了液体在聚焦锥38中因通过它的激光射束而被加热的现象(或者大大减小这种加热)。圆盘形的内室36由于前面述及的设计之故，使得特别在激光射束的辐射聚焦锥38中不可能形成液体滞留室，它优先会通过辐射吸收来促进热透镜的形成。一个热透镜会使得激光射束完善地稳定地聚焦到喷嘴通道口28的中心(轴线32)一事成为不可能。热透镜的存在会导致激光射束的较劣质聚焦，这是因为热透镜起着散射透镜的作用。激光射束会碰触到喷嘴口边缘和/或喷嘴表面，从而损坏它们。此外，由于液体的加热而形成的热透镜是没有一个稳定位置的。这时，激光射束就不再能够最佳地并入到液体射流25中。

通过供给管线37的星形的(径向的)布置，通过供给管线37的入口和环形室40之间的减压过滤器39，通过喷嘴块27和喷嘴座33之间液体流动区域中的无梯级过渡区34以及通过进入喷嘴的液体入口处边缘31的微小(倒圆半径＜5μm)的倒圆，这才获得了无涡旋的流动，以之作为大射流长度的液体射流25所需的先决条件。此外，液体的除气以及清除液体中的微粒，对于产生大的射流长度也起着肯定的作用。必须同样重视的是：液体的供给是没有压力脉动的。自由液体射流的圆柱形形状就是不稳定的。液体由于它的表面张力之故总是试图变成另一种形状，也就是球体形状。这样，在一定的扩张长度之后，液体射流便会分裂成散滴。液体射流的一个无限小的径向扰动在射流成形时会迅速增强，从而可能产生使射流破坏的射流收缩现象。此外，由摩擦带来的围绕着液体射流的空气也会加强上述效应。只有通过前面述及的为实现无扰动的液体射流所采取的措施，才能获得具有大的射流长度的液体射流。

此外已令人惊奇地证明：在液体射流25碰触到一个尚未加工过的工件表面时就有一个激波在该射流中开始朝上运动。由于此激波之故，液体射流不再是层流的了，而且在喷嘴口的入口处并入液体射流25中的激光射束的一部分便从液体射流25中射出来，这是因为由激波造成的不均一性出现在液体射流的内侧表面所致。上述射出来的那部分射束可能碰到喷嘴块27，并通过该喷嘴块而后碰到喷嘴座33的金属壁。在此处在局部加热条件下，射束会被吸收。这时可能出现喷嘴座33的材料发生熔化或汽化的结果，从而导致喷嘴块7和喷嘴座33的破坏。为了防止上述现象的发生，将内壁35设计成锥形的，并施加反射涂层。这样，由于液体射流内侧表面上的不均一性而射出来的那部分激光射束便在此被反射，因而不会穿过喷嘴块27而一直达到有吸收性的材料。一旦在工件45被钻孔或被切断时，就不会产生激波，或者只产生仅具有最小能量的激波。

喷嘴块27虽然在这里所述的布置中是有较长的使用寿命，但还是安置得易于更换的。更换时只须将接头46拧出来即可。

为了检测紧密性的目的，容纳着透明盖子43的接头48在其外侧表面上有一个环绕的槽缝54，该槽缝汇入检测孔50中。就是说，如果在检测孔50中有液体的话，那么就证明密封圈58a不紧密了。如果密封圈58b也不紧密，则可能有液体达到透明盖子43的表面60，这就会导致在激光射束的聚焦和导向中产生强烈的损害。为了避免上述之点，一当在检测孔50中记录到有液体时就得及时更换密封圈58a和58b。

在待加工的工件45的下方安置了一个力传感器47。该力传感器47的位置是这样选定的，使得它在完全被液体射流25(无偏差地)碰触时能向控制装置49发出一个最大电信号。力传感器47安置在液体射流25的几何轴线32上。如果带有并入的激光射束的液体射流25碰触到一个尚未被加工过的工件45，就没有信号，因为该工件45必须首先被液体射流25穿孔。如果该工件45已被穿孔或者它已有被液体射流25所经的切口，则液体射流25在移动工件45时便碰触到切缝侧壁或穿孔壁。在这一情况下，仍只有液体射流25的一部分碰触到力传感器47。发送给控制装置49的信号小于液体射流25全碰触时所发出的信号。因此，利用力传感器47便可确定已被除去的材料量。

此外，控制装置49还与工件45的移位装置相连。该移位装置在图1中仅仅象征性地用两个指向水平方向X和Y的双箭头51a和51b表示，这两个双箭表明移位可以在一个平面内和二维中实现。这时，控制装置49根据所求得的力传感器47的值，按照在两个方向51a和51b中的一个预定的切割样式，来控制工件45的移位速度。这样，利用力传感器47便可以在能量最佳化的意义上调节待加工工件45的进给量，为此总是每当达到足够的材料削除量时才移动加工件45。

此外，控制装置49还与一个辐射源6相连。因此也可以根据力传感器的测量值和工件移位速度来调节激光器的输出功率。假如在一个受脉冲的激光器的情况下，例如为工件的移位使用一种步进模式的话，那么在工件45向前移进一步之前，激光器便在一个位置上发出多个脉冲。步进模式例如可以用100Hz的步进顺序频率来执行。

除了上述的激光束的射束导向之外，光学装置1，如图1中所示，具有这样的手段，可按照喷嘴入口或喷嘴通道29的轴线32来最佳校正和监控激光器射束幅度(辐射的焦点)的位置。为此目的，由白光源53发出的辐射52被全等地重叠在扩展的激光射束13上。这是利用转向镜17来实现的。转向镜17将激光辐射完全反射，但可使处于其后的白光源53的白光辐射52透过。白光源53的辐射同激光辐射一起经过转向镜21而被导引到聚焦装置23中，并在喷嘴入口平面30中的正确光学对准条件下聚焦在轴线32的位置上。转向镜21是设计得可以部分地透过白光辐射52的。

为了检测射束校正是否正确，只使用白光源53的辐射，不用激光束。如果存在任何有误差的校正，则用聚焦装置23聚焦了的白光辐射便照亮喷嘴边缘31或喷嘴边缘的周围区域。喷嘴入口的表面周围区域使用一摄像机55经过一望远镜56和可以部分透过白光辐射的转向镜21进行观察。白光在透过转向镜21时由于该镜的厚度之故会经历一次射束位错。这种射束位错得用一块平面平行的玻璃板57加以校正。

转向镜21可以由一个调节装置19加以倾斜。利用调节元件来如此倾斜转向镜21，使得白光射束的焦点正好与喷嘴通道轴线32的位置相对称。

为了达到这一目的，可按下述步骤进行：将转向镜21加以倾斜，直到在喷嘴通道边缘31上可以确定出一种辐射反射为止，随后在测量倾斜角(≌射束在喷嘴通道口上的移位距离)的条件下朝反方向倾斜，直到在相对峙的喷嘴通道边缘31上也能确定出具有同一反射强度的一种辐射反射为止，然后以半倾斜角进行重新的回倾运动。这时，焦点便处在一个包含喷嘴通道轴线32的平面中。为了对准在通道轴线32的位置上，于是垂直于原先的倾斜方向进行另一次相似的射束轴线调定。

如果将转向镜21做成略微可对激光源6的辐射透明(约2％)的话，便可省去白光源53。即使在这种情况下，望远镜及玻璃板57也必须为激光辐射的需要加以设计，而且必须具有反射涂层。摄像机55必须配备一个对激光辐射敏感的芯片。在校准有误差的情况下，激光辐射便会被喷嘴边缘及其周围区域所反射。对被反射的激光辐射然后经过望远镜用摄像机55进行观察，同时经过前述的调节装置19和射束扩展装置11进行调节。为了避免损坏喷嘴通道和喷嘴表面，利用降低的激光器功率进行校正。由于激光束的性质在高激光束强度下与较小功率时的性质相比可能是有变化的，所以要在不断提高激光器功率的情况下开始调节转向镜21以及必要时调节射束扩展装置11。

为了检查中心调节，可以如此调整射束扩展装置11的输出透镜，使得激光射束13的射束幅的直径得到增大，直到喷嘴通道边缘31(即喷嘴通道口28)均匀地被照亮为止。只有在均匀照亮的条件下才能达到中心对准的目的。射束扩展装置11的输出透镜于是朝相反方向移动，直到再次出现均匀的喷嘴口边缘照亮为止。两次调定之间的位置这时在喷嘴通道入口平面上确保最佳聚焦所需的调节，从而使已聚焦的射束对称于喷嘴通道轴线32。

在采用Nd:YAG-激光器的情况下，可以用水作为液体射流用的液体。在1.06微米时水的辐射吸收很小。上述很小的吸收仍足以满足在喷嘴入口前形成热透镜的需要。因此，对某些用途而言，最好使用硅油，特别是从聚甲烯硅氧烷族中选取的硅油。

如果用水作液体，就得使用其吸收小于0.2cm-1最好小于0.15cml的激光辐射。如果使用具有较高吸收的辐射，那么在液体射流中便有过多的辐射功率被吸收。在液体中的高辐射吸收的情况下，有可能产生汽化效应。这样，即使在流动最佳的条件下例如也不足以抑制在喷嘴入口前的焦点中热透镜的形成。在以水作为所用的液体时，低的吸收值是在其波长范围为150nm(纳米)至1100nm最好是190nm至920nm和在1040nm和1080nm之间的辐射条件下获得的(在1000nm左右的范围内存在一个吸收峰值)。因此，最好能使用二极管激光器，YAG-激光器，倍频YAG-激光器，激元激光器以及铜蒸汽激光器。YAG-激光器例如有这样的优点：可以在市场购得发展成熟的这类装置；它们也可以获得高的平均功率。

辐射可以是连续的或脉动的。在脉动的辐射情况下，液体会冷却以前面所述的方法产生的切割棱边。同时也会消除由液体射流中所吸收的辐射而产生的热。因此，由于水具有很高的热容量，所以能将高的辐射功率脉动地并入到液体射流中。在采用Nd:YAG-激光器和以水作为液体的情况下，可并入直到20kw的脉动功率，其脉动长度为20至500μs(微秒)，平均功率为600W，脉动率达5kHz。

但也可以使用光量开关的Nd:YAG-激光器(Q-开关的YAG)，其脉动长度典型地为50至250ns(毫微秒)，平均功率20至120W，脉动率达60kHz。也可以使用模式偶联的激光器，其脉动长度在飞秒(10^-15秒)范围内。

连续辐射的激光器(例如cw YAG)也是可以采用的。不过，在这种情况下，平均功率受到缺少的辐射中断的限制。这就只能将一个Nd:YAG-激光器的大约700W辐射功率并入到一个80微米厚的水射流中。在更高的激光器功率密度的情况下，水会由于辐射吸收而被大大加热到这样的程度，以致于在超过一定的射流长度时便会开始汽化。于是就会使水射流开始分裂成散滴；也就不再有完善的辐射导向。

前述的喷嘴块27是用石英或钻石制造的，也可以用一种对激光辐射透明的材料制造。喷嘴出口以及相连的喷嘴座33的壁都是设计成锥形的，而且有对激光辐射的反射涂层。也可以用一种能强烈反射激光辐射的材料制造喷嘴块27。对于1.06m的激光辐射，可以使用金制的喷嘴块。由于纯金太软，必须掺入微量的铜和银，以便使硬度达到150至225HV(维氏硬度)。