Способ управления процессом лазерной резки и устройство лазерной резки для его осуществления
Группа изобретений относится к способу и устройству для лазерной резки. Согласно настоящему изобретению процессом лазерной резки управляют, используя в качестве опорного сигнала одну или несколько линий спектра испускания, характерных для излучения, испускаемого вспомогательным газом или газообразной примесью, находящейся в объеме материала, облучаемого сфокусированным лазерным лучом, сфокусированным лазерной головкой (12), при этом на основании определенного сигнала проводится корректировка по меньшей мере одного из следующих контролируемых параметров: мощность лазерного излучения, частота и коэффициент заполнения лазерных импульсов, давление вспомогательного газа, испускаемого соплом (16), являющимся частью лазерной головки (12), скорость перемещения лазерной головки (12) относительно заготовки (P), расстояние между лазерной головкой (12) и поверхностью (S) заготовки (P), и расстояние между фокусом (F) лазерного луча и поверхностью (S) заготовки (P). Техническим результатом является улучшение качества лазерной резки. 2 н. и 10 з.п. ф-лы, 12 ил.
Настоящее изобретение относится, в общем, к области лазерной резки и, конкретно, к способу управления процессом лазерной резки и к устройству для лазерной резки, обеспечивающему осуществление указанного способа.
В контексте настоящего изобретения словосочетание «процесс лазерной резки» используется для обозначения процесса, при осуществлении которого происходит преобразование материала заготовки под действием падающего лазерного луча, сфокусированного на поверхности заготовки, или около указанной поверхности заготовки с целью создания сквозного отверстия, служащего началом линии реза. Перемещение лазерного луча относительно заготовки определяет общую область или объем материала заготовки, вовлекаемого в указанный процесс. Как правило, преобразование материала заготовки, происходящее в результате осуществления указанного процесса, является преобразованием механического типа (деформацией) или преобразованием физического типа (фазовым превращением посредством расплавления, испарения или сублимации), что зависит, главным образом, от изменяющихся соотношений двух нижеприведенных факторов:
a) тепла, подводимого посредством сфокусированного лазерного луча; и
b) тепла, выделяющегося в результате химической реакции, вызванной, так называемым вспомогательным газом, если только такая реакция является экзотермической (как правило, реакцией горения или, в общем, реакцией взаимодействия вспомогательного газа с материалом заготовки).
Тепло, обозначенное выше b), может отсутствовать, если вспомогательный газ является инертным газом (таким как, например, N2, Ar или He), и его функция заключается в создании защитной атмосферы или механической тяги (т.е. в выдувании материала, который расплавлен, испарен или сублимирован в результате подвода тепла посредством лазерного луча.
Напротив, если тепло, обозначенное выше b), должно составлять 40% или более от общей подводимой энергии, то вспомогательный газ должен являться реактивным газом, действующим как экзотермическое средство или как средство, поддерживающее горение. В таком случае, функция вспомогательного газа в процессе лазерной резки заключается в соответствующем подводе энергии посредством экзотермической реакции, обеспечивающей сразу два эффекта, влияющие на процесс: 1) повышение температуры вовлеченного в процесс объема материала, приводящее к физическому изменению состояния указанного материала (пластическая деформация, расплавление, испарение или сублимация); 2) создание условий для инициирования и поддержания температуры вовлеченного в процесс объема материала и имеющейся тепловой энергии, т.е. самоподдержание экзотермической реакции. Примером вспомогательного газа реактивного типа, используемого в технологических операциях с применением лазера, выполняемых на углеродистой стали, может служить кислород (О2), поскольку он способен поддерживать реакцию окисления железа, входящего в состав стали.
Перед проведением процесса резки осуществляют процесс пробивания материала заготовки посредством лазерного луча, данный процесс обычно выполняют без перемещения лазерного луча относительно заготовки с целью разрушения материала заготовки для последующего проведения процесса резки. Пробивание материала выполняют посредством оптически сфокусированного лазерного луча, при этом положение фокуса относительно материала заготовки соответствует положению фокуса относительно материала заготовки в процессе резки, который выполняют непосредственно после разрушения материала. После завершения процесса пробивания материала лазерным лучом в заготовке образуется сквозное отверстие. Как схематично показано на фиг. 1, в процессе пробивания материала сначала воздействию лазерного луча подвергается поверхность S заготовки Р, которая вовлекается в процесс, затем в объеме материала заготовки образуется цилиндр, через который проходит оптическая ось А лазерного луча, при этом во внутреннем пространстве указанного цилиндра собирается испарившийся/сублимированный, расплавленный и нагретый материал в атмосфере, содержащей вспомогательный газ, возможные побочные продукты, образовавшиеся в результате химических реакций между материалом заготовки и присутствующими газами, а также в результате возможных реакций с различными газами, поступившими в качестве примесей из окружающего обрабатываемую заготовку воздуха.
При проведении процесса лазерной резки, в отличие от процесса пробивания, обеспечивается перемещение сфокусированного лазерного луча относительно заготовки. На фиг. 2 схематично показано углубление в объеме материала заготовки, которое образовалось в процессе резки и ограничено тремя поверхностями, а именно, двумя плоскими поверхностями S1, S2, продолжающимися параллельно направлению перемещения сфокусированного лазерного луча относительно заготовки, и третьей поверхностью S3, соединяющей между собой две плоских поверхности и определяющей фронт реза. На фиг. 3 схематично представлен вид в разрезе материала заготовки, прорезаемого посредством лазерного луча, причем разрез материала заготовки показан в плоскости, параллельной направлению резки, фронт реза сформирован разными слоями нагретого, расплавленного и испарившегося/сублимированного материала в атмосфере, которая содержит вспомогательный газ, возможные побочные продукты, образовавшиеся в результате химических реакций между материалом обрабатываемой заготовки и присутствующими газами, а также, в результате возможных реакций с различными газами, поступившими в качестве примесей из окружающего обрабатываемую заготовку воздуха.
В патенте США 5,373,135 раскрывается способ регулировки процесса лазерной резки, в основе которого лежит установка двух температурных порогов, а именно, минимального температурного порога и максимального температурного порога, в соответствии с температурой плавления обрабатываемого материала и в зависимости от величины разности между температурой плавления и температурой испарения обрабатываемого материала, при этом определение температуры производится посредством измерения интенсивности светового излучения. Когда измеренная температура превышает заданный максимальный порог, лазер выключают, когда измеренная температура ниже заданного минимального порога, лазер включают. Таким образом, температура является контролируемым параметром при осуществлении указанного известного способа регулировки процесса лазерной резки.
Задача настоящего изобретения состоит в том, чтобы предложить способ управления вышеуказанного процесса лазерной резки, а именно, способ управления, независящий от того, какой газ используется при проведении процесса, реактивный газ или инертный газ, независящий от типа применяемого лазера, а именно, лазера СО2 или твердотельного лазера (Nd:YAG лазера, волоконного лазера, дискового лазера, диодного лазера), позволяющий минимизировать риск выхода процесса из-под контроля и перехода процесса в пароксимальное состояние при использовании реактивного газа в качестве вспомогательного газа, позволяющий минимизировать риск закрытия реза и, следовательно, риск прерывания процесса, а также обеспечивающий, в конечном счете, лучшее качество лазерной резки, сравнительно с уже используемыми способами регулировки процесса лазерной резки.
Согласно настоящему изобретению решение указанной задачи полностью достигается посредством способа управления процессом лазерной резки, включающего этапы, сформулированные в независимом пункте 1 прилагаемой формулы изобретения.
Согласно следующему аспекту настоящего изобретения решение указанной задачи полностью достигается посредством устройства для лазерной резки, признаки которого сформулированы в независимом пункте 4 прилагаемой формулы изобретения.
Предпочтительные варианты реализации способа регулировки согласно изобретению и предпочтительные варианты осуществления устройства для лазерной резки согласно изобретению являются объектом зависимых пунктов формулы изобретения, содержание которых должно рассматриваться как составная и неотъемлемая часть нижеследующего описания.
Иначе говоря, изобретение основано на идее управления процессом лазерной резки, включая начальную фазу, заключающуюся в пробивании материала заготовки, при использовании в качестве опорного сигнала одной или нескольких линий спектра испускания, характерных для излучения, испускаемого газом (вспомогательным газом или газообразной примесью), который присутствует в объеме, облучаемом сфокусированным лазерным лучом, и при использовании указанного опорного сигнала для корректировки, по меньшей мере, одного из следующих контролируемых параметров: мощности лазерного излучения, частоты и коэффициента заполнения лазерных импульсов, давления вспомогательного газа, скорости перемещения лазерной головки относительно заготовки, расстояния между лазерной головкой и поверхностью заготовки и расстояния между фокусом лазерного луча и поверхностью заготовки.
Таким образом, согласно настоящему изобретению предлагается способ управления процессом лазерной резки при помощи замкнутой системы автоматического управления, который содержит следующие этапы:
- обнаружение излучения, исходящего из объема, вовлеченного в процесс лазерной обработки, с помощью сенсорных средств, работающих в диапазоне длин волн, включающем длину волны, выбранную ранее как наиболее подходящую для регулировки процесса лазерной резки;
- соответствующая фильтрация и обработка обнаруженного сигнала с последующей передачей на электронный блок управления; и
- анализ при помощи электронного блока управления сигнала, поступившего на вход указанного блока, и изменение по результатам анализа, если требуется, одного из вышеуказанных контролируемых параметров процесса.
Линии спектра испускания, характерные для излучения, которое контролируется с целью регулировки процесса (далее называемого контролируемым излучением), детектируются с шириной полосы не более 100 нм.
В качестве газа, испускающего излучение, используется предпочтительно кислород или азот. Газом, испускающим излучение, может являться вспомогательный газ либо газообразная примесь. Второй из перечисленных газов может представлять собой газ, обычно присутствующий в атмосфере, окружающей обрабатываемую заготовку, либо газ, специально введенный в объем, охватываемый процессом лазерной обработки.
Если газом, испускающим излучение, является реактивный газ, то излучение испускаемое газом может интерпретироваться как показатель интенсивности происходящего процесса реакции, при этом слишком низкий уровень интенсивности означает, что скорость происходящего процесса реакции не достигает возможной, в то время как слишком высокий уровень интенсивности означает, что скорость происходящего процесса реакции является чрезмерной, следовательно, имеется риск бесконтрольности процесса или взрывного характера процесса. Если применяется лазер импульсного действия, производная сигнала по времени, либо минимальный уровень интенсивности в промежутке после выключения лазера до следующего импульса может свидетельствовать о том, что имеется тенденция к уменьшению или увеличению интенсивности процесса, который, таким образом, с одной стороны, становится неэффективным, а с другой стороны, может стать бесконтрольным или может приобрести взрывной характер. Если используется лазер непрерывного действия, аналогичную информацию можно получить при установке режима перемодуляции, производя сравнение производных сигнала по времени на этапе недомодуляции и на этапе перемодуляции. Может применяться регулировка другого типа, которая производится на основании сравнения уровней интенсивности испускаемого излучения на двух или более длинах волн, свидетельствующего о присутствии или преобразовании, по меньшей мере, двух характерных химических веществ или соединений в объеме, вовлеченном в процесс лазерной обработки.
Если газом, испускающим излучение, является газообразная примесь, которая обычно присутствует в атмосфере, окружающей обрабатываемую заготовку, или газ, специально введенный в процессе лазерной резки, излучение, испускаемое газом, может интерпретироваться как управляющий сигнал, даже когда вспомогательным газом в процессе лазерной резки является инертный газ. Сильный сигнал, испускаемый газообразной примесью при пробивании материала заготовки посредством лазерного луча на предварительном этапе резки, свидетельствует о том, что цилиндр, образующийся в результате пробивания, все еще закрыт и, следовательно, процесс пробивания еще не завершен. Как только в материале сформировано сквозное отверстие, управляющий сигнал значительно ослабляется, что свидетельствует о завершении процесса. При осуществлении процесса лазерной резки усиление сигнала, испускаемого газообразной примесью, свидетельствует о том, что фронт реза стремится к положению, параллельному поверхности обрабатываемой заготовки, приводя к уменьшению количества удаляемых побочных продуктов, а также газообразной примеси, в результате чего поступательная скорость реза становится чрезмерно высокой, тогда как ослабление сигнала, испускаемого газообразной примесью, свидетельствует о том, что фронт реза стремится к положению, перпендикулярному поверхности обрабатываемой заготовки, в результате чего поступательная скорость реза становится слишком низкой.
Более конкретно, способ управления процессом резки согласно изобретению предусматривает контроль линии спектра испускания, которая соответствует длине волны 777 нм. Указанная длина волны наблюдается при сильном излучении, испускаемом ионизированным кислородом, и может быть легко обнаружена, даже если кислород присутствует в качестве газообразной примеси и, в частности, является источником необходимой информации для регулировки как процесса пробивания материала лазерным лучом на предварительном этапе резки, так и для управления процессом лазерной резки. Если процесс пробивания материала посредством лазерного луча осуществляется в окислительной среде с использованием кислорода в качестве вспомогательного газа, по длине волны можно весьма точно прогнозировать быстрое увеличение количества ионизированного кислорода в объеме, вовлеченном в процесс, причем указанное увеличение предвещает взрывной характер процесса. Если при осуществлении процесса пробивания материала заготовки посредством лазерного луча с использованием азота в качестве вспомогательного газа происходит расплавление материала, величина указанной длины волны весьма точно информирует об отсутствии сквозного отверстия и наличии расплавленного металла в вовлеченном в процесс объеме. При осуществлении процесса лазерной резки, независимо от условий проведения процесса, т.е. в окислительной среде или при расплавлении материала, указанная длина волны является ценным источником информации, поскольку обеспечивает прогнозирование риска взрывного характера процесса или возникновения диффузии в боковом направлении в процессе окисления, что приводит к снижению качества реза, а также обеспечивает прогнозирование закрытия реза и тесно связанного с ним ухудшения качества резки, независимо от предшествующих причин, которые вызвали закрытие реза.
Проводя контроль сигнала, испускаемого газом, который присутствует в объеме, вовлеченном в процесс лазерной обработки, можно получать информацию о состоянии процесса лазерной резки и, соответственно, управлять указанным процессом, корректируя вышеупомянутые контролируемые параметры процесса.
Следует отметить, что устройство для лазерной резки, обеспечивающее осуществление способа управления процессом согласно изобретению, как правило, содержит:
- источник лазерного излучения, который может представлять собой лазер типа CO2, либо твердотельный лазер (Nd:YAG лазер, волоконный лазер, дисковый лазер, диодный лазер);
- лазерную головку с фокусирующим устройством, обеспечивающим фокусировку лазерного луча, генерированного источником лазерного излучения, и с соплом для подачи вспомогательного газа;
- световод, обеспечивающий транспортировку лазерного луча, генерированного источником лазерного излучения, к фокусирующему устройству лазерной головки;
- приводное устройство, обеспечивающее перемещение лазерной головки и заготовки относительно друг друга с регулируемой скоростью, а также обеспечивающее регулировку давления вспомогательного газа, корректировку расстояния между соплом и поверхностью заготовки и корректировку положения фокуса лазерного луча относительно поверхности заготовки; и
- регулирующее устройство, содержащее сенсорные средства для обнаружения, по меньшей мере, одного заданного диапазона длин волн излучения, испускаемого определенным газом, который присутствует в объеме,
облучаемом сфокусированным лазерным лучом; средства обработки сигнала, обеспечивающие обработку сигнала, обнаруженного сенсорными средствами; и средства регулирования, обеспечивающие регулировку источника лазерного излучения и/или приводного устройства на основании сигнала, полученного средствами обработки сигнала, с целью корректировки, по меньшей мере, одного из следующих контролируемых параметров процесса: мощности лазерного излучения, частоты и коэффициента заполнения лазерных импульсов, давления вспомогательного газа, скорости перемещения лазерной головки относительно заготовки, расстояния между лазерной головкой и поверхностью заготовки и расстояния между фокусом лазерного луча и поверхностью заготовки.
Согласно одному из вариантов осуществления изобретения сенсорные средства содержат фотодиод, обеспечивающий обнаружение заданного диапазона(ов) длин волн, отражающее/отклоняющее устройство, направляющее на фотодиод излучение, испускаемое в процессе лазерной обработки, и оптическое фильтрующее устройство, установленное между фотодиодом и отражающим/отклоняющим устройством для отбора заданного диапазона(ов) длин волн.
Согласно одному из вариантов осуществления изобретения сенсорные средства содержат несколько фотодиодов, обеспечивающих обнаружение заданного диапазона(ов) длин волн, соответственно, несколько отражающих/отклоняющих устройств, направляющих на соответствующие фотодиоды излучение, испускаемое в процессе лазерной обработки, и, соответственно, несколько оптических фильтрующих устройств, каждое из которых установлено между определенным фотодиодом и соответствующим отражающим/отклоняющим устройством для отбора заданного диапазона(ов) длин волн.
Независимо от количества фотодиодов, отражающих/отклоняющих устройств и оптических фильтрующих устройств, используемых в качестве сенсорных средств, все оптические фильтрующие устройства или каждое из них может работать в проходящем свете или в отраженном свете. Все оптические фильтрующие устройства или каждое из них, работающее в отраженном свете, может совмещаться с соответствующим отражающим/отклоняющим устройством, направляющим на фотодиод излучение, испускаемое в процессе лазерной обработки. Сенсорные средства могут быть размещены как выше, так и ниже фокусирующего устройства лазерной головки.
Когда применяется источник лазерного излучения, представляющий собой твердотельный лазер (Nd:YAG лазер, волоконный лазер, дисковый лазер, диодный лазер), световод содержит транспортное волокно, и лазерная головка дополнительно содержит коллимационное устройство, подсоединенное к концу транспортного волокна и оснащенное одной или несколькими коллимационными линзами.
В этом случае отражающее/отклоняющее устройство может содержать 90° дефлектор, расположенный между коллимационным устройством и фокусирующим устройством для отражения, по меньшей мере, 99,9% лазерного излучения и передачи вместо него излучения в заданном диапазоне(ах) длин волн. При этом сенсорные средства, предпочтительно, оснащены дополнительной фокусирующей линзой, которая размещена между дефлектором и фотодиодом для фокусировки обнаруженного сигнала на фотодиоде. К тому же, оптическое фильтрующее устройство установлено, предпочтительно, между дефлектором и фокусирующей линзой и содержит первый оптический фильтр, отсекающий лазерное излучение, и второй оптический фильтр, отбирающий заданный диапазон(ы) длин волн. При применении нескольких фотодиодов, нескольких отражающих/отклоняющих устройств и нескольких оптических фильтрующих устройств можно предусмотреть, чтобы каждое отражающее/отклоняющее устройство содержало соответствующий дефлектор и между каждым дефлектором и соответствующим фотодиодом была установлена соответствующая фокусирующая линза.
В качестве альтернативы 90° дефлектору может быть предусмотрен разветвитель, располагаемый вдоль световода и имеющий конфигурацию, позволяющую лазерному лучу, генерированному источником лазерного излучения, целиком транспортироваться к лазерной головке по транспортному волокну, и позволяющую направлять на фотодиод излучение, которое испускается в процессе лазерной обработки и транспортируется посредством транспортного волокна.
Согласно одному из вариантов осуществления изобретения разветвитель интегрирован в оптическое соединительное устройство, посредством которого лазерный луч, генерированный лазерным источником, запускается в транспортное волокно, а также предусмотрен светоделитель, установленный, в частности, между коллимационной линзой и фокусирующей и направляющей линзой оптического соединительного устройства, благодаря которому лазерный луч, генерированный источником лазерного излучения, целиком проходит через фокусирующую и направляющую линзу, а излучение, испускаемое в процессе лазерной обработки и транспортируемое по транспортному волокну, направляется на светодиод.
Согласно одному из вариантов осуществления изобретения разветвитель содержит вспомогательное волокно, приваренное к транспортному волокну. Если предусмотрено оптическое соединительное устройство, посредством которого лазерный луч, генерированный источником лазерного излучения, запускается в транспортное волокно, вспомогательное волокно приваривается к транспортному волокну на участке транспортного волокна, который расположен ниже по ходу оптического соединительного устройства. Альтернативно, оптическое соединительное устройство может отсутствовать, в таком случае вспомогательное волокно может быть приварено к источнику лазерного излучения на том же участке, где приварено транспортное волокно. При отсутствии оптического соединительного устройства наиболее предпочтительным является применение комбинированного оптического разветвителя, к которому можно приварить вспомогательное волокно, наряду с множеством приваренных волокон, каждое из которых соединено с соответствующим лазерным модулем, являющимся частью источника лазерного излучения и испускающим лазерный луч независимо от других лазерных модулей.
Дополнительные признаки и преимущества настоящего изобретения будут более очевидны из нижеприведенного подробного описания изобретения посредством неограничительного примера со ссылкой на прилагаемые чертежи.
Фиг.1 - схематичное изображение объема материала заготовки, вовлеченного в процесс пробивания лазерным лучом.
Фиг.2 и 3 - схематичное изображение объема материала заготовки, вовлеченного в процесс лазерной резки.
Фиг.4 - схематичное изображение регулирующего устройства, применяемого в устройстве для лазерной резки согласно изобретению.
Фиг.5A и 5B - вид сверху и, соответственно, вид в разрезе узла, содержащего дефлекторы и фотодиоды, являющиеся частью сенсорных средств регулирующего устройства, представленного на фиг.4.
Фиг.6-11 - схематичные изображения возможных вариантов осуществления сенсорных средств, подходящих для регулирующего устройства, применяемого в устройстве для лазерной резки согласно изобретению.
Согласно схематичному изображению, представленному на фиг.4, устройство для лазерной резки согласно изобретению, как правило, содержит:
- источник 10 лазерного излучения, который может представлять собой лазер типа CO2 либо твердотельный лазер (Nd:YAG лазер, волоконный лазер, дисковый лазер, диодный лазер);
- лазерную головку, обозначенную в общем ссылочной позицией 12, с фокусирующим устройством 14, обеспечивающим фокусировку лазерного луча, генерированного источником 10 лазерного излучения, и с соплом 16 для подачи вспомогательного газа (который может быть как инертным газом, например азотом, так и реактивным газом, например кислородом), причем выходное отверстие сопла 16 имеет, предпочтительно, круглое поперечное сечение;
- световод (не показан, но, по существу, известного типа), обеспечивающий транспортировку лазерного луча, генерированного источником 10 лазерного излучения, к фокусирующему устройству 14 лазерной головки 12, причем световод может быть как зеркальным, так и волоконным;
- приводное устройство (не показано, но, по существу, известного типа), обеспечивающее перемещение лазерной головки 12 и заготовки относительно друг друга с регулируемой скоростью, а также обеспечивающее регулировку давления вспомогательного газа, корректировку расстояния между соплом 16 и поверхностью заготовки и корректировку положения фокуса F лазерного луча относительно поверхности обрабатываемой заготовки, причем приводное устройство регулируется посредством устройства 18 числового программного управления; и
- регулирующее устройство, обеспечивающее регулировку источника 10 лазерного излучения и/или приводного устройства (посредством устройства 18 числового программного управления), с целью корректировки, по меньшей мере, одного из перечисленных контролируемых параметров процесса: мощности лазерного излучения, частоты и коэффициента заполнения лазерных импульсов, давления вспомогательного газа, скорости перемещения лазерной головки 12 относительно заготовки, расстояния между соплом 16 и поверхностью заготовки и расстояния между фокусом F лазерного луча и поверхностью обрабатываемой заготовки.
В частности, регулирующее устройство содержит сенсорные средства для обнаружения, по меньшей мере, одного заданного диапазона длин волн излучения, испускаемого определенным газом, который присутствует в объеме, облучаемом сфокусированным лазерным лучом (для упрощения в дальнейшем называемом обрабатываемым объемом), средства обработки сигнала, обеспечивающие обработку сигнала, обнаруженного сенсорными средствами, и средства регулирования, обеспечивающие регулировку источника лазерного излучения и/или приводного устройства на основании сигнала, полученного средствами обработки сигнала, с целью корректировки, по меньшей мере, одного из вышеупомянутых контролируемых параметров процесса.
Сенсорные средства содержат фотодиод 20, обеспечивающий обнаружение заданного диапазона(ов) длин волн, предпочтительно, с динамическим интервалом, по меньшей мере, в одну декаду, отражающее/отклоняющее устройство 22, предназначенное направлять на фотодиод 20 излучение, испускаемое обрабатываемым объемом материала, и оптическое фильтрующее устройство 24, установленное между фотодиодом 20 и отражающим/отклоняющим устройством 22 для отбора заданного диапазона(ов) длин волн. Оптическое фильтрующее устройство 24 может работать в проходящем свете или в отраженном свете. При работе в отраженном свете оптическое фильтрующее устройство 24 может быть совмещено с отражающим/отклоняющим устройством 22. В таком случае излучение, испускаемое обрабатываемым объемом материала, направляется посредством отражающего/отклоняющего устройства 22 через оптическое фильтрующее устройство 24 на фотодиод 20, который обнаруживает заданный диапазон(ы) длин волн. Как показано на фиг.5A и 5B, сенсорные средства могут содержать несколько фотодиодов 20 (в иллюстративном примере показано четыре фотодиода), а также, соответственно, несколько отражающих/отклоняющих устройств 22 и несколько оптических фильтрующих устройств 24, размещенных таким образом, чтобы каждое отражающее/отклоняющее устройство 22 направляло на соответствующий фотодиод 20 через соответствующее оптическое фильтрующее устройство 24 излучение, испускаемое обрабатываемым объемом материала в данном угловом диапазоне. Сенсорные средства могут быть размещены как выше, так и ниже фокусирующего устройства 14 лазерной головки 12.
Средства обработки сигнала содержат печатную плату 26, соединенную, например, непосредственно с фотодиодом 20, которая усиливает и фильтрует испускаемый обрабатываемым объемом материала сигнал, а также содержат печатную плату 28, соединенную с печатной платой 26 и обнаруживающую сигнал, усиленный и отфильтрованный печатной платой 26.
Средства регулирования содержат электронный блок 30 управления (например, промышленный компьютер) с установленным программным обеспечением, выполняющим алгоритм управления, который будет подробно описываться далее. Электронный блок 30 управления с одной стороны соединен с печатной платой 28, обеспечивающей обнаружение сигнала, и с другой стороны соединен посредством коммуникационной линии, имеющей интерфейс ввода-вывода, как с источником 10 лазерного излучения, так и с устройством 18 числового программного управления, благодаря чему способен регулировать непосредственно источник 10 лазерного излучения с целью корректировки мощности, частоты и коэффициента заполнения лазерных импульсов, а также способен регулировать косвенно через устройство 18 числового программного управления приводное устройство с целью корректировки остальных упомянутых выше контролируемых параметров процесса, а именно, относительной скорости, давления вспомогательного газа, расстояния между соплом и материалом и положения фокуса относительно материала.
Регулировка вышеупомянутых контролируемых параметров процесса производится на основании обнаруженного сенсорными средствами сигнала, который соответствует заданному диапазону(ам) длин волн. Согласно настоящему изобретению в качестве заданного диапазона длин волн выбирается диапазон длин волн, который включает по меньшей мере одну линию спектра испускания газа в качестве испускающего элемента, присутствующего в обрабатываемом объеме. Линии спектра испускания, контролируемые с целью регулировки процесса, детектируются с шириной полосы не более 100 нм. Предпочтительно, газом, используемым в качестве элемента, испускающего излучение, является кислород или азот.
Спектр испускания кислорода содержит линии, соответствующие следующим длинам волн (в нм): 948, 845, 823, 795 и 777. При осуществлении способа регулировки согласно изобретению обеспечивается контроль последней из перечисленных линий испускания, и, соответственно, снятие сигнала на 777 нм с полосой пропускания ±50 нм. Как уже заявлено во вводной части описания, указанная длина волны соответствует сильной эмиссии ионизированного кислорода и может быть легко обнаружена, даже когда кислород присутствует в качестве примеси и является определенным источником информации для регулировки процесса лазерной резки, а также для регулировки процесса пробивания материала перед процессом резки. Согласно изобретению указанная длина волны, с одной стороны, является источником информации о тенденции к увеличению количества ионизированного кислорода в обрабатываемом объеме, предупреждая, таким образом, о том, что процесс пробивания или процесс резки приобретает взрывной характер, и, с другой стороны, является источником информации о наличии примеси в обрабатываемом объеме, что свидетельствует о незавершенности процесса пробивания или о тенденции к закрытию реза.
Если в качестве газа, испускающего излучение, рассматривать азот, в спектре испускания указанного газа имеются линии, соответствующие следующим длинам волн (в нм): 1358,1246, 939, 870, 860, 745 и 576.
Пример алгоритма управления, который может выполняться средствами регулирования устройства для проведения процесса пробивания материала заготовки посредством лазерного луча при подготовке к резке, предусматривает этапы, описанные ниже.
а) Этап подтверждения наличия материала, в котором необходимо выполнить сквозное отверстие. С этой целью посредством лазерной головки посылается первая серия лазерных импульсов и сенсорные средства обнаруживают сигнал, соответствующий заданному диапазону(ам) длин волн. Если уровень обнаруженного сигнала намного ниже заданного порогового значения, средства регулирования интерпретируют указанную информацию как показатель отсутствия материала или как показатель того, что отверстие уже выполнено.
b) Этап инициирования процесса лазерной обработки при соответствующих
значениях контролируемых параметров процесса, указанных выше, проводимый после подтверждения наличия материала. В частности, источник лазерного излучения включается на заданный промежуток времени, по истечении которого источник лазерного излучения выключается. Если процесс осуществляется в среде с высоким содержанием кислорода (используемым в качестве вспомогательного газа), заданный промежуток времени, когда включен источник лазерного излучения, составляет от 0,5 до 5 мсек (предпочтительно, 1 мсек). Если кислород присутствует как газообразная примесь, заданный промежуток времени, когда включен источник лазерного излучения, составляет от 0,5 до 100 мсек (предпочтительно, 50 мсек).
с) Этап, проводимый через определенный промежуток времени после выключения источника лазерного излучения (время релаксации), который заключается в обнаружении сенсорными средствами излучения, испускаемого в заданном диапазоне(ах) длин волн, при этом контролируется изменение испускаемого излучения. Если обнаружено падение уровня сигнала ниже заданного порога вторичного зажигания, то этап b) повторяется, т.е. снова включается источник лазерного излучения. Средства регулирования при проведении контроля управляющего сигнала способны вычислять производную по времени указанного сигнала для использования указанной производной в качестве показателя надежности процедуры корректировки.
Процесс завершается, когда сенсорные средства обнаруживают сигнал, уровень которого ниже заданного порогового значения, служащего показателем конца процесса. Предпочтительно, регулировка завершения процесса выполняется в промежутке времени, когда включен источник лазерного излучения.
Пороговые значения вторичного зажигания и окончания процесса зависят от состава материала и от толщины заготовки. Указанные значения, предпочтительно, не являются фиксируемыми, они динамически изменяются с помощью средств регулирования, если на основании измеренной производной по времени управляющего сигнала было установлено, что процесс недостаточно устойчив.
Пример алгоритма управления, который может выполняться средствами регулирования с целью корректировки контролируемых параметров процесса лазерной резки для осуществления указанного процесса, предусматривает приведенные ниже этапы.
а') Этап выбора контролируемых параметров процесса, выполняемого обычно в зависимости от используемого источника лазерного излучения, а также в зависимости от состава обрабатываемого материала и от толщины заготовки.
b') Этап обнаружения сенсорными средствами сигнала, соответствующего заданному диапазону(ам) длин волн излучения, испускаемого обрабатываемым объемом материала. Если уровень, по меньшей мере, одного из контролируемых сигналов превышает заданное пороговое значение, средства регулирования интерпретируют указанную избыточную эмиссию как частичное закрытие реза, когда процесс резки осуществляется с использованием инертного газа, или как признак безконтрольности процесса, когда процесс резки осуществляется с использованием реактивного газа, и, соответственно, в любом случае изменяют, по меньшей мере, один из указанных выше контролируемых параметров процесса, предпочтительно, по возможности, мощность лазерного излучения или относительную скорость. Если уровень, по меньшей мере, одного из контролируемых сигналов, ниже заданного порогового значения, средства регулирования интерпретируют указанное снижение эмиссии как существенное замедление процесса и, соответственно, изменяют, по меньшей мере, один из указанных выше контролируемых параметров процесса, предпочтительно, по возможности, мощность лазерного излучения или относительную скорость.
Кроме того, когда сенсорные средства содержат несколько фотодиодов, размещенных таким образом, чтобы поддерживалась пространственная корреляция с участком обрабатываемого объема материала, генерирующим излучение, которое обнаруживает каждый из фотодиодов, средства регулирования, предпочтительно, коррелируют обнаруженный сигнал с направлением резки, получая, таким образом, информацию об анизотропии характеристик во всех допустимых направлениях резки. Указанная информация свидетельствует о величине смещения лазерного луча относительно центра сопла головки лазера, т.е. относительно направления выпуска вспомогательного газа, и, таким образом, служит указанием к соответствующему смещению центра массы фокусирующей линзы или сопла.
Разумеется, в рамках настоящего изобретения могут быть осуществлены отличающиеся от описанных выше алгоритмы управления, основанные на корректировке, по меньшей мере, одного из контролируемых параметров процесса, упомянутых выше, на основании сигнала, соответствующего излучению, испускаемому обрабатываемым объемом материала, по меньшей мере, в одном заданном диапазоне длин волн, причем заданный диапазон длин волн содержит, по меньшей мере, одну линию испускания газа или другого испускающего излучение элемента, присутствующего в обрабатываемом объеме в процессе лазерной обработки.
Далее со ссылкой на фиг.6-11 будут описываться несколько возможных вариантов сенсорных средств, подходящих для регулирующего устройства, применяемого в устройстве для лазерной резки согласно изобретению, причем на фиг.6-11 компоненты, идентичные или соответствующие компонентам, представленным на фиг.4 и 5, обозначены теми же ссылочными позициями.
Согласно варианту, представленному на фиг.6, в устройстве для лазерной резки применяется источник лазерного излучения (не показано), представляющий собой твердотельный лазер (Nd:YAG лазер, волоконный лазер, дисковый лазер, диодный лазер), при этом световод содержит транспортное волокно 32 и лазерную головку 12, оснащенную коллимационным устройством 34, которое содержит одну или несколько коллимационных линз и соединено с концом транспортного волокна 32. Согласно указанному варианту сенсорные средства (фотодиод 20, отражающее/отклоняющее устройство 22 и оптическое фильтрующее устройство 24) можно разместить выше или ниже фокусирующего устройства 14. К примеру, сенсорные средства можно разместить между фокусирующим устройством 14 и коллимационным устройством 34, как показано на фиг.6.
Согласно варианту, представленному на фиг.7, в устройстве для лазерной резки в качестве источника лазерного излучения также применяется твердотельный лазер, при этом отражающее/отклоняющее устройство 22 представляет собой 90° дефлектор, который расположен между коллимационным устройством 34 и фокусирующим устройством 14 и имеет конфигурацию, позволяющую отражать, по меньшей мере, 99,9% лазерного излучения и передавать вместо этого излучение в заданном диапазоне(ах) длин волн. В предложенном примере сенсорные средства дополнительно содержат фокусирующую линзу 36, установленную между дефлектором 22 и фотодиодом 20 для того, чтобы обнаруженный сигнал был сфокусирован на фотодиоде 20. Кроме того, согласно предложенному примеру оптическое фильтрующее устройство 24 установлено между дефлектором 22 и фокусирующей линзой 36 и содержит, в порядке размещения от дефлектора 22 к фокусирующей линзе 36, первый оптический фильтр 38, предусмотренный для отсечения лазерного излучения, и второй оптический фильтр 40, предусмотренный для отбора заданного диапазона(ов) длин волн. Если сенсорные средства содержат несколько фотодиодов, несколько отражающих/отклоняющих устройств и несколько оптических фильтрующих устройств, можно обеспечить подобную конфигурацию, т.е. каждому отражающему/отклоняющему устройству будет соответствовать определенный дефлектор, и между каждым дефлектором и соответствующим фотодиодом будет предусмотрена соответствующая фокусирующая линза.
Согласно варианту, представленному на фиг.8-11, в устройстве для лазерной резки тоже применяется твердотельный источник лазерного излучения, при этом вместо 90° дефлектора предусмотрен разветвитель, расположенный вдоль световода и конфигурированный таким образом, чтобы лазерный луч, генерированный источником лазерного излучения, целиком транспортировался к лазерной головке по транспортному волокну, и излучение, испускаемое обрабатываемым объемом материала и транспортируемое по транспортному волокну, направлялось на фотодиод.
В частности, согласно варианту, представленному на фиг.8, предусмотрено оптическое соединительное устройство 42, содержащее коллимационную линзу 44 и фокусирующую и направляющую линзу 46 и установленное вдоль световода, посредством указанного оптического соединительного устройства 42 лазерный луч, генерированный источником лазерного излучения, запускается в транспортное волокно 32. В этом случае разветвитель интегрирован в оптическое соединительное устройство 42 и содержит светоделитель 48, расположенный между коллимационной линзой 44 и фокусирующей и направляющей линзой 46, позволяющий лазерному лучу, генерированному источником лазерного излучения, целиком проходить через фокусирующую и направляющую линзу 46 к лазерной головке, и направляющий на фотодиод 20 излучение, которое испускается обрабатываемым объемом материала и транспортируется по транспортному волокну 32. Как и в варианте, представленном на фиг.7, сенсорные средства дополнительно содержат фокусирующую линзу 36, расположенную между светоделителем 48 и фотодиодом 20, посредством которой обнаруженный сигнал фокусируется на указанном фотодиоде 20. Кроме того, в этом случае оптическое фильтрующее устройство 24, размещенное между светоделителем 48 и фокусирующей линзой 36, также содержит первый оптический фильтр 38, установленный для отсекания лазерного излучения, и второй оптический фильтр 40, установленный для отбора заданного диапазона(ов) длин волн.
Согласно вариантам, представленным на фиг.9-11, разветвитель содержит вспомогательное волокно 50, которое приварено к транспортному волокну 32.
В частности, согласно варианту, представленному на фиг.9, световод содержит оптическое соединительное устройство (не показано), посредством которого лазерный луч, генерированный источником лазерного излучения, запускается в транспортное волокно, при этом к транспортному волокну 32 приварено вспомогательное волокно 50, на участке, расположенном ниже по ходу оптического соединительного устройства. В этом случае сенсорные средства содержат компоненты в следующем порядке расположения: вспомогательное волокно 50, коллимационную линзу 52, оптическое фильтрующее устройство 24, фокусирующую линзу 36 и фотодиод 20, причем оптическое фильтрующее устройство 24 содержит, в свою очередь, первый оптический фильтр 38, предусмотренный для отсекания лазерного излучения, и второй оптический фильтр 40, предусмотренный для отбора заданного диапазона(ов) длин волн.
Согласно варианту, представленному на фиг.10, вдоль световода не установлено оптическое соединительное устройство, и вспомогательное волокно 50 приварено к транспортному волокну 32 на участке, который приварен к выходному волокну 54 источника лазерного излучения. Если говорить о сенсорных средствах, то применимо вышеизложенное описание со ссылкой на фиг.9.
Наконец, согласно варианту, представленному на фиг.11, источник 10 лазерного излучения содержит несколько лазерных модулей 10.1, 10.2…, 10.N, способных испускать лазерный луч независимо друга от друга, и, соответственно, несколько выходных волокон 54.1, 54.2…, 54.N, каждое из которых продолжается от соответствующего лазерного модуля. Выходные волокна подсоединены к входу оптического сумматора 56, с выходом которого соединено транспортное волокно 32. В этом случае вспомогательное волокно 50 приварено к оптическому сумматору 56. Если говорить о сенсорных средствах, то применимо вышеизложенное описание со ссылкой на фиг.9.
Безусловно, принцип настоящего изобретения остается неизменным, несмотря на то, что реализуемые варианты способа регулировки и варианты устройства для лазерной резки могут существенно отличаться от приведенных в описании и проиллюстрированных посредством неограничительного примера.
1. Способ лазерной резки заготовки (Р), включающий облучение заготовки (Р) лазерным лучом, генерированным источником (10) лазерного излучения и сфокусированным лазерной головкой (12), подачу потока вспомогательного газа посредством сопла (16) лазерной головки (12) и управление процессор резки,
причем управление процессом резки содержит этапы, на которых:
a) определяют сигнал с длиной волны излучения, испускаемого вспомогательным газом или газообразной примесью, находящейся в объеме материала, облучаемого сфокусированным лазерным лучом, и
b) корректируют на основании определенного сигнала по меньшей мере один из контролируемых параметров процесса, включающих мощность лазерного излучения, частоту и коэффициент заполнения лазерных импульсов, давление вспомогательного газа, скорость перемещения лазерной головки (12) относительно заготовки, расстояние между соплом лазерной головки (12) и поверхностью (S) заготовки (Р) и расстояние между фокусом (F) лазерного луча и поверхностью (S) заготовки (Р),
при этом на этапе а) определяют излучение, испускаемое по меньшей мере в одном заданном диапазоне длин волн с 777 нм и шириной полосы не более 100 нм.
2. Способ по п. 1, в котором осуществляют подготовку к процессу резки путем пробивания материала, при этом на этапе b) выполняют следующие подэтапы:
b1) включение источника (10) лазерного излучения на первый заданный промежуток времени, составляющий от 0,5 до 5 мсек при использовании в качестве вспомогательного газа кислорода, и составляющий от 0,5 до 100 мсек при использовании в качестве вспомогательного газа инертного газа;
b2) выключение источника (10) лазерного излучения по истечении указанного первого заданного промежутка времени; и
b3) ожидание падения уровня указанного обнаруженного сигнала с соответствующей длиной волны ниже заданного порогового значения и затем повторение подэтапов b1) и b2).
3. Способ по п. 1 или 2, в котором на указанном этапе b):
в случае превышения уровня указанного сигнала с соответствующей длиной волны, определенного на этапе а), заданного порогового значения, означающего частичное прекращение резки при применении инертного газа в процессе резки или начало бесконтрольного процесса резки при применении реактивного газа, соответствующим образом изменяют по меньшей мере один из вышеупомянутых контролируемых параметров процесса;
а в случае, когда уровень указанного сигнала с соответствующей длиной волны, который определен на этапе а), ниже заданного порогового значения, означающий медленной процесс резки, соответствующим образом изменяют по меньшей мере один из вышеупомянутых контролируемых параметров процесса.
4. Устройство для лазерной резки, содержащее:
- источник (10) лазерного излучения;
- лазерную головку (12), содержащую фокусирующее устройство (14) для фокусировки лазерного луча, генерируемого источником (10) лазерного излучения, на заготовке (Р), и сопло (16) для подачи вспомогательного газа;
- световод для транспортировки лазерного луча, генерируемого источником (10) лазерного излучения, к фокусирующему устройству (14) лазерной головки (12);
- приводное устройство для перемещения лазерной головки (12) и заготовки (Р) относительно друг друга с регулируемой скоростью, а также для регулировки давления вспомогательного газа, корректировки расстояния между соплом (16) и поверхностью (S) заготовки (Р) и корректировки положения фокуса (F) лазерного луча относительно поверхности (S) заготовки (Р); и
- регулирующее устройство, содержащее сенсорные средства, выполненные с возможностью определения по меньшей мере одного заданного диапазона длин волн излучения, испускаемого вспомогательным газом или газообразной примесью, находящейся в объеме материала, облучаемого сфокусированным лазерным лучом; средства обработки сигнала, выполненные с возможностью обработки сигнала, определяемого указанными сенсорными средствами; и средства регулирования, выполненные с возможностью регулировки источника (10) лазерного излучения и/или приводного устройства на основании сигнала, получаемого указанными средствами обработки сигнала, с тем чтобы корректировать по меньшей мере один из контролируемых параметров процесса, включающих мощность лазерного излучения, частоту и коэффициент заполнения лазерных импульсов, давление вспомогательного газа, скорость перемещения лазерной головки (12) относительно заготовки (Р), расстояние между соплом лазерной головки (12) и поверхностью (S) заготовки (Р), и расстояние между фокусом (F) лазерного луча и поверхностью (S),
причем указанный заданный диапазон длин волн включает длину волны 777 нм и имеет ширину полосы не более 100 нм.
5. Устройство по п. 4, в котором указанные сенсорные средства содержат фотодиод (20) для определения по меньшей мере одного заданного диапазона длин волн, отражающее/отклоняющее устройство (22), установленное для направления излучения, испускаемого обрабатываемым объемом материала, облучаемым сфокусированным лазерным лучом, на фотодиод (20), и оптическое фильтрующее устройство (24), установленное между фотодиодом (20) и отражающим/отклоняющим устройством (22) для отбора указанного по меньшей мере одного диапазона длин волн.
6. Устройство по п. 5, в котором источник (10) лазерного излучения является твердотельным лазером, при этом световод содержит транспортное волокно (32), лазерная головка (12) содержит коллимационное устройство (34), соединенное с концом транспортного волокна (32), причем отражающее/отклоняющее устройство (22) представляет собой 90° дефлектор, который установлен для отражения по меньшей мере 99,9% лазерного излучения и для передачи излучения, испускаемого в указанном по меньшей мере одном заданном диапазоне длин волн.
7. Устройство по п. 6, в котором указанные сенсорные средства дополнительно содержат фокусирующую линзу (36), установленную между отражающим/отклоняющим устройством (22) и фотодиодом (20) так, чтобы излучение, испускаемое в указанном по меньшей мере одном заданном диапазоне длин волн, фокусировалось на фотодиоде (20), при этом оптическое фильтрующее устройство (24) установлено между отражающим/отклоняющим устройством (22) и фокусирующей линзой (36) и содержит первый оптический фильтр (38), выполненный с возможностью отсечения лазерного излучения, и второй оптический фильтр (40), выполненный с возможностью отбора указанного по меньшей мере одного заданного диапазона длин волны.
8. Устройство по п. 4, в котором источник (10) лазерного излучения является твердотельным лазером, при этом световод содержит транспортное волокно (32), а указанные сенсорные средства содержат фотодиод (20) для определения указанного по меньшей мере одного заданного диапазона длин волн, разветвитель (48, 50), расположенный вдоль световода (32) и имеющий конфигурацию, позволяющую лазерному лучу, генерируемому источником (10) лазерного излучения, целиком транспортироваться к лазерной головке (12) через транспортное волокно (32), и позволяющую направлять на фотодиод (20) излучение, испускаемое в процессе лазерной резки и транспортируемое по транспортному волокну (32), при этом оптическое фильтрующее устройство (24) установлено между фотодиодом (20) и разветвителем (48, 50) для отбора указанного по меньшей мере одного заданного диапазона длин волн.
9. Устройство по п. 8, в котором световод содержит оптическое соединительное устройство (42), содержащее коллимационную линзу (44) и фокусирующую и направляющую линзу (46), при этом разветвитель (48, 50) содержит светоделитель (48), расположенный между коллимационной линзой (44) и фокусирующей и направляющей линзой (46), так чтобы обеспечить возможность лазерному лучу, генерируемому источником (10) лазерного излучения, целиком проходить через фокусирующую и направляющую линзу (46) и направлять на фотодиод (20) излучение, генерируемое в процессе лазерной резки и транспортируемое по транспортному волокну (32).
10. Устройство по п. 8, в котором световод содержит оптическое соединительное устройство, при этом разветвитель (48, 50) содержит вспомогательное волокно (50), приваренное к транспортному волокну (32) на участке, расположенном ниже по ходу относительно оптического соединительного устройства.
11. Устройство по п. 8, в котором транспортное волокно (32) приварено к выходному волокну (54) источника (10) лазерного излучения, при этом разветвитель (48, 50) содержит вспомогательное волокно (50), которое приварено к транспортному волокну (32) на том же участке транспортного волокна (32), который приварен к выходному волокну (54).
12. Устройство по п. 8, в котором источник (10) лазерного излучения содержит несколько лазерных модулей (10.1, 10.2…, 10.N), выполненных с возможностью испускать лазерный луч независимо друг от друга, и соответствующее число выходных волокон (54.1, 54…., 54.N), каждое из которых соединено с соответствующим лазерным модулем (10.1, 10.2…, 10.N), при этом световод содержит оптический сумматор (56), с входом которого соединены выходные волокна (54.1, 54.2…, 54.N), а с выходом которого соединено транспортное волокно (32), причем разветвитель (48, 50) содержит вспомогательное волокно (50), приваренное к оптическому сумматору (56).
