CN100546752C - 采用双焦点透镜的厚金属工件激光切割方法 - Google Patents

采用双焦点透镜的厚金属工件激光切割方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及采用双焦点透镜的厚金属工件激光切割方法。该方法用于对厚度在4至25毫米之间的金属工件进行激光束切割，其中采用用于将激光束至少聚焦在彼此分开且均位于激光束光轴上的第一焦点(PF1)和第二焦点(PF2)处的双聚焦透镜，其特征在于，该透镜的焦距(FL)在170至300毫米之间。

Description

采用双焦点透镜的厚金属工件激光切割方法
技术领域
本发明涉及一种使用具有双聚焦功能和选定焦距的透镜的激光束切割方法。
背景技术
激光切割方法常规上采用由例如二氧化碳(λ＝10.6微米)型或YAG型激光加工机(激光器)发出的激光束，该激光束被光学元件一通常是具有给定焦距的透镜或反射镜一聚焦到待切割工件上。切割槽中通常被注入加压的辅助气体以去除熔融金属。由发射激光束的聚焦元件构成并释放辅助气体的切割头与待切割工件之间的相对移动形成了切割槽。
透射聚焦光学器件，也就是透镜，是最常见的用于激光切割的元件，因为它们可以在切割头中形成加压密封空腔，辅助气体可被注入这个空腔然后经由与激光束同轴的管道离开。
聚焦透镜包括经过抗反射处理以限制反射损耗量的两个屈光镜(dioptre)或面。
透镜的“核心”的材料，对于二氧化碳型激光器来说通常是硒化锌，对于YAG型激光器来说通常是熔融硅、玻璃(bk7)、石英或类似物质。
目前主要使用的各种透镜形状包括：
-由球面屈光镜和平面屈光镜组成的平凸透镜，
-由两个球面屈光镜组成的凹凸透镜。这种透镜形状相对于平凸透镜来说具有使球面像差最小化的优点，由于这个原因它在激光切割中得到了非常广泛的使用。
-非球面透镜，这种透镜的第一屈光镜的形状不再是半径恒定的球面，而是经过了优化以便相对于具有球面屈光镜的凹凸透镜来说能进一步减小几何像差，从而在焦点处能获得更高的能量密度，尤其是在焦距短即小于95.25毫米(3.75英寸)的情况下。非球面透镜的输出屈光镜通常是平面以降低其制造成本。
所有的这些透镜都力图将激光束集中在直径最小的单一焦点处。
一种通过使用具有多个焦点的光学器件来提高性能的激光切割方法在文献WO-A-98/14302中有教导。这些透镜或反射镜类型的光学器件的形状是这样的，即，使得入射激光束不再是聚焦在单一的焦点，而是聚焦在两个(双焦点透镜)或多个焦点(多焦点透镜)。
更准确地说，如图1所示，当使用双焦点透镜LF时，入射光束中位于直径等于2H之外的部分聚焦在位于主焦距FL处的第一焦点PF1上。入射激光束中位于直径等于2H以内的部分进而聚焦在沿着光束传播方向，离第一焦点PF1的距离为DF的第二焦点PF2上。制造这种双焦点透镜LF时，其某一个屈光镜具有不同的曲率半径，例如对于其凸面，直径2H以内和之外具有不同的曲率半径。
相对于透镜和工件之间距离的变化，这些类型的光学聚焦器件使得加快切割速度、提高切割质量和减小容许公差成为可能，并且相对于传统的单焦点透镜，他们也可以切割更厚的材料。
尽管有该文献的教导，但在实际应用中已经发现对于某些厚度(的工件)，要获得高效率、高质量的切割会导致一个问题。
例如，当切割厚度在4至25毫米之间，优选在5至20毫米之间的金属板或工件时就会反复遇到这样一个问题，即需要使用焦距大于130毫米的透镜来获得可令人接受的切割性能。
这些厚度(的工件)通常是采用标准焦距为190.5毫米(7.5英寸)或228.6毫米(9英寸)的透镜来进行切割，因为利用更短的焦距很难切割这些厚度(的工件)。具体来说，当厚度超过5毫米时会在切割槽的底部系统地形成有毛刺。
发明内容
本发明的目的在于提供解决这个问题的方案，也就是说提供一种用于使用双焦点透镜激光切割厚度在4至25毫米之间，优选在5至20毫米之间的工件的有效方法。
本发明的方案是一种用于对厚度在4至25毫米之间的金属工件进行激光束切割的方法，其中采用用于将激光束至少聚焦在彼此分开且均位于激光束光轴上的第一焦点(PF1)和第二焦点(PF2)处的双聚焦透镜，其特征在于，该透镜的焦距(FL)在170至300毫米之间。
根据具体情况，本发明所述方法可包含下列一个或多个特征：
-透镜的焦距在180至200毫米之间。
-透镜的焦距等于190.5毫米。
-透镜具有带一定直径(2H)的中心区域，该中心区域具有用于聚焦在位于所述焦距(FL)处的第一焦点(PF1)的第一曲率半径，所述直径(2H)小于20毫米。
-透镜的直径在4至15毫米之间。
-切割厚度在4至20毫米之间，优选在6至12毫米之间的工件。
-两个焦点之间的距离在5至12毫米之间。
-两个焦点之间的距离在7至10毫米之间。
-金属工件由不锈钢，低碳钢，铝或铝合金，钛或钛合金，铜或铜合金制成。
-使用含有氮的辅助气体。
-激光束的功率在0.5至20千瓦之间，优选在1至6千瓦之间。
-采用二氧化碳型激光装置发射激光束。
附图说明
图1是双焦点透镜的示意图；
图2-3示出对厚度不同的不锈钢工件进行的测试的结果。
具体实施方式
当涉及到上述问题的解决时，本发明的发明者注意到采用双焦点透镜的激光切割方法取决于所用透镜的参数，即其焦距FL，(直径)2H以及(距离)DF，如图1中所示。
透镜的2H值对应于曲率半径不同于透镜外围部分的透镜中心区域的那个直径。入射光束中位于直径2H之外的部分聚焦在位于主焦距FL处的第一焦点PF1上。入射激光束中位于直径2H以内的部分聚焦在位于主焦距FL2处的第二焦点PF2上。直径2H的大小决定了聚集在第二焦点PF2处的能量的量。
距离DF相应地对应于焦距FL和FL2之差，如图1所示。
示例
对厚度为6毫米和8毫米的不锈钢(工件)进行的，结果分别如图2和图3所示的测试证明，对于分别在4至20毫米之间的厚度，采用焦距等于190.5毫米且2H值在4至15毫米之间的双聚焦透镜是合适的。
获得的测试结果如下：
-图2中所示为(辅助气体的)压力为16bar(灰色长条)和19bar(黑色长条)，均采用双焦点透镜时的结果。
-图3中所示为(辅助气体的)压力为19bar，采用双焦点透镜(黑色长条)或为了比较而采用单焦点透镜(灰色长条)时的结果。
可以发现，当焦距FL等于190.5毫米且2H取上述值时，如从图2中可以看到的那样，DF的取值在7至10毫米之间时可以获得最佳的激光切割性能。
对于厚度为8毫米的金属板(图3)，采用距离DF等于8毫米的双焦点透镜可以提高切割速度，且切割质量也胜过采用测试的其它DF值，具体地说就是可以避免产生毛刺。
对于这些FL，2H和DF的取值，切割槽中吸收的激光能量的能量分布是最优的。此外，切割槽的宽度也足以使气体获得良好的渗透以及使熔融金属得到最佳的去除。

Claims (12)

1、一种用于对厚度在5至20毫米之间的金属工件进行激光束切割的方法，其中采用用于将激光束至少聚焦在彼此分开且均位于激光束光轴上的第一焦点(PF1)和第二焦点(PF2)处的双聚焦透镜，其特征在于，该透镜的焦距(FL)在170至300毫米之间，且该透镜具有带一定直径(2H)的中心区域，该中心区域具有用于聚焦在位于所述焦距(FL)处的第一焦点(PF1)的第一曲率半径，所述直径(2H)小于20毫米。
2、根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述透镜的焦距(FL)在180至200毫米之间。
3、根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述透镜的焦距(FL)等于190.5毫米。
4、根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述透镜的直径(2H)在4至15毫米之间。
5、根据权利要求1所述的方法，其特征在于，切割厚度在6至12毫米之间的工件。
6、根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述两个焦点(PF1，PF2)之间的距离(DF)在5至12毫米之间。
7、根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述两个焦点(PF1，PF2)之间的距离(DF)在7至10毫米之间。
8、根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述金属工件由不锈钢、低碳钢、铝或铝合金、钛或钛合金、铜或铜合金制成。
9、根据权利要求1所述的方法，其特征在于，使用含有氮的辅助气体。
10、根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述激光束的功率在0.5至20千瓦之间。
11、根据权利要求10所述的方法，其特征在于，所述激光束的功率在1至6千瓦之间。
12、根据权利要求1所述的方法，其特征在于，采用二氧化碳型激光装置发射激光束。
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