CN101015889A - 采用氩/氦气体混合物的钛激光切割 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种使用激光束的辅助气体的用于切割由钛或钛合金制成的工件的激光束切割工艺，其特征在于，所述辅助气体是氩/氦混合物。

Description

采用氩/氦气体混合物的钛激光切割
技术领域
本发明涉及一种使用由氩/氦混合物形成的辅助气体的用于切割钛和钛合金的激光束切割工艺。
背景技术
钛及其合金是具有特别有用的冶金和机械特性的有色金属，该特性尤其得益于它们的低密度，例如钛的密度大约为4.5g/cm3。特别是在高技术应用中非常需要利用钛的特性。
另外，在功率至少为1.5kW和/或功率密度至少为1MW/cm2的CO2激光切割中，聚焦激光束的高能量密度往往引起待切割工件的材料的局部蒸发。
根据条件，金属蒸气局部地转变成易于扩散到周围的切割气体中的等离子体。然后金属和气态等离子体可吸收一些入射能量，造成切缝中的功率不足。这不可避免地导致切割缺陷尤其是切缝下表面上的毛刺的形成。
因此，任何会促使等离子体形成的条件都被认为是激光切割工艺中的限制因素，尤其对于切割速度和控制灵活性(regulating flexibility)而言。
此外，钛和钛合金对氧(氧化，燃烧)和氮(氮化)具有高敏感性。
为了避免这些问题，在热切割中只使用氩来切割钛及其合金。
但是，由于氩的电离电势大约为15.4eV，因此氩是易于电离的气体，由于它非常快速地电离并由此妨害切割过程，所以它成为激光切割工艺中的限制因素。
因此，在大约为10.6μm的波长下操作、使用氩作为激光束的辅助气体即作为切割气体、采用CO2源的高功率(＞1.5kW和/或1MW/cm2)的激光切割的效率低。
已提出用氦来代替氩，因为电离氦所需的能量比电离氩所需的能量高得多，即大约为24.5eV。
因此使用氦作为切割气体是有效的，但是要在使用高流量的情况下。这是因为氦分子很小并且对于标准的气体流量而言切缝中气体的动态冲击力很小。
因此，在非常高流量的氦下的切割使得能够保持切割射流的有效的动力条件。
但是，由于氦的高成本，所以增加氦的流量在经济上不利于该工艺，这导致许多使用者不采用该方案。
结果，所面临的问题是要提出一种没有上述问题和缺陷的用于钛和钛合金的激光切割工艺，特别地，该工艺能够对由钛或钛合金制成的工件进行有效的切割，即不会产生毛刺或产生的毛刺最少；并且其切割速度与工业规模的应用相适合，例如对于2.5mm的厚度速度至少为3至4m/min，并且对于使用者而言在经济上是可接受的。
发明内容
本发明的解决方案是一种使用激光束的辅助气体的用于切割由钛或钛合金制成的工件的激光束切割工艺，其特征在于，所述辅助气体是氩/氦混合物。
根据情况，本发明的工艺可包括下列特征中的一个或多个特征：
-通过CO2、Nd:YAG、二极管或纤维类型的激光发生器来获得激光；
-气体混合物包含按体积计20-80％的氩和/或气体混合物包含按体积计20-80％的氦；
-气体混合物包含按体积计30-70％的氩和/或气体混合物包含按体积计30-70％的氦；
-气体混合物仅由氩和氦形成；
-气体混合物包含按体积计40-60％的氩，其余为氦；
-气体混合物包含50％的氩和50％的氦；
-激光束的功率至少为1kW，优选为1.5-20kW；
-待切割工件是厚度在0.5mm至4mm之间、优选为至少1mm的板；
-切割速度至少为2m/min，优选为3m/min至10m/min之间；
-通过CO2激光源或镱纤维激光源产生激光束；以及
-切割气体的压力在5bar至20bar之间和/或切割气体的流量在5m3/h至75m3/h之间。
附图说明
图1示出在试验中所获得的作为Ar/He气体混合物中氦含量的函数的最大允许功率密度。
具体实施方式
氩/氦气体混合物可以在被引入切割头中之前预先混合，或者混合物可以通过在切割头中或在离开切割头时将一种气体与另一种气体混合而就地生成——例如经由双层气流实现，所述双层气流的气体在以所需比例混合以获得所期望的He/Ar混合物之前相互同心地分布。在后一种情况下，混合在一起的两种气体可以是“纯净”气体——例如一方面为氩而另一方面为氦，或者是具有相同组分或不同组分的Ar/He气体混合物，这些气体在切割头中或在离开切割头时混合。
因此，本发明的原理是使用氩/氦混合物作为高功率CO2激光切割的辅助气体来提高切割气体的电离电势。向辅助气体中添加氦趋向于降低气体的电离电势，同时可保持切割气体射流的动力势能。
本发明也可应用于任何其它类型的易于在切割气体中产生不希望出现的等离子体的激光源。但是，在利用氦和利用氩对钛进行的激光切割对比试验中已发现，使用氦时限制切割速度的是在切缝底部出现了由于切割速度过高而导致的小毛刺，而使用氩时，切割缺陷主要源于切缝中等离子体的出现。
此外，使用氦时的流量需要比使用氩时的流量高三倍。
鉴于此可以推断出，没有必要使用按体积计包含100％的氦的辅助气体，氩/氦混合物就足以在最佳切割速度——即获得钛的无毛刺切割的最大可能速度——下消除等离子体的出现或使等离子体的出现减到最小。
氩/氦混合物必须根据切割条件例如激光功率和待切割工件的几何形状来选择。这些选择可以由使用者凭经验做出。
在任何情况下，根据本发明使用氩/氦混合物来切割钛或钛合金使得能够从氦的优点和氩的优点二者处获益，但是却没有在单独使用这些气体时所遇到的缺陷。
为了确认这些观察结论，本发明的发明人进行了下列对比试验。
这些试验的目的是，对于各种氩/氦混合物和作为对比的纯氩，根据所要求的质量标准，例如粗糙度、细小毛刺、由于燃烧而造成的切割损失或低质量切割、保护气体中等离子体的出现等，来确定切缝的最大允许功率和相应的切割速度。
这些切割试验采用Trumpf的3kW的CO2激光装置在2.5mm厚的钛板上进行，其中使用四种不同的(按体积计)切割气体，即：
-试验A：纯氩；
-试验B：70％Ar/30％He的混合物；
-试验C：50％Ar/50％He的混合物；以及
-试验D：30％Ar/70％He的混合物。
试验的其它条件和所获得的试验结果在下面的表1和2中给出。
表1
    试验条件   试验A   试验B   试验C   试验D
    功率(W)   810   1080   1260   2565
    测得的功率密度(kW/cm2)   1147   1530   2294   3633
    切割速度(m/min)   1.6   2.2   3.3   5.2
    焦点(mm)   4
 压力(bar)   12
 喷嘴直径(mm)   1.4
 气体流量(m3/h)   12   20   25   30
 每切割1米的气体消耗量(1/m)   125   150   126   96
此外，附图示出在这些试验中所获得的作为Ar/He气体混合物中氦含量的函数的最大允许功率密度。
可以看到，试验表明通过增加氦的比例可以增大工件所容许的功率，由此导致更高的切割速度。该增加使得当氦的含量按体积计在50％以上时可降低每米的辅助气体消耗量。与氩相比，当引入按体积计为30％的氦时就产生(一定的)控制灵活性。最终，由于细小毛刺(的出现)在70％的氦下达到功率和切割速度极限。这突出了氦稍微过量时的效果。
因此，从这些试验可明显得出，使用氦/氩的混合物使得能够从氦的优点和氩的优点二者处获益。在这点上，一旦引入按体积计为30％的氦就产生(一定的)控制灵活性并且在氦含量为大约70％时达到最大功率。
此外，根据本发明使用Ar/He的混合物还减少了等离子体的形成，提高了切割速度，降低了所使用的氦的量并由此降低了辅助气体的流量。
下面的表2给出了所试验的四种混合物A至D的最大切割速度和最大激光功率的百分比(％)，高于所述最大激光功率的百分比就会在切割气体中形成有害的等离子体。
表2
  试验   切割速度(m/min) 最大激光功率的百分比(％)
    A     1.8     35
    B     2.45     50
    C     3.6     65
    D     5.2     100
这示出采用纯氩(试验A)时不能超过1.8m/min的切割速度，而采用根据本发明的混合物不仅可以提高切割速度还可以提高有用的激光功率。

Claims (12)

1.一种使用激光束的辅助气体的用于切割由钛或钛合金制成的工件的激光束切割工艺，其特征在于，所述辅助气体是氩/氦混合物。
2.根据权利要求1所述的工艺，其特征在于，通过CO2、Nd:YAG、二极管或纤维类型的激光发生器来获得激光束。
3.根据权利要求1或2所述的工艺，其特征在于，所述气体混合物包含按体积计20-80％的氩和/或所述气体混合物包含按体积计20-80％的氦。
4.根据权利要求1或2所述的工艺，其特征在于，所述气体混合物包含按体积计30-70％的氩和/或所述气体混合物包含按体积计30-70％的氦。
5.根据权利要求1至4所述的工艺，其特征在于，所述气体混合物仅由氩和氦形成。
6.根据权利要求1至5所述的工艺，其特征在于，所述气体混合物包含按体积计40-60％的氩，其余为氦。
7.根据权利要求1至6所述的工艺，其特征在于，所述气体混合物包含50％的氩和50％的氦。
8.根据权利要求1至7所述的工艺，其特征在于，激光束的功率至少为1kW，优选为1.5-20kW。
9.根据权利要求1至8所述的工艺，其特征在于，待切割工件是厚度在0.5mm至4mm之间、优选为至少1mm的板。
10.根据权利要求1至9所述的工艺，其特征在于，切割速度至少为2m/min，优选在3m/min至10m/min之间。
11.根据权利要求1至10所述的工艺，其特征在于，通过CO2激光源或镱纤维激光源产生激光束。
12.根据权利要求1至11所述的工艺，其特征在于，切割气体的压力在5bar至20bar之间和/或切割气体的流量在5m3/h至75m3/h之间。
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