CN101172320A

CN101172320A - 激光切割特种钢薄板的方法和装置

Info

Publication number: CN101172320A
Application number: CN 200610117839
Authority: CN
Inventors: 洪蕾
Original assignee: Shanghai Maritime University
Current assignee: Shanghai Maritime University
Priority date: 2006-11-01
Filing date: 2006-11-01
Publication date: 2008-05-07

Abstract

本发明提供一种激光切割特种钢薄板的方法，该方法，包括如下步骤：1.在激光切割设备激光喷嘴下方设置旋转气流引导装置；2.将待切割的钢薄板置于激光切割设备激光喷嘴和旋转气流引导装置之间；3.运行激光切割设备，设置在钢薄板下方的旋转气流引导装置产生强烈的旋转气流，利用由此产生的巨大离心力，对物料产生强烈的冲刷作用，以消除残渣。以及切割特种钢薄板的装置。本发明的激光切割特种钢薄板的方法和装置，促使氧化反应充分进行，释放出大量热量，通过设置在工件底部的旋风除渣器，形成强烈的旋转气流，利用由此产生的巨大离心力，对物料起到强烈的冲刷作用，消除粘渣现象。

Description

激光切割特种钢薄板的方法和装置

技术领域

本发明涉及一种激光切割特种钢薄板的方法和一种用于激光切割特种钢薄板的装置。

背景技术

激光切割具有速度快、切缝窄、热影响区小的优点，切割过程不需要模具，降低了产品的成本，容易与CAD/CAM结合，便于生产过程的控制，适于加工小批量、多品种、形状复杂的零件和切割特硬特软及脆性材料。激光切割普通碳钢薄板工艺已近成熟，切口质量可得到较好控制。但是对于含有较高Si、Cr、Ni等合金元素的硅钢、不锈钢等特种钢板材，常规激光切割工艺容易产生挂渣和飞渣现象，影响其广泛应用。

常规激光切割工艺中，氧化反应是形成熔渣的主要原因。通常针对不锈钢等易挂渣材料激光切割的常用工艺是采用高压高纯度氮气或惰性气体作为辅助切割气体，隔绝大气中氧气，吹走熔渣，避免氧化反应的发生。尽管此方法可以获得光滑无熔渣的高质量切口，但是随之而来的问题是：首先，由于需要高纯度气体，高压工作条件，因而气体的消耗量极大。例如当气体压力为5公斤时，几乎10分钟消耗完一钢瓶40升气体，而高纯氮气成本较高，这样势必造成生产成本的剧增；此外，没有氧化反应，缺乏其放热所提供的大量热源，导致此方法切割板材所要求激光功率急剧增大，如切割0.5mm硅钢片要求基模激光功率高达1000W，随着板厚增加，激光功率要求更高，激光器价格随着功率提高而大幅度上升，因此造成整体的生产成本进一步剧增。因此，此方法缺乏大规模生产实用性。

试验研究发现，在常规激光切割工艺中，以氧气(或压缩空气)为辅助气体，初始Fe与O₂相互作用发生的氧化反应为切割过程的进行提供了大量热源。随着氧化反应的进行，特种钢中所含合金元素同时发生氧化反应生成密度比氧化铁低的如铬铁氧化物和氧化铬等合金元素氧化物杂质。一方面，这些氧化物杂质在熔融区形成一个既影响表面张力又影响氧化物的动力学性能的表面层。这些熔融态杂质具有较大的粘滞系数，形成熔渣且不易被普通喷嘴辅助切割气体吹走；另一方面，这些杂质熔点高于母材铁，成为妨碍稳定激光切割的重要因素。尽管采取隔绝氧气，避免氧化反应发生工艺上可行，但缺乏实用性，所以需另辟蹊径。

常规激光切割工艺中，辅助气体氧气在切割过程中起到极为重要的作用，氧化反应供给的热量约为激光切割所需总能量的2/3以上，切割所需激光功率大幅度降低，这是比较惰性气体或氮气辅助切割的最大优势。但在特种钢板切割中由此产生大量具有较大的粘滞系数，不易被普通喷嘴辅助切割气体吹除的氧化物杂质。传统喷嘴在较高供气压力下喷射出的气流紊流度大，在气体流场中会产生激波。如果喷嘴和工件表面之间存在正激波，在喷嘴和工件表面之间的流场中将产生涡流，其旋转方向和切缝中的熔化金属及碎屑排出的方向相反，使得熔化金属及碎屑排出变得困难。同时涡流产生有利于等离子体的形成。等离子体会吸收激光束的能量，从而被切割工件吸收的能量就要减少，切割效率就会下降。等离子体的存在会使激光束发生散焦，激光束的模式也会发生变化，从而使切割质量变差。因此通常考虑设计特殊喷嘴形状，如超音速拉伐儿喷嘴，得供气的滞压全部转化成动能，这样可以有效地把熔化的金属及其夹渣物从切缝前沿吹走。但是这一方法缺乏通用性，不同板厚、不同焦距等因素的改变等都将导致喷嘴出口处渐扩管几何形状的改变，不易与聚焦锥形激光束匹配。

中国专利CN01804775.0提供了一种用于激光切割薄且脆的材料的改进方法和装置，其采用辅助气体排除熔化的材料和激光产生的碎屑，其特征在于高速辅助气体施加在被切割的材料上的净力基本上为零。但其并未涉及含有较高Si、Cr、Ni等合金元素的硅钢、不锈钢等特种钢板材的切割。

发明内容

本发明所要解决的技术问题第一方面在于提供一种激光切割含有较高Si、Cr、Ni等合金元素的硅钢、不锈钢等特种钢薄板的方法，以解决激光切割工艺容易产的生挂渣和飞渣，得到良好的切割效果。

本发明所要解决的技术问题第二方面在于提供一种激光切割含有较高Si、Cr、Ni等合金元素的硅钢、不锈钢等特种钢薄板的装置。

本发明所解决的技术问题可以采用以下技术方案来实现：

作为本发明第一方面的一种激光切割特种钢薄板的方法，包括如下步骤：

1.在激光切割设备激光喷嘴下方设置旋转气流引导装置；

2.将待切割的钢薄板置于激光切割设备激光喷嘴和旋转气流引导装置之间；

3.运行激光切割设备，设置在钢薄板下方的旋转气流引导装置产生强烈的旋转气流，利用由此产生的巨大离心力，对物料产生强烈的冲刷作用，以消除残渣。

本发明中，所述激光喷嘴与所述旋转气流引导装置的除渣吸口同轴设置，并在切割过程保持同步运动。

为了节约能源降低成本，所述激光切割设备的激光功率不高于500W。

激光切割设备的同轴辅助气体的含氧率对激光切割有很大的影响，含杂质多的氧气就不能提供足够的能量到切口底部形成高流动性的熔化物，因而降低了切割质量和切割速度，因此本发明中所述激光切割设备的同轴辅助气体为纯氧；在不同的激光功率及不同的厚度下，激光切割设备的同轴辅助氧气压力均有一最佳值，可以获得最大的切割速度，压力过高时，气流过强形成过强的冷却作用，切割速度反而下降，因此所述激光切割设备的同轴辅助氧气的气体压力为150kPa-300kPa。

所述旋转气流引导装置采用压缩空气，气体压力为50kPa-150kPa。

切割速度的提高，不仅提高切割效率，而且能细化切缝，降低切口粗糙度，明显改善切口质量，因此在激光功率一定时，应采取措施尽可能获得高的切割速度，所述激光切割设备的切割速度大于3米/分钟。

焦点位置对切口宽度也有影响，对于钢薄板，激光切割过程中焦点置于表面为佳。

作为本发明第二方面的一种激光切割特种钢薄板的装置，包括一激光切割设备，其特征在于：还包括一置于所述激光切割设备激光喷嘴下方的旋转气流引导装置。

所述旋转气流引导装置包括一顶部设有一除渣吸口的中空锥体，一与所述锥体下部连接的两通排灰管，一与所述排灰管的另一端连接旋转气流制造器。

本发明中，所述中空锥体通过夹持器与激光切割设备激光喷嘴的运动机架连接，以保持所述激光切割设备激光喷嘴与中空锥体的除渣吸口同轴设置，并在切割过程保持同步运动。

所述中空锥体的除渣吸口紧贴待切割的钢薄板底部。

本发明的激光切割特种钢薄板的方法和装置，在氧气辅助激光切割过程中，促使氧化反应充分进行，从而释放出大量热量，泡沫性低密度反应生成物在反应热源及激光热源的共同作用下，反应残渣在泡沫性状态下可保持较长的时间，此时通过设置在工件底部的旋风除渣器，形成强烈的旋转气流，利用由此产生的巨大离心力，对物料起到强烈的冲刷作用，消除粘渣现象。此时既可阻碍等离子体的产生，又可将泡沫性残渣快速、干净地清除。

附图说明

图1为本发明的结构示意图。

具体实施方式

为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体图示，进一步阐述本发明。

如图1所示，一种激光切割特种钢薄板的装置，包括一激光切割设备1和一置于所述激光切割设备1激光喷嘴11下方的旋转气流引导装置2，旋转气流引导装置2包括一顶部设有一除渣吸口的中空锥体21，所述中空锥体21通过夹持器23与激光切割设备激光喷嘴11的运动机架12连接，以保持所述激光切割设备激光喷嘴11与中空锥体21的除渣吸口同轴设置，并在切割过程保持同步运动，并紧贴待切割的钢薄板3底部，所述中空锥体21下部连接的两通排灰管22，排灰管22的另一端连接旋转气流制造器(未示出)。

本实施例中，所述激光切割设备1采用Trumpf TC L 4030 CO₂激光切割机，激光器输出光束直径为10mmTEMOO的激光束，输出功率为1800-4O00W可调。采用飞行光路系统，经CNC控制焦点，最大切割速度可达3340英寸/分钟，位移精度为0.02mm。使用5”聚焦镜，焦点光斑直径为0.1mm，吹气喷嘴直径为2mm。为确保吹气的稳定性，高压气体先经一组气体过滤器及调压阀先行降压，进入吹气喷嘴前再经一由CNC程式控制的电控调压阀，使吹气与激光的输出达到最佳同步。钢薄板3材料选用0.5mm厚硅钢，其中含Si为2.7％，及少量C、Mn、S、P等。

将待切割的钢薄板3置于激光切割设备1激光喷嘴11和旋转气流引导装置2之间，运行激光切割设备，当氧气流以12-25米/秒的速度由进气管进入旋转气流引导装置2时，气流将由直线运动变为圆周运动。旋转气流的绝大部分沿器壁直圆筒体呈螺旋形向下，朝中空锥体21流动，通常称此为外旋气流。含渣气流在旋转过程中产生离心力，将密度大于气体的渣粒甩向器壁。渣粒一旦与器壁接触，便失去惯性力而靠入口速度的动量和向下的重力沿壁面下落，进入排灰管22。旋转下降的外旋气流在到达锥体时，因圆锥形的收缩而向除尘器中心靠拢，其切向速度不断提高。当气流到达中空锥体21下端某一位置时，即以同样的旋转方向从中空锥体21中部，由下而上继续做螺旋形流动，即内旋气流。最后净化气经排气管(未示出)排出器外，一部分未被捕集的渣粒也由此逃失。自进气管流入的另一小部分气体，则向中空锥体21顶盖流动，然后沿排气管外侧向下流动，当到达排气管下端时，即反转向上随上升的中心气流一同从排气管排出，分散在这一部分上旋气流中的渣粒也随同被带走。

为了节约能源降低成本，所述激光切割设备的激光功率低于500W。

旋转气流引导装置采用压缩空气，气体压力为50kPa-150kPa。

本实施例中同轴辅助切割气体为氧气，气体压力降低为300kPa，旋转气流引导装置气体采用压缩空气，压力为100kPa。当激光功率为500W，模式为TEMOI，焦点位于工件上表面，切割速度为3米/分钟时，获得了光滑的高质量切口。

以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims

1.一种激光切割特种钢薄板的方法，包括如下步骤：

(1).在激光切割设备激光喷嘴下方设置旋转气流引导装置；

(2).将待切割的钢薄板置于激光切割设备激光喷嘴和旋转气流引导装置之间；

(3).运行激光切割设备，设置在钢薄板下方的旋转气流引导装置产生强烈的旋转气流，利用由此产生的巨大离心力，对物料产生强烈的冲刷作用，以消除残渣。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于：所述激光喷嘴与所述旋转气流引导装置的除渣吸口同轴设置，并在切割过程保持同步运动。

3.如权利要求1所述的方法，其特征在于：所述激光切割设备的激光功率低于500W。

4.如权利要求1所述的方法，其特征在于：激光切割设备的同轴辅助气体为氧气，气体压力为150kPa-300kPa。

5.如权利要求1所述的方法，其特征在于：所述旋转气流引导装置采用压缩空气，气体压力为50kPa-150kPa。

6.如权利要求1所述的方法，其特征在于：所述激光切割设备的切割速度大于3米/分钟。。

7.如权利要求1所述的方法，其特征在于：激光切割过程中焦点置于钢薄板表面。

8.一种激光切割特种钢薄板的装置，包括一激光切割设备，其特征在于：还包括一置于所述激光切割设备激光喷嘴下方的旋转气流引导装置。

9.如权利要求8所述的装置，其特征在于：所述旋转气流引导装置包括一顶部设有一除渣吸口的中空锥体，一与所述锥体下部连接的两通排灰管，一与所述排灰管的另一端连接旋转气流制造器。

10.如权利要求9所述的装置，其特征在于：所述中空锥体通过夹持器与激光切割设备激光喷嘴的运动机架连接。

11.如权利要求9所述的装置，其特征在于：所述中空锥体的除渣吸口紧贴待切割的钢薄板底部。