CN101890582A - 一种钢制筛管割缝的激光加工方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种钢制筛管割缝的激光加工方法，具体为：以割缝其中一个长边的其中一个端点作为起点，首先利用脉冲激光在割口起点处打孔，随后利用连续激光从起点处开始完成整个割缝的切割；切割过程中，以氧气作为辅助气体，利用氧气与切割点处熔融状态的铁进行反应所释放出的反应热来进一步加热切割点处的金属，同时利用化学反应将熔融状态的铁变成流动性良好的四氧化三铁，并由气流将四氧化三铁吹离切割点，保证切割的连续进行。本发明加工方法克服了现有激光切割筛管割缝存在的割缝形状不规整、割口处挂渣、吹痕倾斜的问题。

Description

一种钢制筛管割缝的激光加工方法

技术领域

本发明涉及一种利用激光加工钢制筛管割缝的方法。

背景技术

作为一种现代加工手段，激光切割以其加工效率高、切割质量好、操作灵活得到人们的青睐，也自然被人们考虑用来加工筛管上的割缝。但由于激光切割以及筛管割缝都有其特殊性，如果不使二者有机结合，将难以达到人们所期望的效果。

发明内容

本发明的目的在于提供一种钢制筛管割缝的激光加工方法，利用该方法可有效实现激光对筛管割缝的高效、优质的加工。

本发明一种钢制筛管割缝的激光加工方法，具体为：以割缝其中一个长边的其中一个端点作为起点，首先利用脉冲激光在割口起点处打孔，随后利用连续激光从起点处开始完成整个割缝的切割；切割过程中，以氧气作为辅助气体，利用氧气与切割点处熔融状态的铁进行反应所释放出的反应热来进一步加热切割点处的金属，同时利用化学反应将熔融状态的铁变成流动性良好的四氧化三铁，并由气流将四氧化三铁吹离切割点，保证切割的连续进行。

优选地，所述利用脉冲激光打孔过程中，通过调整激光束焦点相对筛管管壁厚度方向的位置，使其随打孔深度的增加而从管外逐渐向管内移动。

优选地，通过控制所述辅助气体的流速和流量、以及激光切割速度，既保证氧气与铁充分反应，以利用其所释放出的反应热来加热切割点处的金属，又保证具有足够的气流将所产生的熔融物吹离切割点。

优选地，辅助气体喷嘴直径一定的情况下，通过调节压力来控制所述辅助气体的流速和流量。

优选地，所述割缝为断面形状为矩形的长条缝，连续激光的切割轨迹与割缝形状相对应；当割缝宽度≤0.8mm时，所述连续激光在切割割缝的第二个长边时，激光束部分射入已切割出的第一个长边割口中，并且激光束以烧蚀已切割出的第一个长边割口中与割缝第二个长边相对应的侧面的方式来完成割缝第二个长边的切割。

优选地，所述割缝为断面形状为梯形的长条缝，并且梯形短边位于筛管径向外侧，所述连续激光的切割轨迹与割缝形状相对应，并且在切割割缝的两长边时，通过调整激光束的角度，使其与割缝两个长边的倾斜表面相对应；当所述梯形短边长度≤0.8mm时，所述连续激光在切割割缝的第二个长边斜面时，激光束部分射入已切割出的第一个长边割口中，第二个长边斜面上至少靠近筛管外表面的上部通过激光束烧蚀已切割出的第一个长边割口中与割缝第二个长边相对应的侧面的方式来完成。

优选地，完成所述割缝第一个长边的切割后，在切割割缝的其他边时，所用连续激光的功率小于切割割缝第一个长边的功率，所用辅助气体的压力和切割速度大于切割割缝第一个长边所用辅助气体的压力和切割速度，并通过调整辅助气体的压力，以保证切割面与激光束轴线平行。

优选地，在切割所述梯形断面割缝时，通过平移和沿激光头光轴轴线移动激光头、以及旋转筛管来切割出割缝的两个长边斜面；其中，

在切割割缝的第一个长边斜面时，首先调整激光头使其光轴轴线与筛管轴线相垂直，然后根据待加工割缝梯形断面短边尺寸，向垂直筛管轴线一侧平移激光头，移动距离由下式确定：

$L=R\×\sin (\mathrm{\α}+\arcsin \left(\frac{B}{2R}\right))-\frac{B}{2}-\frac{D}{2}$

式中B为梯形断面短边长度，L为激光头平移距离，R为筛管半径，D为激光束焦点光斑直径，α为梯形侧边与上下边垂线之间的夹角；

在切割割缝的第二个长边斜面时，再次反向平移激光头，移动距离2L，并同时向激光头移动方向旋转筛管，旋转角度为2α。

优选地，在切割所述梯形断面割缝时，筛管保持不动，只通过旋转激光头并沿激光头光轴轴线移动激光头来完成割缝两个长边斜面的切割，激光头旋转原点位于筛管外其直径的延长线上，该点具体位置可根据筛管直径、割缝梯形断面的尺寸，以及激光束焦点光斑的直径通过几何计算得到。

优选地，在利用所述连续激光进行切割时，通过调整激光束焦点相对筛管管壁厚度方向的位置，来满足对不同壁厚筛管割缝的切割。

本发明加工方法首先利用脉冲激光在割口起点处打孔，然后再利用连续激光进行后续切割，既利用了低重复频率脉冲激光可以获得较窄的脉冲、较高的脉冲能量的特点，又为连续激光的后续切割创造了良好的条件，保证了切割的顺利进行。完成割缝第一个长边的切割后，在切割割缝其他边时，采用较低的激光功率、较大的辅助气体压力、以及较快的切割速度，利用了待切割部位已经受热、辅助气流能够进入已切割割口更充分地与切割点深处的熔融铁进行反应、切割点处熔融物可方便地从已切割割口吹离的特点，既保证了切割质量，又提高了切割效率；尤其是通过提高辅助气体压力，保证了进入已切割割口内气体的流量和流速，使切割点处的熔融物能够被及时吹离，为形成与激光束轴线平行的切割面提供了保障。本发明加工方法克服了现有激光切割筛管割缝存在的割缝形状不规整、割口处挂渣、吹痕倾斜的问题。

附图说明

图1为筛管结构示意图；

图2a为图1中A-A剖视图，割缝断面形状为矩形；

图2b为图1中A-A的部分剖视图，割缝断面形状为梯形；

图2c为图1中A-A的部分剖视图，割缝断面形状为组合型；

图3a为本发明加工方法加工矩形割缝示意图；

图3b为梯形断面割缝第一种切割方式示意图；

图3c为梯形断面割缝第二种切割方式示意图。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明做详细说明。

钢制筛管割缝的断面形状包括图2a所示的矩形，图2b所示的梯形，和图2c所示的组合型。

当筛管割缝的断面形状为矩形时，只通过移动激光头即可完成割缝的切割加工。

如图3a所示，首先将激光头移到筛管上方，使激光头光轴轴线与筛管轴线垂直，并根据割缝宽度B将激光头向左(或向右)平移B/2-D/2距离，式中B为割缝宽度，D为激光焦点光斑直径，然后开启激光器进行切割。当然，只要保证激光头光轴轴线与筛管轴线垂直，激光头的初始位置也可以在筛管左侧或右侧或其他位置。

切割时，首先选择割缝其中一个长边的一个端点作为切割起点，然后利用脉冲激光在起点处打孔，打完孔后，再利用连续激光完成割缝的后续切割。

连续激光从起点切割到割缝第一个长边的另一个端点后，将激光器向右(或向左)平移距离B-D，切割割缝的第二个长边，切割到第二个长边的另一个端点后，再次向左(或向右)平移激光头，最后完成割缝另一短边的切割，并由此形成与割缝形状相对应的矩形切割轨迹。

在此需要说明的是，因激光焦点光斑直径通常可达到0.15mm以上，因而在割缝宽度B≤0.8mm的情况下，激光束部分射入已切割出的第一个长边割口中，激光束以烧蚀已切割出的第一个长边割口中与割缝第二个长边相对应的侧面的方式来完成割缝第二个长边的切割。

由于在切割割缝的第一个长边时，切割处的材料温度比较低，处于“冷态”，而切割第二个长边时，待切割部位已经被加热，因此，切割第二个长边可以使用较低的激光功率，采用较高的辅助气体压力，以及较高的切割速度。

尤其是在割缝宽度B≤0.8mm的情况下，激光束以烧蚀已切割割口其中一个侧面的方式来进行割缝第二个长边的切割时，因激光束的部分光射入已切割割口中，并照射在割口中待切割侧面上，辅助氧气进入已切割割口中，更全面地与切割点处的熔融状态的铁接触进行反应，而且切割点处的熔融物可方便地从已切割割口中吹离，故可进一步降低连续激光的功率，进一步提高辅助气体的压力，即提高辅助气体的流速和流量，进一步提高切割速度，以实现更高的切割加工效率。特别需要指出的是，通过提高辅助气体压力，以提高进入已切割割口辅助气体的流速和流量，可保证切割点处的熔融物能够被及时吹离，从而保证形成与激光束轴线平行的切割面，保证割缝的切割质量。

当切割断面形状为梯形或组合型的割缝时，可以采用两种方式进行切割，一种是通过沿激光头光束轴线方向及其垂直方向移动激光头并旋转筛管来完成，一种是筛管不动，通过旋转激光头来完成。

对于第一种切割方式，如图3b所示，首先将激光头移到筛管正上方，使激光头光轴轴线与筛管轴线垂直，并根据割缝尺寸将激光头向左(或向右)平移距离L，L由公式

$L=R\×\sin (\mathrm{\α}+\arcsin \left(\frac{B}{2R}\right))-\frac{B}{2}-\frac{D}{2}$

确定，式中B为梯形断面短边长度，R为筛管半径，D为激光束焦点光斑直径，α为梯形侧边与上下边垂线之间的夹角；然后开启激光器脉冲模式进行打孔，打孔后，开启激光器连续模式，进行割缝的后续切割。脉冲激光打出的孔作为梯形割缝其中一个长边的其中一个端点并同时作为连续激光切割的起点。

激光切割到割缝第一个长边的另一个端点后，顺时针(或逆时针)旋转筛管2α角，并向右(或向左)平移激光头2L距离，进行割缝第二个长边的切割；切割到第二个长边的另一端点后，再次向左(或向右)平移激光头，完成另一梯形短边的切割；并由此形成与割缝形状相对应的矩形切割轨迹。

与矩形断面割缝第二长边的切割有所不同的是，当割缝梯形断面短边的长度B≤0.8mm时，激光在切割割缝的第二个长边斜面时，激光束的部分光射入已切割出的第一个长边割口中，第二个长边斜面上至少靠近筛管外表面的上部通过激光束烧蚀已切割出的第一个长边割口中与割缝第二个长边相对应的侧面的方式来完成，当割缝梯形断面短边的长度足够小时，第二个长边斜面则可全部通过激光束烧蚀已切割出的第一个长边割口中与割缝第二个长边相对应的侧面的方式来完成。

对于第二种切割方式，如图3c所示，首先将激光头移到筛管正上方，使激光头光轴轴线与筛管轴线垂直，并根据割缝尺寸以筛管外某点为圆心将激光头逆时针(或顺时针)α角；然后开启激光器脉冲模式进行打孔，打孔后，开启激光器连续模式，以打出的孔作为起点，切割割缝的第一个长边斜面，切割到第一个长边另一个端点后，以筛管外的同一点作为圆心顺时针(或逆时针)旋转激光头，进行割缝第二个长边斜面的切割，割缝梯形断面短边的切割则在激光头旋转过程中完成。

筛管外作为旋转激光头的某点位于筛管直径延长线上，其具体位置可根据筛管直径、割缝梯形断面的尺寸，以及激光束焦点光斑的直径通过几何计算来得到。

在进行上述断面为梯形的割缝的切割时，采用的激光器为DC035激光器，采用的参数如下：

脉冲激光打孔：脉冲激光输出功率1500W，辅助气体压力0.8kg/cm²，脉冲频率40HZ。

切割割缝第一个长边所用连续激光：激光输出功率1500W，辅助气体压力1kg/cm²，切割速度1m/min。

切割割缝第二个长边所用连续激光：激光输出功率1000W，辅助气体压力1.0kg/cm²，切割速度1.5m/min。

低重复频率脉冲激光打孔，可以获得较窄的脉冲(脉冲宽度为0.1～2ms)，较高的脉冲能量(0.5～20)J，以便于迅速将孔穿透。

本发明采用氧气作为辅助气体，气体的压力主要是根据切割过程中产生的熔融物质与周围固态物质的粘着力的大小来确定。而流量主要控制着气体有效切割压力要能够全部覆盖在所有的熔融物质上，并保证氧与铁的化学反应充分进行。在切割嘴直径确定的情况下，通常通过调节压力来调节辅助气体的流量和流速。

在切割过程中，氧气的化学放热反应需要一定时间，如果此时辅助气体的压力过大，气体的流速过高，氧气与金属材料的化学放热反应还没来得及进行就被吹走了，氧气不仅没有发生反应放出热量，相反还会带走很多本已产生的热量，这对切割是很不利的。而且氧气与铁反应生成的四氧化三铁的流动性很好，不必使用很大的气体压力熔融物质就会被吹离切割点。

使用氧气作为切割辅助气体有两个目的，一是利用化学反应释放出的热量来保持切割处的温度，保证切割产物处于熔融状态，以便将其吹离割口，一是通过化学反应将切割产物变成具有良好流动性的四氧化三铁，方便其被吹离。

筛管管壁越厚，辅助气体的压力就越小，以保证氧化放热反应的充分进行。而且筛管越厚，融化的铁就越多，需要与之反应的氧气的量就要越多，可是又不能加大气体的压力，所以必须加大气体的流量以保证化学放热反应的顺利进行。

切割时，如果选择的切割速度过快，那么切割中允许发生的熔化和吹离熔融物的时间就会变得很短，熔化和吹离的速度小于切割速度，就会出现熔化不完全，吹离熔融物能力减弱的情况。割缝第一个长边切割速度若过快，则经过割缝的辅助气体气压大，流速大，流量小，熔融的物质将不能被即时有效的吹离切割点，由此将产生吹离痕迹倾斜、切割口挂渣，甚至切割不透的问题。

对于图1c所示的断面形状为梯形和矩形组合而成的组合型割缝，其激光切割方式可参照上述矩形断面和梯形断面割缝方式进行。

Claims (10)

1.一种钢制筛管割缝的激光加工方法，其特征在于，该方法具体为：以割缝其中一个长边的其中一个端点作为起点，首先利用脉冲激光在割口起点处打孔，随后利用连续激光从起点处开始完成整个割缝的切割；切割过程中，以氧气作为辅助气体，利用氧气与切割点处熔融状态的铁进行反应所释放出的反应热来进一步加热切割点处的金属，同时利用化学反应将熔融状态的铁变成流动性良好的四氧化三铁，并由气流将四氧化三铁吹离切割点，保证切割的连续进行。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述利用脉冲激光打孔过程中，通过调整激光束焦点相对筛管管壁厚度方向的位置，使其随打孔深度的增加而从管外逐渐向管内移动。

3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，通过控制所述辅助气体的流速和流量、以及激光切割速度，既保证氧气与铁充分反应，以利用其所释放出的反应热来加热切割点处的金属，又保证具有足够的气流将所产生的熔融物吹离切割点。

4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，辅助气体喷嘴直径一定的情况下，通过调节压力来控制所述辅助气体的流速和流量。

5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述割缝为断面形状为矩形的长条缝，连续激光的切割轨迹与割缝形状相对应；当割缝宽度≤0.8mm时，所述连续激光在切割割缝的第二个长边时，激光束部分射入已切割出的第一个长边割口中，并且激光束以烧蚀已切割出的第一个长边割口中与割缝第二个长边相对应的侧面的方式来完成割缝第二个长边的切割。

6.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述割缝为断面形状为梯形的长条缝，并且梯形短边位于筛管径向外侧，所述连续激光的切割轨迹与割缝形状相对应，并且在切割割缝的两长边时，通过调整激光束的角度，使其与割缝两个长边的倾斜表面相对应；当所述梯形短边长度≤0.8mm时，所述连续激光在切割割缝的第二个长边斜面时，激光束部分射入已切割出的第一个长边割口中，第二个长边斜面上至少靠近筛管外表面的上部通过激光束烧蚀已切割出的第一个长边割口中与割缝第二个长边相对应的侧面的方式来完成。

7.如权利要求5或6所述的方法，其特征在于，完成所述割缝第一个长边的切割后，在切割割缝的其他边时，所用连续激光的功率小于切割割缝第一个长边的功率，所用辅助气体的压力和切割速度大于切割割缝第一个长边所用辅助气体的压力和切割速度，并通过调整辅助气体的压力，以保证切割面与激光束轴线平行。

8.如权利要求7所述的方法，其特征在于，在切割所述梯形断面割缝时，通过平移和沿激光头光轴轴线移动激光头、以及旋转筛管来切割出割缝的两个长边斜面；其中，

在切割割缝的第一个长边斜面时，首先调整激光头使其光轴轴线与筛管轴线相垂直，然后根据待加工割缝梯形断面短边尺寸，向垂直筛管轴线一侧平移激光头，移动距离由下式确定：

$L=R\×\sin (\mathrm{\α}+\arcsin \left(\frac{B}{2R}\right))-\frac{B}{2}-\frac{D}{2}$

式中B为梯形断面短边长度，L为激光头平移距离，R为筛管半径，D为激光束焦点光斑直径，α为梯形侧边与上下边垂线之间的夹角；

在切割割缝的第二个长边斜面时，再次反向平移激光头，移动距离2L，并同时向激光头移动方向旋转筛管，旋转角度为2α。

9.如权利要求7所述的方法，其特征在于，在切割所述梯形断面割缝时，筛管保持不动，只通过旋转激光头并沿激光头光轴轴线移动激光头来完成割缝两个长边斜面的切割，激光头旋转原点位于筛管外其直径的延长线上，该点具体位置可根据筛管直径、割缝梯形断面的尺寸，以及激光束焦点光斑的直径通过几何计算得到。

10.如权利要求8或9所述的方法，其特征在于，在利用所述连续激光进行切割时，通过调整激光束焦点相对筛管管壁厚度方向的位置，来满足对不同壁厚筛管割缝的切割。

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