CN102837124A - 一种激光辅助加热的金属带材切割方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种激光辅助加热的金属带材切割方法，采用激光对金属带材先加热再切割，其特征在于，所述的加热温度T_h为：式中，U为带材运行速度，m/min；F为激光器功率，W；AS为激光光斑面积，mm²；ξ为与金属带材密度和比热容相关的常数，ξ＝(0.3～0.8)e3；χ为与金属带材厚度相关的常数，χ＝-0.75～0.0；所述的切割温度T为：T＝T_h-ΔT；式中ΔT为金属材的温降。本发明的优点：加热效率高，适应高速切割，尤其适用于高速、高质量要求的极薄带材的切割。

Description

一种激光辅助加热的金属带材切割方法

【技术领域】

本发明涉及金属带材切割技术领域，具体地说，是一种激光辅助加热的金属带材切割方法。

【背景技术】

金属带材，例如钢带、铜带、铝带等，一般均采用冶炼、轧制、精整、分卷、包装等工艺生产，其中涉及切边、横切、纵切等带材的切割加工。传统的带材切割方式一般采用圆盘剪(满足切边和纵切要求)和斜刃剪(满足横切要求)等，均为机械切割方式，即利用上下剪刃的作用通过塑性滑移制造的裂纹扩展使带材被切断。这种切割方式尽管具有高速且灵活的特点。以钢带的圆盘剪为例，一般其生产方式为成卷或全连续切割，切割速度大于280m/min，钢带强度可达600MPa，钢带厚度可小于0.3mm，其切割规律如图1所示。其中，塌角是由切割过程中带材塑性弯曲产生的，光亮带是由带材内部相对滑移(塑性变形)产生的，撕裂带是由带材脆性断裂产生的，毛刺是由断裂时裂纹扩展不充分产生的。

但也存在无法解决的问题，主要来源于带材本身。随着技术的进步，用户对带材的要求逐步朝着高强(大于800MPa)、极薄(小于0.1mm)方向发展。这对机械切割的刀片强度和组装精度提出更高的要求，同时要求切割质量更高，如切割毛刺控制在0.02mm以下，增加了刀片的制造成本，缩短了刀片的使用寿命。

随着激光技术的发展，其应用领域越来越宽广，其中激光加热技术的发展正逐渐得到重视。专利ZL200610096474.6提供了一种利用二氧化碳激光作为板材预加热，然后通过钕玻璃激光器的强激光完成板材成形的方法。专利CN101879572A和CN201693118U给出了一种镁合金板材激光局部加热自冲铆接的方法和装置。专利ZL200710115874.1和ZL200910015653.6则开发了一种利用激光局部加热技术提高板材成形效率的方法。以上专利技术均为板材成形时利用激光局部加热达到软化材料提供成形质量的技术，所涉及的均为非连续生产，且无加工速度要求，无法满足本发明的连续化、高速的生产要求，但为本发明提供了技术可行性的佐证。

针对高强极薄的金属带材而言，考虑到带材的加热软化和切割过程的力学特点，本发明在带材切割前利用激光技术对其切割位置进行预加热，达到降低带材的屈服强度、提高材料塑性的目的，进而在切割时减小刀片受力、提高切割断面的质量。

【发明内容】

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种激光辅助加热的金属带材切割方法；该方法是通过安装于带材切割设备入口的激光器对带材进行加热，以降低切割时带材的变形抗力，提高材料塑性，实现降低切割负荷、提高切割质量的目的。本发明所针对的带材切割方式以圆盘剪为主，同样地，也适用于其它带材切割方式，例如斜刃剪切割、锯片切割等。

本发明的构思为：需要根据金属带材的力学性能及规格和切割设备的结构参数和工艺参数，如刀片的重叠量和侧向间隙，在保证切割质量和合理切割负荷的前提下，确定带材切割时所需的强度等级，即带材的屈服强度。然后，根据带材的材料性能，即不同温度下的应力应变曲线，确定带材所需的加热温度。最后，根据带材的运行速度(用于估算带材与环境的换热系数)、材料特性(对激光的吸收率)和尺寸规格，给出激光器的输出功率。考虑到带材的高速运行，切割设备所实现的切缝宽度小，要求加热效率高且加热范围小，故本发明涉及的激光应以固体激光器所发出的激光优先。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：

一种激光辅助加热的金属带材切割方法，采用激光对金属带材先加热再切割，所述的加热温度T_h为

$T_h=\mathrm{\ξ}\×A\×F\×A_s^{\mathrm{\χ}}\×U^{-1.5}$

式中，U为带材运行速度，m/min；F为激光器功率，W；AS为激光光斑面积，mm²；ξ为与金属带材密度和比热容相关的常数，ξ＝(0.3～0.8)e3；χ为与金属带材厚度相关的常数，x＝-0.75～0.0；

在激光加热方法，其加热温度与激光功率和带材吸收率的关系为线性，与带材运行速度和照射光斑为非线性关系。一般地，考虑到与激光加热相关的激光光斑大小相对带材尺寸为微小量，故可将照射光斑范围内的激光输入功率以平均分布考虑。

切割温度的确定：

激光加热点运行至切割点时的温度下降幅度主要由热传导和热辐射产生的，不仅取决于金属带材的热物性(例如材料的导热系数、比热容、密度等)，还与带材速度U和激光加热范围及加热深度有关。本发明考虑到现有有关金属材料传热分析已相当成熟，可借鉴现有方法来计算带材的温降ΔT，并确定最终切割时带材的温度，

所述的切割温度T为

T＝T_h-ΔT

式中ΔT为金属材的温降。

激光照射角度与吸收率的关系：

激光照射方式是指激光光线与带材法线方向的关系，以及激光加热点与带材切割点的距离。根据材料对激光的吸收率，可确定激光光线与带材法线方向的最大偏移角度。考虑到带材加热后的热量散失，本发明要求激光加热点与带材切割点的距离应越小越好，但在很大程度上受到切割设备和激光器的结构尺寸限制。

本发明涉及的带材激光辅助切割方法，应包含激光照射角度α、加热点与切割点的距离L、激光光斑尺寸等关键参数。激光照射角度α与吸收率A的关系为

$A_{\mathrm{\α}}={\mathrm{Ae}}^{\mathrm{\β}(1-\frac{\mathrm{\π}}{2\mathrm{\α}})}$

式中，β为与材料表面形貌有关的系数，由实验确定。一般地，β＝0.2～0.62。

值得注意的是，随着激光照射角度α的减小，加热点与切割点的距离L可进一步减小，且激光光斑尺寸可增加，这些有助于提高带材加热软化的效果。但有益的效果远远小于吸收率降低所带来的影响，故本发明要求应尽可能保证激光照射角度α满足下式。

$\mathrm{\α}=\frac{1}{3}\mathrm{\π}~\frac{1}{2}\mathrm{\π}$

吸收率的确定：

材料对激光的吸收率的影响因素较复杂，例如材料的电阻率、带材表面粗糙度、激光的波长等。若想得到准确的吸收率，则必须通过试验确定。一般地，考虑到现有固体激光波长以1.06微米为主，当激光垂直照射带材表面时材料的激光吸收率A可根据下式确定。

A＝a₂ρ²+a₁ρ+a₀                                    (2)

式中，ρ为电阻率，Ω·m，可由材料手册得到。a0～a2为与激光波长相关系数；其中，a0＝0.001～0.5；a1＝1.0e4～9.8e5，a2＝-1.0e11～-1.0e9；

钢铁材料，激光波长为1.06微米时，可取a0＝0.0741，a1＝4.8e5，a2＝-3.6e10。

带材剪切屈服强度与温度的关系：

激光加热方法适用于热胀材料，即经过加热可实现降低其屈服强度的材料。材料的屈服强度与温度的关系需根据材料的性能要求，通过试验或可根据材料手册确定，其实验方法可采用Gleeble试验机，或其它可给出不同温度下材料应力应变曲线的试验设备。以室温(20℃)为材料的基本力学性能，即室温的剪切屈服强度为τ20(可根据材料手册得到)，则不同温度下的金属带材剪切屈服强度τT可由下式得到。

$\ln \left(\frac{{\mathrm{\τ}}_{20}}{{\mathrm{\τ}}_T}\right)=A_t(T-293)$

式中，T为切割时带材的绝对温度，K；At为与材料有关的常数，一般地，At＝6e-4～8e-3。

本发明在工作时：

第一步，根据金属带材的尺寸规格、带材的运行速度U和切割设备的结构尺寸，确定激光光斑的形状和面积AS，以及激光的照射角度α。考虑到金属带材的切割以纵切(分条)和横切(分卷)为主，故本发明的激光光斑形状以矩形为优先选择，且以切割方向为长轴，切缝宽度方向为短轴。

第二步，根据金属带材的表面形貌、激光波长，确定a0～a2、β、χ。

第三步，根据金属带材的热物性特点，确定带材的电阻率ρ，以及温度计算所需的相关系数，即At、ξ。

第四步，根据金属带材切割工艺要求，确定带材切割时合理的材料强度τT，依据带材剪切屈服强度与温度的公式计算切割时的带材温度T。

第五步，由加热温度公式和切割温度公式分别计算激光加热温度Th和切割温度T，并根据温度要求确定激光器功率F。

与现有技术相比，本发明的积极效果是：

本发明有效地提高带材的切割质量。通过对带材切缝位置有针对性的加热软化，本发明实现了对切割时的金属带材剪切屈服强度的控制，也就控制了切割时带材的变形过程。经过加热后，由于材料屈服强度降低，在切割过程中带材的塌角、光亮带和撕裂带得到有效控制，即在有限增加塌角的前提下，可将光亮带范围扩大，进而大幅减小撕裂带，从而得到切割断面平整、毛刺高度很小的高边部质量的带材。本发明有效地降低切割负荷。由于加热降低了带材的剪切屈服强度，使带材更容易发生剪切变形，故降低了切割力，进而降低了机械切割中刀片的磨损和崩刀风险，有效地提高了机械切割的效率。

本发明加热效率高，适应高速切割，尤其适用于高速、高质量要求的极薄带材的切割。

【附图说明】

图1a，1b为金属带材切割断面形貌示意图；

图2为激光辅助切割方式(圆盘剪)示意图；

图3为激光光斑位置示意图；

图4实际高强钢剪切情况对比图，4a为调整前，4b为调整后；

图5轧后不锈钢剪切情况对比图；5a为调整前，5b为调整后；

附图中的标号分别为：1、带材，1.1、机械切割时入口带材，1.2、机械切割时出口带材，2.1、上刀片，2.2、下刀片，3、切割废料(或称边丝)，4、激光器，5、激光光线，6、激光光斑，7、毛刺，8、踏角，9、光亮带，10、撕裂带，11、带材运动方向。

【具体实施方式】

以下提供本发明一种激光辅助加热的金属带材切割方法的具体实施方式。

实施例1

高强钢，激光器为半导体激光器

请参见附图1-3，第一步，根据高强钢生产特点，可给出带材的运行速度U、激光光斑的形状和面积A_S，以及激光的照射角度α。

U＝80m/min

A_S＝1.2×2.0mm²＝2.4mm²(选取矩形光斑，长边为带钢运行方向)

(高强钢表面形貌相对较差，且速度较慢)

第二步，根据金属带材的表面形貌、厚度，激光波长，确定a0～a2、β、χ。

钢铁材料，固体激光器，根据实验可取；

a0＝0.0741

a1＝4.8e5

a2＝-3.6e10

β＝0.5

χ＝-0.75

第三步，根据金属带材的热物性特点，确定带材的电阻率ρ，以及温度计算所需的相关系数，即At、ξ。

根据材料手册确定高强钢的电阻率为ρ＝118.4e-8，则有Aα＝0.4598。

根据高强钢材料性能及实验，可选取At＝10.5e-4，ξ＝1200。

第四步，根据金属带材切割工艺要求，确定带材切割时合理的材料强度τ_T，依据带材剪切屈服强度与温度的公式计算切割时的带材温度T。

根据材料手册确定高强钢的剪切屈服强度为τ₂₀＝461MPa。

由圆盘剪结构及能力并综合现场经验，得合理的剪切屈服强度为τ_T＜400MPa。

则得剪切时温度T＝160℃。

第五步，由加热温度公式和切割温度公式分别计算激光加热温度T_h，并根据温度要求确定激光器功率F。

考虑到带材的热物性和运行速度，根据实验结果可得温降为ΔT＝350℃。

则有激光加热点温度为T_h＝510℃，激光器功率为F＝1275.3w。

考虑到激光器的效率，则最终选激光器功率为2×1500w。

实施效果分析：

对比本发明实施前后高强钢的圆盘剪剪切效果(如图4所示)，尽管塌角有所增加，但撕裂带很小，整体剪切断面质量明显提高。同样地，在刀片材质和热处理均末发生变化的前提下，其剪切量由原来的1000吨提高到1500吨。

实施例2

硅钢，激光器为半导体激光器

第一步，根据硅钢生产特点，可给出带材的运行速度U、激光光斑的形状和面积A_S，以及激光的照射角度α。

U＝280m/min

A_S＝1.2×1.2mm²＝1.44mm²

$\mathrm{\α}=\frac{1}{2}\mathrm{\π}$

(硅钢表面形貌相对较好，且速度快)

第二步，根据金属带材的表面形貌、厚度，激光波长，确定a0～a2、β、χ。

钢铁材料，固体激光器，根据实验可取，

a0＝0.0741

a1＝4.8e5

a2＝-3.6e10

χ＝-0.75

第三步，根据金属带材的热物性特点，确定带材的电阻率ρ，以及温度计算所需的相关系数，即At、ξ。

根据材料手册确定硅钢的电阻率为ρ＝105.4e-8，则有A＝0.54。

根据硅钢材料性能及实验，可选取At＝11.0e-4，ξ＝6500。

第四步，根据金属带材切割工艺要求，确定带材切割时合理的材料强度τ_T，依据带材剪切屈服强度与温度的公式计算切割时的带材温度T。

根据材料手册确定硅钢的剪切屈服强度为τ₂₀＝320MPa。

由圆盘剪结构及能力并综合现场经验，得合理的剪切屈服强度为τ_T＜300MPa。

则得剪切时温度T＝80℃。

第五步，由加热温度公式和切割温度公式分别计算激光加热温度T_h，并根据温度要求确定激光器功率F。

考虑到带材的热物性和运行速度，根据实验结果可得温降为ΔT＝450℃。

则有激光加热点温度为T_h＝530℃，激光器功率为F＝929.99w。

考虑到激光器的效率，则最终选激光器功率为2×1200w。

实施效果分析：

由于带钢厚度小(小于0.3mm)，评价其剪切断面质量意义不大，用户最关心的是毛刺高度，即毛刺超标为刀片下机评价指标。根据使用统计，在刀片材质和热处理均末发生变化的前提下，其剪切量由原来的3000吨提高到4500吨，刀片寿命由原来的2周左右延长至20天。

实施例3

不锈钢，激光器为半导体激光器

第一步，根据不锈钢生产特点，可给出带材的运行速度U、激光光斑的形状和面积A_S，以及激光的照射角度α。

U＝120m/min

A_S＝1.2×2.0mm²＝2.4mm²

(不锈钢表面形貌好，且速度较快)。

第二步，根据金属带材的表面形貌、厚度，激光波长，确定a0～a2、β、χ。

钢铁材料，固体激光器，根据实验可取，

a0＝0.0741

a1＝4.8e5

a2＝-3.6e10

χ＝-0.75

第三步，根据金属带材的热物性特点，确定带材的电阻率ρ，以及温度计算所需的相关系数，即At、ξ。

根据材料手册确定不锈钢的电阻率为ρ＝55e-8，则有A＝0.3272。

根据不锈钢材料性能及实验，可选取At＝11.0e-4，ξ＝2230。

第四步，根据金属带材切割工艺要求，确定带材切割时合理的材料强度τ_T，依据带材剪切屈服强度与温度的公式计算切割时的带材温度T。

根据材料手册确定不锈钢的剪切屈服强度为τ₂₀＝380MPa。

由圆盘剪结构及能力并综合现场经验，得合理的剪切屈服强度为τ_T＜320MPa。

则得剪切时温度T＝160℃。

第五步，由加热温度公式和切割温度公式分别计算激光加热温度T_h，并根据温度要求确定激光器功率F。

考虑到带材的热物性和运行速度，根据实验结果可得温降为ΔT＝400℃。

则有激光加热点温度为T_h＝560℃，激光器功率为F＝1945.36w。

考虑到激光器的效率，则最终选激光器功率为2×2500w。

实施效果分析：

经过轧制后对比本发明实施前后不锈钢的圆盘剪剪切效果(如图5所示)，此时塌角已很难辨别，但本发明实施后消除了剪切过程中由于切应力而而产生的45°三角形的断面形貌，轧后毛刺明显减少，整体剪切断面质量明显提高。同样地，在刀片材质和热处理均未发生变化的前提下，其剪切量由原来的2500吨提高到3500吨。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围内。

Claims (4)

1.一种激光辅助加热的金属带材切割方法，采用激光对金属带材先加热再切割，其特征在于，所述的加热温度T_h为

$T_h=\mathrm{\ξ}\×A\×F\×A_s^{\mathrm{\χ}}\×U^{-1.5}$

式中，U为带材运行速度，m/min；F为激光器功率，W；AS为激光光斑面积，mm²；ξ为与金属带材密度和比热容相关的常数，ξ＝(0.3～0.8)e3；χ为与金属带材厚度相关的常数，χ＝-0.75～0.0；

所述的切割温度T为

T＝T_h-ΔT

式中ΔT为金属材的温降。

2.如权利要求1所述的一种激光辅助加热的金属带材切割方法，其特征在于，其方法包含激光照射角度α、加热点与切割点的距离L、激光光斑尺寸工艺参数，激光照射角度α与激光吸收率A的关系为

$A_{\mathrm{\α}}={\mathrm{Ae}}^{\mathrm{\β}(1-\frac{\mathrm{\π}}{2\mathrm{\α}})}$

式中，β为与材料表面形貌有关的系数，β＝0.2～0.62；

激光吸收率A根据下式确定：

A＝a₂ρ²+a₁ρ+a₀

式中，ρ为电阻率，Ω·m；a0～a2为与激光波长相关系数，其中，a0＝0.001～0.5；a1＝1.0e4～9.8e5，a2＝-1.0e11～-1.0e9。

3.如权利要求1所述的一种激光辅助加热的金属带材切割方法，其特征在于，所述的激光为固体激光器所发出的激光。

4.如权利要求1所述的一种激光辅助加热的金属带材切割方法，其特征在于，钢铁材料的激光波长为1.06微米时，取a0＝0.0741，a1＝4.8e5，a2＝-3.6e10。

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