CN103212852A - 激光湿式切割加工方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种激光湿式切割加工方法，主要解决现有技术中激光切割机加工微小管径管材的过程中，产生的热量对零件造成热损伤，碎屑不易清除的问题，本发明采用一种激光湿式切割加工方法，包括如下几个步骤：将待切割的管材固定在切割机的旋转轴上；将切割机的导水系统的导水管从待切割的薄壁管材的一端插入；启动激光切割机，使待切割管材旋转；启动激光切割机的导水系统，使导水管旋转；启动激光切割机的水循环模块；启动激光切割机的切割头切割管材的技术方案，较好地解决了该问题，可用于激光湿式切割加工的工业生产中。

Description

激光湿式切割加工方法

 

技术领域

本发明涉及一种薄壁管材的激光湿式切割加工方法，具有涉及一种具有前置喷淋导水系统的激光湿切割加工方法。

背景技术

激光切割技术由于具有减少加工时间，降低加工成本，提高工件质量的优点，被广泛应用于金属和非金属材料的加工中，而激光切割加工也渐渐有取代传统刀具的趋势。

激光微加工由于加工效率高、切割残渣少、非接触加工、易实现加工过程的自动化等特点，因而成为薄壁管材加工的主要方法。薄壁管材的激光切割是由相互重叠的激光脉冲点在管材上沿切割线移动,同时输入高压氧辅助熔化切割。激光聚焦点处材料熔融气化，熔渣被气体吹出,在金属管壁上形成切割轨迹。熔融气体和熔渣起初向外发射，但是最后，大部分的蒸汽都变成了碎屑，散布在烧蚀图样表面四周和刻槽内。碎屑的形成破坏了零件的外观和性能。它也降低了烧蚀效率，由于前一次留下来的碎屑可能挡住下一次扫描时激光光束传播的路径。

在激光切割大管径的管材时，小区域过热带来的影响不大。但是，很多应用中需要切割微小管径的管材，（管径一般小于5mm）在激光加工过程中会快速产生热量，零件的热扩散会产生热损伤，无论是热影响区、融化区域、重铸，还是渣滓，都改变了微结构。零件热影响区域危害了零件的完整性，进而明显降低了加工产量。

一般激光微加工工艺有干切和湿切两种工艺，干切工艺是将辅助气体吹在激光与材质作用区域,用于去除切口的碎渣并冷却激光作用区。湿切通常在小零件切割中有优势，因为小的金属零件在切割过程中会快速产生热量，湿切在保持热影响区温度最小方面具有重要作用，尤其是因为特扩散导致的温度增加，湿切能帮助维持工件中最佳的热管理。同时由于熔化及凝结后的材料仍残留在切口及切割表面。为了消除它们，有限气压的辅助气流通常在激光束附近被生成。但是，这一气流并不十分有效，因为仅有一小部分的气体穿透进入切口。除了切口附近的碎屑，还有熔化颗粒以及蒸发材料在表面的沉积。而引入高压水到切割点，在工件表面会产生一层很薄的水膜。落在薄膜上的颗粒很快冷却并无法粘结在工件的表面。导水方式的具体实现：相比于干切工艺，湿切工艺多了导水环节，需要向切割点位置导入冷却水。

CN202006338U公开一种高功率激光切割机和导光系统领域，尤其是水冷激光切割头，其包括水冷聚焦镜内筒、水冷聚焦镜外套，水冷聚焦镜内筒、水冷聚焦镜外套之间通有冷却水，聚集镜及其保护片安装在水冷聚焦镜内筒中，所述水冷聚焦镜内筒的激光输出端安装有纵向截面呈两端小、中间大的双锥形吹气套，在吹气套的上锥部外侧表面上设置有进气接头。

 CN1827282公开了一种用于CO₂数控激光切割机的数控激光切割头及其制造方法。数控激光切割头包括水冷组件，所述水冷组件的上、下部分均是整体式环形冷却水道结构，其环形冷却水槽是一次性机械加工成型的；采用以上技术使数控激光切割头在使用时气压与光能量的损耗小、聚焦效果好、密封性好、被切割的板材厚度更大、板材利用率高，并具有高强度、高耐压性和高导热性。

后置导水进水，从管材尾部进水，软管深入到旋转轴内部，当旋转轴沿着直线轴进给时，橡胶软管需要跟着一起进给，这种导水方式软管比较长，增加了水泄露的风险，对旋转轴密封要求高。同时结构不紧凑整个设备占据空间大也不利于设备成本的控制。

现有技术中的激光切割机导水系统供水不稳定，结构不紧凑，整个设备占据空间大，也不利于设备成本的控制，现有技术也没报道自动控制、供水稳定的自动供水系统。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是激光加工微小管径管材的过程中，产生的热量对零件造成热损伤，碎屑不易清除的问题，提供一种激光湿式切割加工方法，该方法具有对零件造成的热损伤小，同时切割过程中产生的碎屑易清除的优点。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案如下：一种激光湿式切割加工方法，包括如下几个步骤：

a)  将待切割的管材固定在含前置喷淋结构和同轴式喷嘴的激光切割机的旋转轴上；

b)  将切割机的导水系统的导水管从待切割的薄壁管材的一端插入；

c)  启动激光切割机的旋转轴，使待切割管材旋转；

d)  启动激光切割机的导水系统，使导水管旋转；

e)  启动激光切割机的水循环模块；

f)  启动激光切割机的切割头切割管材；

其中，所述的含前置喷淋结构和同轴式喷嘴的激光切割机，包括同轴式喷嘴9、夹具10、密封堵头11和前置喷淋导水机构，前置喷淋导水机构含有自动供水系统；所述的前置喷淋导水机构，包括电机1、联轴器2、衬套3、导水管4、自动供水系统5和进水口6，电机1通过联轴器2、衬套3和导水管4相连，衬套3一端位于联轴器2内，另一端和导水管4密封连接，导水管4靠近衬套3一端具有进水口6，进水口6和自动供水系统5密封轴承7连接，导水管4的外径小于待加工管材8的内径，导水管4远离衬套3端深入待加工管材的内部。

上述技术方案中，优选的技术方案导水管上有长槽形的喷水口，高压水进入导水管后从喷水口喷出。在待加工管材切割过程中，导水管4在电机1的带动下做与待加工管材8反方向的旋转。

自动供水系统5包括水箱、液位传感器、进水口、电磁阀、出水口、离心泵、水管和液位线；液位传感器位于水箱内的中上部液位线位置，进水口的一端连接在水箱上部，另一端通过电磁阀和水源相连；水管的一端位于水箱的底部或侧面，并位于液位线以下；水管的另一端和离心泵相连，出水口的一端位于离心泵上，另一端和激光切割机的导水管相连。

上述技术方案中，优选的技术方案水箱由透明材质制成；优选的技术方案液位传感器、电磁阀、离心泵由可编程控制器（PLC）控制。

同轴式喷嘴，包括三部分：上部分为与激光发生器连接的连接模块Ⅰ，中部为过渡模块Ⅱ，下部为喷嘴模块Ⅲ，上连接座1内部上设有聚焦镜10，连接模块Ⅰ上设有上连接座1，上连接座1上端有外螺纹与激光发生器连接，下端的螺纹与过滤连接套4连接，并在接合处安装硅胶垫2和滚花调节螺钉3；过渡模块Ⅱ上设有过渡连接套4，过渡连接套4上设有辅助气体入口5；喷嘴模块Ⅲ由喷嘴内芯9和喷嘴外芯7组成，在喷嘴内芯9和喷嘴外芯7上有螺纹，二者通过螺纹配合连接，并在连接处通过O形密封圈6密封；高压水入口8设置于喷嘴外芯7的侧壁上，开口方向与喷嘴方向垂直。

上述同轴式喷嘴技术方案中，优选的技术方案为辅助气体入口5用于向切割区喷射辅助气体，通入的辅助气体与激光束同轴。优选的技术方案为从激光发生器出射的激光通过安装在上连接座1上的聚焦镜10聚焦后，发射到喷嘴内芯9上，冷却水通过喷嘴外芯7上的高压水入口8，进入喷嘴外芯的通道内。优选的技术方案为喷嘴内芯9和喷嘴外芯7采用紫铜材料制作。优选的技术方案为喷嘴内芯9比喷嘴外芯7长。优选的技术方案为在喷嘴内芯9上有外螺纹，喷嘴外芯7上有内螺纹，二者通过螺纹配合连接。优选的技术方案为高压水为进行脱气处理的纯净水或二次过滤后的纯净水。

上述技术方案中，优选的技术方案同轴水射流装置还包括工作台面放置待加工管材14，待加工管材14位于喷嘴11下方。优选的技术方案激光发生器6为光纤激光发生器。优选的技术方案喷嘴11呈圆环形，水射流12呈柱状。聚焦镜调焦微分头8用于水平或垂直调节聚焦镜7。

本发明提出的同轴式的激光喷嘴中：上连接座上端攻有外螺纹与激光发生器连接，下端的螺纹与过滤连接套连接，在连接的接合处安装硅胶垫，起缓冲和微调作用。滚花调节螺钉用于手动调节喷嘴模块与激光发生器的同轴度。在辅助气体入口通入高压辅助气体，从激光发生器出射的激光通过安装在上连接座上的聚焦镜聚焦后，发射到喷嘴内芯。因此喷嘴内芯为高压辅助气体和激光束的共同通道。冷却水通过喷嘴外芯上的高压水入口，进入喷嘴外芯的通道内。在喷嘴内芯和外芯的连接处通过O形密封圈密封，防止水流进入喷嘴内芯。高压水入口设置于喷嘴外芯的侧壁上，通孔的方向与喷嘴芯垂直。控制水流压力使工作水射流不会在水容积中变成涡流。 辅助气体入口用于向切割区喷射辅助气体，通入的辅助气体与激光束同轴。若气流与光束不同轴时，则在切割时易产生大量飞溅。

因为紫铜具有优良的导电性﹑导热性﹑延展性和耐蚀性，因此喷嘴内外芯采用紫铜材料制作。喷嘴内芯孔壁光滑，可保证气流的顺畅，避免因出现紊流而影响切口质量。又因为紫铜材料优良的导热性能，喷嘴内外芯的密封腔充入高压冷却水可以降低喷嘴内芯的温度，降低喷嘴内芯的耗损。喷嘴内芯是易耗损件，喷嘴模块采用内外芯配合的方式制作，一旦喷嘴内芯损坏，只要更换喷嘴内芯，不需要整个喷嘴更换。在激光加工时水流会吸收部分激光，激光在水流中的距离越长，激光能量耗损越多。因此在本发明中为尽可能减少水流对激光的吸收，设计中喷嘴内芯比喷嘴外芯距离长，尽可能使得激光在水中穿行的距离短。为了减小激光在水束中传播的能量衰减，本发明中使用脱气或二次过滤后的纯净水。

本发明采用最先进的光纤激光器，获得足够高的峰值功率。高压水供给单元。用于提供高压水。采用圆形的喷嘴，水射流基本上呈柱状。保护镜9在加工过程中避免熔融飞溅的碎屑和水流对聚焦镜和激光发生器的影响。

本发明提出的适用于薄壁管材激光微加工的同轴水射流装置的原理为：在激光加工过程中引入与激光束同轴的冷却水辅助切割，采用将激光束聚焦后在水柱维持稳定的范围内，将工件浸于其中对待加工的工件进行加工，使得激光能量积累和传导产生的热量被水带走，可以避免激光在对薄壁管材切割时的热损伤及灼热。同轴入射的水流可以有效减少热影响区，降低热应力以抑制工件表面裂纹产生。同时在工件加工过程中引入同轴水射流可以提高材料的断裂强度能够更好的保障后续的加工以及器件的使用寿命。同时激光的高温使水温上升，产生的气泡和加热液体的活动有助于熔渣的排出，提高加工质量。水流的冲刷使大多数熔化的材料被水射流带走，只有少部分碎屑留下来。在工件表面会产生一层很薄的水膜，落在薄膜上的颗粒很快冷却并无法粘结在工件的表面。高压水射流可以代替辅助高压气体，对工件进行冷却和带走加工过程中产生的熔渣和碎屑。

相比于干切工艺，湿切工艺多了导水环节，需要向切割点位置导入冷却水。本发明提出的前置喷淋导水机构中：导水管是采用比管材内径更细的管材，把水送到切割端，其上有长槽形的喷水口，高压水射入导水管后会从喷水口喷出。在管材切割过程中，管材夹具带动管材高速旋转，导水管在电机的带动下做与管材反方向的旋转，喷水口旋转，从而可以实现整个管材的冷却。导水管与管材之间为间隙配合，防止在相对运动过程中导水管磨损管材。衬套安装在导水管末端，一则保护导水管，二则如果切割微小管径管材时，导水管的外径更小，导水管末端安装衬套，方便与联轴器连接。

电机的输出轴与联轴器连接，联轴器的另一端与安装好导水管的衬套连接，从而把电机输出轴的旋转运动传递到导水管。水箱由透明材质制作，可以随时观察水位的变化。在水箱中安装有液位传感器，预先设定液位传感器的数值，只要水位低于液位传感器的示数，液位传感器发出信号，电磁阀打开，向水箱中注水。电磁阀处于常闭的状态。离心泵有进水口和出水口，进水口通过水管与水箱连接，经过离心泵的水流变成高压水由出水口射出，出水口与导水管连接。整个过程由PLC控制，供水稳定。

激光切割中，导入的冷却水作用：1.在激光切割时冷却管材。2. 清除碎屑。熔融金属和金属蒸汽在管材表面的沉积，导入的冷却水在工件表面会产生一层很薄的水膜，落在薄膜上的颗粒很快冷却并无法粘结在工件的表面。与激光束同轴的辅助高压气体把冷却的碎屑吹出切割区，碎屑随同水流一起汇集到污水过滤装置进行过滤。本发明中的离心泵对冷却水进行加压，能更好地起到清除碎屑的作用。

本发明提出的适用于薄壁管材湿切加工的具有前置导水机构的激光切割机，用于激光加工微小管径管材的过程中引入高压水快速冷却，防止管材的过度灼烧，减少切割过程中的污染。同时克服了后置导水存在的弊端。 所用的供水装置，克服了供水现有供水系统供水不稳定，结构不紧凑，整个设备占据空间大，设备成本高的弊端，具有供水稳定，结构紧凑，整个设备占据空间小，设备成本低的优点，取得了较好的技术效果。

 

附图说明

图1为激光切割机结构示意图。

图2 为湿切加工的激光切割机供水设备示意图。

图3为同轴式喷嘴结构示意图。

图1中，1为电机，2为联轴器，3为衬套，4为导水管，5为自动供水系统，6为进水口，7为密封轴承，8为待加工管材，9为同轴水射流装置，10为夹具，11为密封堵头。Ⅰ为已加工区；Ⅱ为待加工区。

图2中，1为水箱，2液位传感器，3进水口， 4为电磁阀，5为出水口、6为离心泵，7为水管，8为液位线。

图3中，Ⅰ为连接模块；Ⅱ为过度模块；Ⅲ喷嘴模块。

1为上连接座，2为硅胶垫，3为滚花调节螺钉，4为过渡连接套，5为辅助气体入口，6为O形密封圈，7为喷嘴外芯，8为高压水入口，9为喷嘴内芯，10为聚焦镜。

通过实施例对本发明作进一步的阐述，但不仅限于本实施例。

 

具体实施例

【实施例1】

本实例提供一种激光湿式切割加工方法，包括如下几个步骤：将待切割的管材固定在含前置喷淋结构和同轴式喷嘴的激光切割机的旋转轴上；将切割机的导水系统的导水管从待切割的薄壁管材的一端插入；启动激光切割机的旋转轴，使待切割管材旋转；启动激光切割机的导水系统，使导水管旋转；启动激光切割机的水循环模块；启动激光切割机的切割头切割管材；

其中，所述的含前置喷淋结构和同轴式喷嘴的激光切割机，如图1所示，包括同轴水射流装置9、夹具10、密封堵头11和前置喷淋导水机构，前置喷淋导水机构含有自动供水系统；所述的前置喷淋导水机构，包括电机1、联轴器2、衬套3、导水管4、自动供水系统5和进水口6，电机1通过联轴器2、衬套3和导水管4相连，衬套3一端位于联轴器2内，另一端和导水管4密封连接，导水管4靠近衬套3一端具有进水口6，进水口6和自动供水系统5密封轴承7连接，导水管4的外径小于待加工管材8的内径，导水管4远离衬套3端插入待加工管材的内部。

所述的自动供水装置，如图2所示，包括水箱1、液位传感器2、进水口3、电磁阀4、出水口5、离心泵6、水管7和液位线8；液位传感器2位于水箱1内的中上部液位线8位置，进水口3的一端连接在水箱1上部，另一端通过电磁阀4和水源相连；水管7的一端位于水箱1的底部或侧面，并位于液位线8以下；水管7的另一端和离心泵6相连，出水口5的一端位于离心泵6上，另一端和激光切割机的导水管相连。水箱1由透明材质制成，液位传感器、电磁阀4、离心泵6由可编程控制器控制。

该同轴式水射流激光喷嘴，利用同轴式的冷却水流对喷嘴进行冷却，可以降低激光加工过程中喷嘴的耗损，同时把冷却水简单，方便的引入到切割点。

同轴式喷嘴，如图3所示，包括三部分：上部分为与激光发生器连接的连接模块Ⅰ，中部为过渡模块Ⅱ，下部为喷嘴模块Ⅲ，上连接座1内部上设有聚焦镜10，连接模块Ⅰ上设有上连接座1，上连接座1上端有外螺纹与激光发生器连接，下端的螺纹与过滤连接套4连接，并在接合处安装硅胶垫2和滚花调节螺钉3；过渡模块Ⅱ上设有过渡连接套4，过渡连接套4上设有辅助气体入口5；喷嘴模块Ⅲ由喷嘴内芯9和喷嘴外芯7组成，在喷嘴内芯9和喷嘴外芯7上有螺纹，二者通过螺纹配合连接，并在连接处通过O形密封圈6密封；高压水入口8设置于喷嘴外芯7的侧壁上，开口方向与喷嘴方向垂直。

辅助气体入口5用于向切割区喷射辅助气体，通入的辅助气体与激光束同轴，从激光发生器出射的激光通过安装在上连接座1上的聚焦镜10聚焦后，发射到喷嘴内芯9上，冷却水通过喷嘴外芯7上的高压水入口8，进入喷嘴外芯的通道内，喷嘴内芯9和喷嘴外芯7采用紫铜材料制作，喷嘴内芯9比喷嘴外芯7长，在喷嘴内芯9上有外螺纹，喷嘴外芯7上有内螺纹，二者通过螺纹配合连接，高压水为进行脱气处理的纯净水。

采用该装置向激光切割机供水，预先设定液位传感器的数值，只要水位低于液位传感器的示数，液位传感器发出信号，电磁阀打开，向水箱中注水。电磁阀处于常闭的状态。

该实施例提供的适用于薄壁管材湿切加工的加工方法，用于激光加工微小管径管材的过程中引入高压水快速冷却，防止管材的过度灼烧，减少切割过程中的污染，同时克服了后置导水存在的弊端。所用的激光湿切割加工的自动供水装置具有供水稳定，结构紧凑，设备占据空间小，设备成本低的优点。

Claims (10)

1.一种激光湿式切割加工方法，包括如下几个步骤：

将待切割的管材固定在含前置喷淋结构和同轴式喷嘴的激光切割机的旋转轴上；

将切割机的导水系统的导水管从待切割的管材一端插入；

启动激光切割机的旋转轴，使待切割管材旋转；

启动激光切割机的导水机构，使导水管旋转；

启动激光切割机的自动供水系统；

启动激光切割机的切割头切割管材；

其中，所述含前置喷淋结构和同轴式喷嘴的激光切割机，包括同轴式喷嘴（9）、夹具（10）、密封堵头（11）和前置喷淋导水机构，前置喷淋导水机构含有自动供水系统；所述的前置喷淋导水机构，包括电机（1）、联轴器（2）、衬套（3）、导水管（4）、自动供水系统（5）和进水口（6），电机（1）通过联轴器（2）、衬套（3）和导水管（4）相连，衬套（3）一端位于联轴器（2）内，另一端和导水管（4）密封连接，导水管（4）靠近衬套（3）一端具有进水口（6），进水口（6）通过密封轴承（7）和自动供水系统（5）连接，导水管（4）的外径小于待加工管材（8）的内径，导水管（4）远离衬套（3）端插入待加工管材的内部。

2.根据权利要求1所述的激光湿式切割加工方法，其特征在于在待加工管材切割过程中，导水管（4）在电机（1）的带动下做与待加工管材（8）反方向的旋转。

3.根据权利要求1所述的激光湿式切割加工方法，其特征在于导水机构包括电机、联轴器、衬套、导水管、进水口、出水口，电机通过联轴器、衬套和导水管相连，衬套一端位于联轴器内，另一端和导水管密封连接，导水管靠近衬套一端具有进水口，导水管的外径小于待加工管材的内径，导水管一端插入待加工管材的内部。

4.根据权利要求1所述的激光湿式切割加工方法，其特征在于所述的导水机构还包括自动供水系统，该自动供水系统包括水箱、液位传感器、进水口、电磁阀、出水口、离心泵、水管和液位线；液位传感器位于水箱内的中上部液位线位置，进水口的一端连接在水箱上部，另一端通过电磁阀和水源相连；水管的一端位于水箱的底部或侧面，并位于液位线以下；水管的另一端和离心泵相连，出水口的一端位于离心泵上，另一端和激光切割机前置喷淋导水系统的导水管相连，液位传感器、电磁阀、离心泵由可编程控制器控制。

5.根据权利要求4所述的激光湿式切割加工方法，其特征在于水箱由透明材质制成。

6.根据权利要求1所述的激光湿式切割加工方法，其特征在于所述的同轴式喷嘴包括三部分：上部分为与激光发生器连接的连接模块Ⅰ，中部为过渡模块Ⅱ，下部为喷嘴模块Ⅲ，连接模块Ⅰ上设有上连接座（1），上连接座（1）内部上设有聚焦镜（10），上连接座（1）上端有外螺纹与激光发生器连接，下端的螺纹与过滤连接套（4）连接，并在接合处安装硅胶垫(2)和滚花调节螺钉（3）；过渡模块Ⅱ上设有过渡连接套(4)，过渡连接套(4)上设有辅助气体入口（5）；喷嘴模块Ⅲ由喷嘴内芯（9）和喷嘴外芯（7）组成，在喷嘴内芯（9）和喷嘴外芯（7）上有螺纹，二者通过螺纹配合连接，并在连接处设有O形密封圈（6）密封；高压水入口（8）设置于喷嘴外芯（7）的侧壁上，开口方向与喷嘴方向垂直。

7.根据权利要求6所述的激光湿式切割加工方法，其特征在于其特征在于激光发生器（6）为光纤激光发生器；喷嘴（11）呈圆环形，水射流（12）呈柱状；聚焦镜调焦微分头（8）用于水平或垂直调节聚焦镜（7）。

8.根据权利要求6所述的激光湿式切割加工方法，其特征在于从激光发生器出射的激光通过安装在上连接座（1）上的聚焦镜（10）聚焦后，发射到喷嘴内芯（9）上，冷却水通过喷嘴外芯（7）上的高压水入口（8），进入喷嘴外芯（7）的通道内。

9.根据权利要求6所述的激光湿式切割加工方法，其特征在于喷嘴内芯（9）和喷嘴外芯（7）采用紫铜材料制作，在喷嘴内芯（9）上有外螺纹，喷嘴外芯（7）上有内螺纹，二者通过螺纹配合连接。

10.根据权利要求6所述的激光湿式切割加工方法，其特征在于喷嘴内芯（9）比喷嘴外芯（7）长；高压水为进行脱气处理的纯净水或二次过滤后的纯净水。

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