CN103934582B - 激光‑火焰复合切割方法 - Google Patents

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Abstract

激光‑火焰复合切割方法，它涉及一种集激光热源和火焰热源于一体的切割方法，属于金属热切割技术领域。本发明是为了解决火焰切割中、厚钢材效率低下、变形量大、切缝上边易融塌、下边易形成挂渣的技术问题。本方法如下：把钢板固定在工作台上，采用激光和火焰同轴或非同轴复合方式高速切断钢板，即完成激光‑火焰复合切割。本发明方法获得的切缝的垂直度好、切割面质量高、切割厚度大、不用定期更换昂贵的铪电极；本发明方法具有切割速度快、切割效率高、热影响区小、变形量小、由于激光具有能打孔功能无需提前在钢板上转孔、不需预热直接启动切割过程的优点。本发明属于切割钢材的领域。

Description

激光-火焰复合切割方法
技术领域
本发明涉及一种集激光热源和火焰热源于一体的切割方法，属于金属热切割技术领域。
背景技术
目前工业领域应用最广泛的金属热切割方法主要有火焰切割、等离子切割和激光切割三种切割方法。
火焰切割方法切割大厚度碳钢切割能力比较好，其切割费用也比较低。可广泛适用于碳钢、大厚度板材的切割上，但是在切割薄板方面不具有优势。火焰切割方法的缺点是切割效率低、热影响区较宽、切割变形量大、进而影响了切割精度。火焰切割厚板时，只能切割低碳钢和低合金钢，切缝上边易融塌，下边易形成挂渣。而且启动切割需要预热过程，越厚的钢板预热时间越长，切割速度较低，这些问题造成切割总体效率较低。
等离子切割方法具有能量密度较高、切割变形较小、切割前不需预热、切割金属范围广等优点。同时等离子切割方法也存在一些固有的缺点，如切割边缘有斜度，切割中厚板时表面质量下降，等离子切割过程会产生巨大的噪音、大量烟尘，这不仅对周围的环境产生较大的噪音污染，更重要的是损害操作者和周围的人员的身体健康。这种切割方法最大的问题是电极和喷嘴的消耗问题，尤其是电极的寿命只有短短几个小时，显著增加了生产成本和降低切割效率。
激光切割方法具很多优点，如切缝窄，能提高零件尺寸精度和材料利用率，能够实现高精度切割；割缝质量好，无挂渣、边缘垂直、表面光滑，可以减少切割后的后续工作量；切割速度快，穿孔时间短，无需预热启动切割过程，生产效率高；能量密度高，切割热影响区小，不破坏切割板材的材料性能，能满足对板材性能要求高的领域；切割材料范围广，可以切割金属、非金属等，可以加工任何硬度的材料，甚至可以切割透明的玻璃等等。与此同时激光切割方法也存在一些缺点，如一次性设备投入费用高、使用与维护费用耗能是等同等离子切割设备的1.5倍等等，最关键的一点是受到激光功率的限制，激光切割方法目前仅适用于30mm以下薄板的切割领域，无法在厚板领域展开推广应用。
表1三种切割方法切割特点对比
从以上的论述和表1中可看出，任何一种切割方法都各自的优、缺点和适用领域。激光切割方法适用于薄板、高速、高精度切割领域，等离子切割方法适用于中、薄板快速、切割质量要求不高的领域，而火焰切割方法更适用于中、厚钢材的切割领域。也就是说在厚度大于75mm的中厚钢板切割领域，仅有火焰切割方法可用，但火焰切割方法自身固有的效率低、切割热变形量大的缺点有时候无法满足某些高精度、高效率切割工程领域的需求。
目前厚度大于75mm的中厚钢板切割主要依靠火焰切割方法完成，工业上获得广泛应用的切割火焰主要包括氧气-丙烷切割火焰、氧气-乙炔切割火焰和汽油-氧气切割火焰。这些切割火焰的共同特征是高压切割氧气流位于火焰中心，外围是辅助预热火焰区域，这就决定了切割喷嘴中心必须为高压切割氧气流预留出喷射通道，设计成为中空结构。
发明内容
本发明的目的是为了解决火焰切割中、厚钢材效率低、变形量大、切缝上边易融塌，下边易形成挂渣的技术问题，提供了一种激光-火焰复合切割方法。
激光-火焰复合切割方法如下：
把钢板固定在工作台上，采用激光和火焰同轴或非同轴的方式，在激光功率为2000W-20000W、辅助气体压力为0.1-0.8bar、主切割氧气压力为0.7bar-10bar、辅助燃烧氧气压力为0.1-1.0bar的条件下以0.10m/min-2.0m/min的切割速度切割至钢板断开，即完成激光-火焰复合切割；
其中激光焦点位于钢板表面上2-30mm，激光喷嘴下沿距离钢板表面1.0-5.0mm。
所述的辅助气体为乙炔、丙烷或汽油。所述激光器为光纤激光器、碟型激光器、半导体激光器、Nd:YAG激光器或CO2气体激光器。
本方法的关键是要保证高压切割氧气流和激光束共同作用到同一区域，同时为了提高对钢板表面的预热作用和保护高压切割氧气流的纯度，需要高温火焰流8的存在。考虑到激光束1需要从喷嘴的中心高压氧气通道2中通过，喷嘴的高压氧气通道2的直径尽量大一些，确保激光束1无能量损失地通过火焰切割喷嘴5，到达切割工件13表面。
调节激光束1的位置，确保激光束1从高压氧气通道2的正中心通过，调节激光束1的焦点位置，使得激光焦点位于工件13表面之上。
在混合气体通道3中通入氧气和助燃气体(丙烷、乙炔或者汽油)的混合气体。这些混合气体的主要作用是形成高温火焰流8达到预热切割工件13表面目的，在工件13表面上形成高温火焰作用区域9，另外它还可以保护高压切割氧气流7的纯度和增加高压切割氧气流7的挺度。
在高压氧气通道2中通入高压力、高纯度的氧气，高压氧气流作用在被激光和火焰融化的液态铁上，会使铁在氧氛围中剧烈反应燃烧，生成铁的氧化物熔渣，同时放出大量的热，借助这些氧铁燃烧放出的热和激光能量共同加热钢材的下层和切口前缘，使之也达到燃点，直至工件13的底部。与此同时，高压切割氧气流7还负责把熔渣和其它融化物吹除，从而在工件13上形成切缝。
切割过程开始时，首先在混合气体通道3中通入氧气和丙烷(或者乙炔或者汽油)的混合气体并点燃。然后在高压氧气通道2中通入高压力、高纯度氧气，同时输入激光能量，确保激光束1从高压氧气通道2的中心通过，这样就能确保高压切割氧气流作用区域10和激光直接作用区域11重叠。最后只需要按照预定轨迹移动激光-火焰复合切割头，就能完成钢板的高效率切割过程。
激光-火焰切割方法除了可以采用激光和火焰同轴复合的方式，还可以采用激光和火焰非同轴复合方式，即激光-火焰旁轴复合切割方法。具体原理和结构见图2。在激光-火焰旁轴复合切割时，同样要保证激光能量和高压切割氧气流作用到同一切割区域，确保激光对氧气的活化作用。
本发明方法的最佳的适用领域是20mm以上的中厚钢板切割领域。对于20mm-75mm中厚钢板切割领域，与激光切割方法、等离子切割方法和火焰切割方法相比，本发明都具有一定优势。与激光切割方法相比，本发明方法的切割厚度大(激光切割最大能够切割25mm厚钢板，本发明能够切割最大钢板厚度超过140mm)、切割同等板厚所需激光功率较小、设备投资成本和运营成本更低；与等离子切割方法相比，本发明方法获得的切缝的垂直度好、切割面质量高、切割厚度更大、不用定期更换昂贵的铪电极；与火焰切割方法相比，本发明方法的切割速度快、变形量小、不需预热直接启动切割过程；
对于大于75mm以上钢板切割领域，目前只有火焰切割方法能够实现。本发明与火焰切割方法相比具有切割速度快、切割效率高、热影响区小、变形量小、由于激光具有能打孔功能无需提前在钢板上转孔、不需预热直接启动切割过程等优点。
附图说明
图1是本发明采用激光和火焰同轴的方式切割钢板的示意图，图中1表示激光束，2表示高压氧气通道，3表示混合气体管，4表示激光切割喷嘴，5表示火焰切割喷嘴，6表示激光-火焰复合切割喷嘴，7表示高压切割氧气流，8表示高温火焰流，9表示高温火焰作用区域，10表示高压切割氧气流作用区域，11表示激光直接作用区域，12表示割缝，13表示钢板；
图2是本发明采用激光和火焰非同轴的方式切割钢板的示意图，图中1表示激光束，2表示高压氧气，3表示混合气体管，4表示激光切割喷嘴，5表示火焰切割喷嘴，6表示激光-火焰复合切割喷嘴，7表示高压切割氧气流，8表示高温火焰流，9表示高温火焰作用区域，10表示高压切割氧气流作用区域，11表示激光直接作用区域，12表示割缝，13表示钢板。
图3是实验一及实验二中的激光-火焰复合切割装置的整体结构主视剖视图。
具体实施方式
本发明技术方案不局限于以下所列举具体实施方式，还包括各具体实施方式间的任意组合。
具体实施方式一：本实施方式激光-火焰复合切割方法如下：
把钢板固定在工作台上，采用激光和火焰同轴或非同轴的方式，在激光功率为2000W-20000W、辅助气体压力为0.1-0.8bar、主切割氧气压力为0.7bar-10bar、辅助燃烧氧气压力为0.1-1.0bar的条件下以0.10m/min-2.0m/min的切割速度切割至钢板断开，即完成激光-火焰复合切割；
其中激光焦点位于钢板表面上2-30mm，激光喷嘴下沿距离钢板表面1.0-5.0mm。
具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是所述的辅助气体为乙炔、丙烷或汽油。其它与具体实施方式一相同。
具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一或二之一不同的是所述的激光功率为5800W。其它与具体实施方式一或二之一相同。
具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一至三之一不同的是所述主切割氧气压力为3bar。其它与具体实施方式一至三之一相同。
具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式一至四之一不同的是所述主切割氧气压力为2.5bar。其它与具体实施方式一至四之一相同。
具体实施方式六：本实施方式与具体实施方式一至五之一不同的是所述主切割氧气压力为3.2bar。其它与具体实施方式一至五之一相同。
具体实施方式七：本实施方式与具体实施方式一至六之一不同的是以1.0m/min的切割速度切割至钢板断开。其它与具体实施方式一至六之一相同。
具体实施方式八：本实施方式与具体实施方式一至七之一不同的是所述激光器为光纤激光器、碟型激光器、半导体激光器、Nd:YAG激光器或CO2气体激光器。其它与具体实施方式一至七之一相同。
具体实施方式九：本实施方式与具体实施方式一至八之一不同的是激光热源和火焰热源在钢板上的作用区域完全重叠或部分重叠。其它与具体实施方式一至八之一相同。
具体实施方式十：本实施方式与具体实施方式一至九之一不同的是激光与火焰的复合方式可以是同轴复合方式也可以是非同轴复合方式。其它与具体实施方式一至九之一相同。
采用下述实验验证本发明效果：
实验一：
把钢板固定在工作台上，将高纯氧气和丙烷通过混合气体管2并接入激光-火焰复合切割装置内，在激光器激光功率为5500W、丙烷压力为0.5bar、主切割氧气压力为2.5bar、辅助燃烧氧气压力为0.4bar的条件下以1.0m/min的切割速度切割至钢板断开，切割时首先点燃外围的氧气和丙烷混合气体，然后通入高压切割氧气流，同时加入激光能量，机器人把持激光-火焰复合切割装置从待切割钢板的边缘进入到待切割钢板上，按照预定轨迹完成切割过程，即完成激光-火焰复合切割；
其中激光焦点位于钢板表面上15mm，激光喷嘴下沿距离钢板表面5.0mm。
所述的钢板为低碳钢板Q235，厚度为30mm，长度为1000mm，宽度为200mm，激光器为6kW碟形固体激光器，激光输出模式为连续波，光纤直径为0.2mm，切割枪采用Trumpf公司生产的D70激光焊接枪改装的激光-火焰复合切割枪，准直焦距为200mm，聚焦透镜为600mm；行走方式为待切割钢板不动、机器人把持激光-火焰复合切割枪完成预定轨迹的行走。
切割结果：30mm厚待切割钢板在1.0m/min的高速下被切断，切口平整，钢板背面没有粘渣，切割面上附着一层薄薄的氧化层，很容易被清除，切割质量与火焰切割质量相当，但是切割速度比火焰切割速度提高了1-2倍。如果不考虑切割质量，仅需要切断即可，对于30mm厚钢板的极限切割速度可以达到2.0m/min；无论在1.0m/min还是2.0m/min的切割速度下切割，激光-火焰复合切割装置都不需要预热，待切割钢板在室温下即可立即开始切割，这一点对于火焰和等离子切割方法都无法实现。
实验二：
把钢板固定在工作台上，将高纯氧气和丙烷通过混合气体管2并接入激光-火焰复合切割装置内，在激光器激光功率为6000W、丙烷压力为0.5bar、主切割氧气压力为3.5bar、辅助燃烧氧气压力为0.4bar的条件下以0.3m/min的切割速度切割至钢板断开，切割时首先点燃外围的氧气和丙烷混合气体，然后通入高压切割氧气流，同时加入激光能量，机器人把持激光-火焰复合切割装置从待切割钢板的边缘进入到待切割钢板上，按照预定轨迹完成切割过程，即完成激光-火焰复合切割；
其中激光焦点位于钢板表面上15mm，激光喷嘴下沿距离钢板表面5.0mm。
所述的钢板为低碳钢板Q235，厚度为140mm，长度为300mm，宽度为100mm，激光器为6kW碟形固体激光器，激光输出模式为连续波，光纤直径为0.2mm，切割枪采用Trumpf公司生产的D70激光焊接枪改装的激光-火焰复合切割枪，准直焦距为200mm，聚焦透镜为600mm；行走方式为待切割钢板不动、机器人把持激光-火焰复合切割枪完成预定轨迹的行走。
切割结果：140mm厚待切割钢板在0.3m/min的速度下被切断，切口平整，钢板背面没有粘渣，切割面上附着一层薄薄的氧化层，很容易被清除，切割面质量与火焰切割质量相当。火焰切割方法切割140mm厚钢板的切割速度为0.15m/min左右，激光-火焰复合切割方法与火焰切割方法相比，切割速度提高了1倍左右。同样激光-火焰复合切割装置不需要预热钢板，钢板在室温下即可立即开始切割，而对于140mm厚的钢板火焰切割方法需要预热较长时间才能进行钢板切割作业。
实验一及实验二中所用的激光-火焰复合切割装置，
包括激光焦点调节单元Ⅰ、激光调心单元Ⅱ、切割喷嘴单元Ⅲ，
激光焦点调节单元Ⅰ包括锁紧螺母15、中部枪筒16和上部枪筒17，中部枪筒16中部的外壁上加工有外螺纹，中部枪筒16的下部加工有外沿16-1，上部枪筒17下部的内侧壁上加工有内螺纹，中部枪筒16与上部枪筒17螺纹连接，锁紧螺母15与中部枪筒16螺纹连接，锁紧螺母15与上部枪筒17的下端相接触；
激光调心单元Ⅱ包括下部枪筒7、切割保护镜片9、镜片压紧环10、压盖13和多个激光调心螺栓12，下部枪筒7由上至下沿轴向依次加工有第一圆孔7-1、第二圆孔7-2和锥孔7-3，锥孔7-3的直径由上至下渐缩设置，锥孔7-3的上端加工有台肩7-3-1，第二圆孔7-2的直径小于第一圆孔7-1的直径，第二圆孔7-2上加工有内螺纹，切割保护镜片9位于第二圆孔7-2内，切割保护镜片9的外缘搭接在台肩7-3-1上，镜片压紧环10的外侧壁上加工有外螺纹，切割保护镜片9的上端通过镜片压紧环10锁紧，中部枪筒16的外沿16-1位于第一圆孔7-1内，外沿16-1通过多个激光调心螺栓12定位锁紧，多个激光调心螺栓12沿下部枪筒7圆周方向均布设置，压盖13套装在中部枪筒16上，压盖13通过螺栓锁紧在下部枪筒7和外沿16-1的上端面上，下部枪筒7上设置有高压氧气通道8，高压氧气通道8与锥孔7-3的上部连通；
切割喷嘴单元Ⅲ包括喷嘴外套1、混合气体管2、喷嘴内芯3和喷嘴接头5，喷嘴内芯3位于喷嘴外套1内，下部枪筒7的下端通过喷嘴接头5与喷嘴内芯3和喷嘴外套1连接，混合气体管2设置在喷嘴外套1上部外侧壁上，喷嘴内芯3与喷嘴外套1之间设有间隙，混合气体管2通过间隙与喷嘴出口连通。
喷嘴外套1内侧壁下部与喷嘴内芯3外侧壁下部紧密接触，喷嘴内芯3外侧壁的下部沿圆周方向均布加工有14～18个条形凹槽3-1，条形凹槽3-1与喷嘴内芯3的轴向一致设置。
条形凹槽3-1的数量是16个。
激光调心螺栓12的数量为4个。
混合气体管2的数量为两个，两个混合气体管2对称设置在喷嘴外套1的外侧壁上。
喷嘴接头5的内侧壁上加工有内螺纹，喷嘴内芯3的上部加工有外螺纹，喷嘴内芯3与喷嘴接头5螺纹连接；喷嘴接头5下部的外侧壁上加工有外螺纹，喷嘴外套1的上部加工有内螺纹，喷嘴外套1与喷嘴接头5螺纹连接。
喷嘴内芯3中心孔的纵截面呈船桨形状，喷嘴内芯3中心孔下部的直径小于喷嘴内芯3中心孔上部的直径。
所述复合切割装置还包括两个第一密封圈6，下部枪筒7与喷嘴接头5之间设置有一个第一密封圈6，喷嘴接头5与喷嘴外套1之间设置有一个第一密封圈6。
所述复合切割装置还包括两个第二密封圈11，切割保护镜片9与台肩7-3-1之间设置有一个第二密封圈11，中部枪筒16与下部枪筒7之间设置有一个第二密封圈11。
所述复合切割装置还包括两个第三密封圈18，中部枪筒16的上部与上部枪筒17之间设置有两个第三密封圈18。

Claims (10)

1.激光-火焰复合切割方法，其特征如下：
把钢板固定在工作台上，采用激光和火焰两种热源共同作用于钢板上的方式，在激光器激光功率为2000W-20000W、辅助气体压力为0.1-0.8bar、主切割氧气压力为0.7-10bar、辅助燃烧氧气压力为0.1-1.0bar的条件下以0.10m/min-2.0m/min的切割速度切割至钢板断开，即完成激光-火焰复合切割；
其中激光焦点位于钢板表面上2-30mm，激光喷嘴下沿距离钢板表面1.0-5.0mm；
保证高压切割氧气流和激光束共同作用到同一区域，同时为了提高对钢板表面的预热作用和保护高压切割氧气流的纯度，需要高温火焰流（8）的存在；激光束（1）需要从喷嘴的中心高压氧气通道（2）中通过，保证喷嘴的高压氧气通道（2）的直径，确保激光束（1）无能量损失地通过火焰切割喷嘴（5），到达切割工件（13）表面；
在混合气体通道（3）中通入氧气和助燃气体的混合气体并点燃；然后在高压氧气通道（2）中通入高压力、高纯度氧气，同时输入激光能量，确保激光束（1）从高压氧气通道（2）的中心通过，这样就能确保高压切割氧气流作用区域（10）和激光直接作用区域（11）重叠，混合气体形成高温火焰流（8）达到预热切割工件（13）表面，在工件（13）表面上形成高温火焰作用区域（9）；最后只需要按照预定轨迹移动激光-火焰复合切割头，就能完成钢板的高效率切割过程；
在高压氧气通道（2）中通入高压力、高纯度的氧气，高压氧气流作用在被激光和火焰融化的液态铁上，会使铁在氧氛围中剧烈反应燃烧，生成铁的氧化物熔渣，同时放出大量的热，借助这些氧铁燃烧放出的热和激光能量共同加热钢材的下层和切口前缘，使之也达到燃点，直至工件（13）的底部；与此同时，高压切割氧气流（7）还负责把熔渣和其它融化物吹除，从而在工件（13）上形成切缝。
2.根据权利要求1所述激光-火焰复合切割方法，其特征在于所述的辅助气体为乙炔、丙烷或汽油。
3.根据权利要求1所述激光-火焰复合切割方法，其特征在于所述的激光功率为5800W。
4.根据权利要求1所述激光-火焰复合切割方法，其特征在于所述主切割氧气压力为3bar。
5.根据权利要求1所述激光-火焰复合切割方法，其特征在于所述主切割氧气压力为2.5bar。
6.根据权利要求1所述激光-火焰复合切割方法，其特征在于所述主切割氧气压力为3.2bar。
7.根据权利要求1所述激光-火焰复合切割方法，其特征在于以1.0m/min的切割速度切割至钢板断开。
8.根据权利要求1、2、3、4、5、6或7所述激光-火焰复合切割方法，其特征在于所述激光器为光纤激光器、碟型激光器、半导体激光器、Nd:YAG激光器或CO2气体激光器。
9.根据权利要求1、2、3、4、5、6或7所述激光-火焰复合切割方法，其特征在于激光热源和火焰热源在钢板上的作用区域完全重叠或部分重叠。
10.根据权利要求1、2、3、4、5、6或7所述激光-火焰复合切割方法，其特征在于激光与火焰的复合方式是同轴复合方式或非同轴复合方式。
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