CN104043904A - 一种背面侧吹气体辅助激光切割的方法及装置 - Google Patents

一种背面侧吹气体辅助激光切割的方法及装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种背面侧吹气体辅助激光切割的方法及装置，具体涉及激光切割加工技术领域；本发明在被加工工件下侧设置有与激光头同步运动的高压辅助气体喷嘴，通过喷嘴向工件下表面的激光切割位置喷射高压辅助气体，高压辅助气体作用于从切口流至下表面的熔融材料，使熔融材料在凝固前被吹离工件下表面，避免工件背面粘渣的发生，保证了材料表面的光洁度，同时，无需增加后续除渣工序，提高了激光切割加工的效率。本发明适用于所用激光切割加工时易粘渣的材料的激光切割加工。

Description

一种背面侧吹气体辅助激光切割的方法及装置
技术领域
    本发明属于激光切割技术领域，特指一种背面侧吹气体辅助激光切割的方法及装置。
技术背景
激光切割技术是利用经聚焦的高功率密度激光束照射工件，使被照射的材料迅速熔化、汽化、烧蚀或者达到燃点，同时借助与光束同轴的高速气流吹除熔融物质，利用激光头与工件之间的相互运动将工件割开。激光切割技术与其他热切割方法相比较，具有以下优点：切割效率高；非接触式切割，无刀具磨损；切割材料种类多，不仅可以切割硬度高、脆性大的材料，还能切割加工柔性材料；切缝区热影响区小；工件变形小，切割精度高等。基于上述优点，激光切割技术广泛运用于钣金加工业、汽车制造业和造船工业等，如将激光切割技术与三维工业机器人技术结合，能高精度切割汽车车身，极大地提高了加工效率和加工质量。
但是，在激光切割工件中，受加工条件、被加工物的材质和材料厚度等因素的影响，会在被加工物背面附着有熔融材料飞溅物，即粘渣。一般而言，碳钢的激光切割加工不易发生背面粘渣现象，但是对于镀锌钢板、不锈钢板和铝材等材料的激光切割加工则很难避免背面粘渣的产生，并且此类材料的粘渣通常较硬，附着力较大，很难去除，一旦除渣过程操作不当，会破坏被加工物背面的表面光洁度。在工业运用中，为避免此类材料激光切割背面粘渣现象的产生，通用的做法是在材料背面涂抹粘渣防止剂、飞溅物防止剂或者粘贴保护膜，但这一方法会增加前处理和后处理的工序，降低加工效率。另外，增加激光切割辅助气体的气压也能在一定程度上减少粘渣量，但是增加辅助气体气压意味着辅助气体消耗增加，即增加了加工成本，同时该方法仅仅减少了粘渣量，不能完全避免粘渣的发生，仍需要对背面的粘渣进行后续清除处理工作，降低了激光切割加工效率。
发明内容
     本发明的目的在于提供一种在被加工物背面侧吹高压气体辅助激光切割的方法及装置，以避免被加工物背面粘渣的发生，保证材料表面的光洁度，无需增加后续除渣工序，提高激光切割加工的效率。
    为了解决以上技术问题，本发明采用的具体技术方案如下：
    一种背面侧吹气体辅助激光切割的方法，其特征在于,包括以下步骤：
步骤一：用气体增压装置将高压辅助气体喷射至工件起切位置的正下表面，在工件下表面形成高速气流；
步骤二：根据加工材料种类和厚度设置激光切割工艺参数,所述参数包括激光功率、切割速度和加工气体压力，启动激光器，使激光束作用于工件的上表面，直至激光束在工件上开孔；
步骤三：激光束相对工件按照设定轨迹运动，同时工件下表面的高压辅助气体作用点与激光束保持同步运动，实现激光切割加工。
喷射的所述高速气流的入射方向与工件间的夹角范围是大于等于0°且小于等于80°。
所述的高压辅助气体为氮气、氧气和压缩空气中的任一种。
实施所述的一种背面侧吹气体辅助激光切割的方法的装置，其特征在于包括:气罐(1)、加工气体管(2)、数控运动平台A(3)、聚光系统(6)、激光头(7)、工作台(9)、数控运动平台B(10)、底座(11)、喷嘴(12)、喷嘴支架(13)、辅助气体管(14)、机架(15)和气体增压装置(16)；
聚光系统(6)安装在数控运动平台A(3)上并且悬置在工作台(9)正上方，保证同轴安装在聚光系统(6)下端的激光头(7)距离工作台(9)上表面的距离为大于等于3 mm且小于等于25 mm；聚光系统(6)的侧壁上开设有进气口(4)，进气口(4)通过加工气体管(2)与气罐(1)相连；数控运动平台A(3)通过机架(15)固定在底座(11)上；
喷嘴(12)处于工作台(9)的正下方大于等于1 mm且小于等于10 mm的位置，喷嘴(12)通过喷嘴支架(13)与固定于底座(11)的数控运动平台B(10)相连；喷嘴(12)与喷嘴支架(13)之间为铰接结构，喷嘴(12)通过辅助气体管(14)与气体增压装置(16)相连；
    所述数控运动平台A(3)为三维数控运动平台，控制水平面和纵轴上的移动；所述的数控运动平台B(10)为四维数控运动平台，控制水平面和纵轴的移动并且控制绕纵轴的转动。
 
    本发明装置的工作过程如下：
    将工件(8)放置在工作台(9)上方，启动气体增压装置(16)给喷嘴(12)供应高压辅助气体，通过调节喷嘴（12）与工件（8）下表面间的夹角，使高压辅助气体以一定入射夹角作用于工件(8)下表面，控制系统同时控制数控运动平台A(3)和数控运动平台B(10)分别使聚光系统(6)和喷嘴(12)移动至始切位置，气罐(1)通过加工气体管(2)给激光头(7)供应与激光束(5)同轴的加工气体，然后开启激光器，激光束(5)聚焦在工件(8)表面；待激光切割第一步开孔工序结束后，数控系统控制数控运动平台A(3)和数控运动平台B(10)同步运动，使激光头(7)和喷嘴(12)按照加工轨迹运动，完成激光切割加工。加工完毕时，首先停止激光束(5)的入射，然后关闭聚光系统(6)中通入的加工气体和喷嘴(12)所喷射的高压辅助气体。
本发明具有有益的效果。本发明通过激光束作用于工件上侧使材料发生熔化和气化，熔融材料通过切口流至工件背面，此时，利用侧向高压气体作用于工件的下表面的熔融材料，使熔融材料在凝固前被吹离工件，避免被加工物背面粘渣的发生，保证了材料表面的光洁度，同时，无需增加后续除渣工序，提高了激光切割加工的效率。本发明适用于所用激光切割加工时易粘渣的材料的激光切割加工。
附图说明
图1是背面侧吹气体辅助激光切割的装置。
图中:1.气罐，2.加工气体管，3.数控运动平台A，4.进气口，5.激光束，6.聚光系统，7.激光头，8.工件，9.工作台，10.数控运动平台B，11.底座，12.喷嘴，13.喷嘴支架，14.辅助气体管，15.机架，16.气体增压装置。
具体实施方式
    下面结合附图和具体实施例，进一步详细说明本发明的技术方案。
本发明进行背面侧吹气体辅助激光切割加工的装置包括：包括气罐1、加工气体管2、数控运动平台A3、聚光系统6、激光头7、工作台9、数控运动平台B10、底座11、喷嘴12、喷嘴支架13、辅助气体管14、机架15和气体增压装置16；聚光系统6安装在数控运动平台A3上并且悬置在工作台9正上方，保证同轴安装在聚光系统6下端的激光头7距离工作台9上表面的距离为10 mm；聚光系统6的侧壁上开设有进气口4，进气口4通过加工气体管2与气罐1相连；数控运动平台A3通过机架15固定在底座11上；喷嘴12处于工作台9的正下方1 mm的位置，喷嘴12通过喷嘴支架13与固定于底座11的数控运动平台B10相连；喷嘴12与喷嘴支架13之间为铰接结构，喷嘴12通过辅助气体管14与气体增压装置16相连；进行激光切割加工时，工件8放置在工作台9上。其中，数控运动平台A3采用三维数控运动平台，控制激光头7实现水平面和纵轴上的移动；数控运动平台B10为四维数控运动平台，控制喷嘴12实现水平面和纵轴的移动，同时控制喷嘴12绕纵轴方向上的转动。
实施本发明的具体步骤如下
本实施例以3mm的不锈钢材料作为切割工件。
第一步：将工件8放置在工作台9上，启动气体增压装置16给工件8下侧的喷嘴12供应高压辅助气体，高压辅助气体为压缩空气，调节喷嘴12与工件8下表面间的夹角为0°，使高压辅助气体以0°入射夹角作用于工件8的下表面；
第二步：控制系统同时控制数控运动平台A3和数控运动平台B10分别使激光头7和喷嘴12移动至始切位置，气罐1和加工气体管2给激光头7供应与激光束5同轴的加工气体，加工气体为氮气，设置激光切割工艺参数，包括激光功率为900W、切割速度为500 mm/min和辅助气体压力为1.5MPa，然后开启激光器，激光束5聚焦在工件8表面，直至激光束5在工件上开孔；
第三步：待激光切割第一步开孔工序结束后，数控系统控制数控运动平台A3和数控运动平台B10同步运动，使激光头7和喷嘴12按照加工轨迹运动，实现激光切割加工。
第四步：加工完毕时，首先停止激光束5的入射，然后关闭聚光系统6中通入的加工气体和喷嘴12所喷射的高压辅助气体。

Claims (4)

1.一种背面侧吹气体辅助激光切割的方法，其特征在于,包括以下步骤：
步骤一：用气体增压装置将高压辅助气体喷射至工件起切位置的正下表面，在工件下表面形成高速气流；
步骤二：根据加工材料种类和厚度设置激光切割工艺参数,所述参数包括激光功率、切割速度和加工气体压力，启动激光器，使激光束作用于工件的上表面，直至激光束在工件上开孔；
步骤三：激光束相对工件按照设定轨迹运动，同时工件下表面的高压辅助气体作用点与激光束保持同步运动，实现激光切割加工。
2.根据权利要求1所述的一种背面侧吹气体辅助激光切割的方法，其特征在于：喷射的所述高速气流的入射方向与工件间的夹角范围是大于等于0°且小于等于80°。
3.根据权利要求1所述的一种背面侧吹气体辅助激光切割的方法，其特征在于：所述的高压辅助气体为氮气、氧气和压缩空气中的任一种。
4.实施如权利要求1-3所述的一种背面侧吹气体辅助激光切割的方法的装置，其特征在于:包括气罐(1)、加工气体管(2)、数控运动平台A(3)、聚光系统(6)、激光头(7)、工作台(9)、数控运动平台B(10)、底座(11)、喷嘴(12)、喷嘴支架(13)、辅助气体管(14)、机架(15)和气体增压装置(16)；
聚光系统(6)安装在数控运动平台A(3)上并且悬置在工作台(9)正上方，保证同轴安装在聚光系统(6)下端的激光头(7)距离工作台(9)上表面的距离为大于等于3 mm且小于等于25 mm；聚光系统(6)的侧壁上开设有进气口(4)，进气口(4)通过加工气体管(2)与气罐(1)相连；数控运动平台A(3)通过机架(15)固定在底座(11)上；
喷嘴(12)处于工作台(9)的正下方大于等于1 mm且小于等于10 mm的位置，喷嘴(12)通过喷嘴支架(13)与固定于底座(11)的数控运动平台B(10)相连；喷嘴(12)与喷嘴支架(13)之间为铰接结构，喷嘴(12)通过辅助气体管(14)与气体增压装置(16)相连；
    所述数控运动平台A(3)为三维数控运动平台，控制水平面和纵轴上的移动；所述的数控运动平台B(10)为四维数控运动平台，控制水平面和纵轴的移动并且控制绕纵轴的转动。
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