CN104139206B - 恒温加热辅助圆盘剪切割方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及金属带材切割领域，尤其涉及一种金属带材激光辅助切割方法。一种恒温加热辅助圆盘剪切割方法，包括以下步骤，首先收集基本参数设定切割温度；通过切割温度计算得到加热温度，同时计算得到加热光斑的尺寸；然后根据金属带材的性能参数、带材厚度、加热温度、加热光斑的尺寸计算得到激光器的激光输出功率；当带钢头部到达圆盘剪时，启动激光器出光，进行带钢的切割作业；本发明利用激光方式加热带钢，有针对性地降低切割区域金属带材剪切屈服强度，并且精确控制加热温度，以及切割质量反馈控制，大幅减小了由于强度波动导致的切割力波动，不仅可保证切割质量，而且使切割过程更加稳定，增加了刀片的使用安全，延长刀片使用寿命。
Description
技术领域
本发明涉及金属带材切割领域，尤其涉及一种金属带材激光辅助切割方法。
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。在连续化带材生产线上，均采用圆盘剪方式完成切边和纵切分条，属于机械切割方式，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。
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，现有的镀锡机组可达到400m/min以上，钢带强度可达1200MPa，钢带厚度可小于0.3mm，其切割规律如图1所示。其中，塌角1是由切割过程中带材塑性弯曲产生的，光亮带2是由带材内部相对滑移即塑性变形产生的，撕裂带3是由带材脆性断裂产生的，毛刺4是由断裂时裂纹扩展不充分产生的。
目前，机械切割方式存在无法解决的问题，主要来源于带材本身。由于带钢极薄，要求圆盘剪的间隙非常小，同时带材强度非常高，使得圆盘剪刀片极易磨损，甚至崩刀，不仅大幅降低刀片使用寿命，而且严重影响生产节奏。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种恒温加热辅助圆盘剪切割方法，通过有针对性地降低切割区域金属带材剪切屈服强度，精确控制加热温度，以及切割质量反馈控制，大幅减小了由于强度波动导致的切割力波动，使切割过程更加稳定，增加了刀片的使用安全，延长刀片使用寿命。
本发明是这样实现的：一种恒温加热辅助圆盘剪切割方法，包括以下步骤：
步骤一、根据金属带材的性能参数、带材厚度、圆盘剪参数与所要求的切割质量设定切割温度；
步骤二、通过切割温度计算得到加热温度；
步骤三、通过圆盘剪参数与激光器参数确定加热光斑的形状，并计算得到加热光斑的尺寸；
步骤四、根据金属带材的性能参数、带材厚度、加热温度、加热光斑的尺寸计算得到激光器的激光输出功率；
步骤五、当带钢头部到达圆盘剪时，启动激光器出光，进行带钢的切割作业；
以上步骤中，步骤二、三按照任意顺序进行。
所述通过切割温度Tc计算得到加热温度Th，具体为，
（1）
式中，a1为经验参数，由带材运行时的热边界条件取值，a1=100~1000；
a2为经验参数，由带材尺寸规格取值，a2=-1.5~-0.5。
t为带材从加热点运行到切割点的时间；
，Lmin为加热点中心距切割点的最小距离，U为带材运行速度。
所述加热光斑的形状为矩形或椭圆形，光斑宽度w和光斑长度b的具体计算为，
（2）
式中，wt为圆盘剪切割时的切缝宽度，单位mm；
Δw为宽度余量，根据机组跑偏控制精度和激光头横向移动控制精度由经验取值，Δw=0.2~0.5mm；
（3）
式中，L1为加热点中心距激光焦点的距离，由激光器参数决定；
Lmin为加热点中心距切割点的最小距离；
d为圆盘剪刀片直径；
α*为激光光束倾角，由经验设定，α*=15°~45°；
b1为激光光束中心距圆盘剪刀片中心最小距离处光束截面长度；
Δb1为保证激光光束不干涉刀片所留有的余量，由经验取得，Δb1=5~10mm。
所述激光器的激光输出功率F具体计算为，
(4)
式中，U为带材运行速度，m/min；
F为激光输出功率，W；
As为激光光斑面积，mm2；
ξ为经验参数，由金属带材密度和比热容取得，ξ=0.3~5.0；
χ为经验参数，由金属带材厚度取得，χ=-0.75~0.0；
A为金属带材对激光的吸收率。
本方法还包括通过加热点温度反馈对激光输出功率F进行修正的步骤，利用温度传感器测量加热点温度，得到加热点实测温度Th*，并做出如下选择，
1)如果加热点实测温度Th*满足公式∣Th*- Th∣≦5°，则激光输出功率F不进行调节；
2)如果加热点实测温度Th*不满足公式∣Th*- Th∣≦5°，激光器输出功率调整量ΔF，
ΔF=C2×(Th*-Th)
(6)
式中，。
本方法还包括通过毛刺高度反馈对激光器参数设定进行调节的步骤，当反馈得到的毛刺高度超标时，通过顺序采用或同时采用减小激光头倾角、减小加热点中心距切割点的距离、增加激光输出功率F，进行调节，直到毛刺高度满足要求或以上三个参数均调节到极限值后仍然不满足更换圆盘剪刀片。
本发明恒温加热辅助圆盘剪切割方法利用激光方式加热带钢，有针对性地降低切割区域金属带材剪切屈服强度，使带材根据要求软化；并且经过精确控制加热温度，以及切割质量反馈控制，通过对切割后带材毛刺高度判断，调整激光头倾角和位置，以及激光器输出功率，实时对切割质量的控制。通过加热温度反馈控制，确保了切割时带材强度的控制精度，大幅减小了由于强度波动导致的切割力波动，不仅可保证切割质量，而且使切割过程更加稳定，增加了刀片的使用安全，避免崩刀，有利于改善刀片磨损，延长刀片使用寿命。
附图说明
图1为圆盘剪切割的带材断面示意图；
图2为激光器布置示意图；
图3为激光器的加热光斑取值示意图；
图4为本发明恒温加热辅助圆盘剪切割方法的控制流程图。
图中：1塌角、2光亮带、3撕裂带、4毛刺。
具体实施方式
下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明表述的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。
实施例1
如图4所示，一种恒温加热辅助圆盘剪切割方法，包括以下步骤：
步骤一、根据金属带材的性能参数、带材厚度、圆盘剪参数与所要求的切割质量设定切割温度；
步骤二、通过切割温度Tc计算得到加热温度Th；
（1）
式中，a1为经验参数，由带材运行时的热边界条件取值，a1=100~1000；
a2为经验参数，由带材尺寸规格取值，a2=-1.5~-0.5；
t为带材从加热点运行到切割点的时间；
，Lmin为加热点中心距切割点的最小距离，U为带材运行速度；
步骤三、如图2、3所示，通过圆盘剪参数与激光器参数确定加热光斑的形状，根据圆盘剪切割方式，本发明激光加热采用矩形光斑或椭圆形光斑照射金属带材的切割部位，计算得到加热光斑的尺寸，具体参数为光斑宽度w和光斑长度b，当光斑为椭圆形时，光斑宽度w为椭圆形的短轴长度，光斑长度b为椭圆形的长轴长度；
（2）
式中，wt为圆盘剪切割时的切缝宽度，单位mm；
Δw为宽度余量，根据机组跑偏控制精度和激光头横向移动控制精度由经验取值，Δw=0.2~0.5mm；当控制精度很高，且带材运行平稳时，Δw取值0.2mm；当控制精度低，或带材易出现跑偏，则Δw取值0.5mm
（3）
式中，L1为加热点中心距激光焦点的距离，由激光器参数决定；
Lmin为加热点中心距切割点的最小距离；
d为圆盘剪刀片直径；
α*为激光光束倾角，由经验设定，α*=15°~45°；
b1为激光光束中心距圆盘剪刀片中心最小距离处光束截面长度；
Δb1为保证激光光束不干涉刀片所留有的余量，由经验取得，Δb1=5~10mm。
步骤四、根据金属带材的性能参数、带材厚度、加热温度、加热光斑的尺寸计算得到激光器的激光输出功率F；
(4)
式中，U为带材运行速度，m/min；
F为激光输出功率，W；
As为激光光斑面积，mm2；当选用矩形光斑时As=b*w，当选用椭圆形光斑时；
ξ为经验参数，由金属带材密度和比热容取得，ξ=0.3~5.0；
χ为经验参数，由金属带材厚度取得，χ=-0.75~0.0；
A为金属带材对激光的吸收率。
步骤五、当带钢头部到达圆盘剪时，启动激光器出光，进行带钢的切割作业；
以上步骤中，步骤二、三按照任意顺序进行。
步骤六、
1)通过加热点温度反馈对激光输出功率F进行修正，利用温度传感器测量加热点温度，得到加热点实测温度Th*，并做出如下选择，
1)如果加热点实测温度Th*满足公式∣Th*- Th∣≦5°，则激光输出功率F不进行调节；
2)如果加热点实测温度Th*不满足公式∣Th*- Th∣≦5°，用激光器输出功率调整量ΔF反馈修正激光输出功率F，
ΔF=C2×(Th*-Th)
(6)
式中，。
2）通过毛刺高度反馈对激光器参数设定进行调节，当反馈得到的毛刺高度超标时，通过任意采用或同时采用减小激光头倾角、减小加热点中心距切割点的距离、增加激光输出功率，进行调节，直到毛刺高度满足要求或以上三个参数调节到极限值；
激光头倾角α*的倾角调整量Δα的每次调节量为1°~2°，调整极限值不超过5°，即激光头倾角最大值为激光头倾角α*+5°；
加热点中心距切割点的距离Lmin的位置调整量ΔL每次调节量为1~5mm，调整极限值不超过15cm，即加热点中心距切割点的最大距离为Lmin+15cm；
激光输出功率F的功率调整量ΔF*的每次调节量为（0.05~0.1）F，总的功率调节量不超过（0.2~0.3）F，即激光输出功率最大值为（1.2~1.3）F；
当激光头倾角、加热点中心距切割点的距离、激光输出功率都调整到极限而毛刺高度仍然无法满足要求时，关闭激光器，并在本卷带钢切割结束后更换圆盘剪刀片。
步骤七、当完成一圈带材的切割以后，记录最终的激光输出功率和带材规格，得到简化计算参数C，下次切割同规格带材时可以直接调用简化计算参数C设定激光输出功率F，C=F/U。
Claims (5)
1.一种恒温加热辅助圆盘剪切割方法，其特征是，包括以下步骤：
步骤一、根据金属带材的性能参数、带材厚度、圆盘剪参数与所要求的切割质量设定切割温度；
步骤二、通过切割温度计算得到加热温度；
步骤三、通过圆盘剪参数与激光器参数确定加热光斑的形状，并计算得到加热光斑的尺寸；
所述加热光斑的形状为矩形或椭圆形，光斑宽度w和光斑长度b的具体计算为，
（2）
式中，wt为圆盘剪切割时的切缝宽度，单位mm；
Δw为宽度余量，根据机组跑偏控制精度和激光头横向移动控制精度由经验取值，Δw=0.2~0.5mm；
（3）
式中，L1为加热点中心距激光焦点的距离，由激光器参数决定；
Lmin为加热点中心距切割点的最小距离；
d为圆盘剪刀片直径；
α*为激光光束倾角，由经验设定，α*=15°~45°；
b1为激光光束中心距圆盘剪刀片中心最小距离处光束截面长度；
Δb1为保证激光光束不干涉刀片所留有的余量，由经验取得，Δb1=5~10mm；
步骤四、根据金属带材的性能参数、带材厚度、加热温度、加热光斑的尺寸计算得到激光器的激光输出功率；
步骤五、当带钢头部到达圆盘剪时，启动激光器出光，进行带钢的切割作业；
以上步骤中，步骤二、三按照任意顺序进行。
2.如权利要求1所述的恒温加热辅助圆盘剪切割方法，其特征是：所述通过切割温度Tc计算得到加热温度Th，具体为，
（1）
式中，a1为经验参数，由带材运行时的热边界条件取值，a1=100~1000；
a2为经验参数，由带材尺寸规格取值，a2=-1.5~-0.5；
t为带材从加热点运行到切割点的时间；
，Lmin为加热点中心距切割点的最小距离，U为带材运行速度。
3.如权利要求1所述的恒温加热辅助圆盘剪切割方法，其特征是：所述激光器的激光输出功率F具体计算为，
(4)
式中，U为带材运行速度，m/min；
F为激光输出功率，W；
As为激光光斑面积，mm2；
ξ为经验参数，由金属带材密度和比热容取得，ξ=0.3~5.0；
χ为经验参数，由金属带材厚度取得，χ=-0.75~0.0；
A为金属带材对激光的吸收率。
4.如权利要求1所述的恒温加热辅助圆盘剪切割方法，其特征是：本方法还包括通过加热点温度反馈对激光输出功率F进行修正的步骤，利用温度传感器测量加热点温度，得到加热点实测温度Th*，并做出如下选择，
如果加热点实测温度Th*满足公式∣Th*- Th∣≦5°，则激光输出功率F不进行调节；
如果加热点实测温度Th*不满足公式∣Th*- Th∣≦5°，激光器输出功率调整量ΔF，
ΔF=C2×(Th*-Th)
(6)
式中，。
5.如权利要求1所述的恒温加热辅助圆盘剪切割方法，其特征是：本方法还包括通过毛刺高度反馈对激光器参数设定进行调节的步骤，当反馈得到的毛刺高度超标时，通过顺序采用或同时采用减小激光头倾角、减小加热点中心距切割点的距离、增加激光输出功率F，进行调节，直到毛刺高度满足要求或以上三个参数均调节到极限值后仍然不满足更换圆盘剪刀片。
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