CN104708209A - 一种气熔比法铝合金薄板激光精密切割方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种气熔比法铝合金薄板激光精密切割方法，其特征在于本发明采用精密数控固体激光器对工件进行加工，调整激光输出功率、激光切割扫描速度、系统辅助吹气压力等工艺参数。通过CCD监视系统对切割过程进行观测，确定由系统激光功率、扫描速度、和辅助吹气压力所形成的最佳气熔比工艺参数。使工件切割达到无挂渣、重铸层切口光滑且条纹细浅的高质量切缝，从而实现精密切割的目的。由于在航空航天、化工、通信、医疗生物等领域，需要大量具有微细结构的薄板、薄壁精密零件，其加工精度和表面质量都有很高要求。

Description

一种气熔比法铝合金薄板激光精密切割方法
技术领域
本发明涉及一种微细结构的薄板、薄壁精密零件加工技术，特别是一种气熔比法铝合金薄板激光精密切割方法。
背景技术
采用激光加工的难题在于如何对铝合金薄板进行高质量切割，主要原因是切口存在微小的重铸层、挂渣及条纹。目前，有关薄板激光切割工艺和数学建模的研究取得一定成果，重铸层等质量缺陷也得到了一定的抑制，但所获得的结论多通过外部工艺参数调整来获得好的质量，而没有将切割内部机理与质量因素联系起来。切割时材料流动的基本形态为气化和熔化，两者之比即气熔比，对切割过程和切割质量有很大影响。如何建立激光切割气熔比与切割质量之间的关系，基于气熔比控制工艺参数，改善切割表面质量，对激光精密切割工艺有重要应用价值和理论意义。例如军工方面，机载雷达上的缝阵天线，其微小缝隙阵列的加工是制约天线性能的重要因素。应用于石油、化工等行业的流体净化和提纯的不锈钢高密孔隙过滤板。医疗用微流道芯片及其不锈钢微流道制作模具等，急需高效、高质量的精密加工方法。
发明内容
本发明的目的主要是提供一种微细结构的薄板、薄壁精密零件的加工方法，在传统激光切割工艺基础上，将切割内部机理与质量因素联系起来，建立激光切割气熔比与切割质量之间的关系，找出高效、高质量的精密切割加工方法。
薄板激光高质量精密切割一直是个难题，在切割过程中，由于残留熔融材料二次冷凝在切口处形成重铸层，在切口处有条纹，其下表面变现为挂渣，这将严重影响切割表面质量及切口性能。如何解决二次冷凝引起的质量缺陷将是薄板激光切割所要解决的普遍性问题。传统激光切割工艺大多是通过修正外部工艺参数来提高切割质量，而没有将切割内部机理与质量因素联系起来。切割时材料流动的基本形态为气化和熔化，气化／熔化=气熔比，二者之间存在合理的最佳切割点。通过反复试验和理论分析，完全可以确定由激光功率、扫描速度及吹气压力相互作用量的大小所形成气熔比的最佳切割方案。此参数的提出，为改善切割表面质量有了很大的提高。
本发明的一种气熔比法铝合金薄板激光精密切割方法，采用精密数控JK701H型Nd：YAG固体激光器对工件实验材料为0.5mm厚6063铝合金进行精密切割加工，调整激光输出功率为65-105W、激光切割扫描速度为1.6-2.4mm／s、系统辅助吹气压力为氮气0.6-0.8MPa。通过CCD监视系统对切割过程进行观测，确定由系统激光功率、扫描速度、和辅助吹气压力所形成的最佳气熔比工艺参数。使工件切割达到无挂渣、重铸层切口光滑且条纹细浅的高质量切缝，从而实现精密切割的目的。
本发明的精密切割方法有益效果是：通过分析和确定气熔比工艺参数，可形成对气熔比优化控制策略，使传统的激光切割工艺在质量方面得到进一步提高。对解决精密、微细尺度及表面质量加工的技术难题有着深远意义。
附图说明
图1为本发明的激光切割示意图。
1.铝合金工件，2.激光功率，3.扫描速度，4.辅助吹气压力。
具体实施方式
如附图所示，本发明的具体实施例：
1)首先固定激光功率(2)为105W和扫描速度(3)为1.6mm／s，在此前提下选择吹气压力(4)分别为0.8MPa、0.7MPa、0.6MPa进行试验。在VHX-600超景深显微镜下观测切口形貌，实践证明随着吹气压力的变化对激光切割气熔比和残留熔融层影响不大，而对挂渣有很大影响，辅助吹气压力(4)为0.8MPa时切口质量最佳。
2)保持扫描速度(3)为2mm／s和吹气压力(4)为0.8MPa不变，选择激光功率(2)分别为65W、85W、105W，通过公式计算得到不同气熔比的激光切割条件如表1。
表1  气熔比值随激光功率的变化
激光功率Po／W 气熔比值Rvmr
65 0.687
85 1.574
105 3.601
3)固定激光功率(2)为105W和吹气压力(4)为0.8MPa不变，选择扫描速度(3)分别为1.6mm／s、2mm／s、2.4mm／s，通过公式计算得到不同气熔比的激光切割条件如表2。
表2  气熔比随扫描速度的变化
扫描速度Vc／(mm／s) 气熔比值Rvmr
1.6 7.661
2 3.601
2.4 1.535
以上试验表明，激光功率(2)和扫描速度(3)对改善激光切割质量的机理不同，但只要气熔比提高，就会使熔融材料减少，残留熔融层厚度和重铸层厚度都会减小，形成质量缺陷的可能性降低。通过拍摄的3D切口形貌图片可以看出，随气熔比增大，挂渣量和条纹都得到了改善。经综合分析及参数计算得到不同气熔比值及对应的残留熔融层厚度和重铸层厚度如表3。
表3  不同气熔比值的残留熔融层和重铸层厚度
气熔比值Rvmr 重铸层厚度hres／μm 残留熔融层厚度hm／μm
7.661 1.28 8.71
3.601 7.69 16.34
1.574 16.75 34.49
1.535 33.33 41.66
0.687 41.76 56.63
以上试验表明对0.5mm厚6063铝合金薄板的激光切割发现辅助吹气压力作为气熔比法激光切割的前提条件，对气熔比和残留熔融层厚度影响不大，但对切口挂渣量的大小有很大影响，0.8MPa的吹气压力可以大大减小切口挂渣量。随气熔比值提高，残留熔融层厚度减小，重铸层遍薄，切口条纹变细变浅。在激光功率105W、扫描速度1.6mm／s的参数下，气熔比值为7.661，残留熔融层厚度为8.71μm，同时获得了切口底部无挂渣，重铸层厚度为1.28μm，切口光滑区大且条纹细浅的具有良好质量的切缝，完全满足高精密加工的要求。

Claims (7)

1.一种气熔比法铝合金薄板激光精密切割方法，其特征在于：采用精密数控固体激光器对工件(1)进行加工，调整激光输出功率(2)、激光切割伺服机构扫描速度(3)、系统辅助吹气压力(4)，通过CCD监视系统对切割过程进行观测，确定最佳气熔比参数后对工件进行切割加工。 
2.根据权利要求1所述的一种气熔比法铝合金薄板激光精密切割方法，其特征在于：固体激光器为JK701H型Nd：YAG固体激光器。 
3.根据权利要求1所述的激光精密切割方法，其特征在于：实验中采用加工工件(1)材料为0.5mm厚6063铝合金。 
4.根据权利要求1所述的激光精密切割方法，其特征在于：获得良好切口的激光功率范围为65-105W。 
5.根据权利要求1所述的激光精密切割方法，其特征在于：精密数控固体激光器的伺服机构可对扫描路径进行NC数控编程，其扫描速度(3)为1.6-2.4mm／s。 
6.根据权利要求1所述的激光精密切割方法，其特征在于：辅助吹气压力(4)气体为氮气，压力为0.6-0.8MPa。 
7.根据权利要求1至6所述的激光精密切割方法，其特征在于：切割操作前先通过反复试验和微镜观测，确定由激光功率、扫描速度及吹气压力等参数相互作用量的大小所形成的气熔比为最佳时，方可进行切割操作。 
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Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN110570029A (zh) * 2019-08-22 2019-12-13 浙江科技学院 一种基于图形特征的激光切割的加工能耗预测方法
CN112846533A (zh) * 2020-12-31 2021-05-28 武汉华工激光工程有限责任公司 一种用于5g连接器的铍铜合金材料的激光切割方法
CN113547208A (zh) * 2021-07-27 2021-10-26 安徽速达数控设备有限责任公司 一种激光切割机的供气系统调节方法
CN116217267A (zh) * 2023-03-24 2023-06-06 广东省科学院新材料研究所 一种氧化铝陶瓷密排缝阵产品及其零件与制备方法

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