CN106112280A - 一种激光穿孔加工方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种激光穿孔加工的方法，其步骤包括：步骤1、准备待切割工件（3），并除去表面杂质；步骤2、将真空罩（3）连接到激光切割头（6）上，切割喷嘴（5）与真空罩距离工件（1）上表面的距离可调；步骤3、将激光切割头移动到工件上方，使切割喷嘴与工件表面保持一定距离，真空罩与工件表面保持一定距离；步骤4、从真空罩的进气口（4）供给干燥的压缩空气；步骤5、从激光切割头的辅助气体进气口（7）供给穿孔辅助气体；步骤6、启动激光切割系统，激光束（2）垂直辐射工件上表面，完成穿孔过程。在本发明中，通过简易的气旋式真空罩形成局部真空环境，避免了大量熔融金属向上喷射而形成爆孔，穿孔效率和稳定性大大提高。

Description

一种激光穿孔加工方法

技术领域

本发明涉及一种高功率激光切割激光领域，尤其涉及一种面向激光切割中厚板的穿孔加工方法。

背景技术

近些年，随着国民经济的快速发展，对较厚金属材料的高效、优质切割需求越来越多。目前在造船业、重型机械、大型压力容器、大型桥梁和核工业等行业都遇到提升中厚钢板切割效率和质量问题，尤其军舰和潜艇领域用钢，因为所用钢材对热量输入比较敏感，对现有热切割技术提升需求更为迫切。

激光切割占整个激光加工业的70 %以上，多用于薄板高精度切割。但是，早期的激光切割技术在切割15 mm ~ 30 mm的中厚板时，切割速度明显下降，同时伴有切边条纹和粘渣现象，其切缝质量甚至无法同传统技术相竞争。近年来，随着高功率激光器的不断发展，激光厚板切割技术受到业界的广泛关注。采用激光束对板材进行切割时，必须先进行穿孔，然后以该穿孔为起点进行切割。换言之，激光切割板材必须源于板材穿孔后才能形成割缝。所以穿孔在激光切割中占据很重要的地位，它影响着割缝的质量，生产效率，切割过程的稳定性。激光穿孔加工即利用高峰值功率脉冲激光束辐照金属表面使金属材料熔化，甚至汽化，形成穿透材料的通孔。目前在实际生产中，激光切割厚板穿孔过程存在的主要问题是：（1）易发生爆孔（没有穿孔，熔渣堆积在孔口），使喷嘴受损；（2）穿孔时间过长，随着板厚的增加，穿孔时间不成比例的增加，影响生产效率。

在2015年7月1日公开的，授权公告号为“CN 102756214 B”，发明名称为“一种激光穿孔加工方法”的发明专利公开了一种激光穿孔加工工艺，其解决了穿孔效率低的问题，但是该技术方案仍旧存在以下问题：该方法提出的采用高占空比和低频率的激光参数匹配，实际加工中难以优化匹配，高的占空比极容易导致爆孔。

在2015年11月18日公开的，授权公告号为“CN 103962734 B”，发明名称为“激光切割快速变焦穿孔方法”的发明专利公开了一种激光切割快速变焦机构及快速变焦穿孔方法，其解决了穿孔过程中飞溅物粘到聚焦镜片和易发生爆孔的问题，但是该技术方案仍旧存在以下问题：该方法提出通过改变压力来获得不同表面曲率半径的反射镜片，从而得到不同焦深的激光束，实现分步穿孔；然而由弹性材料制成的反射镜片的变形响应精确度直接影响焦点位置，焦点位置对穿孔质量影响极大，再者分步穿孔严重影响穿孔效率。

在2000年3月28日公开的，公开号为“JP 2000 – 084686 A”，发明名称为“激光穿孔，激光加工喷嘴和激光切割设备” 的发明专利公开了一种激光穿孔方法，其解决了在厚板上快速穿孔的问题，但是该技术方案仍旧存在以下问题：该方法中采用防飞溅油铺在穿孔板面和喷嘴，如果有防飞溅油流入到激光穿孔区域会影响穿孔过程的稳定性，同时增加了辅助工艺。

发明内容

本发明的目的是解决目前高功率激光切割中厚板穿孔过程中，极易发生爆孔的瓶颈问题。

本发明的技术方案是提供一种激光穿孔加工方法，其特征在于。

步骤1：除去待切割工件上表面上的杂质。

步骤2：将真空罩连接到激光切割头上，真空罩可以在激光切割头上旋转，切割喷嘴与真空罩距离工件表面的距离可调。

步骤3：将激光切割头移动到工件上方，使切割头上的喷嘴与工件表面保持一定距离h，真空罩与工件表面保持一定距离δ。

步骤4：从真空罩的进气口供给干燥的压缩空气。

步骤5：从激光切割头的辅助气体进气口供给穿孔辅助气体。

步骤6：启动激光切割系统，激光束垂直辐射工件上表面，完成穿孔过程。

进一步地，在步骤1中，待切割工件为15 mm ~ 30 mm的中厚钢板。

进一步地，在步骤2中，真空罩为气旋式真空吸盘。

进一步地，在步骤3中，切割头上的喷嘴与工件表面之间距离h为1 mm ~ 5 mm。

进一步地，在步骤3中，真空罩与工件表面之间距离δ为0.5 mm ~ 2 mm。

进一步地，在步骤4中，真空罩的供气压力为1 bar ~ 4 bar。

进一步地，在步骤5中，辅助气体为氧气或氮气。

进一步地，辅助气体压力为0.5 bar ~ 2 bar。

进一步地，在步骤6中，激光峰值功率为3000 W ~ 4000 W，脉冲频率为15 Hz ~ 35Hz，占空比为30％ ~ 60％，激光束聚焦焦距为125 mm ~ 200 mm，离焦量为0 mm ～ -5 mm。

进一步地，该方法适用于碳钢板材或不锈钢板材。

本发明的有益效果在于：

在本发明中，通过简易的气旋式真空罩在激光切割穿孔区域形成局部真空环境，此时相比于大气环境，材料的沸点下降，因此当极高能量密度的激光作用在材料时金属更容易汽化蒸发，一方面相比于大气环境，会有更多的金属熔化和汽化，另一方面金属蒸汽的会比大气环境下低。如此，激光穿孔过程中，材料熔融能力强，而穿孔小孔内金属蒸汽的蒸汽压力较低，避免了大量熔融金属向上喷射而形成爆孔。

在本发明中，依据局部真空环境下激光加工特点，可以采用高峰值功率、大占空比和大气压进行穿孔加工，大大提高了激光切割中厚板时穿孔效率和稳定性。

在本发明提出的局部真空环境有助于抑制激光致等离子体的产生，避免了光致等离子体对入射激光的逆韧致吸收，从而在获得同样穿孔深度的情况下，可以减小激光功率，降低成本。

附图说明

图1是本发明所述激光穿孔加工方法示意图。

图2是气旋式真空罩的工作原理示意图。

图3是气旋式真空罩俯视图的示意图。

其中：1、工件，2、激光束，3、真空罩，4、真空罩供气口，5、切割喷嘴，6、激光切割头，7、辅助气体供气口，8、小孔，9、真空罩喷嘴。

具体实施方式

以下将结合附图1-3对本发明的具体实施方式进行详细说明。

具体实施方式1：

如图1所示，待切割工件为厚度为20 mm ~ 35 mm的碳钢板。安装在切割头上的真空罩在激光切割穿孔区域形成局部真空环境，激光穿孔过程中，材料熔融能力强，而穿孔小孔内金属蒸汽的蒸汽压力较低，避免了大量熔融金属向上喷射而形成爆孔，实现了高质量穿孔加工。

该实施例中，激光穿孔加工的方法包括以下几个步骤。

步骤1：除去待切割工件1上表面上的杂质，这些杂质包括水渍、油污、铁锈等对焊接质量有影响的杂物。

步骤2：将气旋式真空罩3连接到激光切割头6上，真空罩3可以在激光切割头6上旋转，切割喷嘴5与真空罩3距离工件1上表面的距离可调。

如图2和3所示，气旋式真空罩3工作时，由供气口4进入的高压气体经喷嘴9射出后沿切向进入旋回流腔，在腔内作强回旋运动，由于离心力的作用，在真空罩3的腔内中心产生局部真空。

步骤3：将激光切割头6移动到工件1上方，使切割喷嘴5与工件1上表面保持一定距离h，真空罩3与工件1表面保持一定距离δ。

如图1所示，切割头喷嘴5与工件1上表面之间距离h为1 mm ~ 5 mm，真空罩3与工件1上表面之间距离δ为0.5 mm ~ 2 mm。

步骤4：从真空罩3的进气口4供给干燥的压缩空气，供气压力为1 bar ~ 4 bar。

步骤5：从激光切割头6的辅助气体进气口7供给高纯氧气，纯度为99.999 %，辅助气体压力为0.5 bar ~ 2 bar。

步骤6：启动激光切割系统，激光束2垂直辐射工件1上表面，随着材料的不断熔化和汽化，在板材厚度方向形成深熔小孔8，小孔8快速贯通，从而完成穿孔过程。

在该实施例中，激光束为高亮度光纤激光，激光峰值功率为3000 W ~ 4000 W，脉冲频率为15 Hz ~ 35 Hz，占空比为30％ ~ 60％，激光束聚焦焦距为150 mm，离焦量为-1mm ～ -3 mm。

具体实施方式2：

如图1所示，待切割工件为厚度为15 mm ~ 25 mm的不锈钢板。安装在切割头上的真空罩在激光切割穿孔区域形成局部真空环境，激光穿孔过程中，材料熔融能力强，而穿孔小孔内金属蒸汽的蒸汽压力较低，避免了大量熔融金属向上喷射而形成爆孔，实现了高质量穿孔加工。

该实施例中，激光穿孔加工的方法包括以下几个步骤。

步骤1：除去待切割工件1上表面上的杂质，这些杂质包括水渍、油污、铁锈等对焊接质量有影响的杂物。

步骤2：将气旋式真空罩3连接到激光切割头6上，真空罩3可以在激光切割头6上旋转，切割喷嘴5与真空罩3距离工件1上表面的距离可调。

如图2和3所示，气旋式真空罩3工作时，由供气口4进入的高压气体经喷嘴9射出后沿切向进入旋回流腔，在腔内作强回旋运动，由于离心力的作用，在真空罩3的腔内中心产生局部真空。

步骤3：将激光切割头6移动到工件1上方，使切割喷嘴5与工件1上表面保持一定距离h，真空罩3与工件1上表面保持一定距离δ。

如图1所示，切割头喷嘴5与工件1上表面之间距离h为1 mm ~ 3 mm，真空罩3与工件1上表面之间距离δ为0.5 mm ~ 2 mm。

步骤4：从真空罩3的进气口4供给干燥的压缩空气，供气压力为1 bar ~ 4 bar。

步骤5：从激光切割头6的辅助气体进气口7供给高纯氮气，纯度为99.999 %，辅助气体压力为0.5 bar ~ 1.2 bar。

步骤6：启动激光切割系统，激光束2垂直辐射工件1上表面，随着材料的不断熔化和汽化，在板材厚度方向形成深熔小孔8，小孔8快速贯通，从而完成穿孔过程。

在该实施例中，激光束为高亮度光纤激光，激光峰值功率为3000 W ~ 4000 W，脉冲频率为15 Hz ~ 35 Hz，占空比为30％ ~ 60％，激光束聚焦焦距为200 mm，离焦量为-2mm ～ -5 mm。

尽管参考附图详细地公开了本发明，但应理解的是，这些描述仅仅是示例性的，并非用来限制本发明的应用。本发明的保护范围由附加权利要求限定，并可包括在不脱离本发明保护范围和精神的情况下针对发明所作的各种变型、改型及等效方案。

Claims (10)

1.一种激光穿孔加工的方法，其步骤包括：

步骤1：除去待切割工件（1）上表面上的杂质；

步骤2：将真空罩（3）连接到激光切割头（6）上，真空罩（3）可以在激光切割头（6）上旋转，切割喷嘴（5）与真空罩（3）距离工件（1）上表面的距离可调；

步骤3：将激光切割头（6）移动到工件（1）上方，使切割喷嘴（5）与工件（1）上表面保持一定距离，真空罩（3）与工件（1）上表面保持一定距离；

步骤4：从真空罩（3）的进气口（4）供给干燥的压缩空气；

步骤5：从激光切割头（6）的辅助气体进气口（7）供给穿孔辅助气体；

步骤6：启动激光切割系统，激光束（2）垂直辐射工件（1）上表面，完成穿孔过程。

2.根据权利要求1所述的激光穿孔加工方法，其特征在于：在步骤1中，待切割工件为15mm ~ 30 mm的碳钢板材或不锈钢板材。

3.根据权利要求1所述的激光穿孔加工方法，其特征在于：在步骤2中，真空罩为气旋式真空吸盘。

4.根据权利要求1所述的激光穿孔加工方法，其特征在于：在步骤3中，切割头上的喷嘴与工件表面之间距离为1 mm ~ 5 mm。

5.根据权利要求1所述的激光穿孔加工方法，其特征在于：在步骤3中，真空罩与工件表面之间距离为0.5 mm ~ 2 mm。

6.根据权利要求1所述的激光穿孔加工方法，其特征在于：在步骤4中，真空罩的供气压力为1 bar ~ 4 bar。

7.根据权利要求1所述的激光穿孔加工方法，其特征在于：在步骤5中，辅助气体为一定压力的高纯氧气或氮气。

8.根据权利要求7所述的激光穿孔加工方法，其特征在于：辅助气体压力为0.5 bar ~2 bar。

9.根据权利要求1所述的激光穿孔加工方法，其特征在于：在步骤6中，激光束聚焦焦距为125 mm ~ 200 mm。

10.根据权利要求1所述的激光穿孔加工方法，其特征在于：在步骤6中，激光束离焦量为0 mm ～ -5 mm。