CN107283069A - 一种激光切割的收刀工艺 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种激光切割的收刀工艺，用于减少激光切割收刀处的熔损或材料堆积。一种激光切割的收刀工艺，主要内容为，将切割路径分为三段：正常切割段、低速切割段、收刀处弱连接段。正常切割段能满足产品加工精度需要的激光功率和速度切割。低速切割段用低于正常切割段的激光功率和速度切割，并且逐渐降低功率和速度到零。收刀处弱连接段为低速切割段的激光功率和速度降低到零后，利用激光切割的余热使其熔断。这种工艺能有效避免收刀处的熔损和残余材料堆积。

Description

一种激光切割的收刀工艺

技术领域

本发明涉及一种激光切割技术，尤其涉及一种激光切割的收刀工艺。

背景技术

激光切割技术常见的应用之一是，根据需求，在碳钢板上切割出相应形状的孔。这些孔可能是圆形的、方形的，也可能是形状不规则的孔，但它们被激光切割时的共同特征是，激光切割的路径最终都会闭合。

激光切割路径的闭合处往往也会是激光切割的收刀处。通常情况下，对于同一个孔，技术人员会尽量让激光连续切割，使得整个孔的切割只需一个收刀处，这样有助于节省切割的时间。

中国专利申请“一种激光切割转角的方法及系统”(申请号：201410065823.2)公开了一种减少激光切割拐角处熔损的方法。该专利申请所要解决的技术问题与本发明所要解决的技术问题有相似处。其主要的技术特征为：(A)激光从待加工工件的一边切割至转角位置，暂停切割程序；(B)待加工工件冷却至一定温度时，重启加工程序，激光从待加工工件转角位置的另一边切出。这种方法增加了冷却环节，耗时增加，且整个切割过程难以控制。因为冷却时间一般需要经过实验得出，不仅受材料本身特性的影响，还受环境温度和冷却方式的影响。最佳的冷却时间不易得出。即便转角处经过了冷却，激光在切割过程中强烈的热扩散也会减弱冷却的效果。综合来看，这种被动适应激光切割热扩散的切割方法并不理想。

激光切割的收刀工艺需要克服以下几个问题：1、激光切割的收刀处因热量过度集中导致过熔，收刀处边缘破损或者收刀处边缘有残余材料堆积。2、激光切割收刀处过熔减弱，但激光切割的热量不足，造成切割不彻底。

解决激光切割收刀处过熔问题的关键是，控制好激光在收刀处的热扩散。本发明根据这一思想，研究出了一种激光切割的收刀工艺。

发明内容

为了减少激光切割收刀处的熔损缺口或材料堆积，且切割彻底，本发明采用了以下的技术方案：

一种激光切割的收刀工艺，主要内容包括：将切割路径分为三段：正常切割段、低速切割段、收刀处弱连接段；

正常切割段能满足产品加工精度需要的激光功率和速度切割；

低速切割段用低于正常切割段的激光功率和速度切割，并且逐渐降低功率和速度到零；

收刀处弱连接段为低速切割段的激光功率和速度降低到零后，利用激光切割的余热使其熔断。

进一步，还包括以下内容：所述激光切割的收刀工艺用于切割板材上的切割孔，根据板厚和切割孔的大小可以采用高速模式或低速模式两种不同的激光功率和速度变化模式；

所述高速模式为，在正常切割段以能满足产品加工精度需要的激光功率和速度切割，当激光焦点到达低速切割段后，激光功率立即稍微减小，激光移动速度在激光焦点进入低速切割段后逐渐减小到零，激光功率在接近低速切割段时迅速减小到零，在低速切割段的终点，激光的功率和速度均为零，收刀处弱连接段则利用余热熔断；

所述低速模式为，在正常切割段以能满足产品加工精度需要的激光功率和速度切割，当激光焦点到达低速切割段后，激光功率和移动速度迅速大幅减小，以较小的功率和较低的速度切割低速切割段，并在临近低速切割段的终点时，激光移动速度和功率减小到零，但激光移动速度应该首先减小。

进一步，还包括以下内容：当激光切割采用Fiber(光纤)激光切割机时：

用t表示板厚，用Φ表示切割孔的直径，当Φ≥t时，适合采用高速模式，以O₂为辅助切割气体，激光穿孔方式为脉冲穿孔；

当1t＞Φ≥0.7t时，适合采用低速模式，以Air,N₂(O₂)为辅助切割气体，激光穿孔方式为脉冲穿孔。

进一步，当激光切割采用CO₂激光器时：用t表示板厚，用Φ表示切割孔的直径；当Φ≥0.7t时，适合采用高速模式，以Air,N₂(O₂)为辅助切割气体，激光穿孔方式为脉冲穿孔。

与现有技术相比，本发明主要有以下的有益效果：

1、将切割路径分为三段：正常切割段、低速切割段、收刀处弱连接段。正常切割段用相对较高的激光功率和速度切割，低速切割段用相对较低的激光功率和速度切割并且逐渐降低功率和速度到零，收刀处弱连接段利用激光切割的余热使其熔断。巧妙的利用激光切割的余热熔断收刀处弱连接段，既不需要中途停止激光切割，还能有效避免过熔。

2、对于不同大小的孔通过控制功率和切割速度，可以实现较好的收刀效果，满足加工要求。

附图说明

图1是，用常规激光切割收刀工艺在厚度为16mm的碳钢板上，切割出直径为11mm的圆孔，收刀处熔损的示意图。

图2是，用常规激光切割收刀工艺在厚度为7mm的不锈钢板上，切割出长为35mm宽为25mm的长条孔，收刀处材料堆积的示意图。

图3是用常规激光切割收刀工艺切割圆孔时的路径示意图。

图4是常规激光切割收刀工艺的激光功率和激光移动速度的示意图。

图5是常规激光切割收刀工艺收刀处的热扩散示意图。

图6是常规激光切割收刀工艺收刀处熔损形成的示意图。

图7是本发明激光切割收刀工艺切割圆孔时的路径示意图。

图8是本发明激光切割收刀工艺高速模式示意图。

图9是本发明激光切割收刀工艺低速模式示意图。

图10是，用本发明激光切割收刀工艺在厚度为16mm的碳钢板上，切割出直径为11mm的圆孔，收刀处熔损的示意图。

图11是，用本发明激光切割收刀工艺在厚度为7mm的不锈钢板上，切割出长为35mm宽为25mm的长条孔，收刀处材料堆积的示意图。

附图标记说明：

001—用常规激光切割收刀工艺切割的厚度为16mm的碳钢板；

002—用本发明激光切割收刀工艺切割的厚度为7mm的不锈钢板；

003—用本发明激光切割收刀工艺切割的厚度为16mm的碳钢板；

004—用常规激光切割收刀工艺切割的厚度为7mm的不锈钢板；

005—碳钢板；

0051—碳钢板切割废料；

00511—过熔区域；

6—激光光束；

101—常规激光切割收刀工艺的正常切割段；

102—常规激光切割收刀工艺的减速切割段；

2—激光光束焦点

201—收刀处的低温区；

202—收刀处的高温区；

203—切割路径；

301—本发明激光切割收刀工艺的正常切割段；

302—本发明激光切割收刀工艺的低速切割段；

303—收刀处弱连接段；

S—收刀处的熔损区域；

Q—收刀处的残余材料堆积区。

具体实施方式

为了便于理解本发明，下面将参照相关附图对本发明进行全面的描述。但是，本发明也可以采用其他多种不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。

除非另有定义，本文使用的技术术语与本领域技术人员通常理解的含义相同。

激光切割收刀处边缘破损以及收刀处边缘有残余材料堆积原因分析：

本说明书所述的常规激光切割收刀工艺指的是表格1所描述的激光切割收刀工艺。本说明书所述的收刀处指的是激光切割路径的闭合处，或者是激光切割路径的交汇处。

发明人应用常规激光切割收刀工艺对钢材进行了实验性切割。切割实验的条件、材料、结果参见表格1。

表格1

参考图1，表格1中的碳钢板001用常规激光切割收刀工艺切割后，收刀处的熔损区域S有明显的缺口。缺口的深度一般不会超过切割材料的厚度，而其宽度通常会逐渐减小。

参考图2，表格1中的不锈钢板004用常规激光切割收刀工艺切割后，收刀处的残余材料堆积区Q有明显的球状残余材料。收刀处堆积有明显的残余材，通常会影响到对切割孔的使用，有时甚至需要对收刀处的残余材料堆积区Q进行打磨。不锈钢板004的收刀处有残余材料堆积的原因是，收刀处的金属提前熔融并且外溢，残余的金属在激光切割的路径以外，收刀后残余的金属便保留在收刀处周边。

参考图3，对于圆孔的切割，常规激光切割收刀工艺一般会将切割路径分为两段，即正常切割段101和减速切割段102。正常切割段101较长，减速切割段102较短。参考图4，对于圆孔的切割，常规激光切割收刀工艺的激光功率和激光移动速度一般会在减速切割段102骤减。激光功率通常会在激光移动速度降低后才减小，且在激光移动速度降到零以后激光功率才会减小到零。

参考图5，对于圆孔的切割，常规激光切割收刀工艺收刀处的热扩散可大致分为两个区域，即低温区201和高温区202。其中高温区202以激光光束焦点2为中心，并覆盖了切割路径203的闭合处。低温区201位于高温区202的周边。

参考图6，对于圆孔的切割，常规激光切割收刀工艺收刀处熔损形成的过程大致为：收刀处的金属在激光光束6抵达之前即已受热熔融，收刀处周边的金属也相应受热处于熔融状态，碳钢板切割废料0051受力倾斜，过熔区域00511粘附在碳钢板切割废料0051上，在碳钢板切割废料0051掉落后，碳钢板005的收刀处留下熔损缺口。

本发明的激光切割收刀工艺：

参考图7，为了减少收刀处的热量，将切割路径分为三段：正常切割段301、低速切割段302、收刀处弱连接段303。正常切割段301以能满足产品加工精度需要的激光功率和速度切割，低速切割段302用低于正常切割段301的激光功率和速度切割，并且逐渐降低功率和速度到零，收刀处弱连接段303利用激光切割的余热使其熔断。

根据板厚和切割孔的大小可以采用两种不同的激光功率和速度变化模式。为了方便描述，我们用t表示板厚，用Φ表示切割孔的直径。

对于Fiber(光纤)激光切割机，当Φ≥t时，适合采用如图8所示的高速模式。在正常切割段301以能满足产品加工精度需要的激光功率和速度切割。当激光焦点到达低速切割段302后，激光功率立即稍微减小，激光移动速度在激光焦点进入低速切割段302后逐渐减小到零。激光功率在接近低速切割段302时迅速减小到零。在低速切割段302的终点，激光的功率和速度均为零。收刀处弱连接段303则利用余热熔断。当1t＞Φ≥0.7t时，适合采用如图9所示的低速模式。在正常切割段301以能满足产品加工精度需要的激光功率和速度切割。当激光焦点到达低速切割段302后，激光功率和移动速度迅速大幅减小，以较小的功率和较低的速度切割低速切割段302，并在临近低速切割段302的终点时，激光移动速度和功率减小到零，但激光移动速度应该首先减小。

对于CO₂激光器，当Φ≥0.7t时，适合采用如图8所示的高速模式。

发明人经过反复试验得出，对于常见的钢铁板材的切割，可以采用表格2所示的方法切割。

表格2

本发明激光切割收刀工艺切割效果验证：

发明人在不锈钢板002和碳钢板003上验证了本发明所述的激光切割收刀工艺。具体情况参见表格3。

表格3

参考图10，碳钢板003用本发明激光切割收刀工艺切割后，收刀处的熔损区域S没有明显的熔损缺口。

参考图11，不锈钢板002用本发明激光切割收刀工艺切割后，收刀处的残余材料堆积区Q没有明显的残余材料堆积。

本实施例主要有以下的有益效果：

1、将切割路径分为三段：正常切割段301、低速切割段302、收刀处弱连接段303。正常切割段301用相对较高的激光功率和速度切割，低速切割段302用相对较低的激光功率和速度切割并且逐渐降低功率和速度到零，收刀处弱连接段303利用激光切割的余热使其熔断。巧妙的利用激光切割的余热熔断收刀处弱连接段303，既不需要中途停止激光切割，还能有效避免过熔。

2、对于不同大小的孔通过控制功率和切割速度，可以实现较好的收刀效果，满足加工要求。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种激光切割的收刀工艺，其特征在于：将切割路径分为三段：正常切割段(301)、低速切割段(302)、收刀处弱连接段(303)；

正常切割段(301)能满足产品加工精度需要的激光功率和速度切割；

低速切割段(302)用低于正常切割段(301)的激光功率和速度切割，并且逐渐降低功率和速度到零；

收刀处弱连接段(303)为低速切割段的激光功率和速度降低到零后，利用激光切割的余热使其熔断。

2.如权利要求1所述的激光切割的收刀工艺，其特征在于：所述激光切割的收刀工艺用于切割板材上的切割孔，根据板厚和切割孔的大小可以采用高速模式或低速模式两种不同的激光功率和速度变化模式；

所述高速模式为，在正常切割段(301)以能满足产品加工精度需要的激光功率和速度切割，当激光焦点到达低速切割段(302)后，激光功率立即稍微减小，激光移动速度在激光焦点进入低速切割段(302)后逐渐减小到零，激光功率在接近低速切割段(302)时迅速减小到零，在低速切割段(302)的终点，激光的功率和速度均为零，收刀处弱连接段(303)则利用余热熔断；

所述低速模式为，在正常切割段(301)以能满足产品加工精度需要的激光功率和速度切割，当激光焦点到达低速切割段(302)后，激光功率和移动速度迅速大幅减小，以较小的功率和较低的速度切割低速切割段(302)，并在临近低速切割段(302)的终点时，激光移动速度和功率减小到零，但激光移动速度应该首先减小。

3.如权利要求2所述的激光切割的收刀工艺，其特征在于：当激光切割采用Fiber(光纤)激光切割机时：

用t表示板厚，用Φ表示切割孔的直径；

当Φ≥t时，采用高速模式，以O₂为辅助切割气体，激光穿孔方式为脉冲穿孔；

当1t≥Φ≥0.7t时，采用低速模式，以Air,N₂(O₂)为辅助切割气体，激光穿孔方式为脉冲穿孔。

4.如权利要求2所述的激光切割的收刀工艺，其特征在于：当激光切割采用CO₂激光器时：

用t表示板厚，用Φ表示切割孔的直径；

当Φ≥0.7t时，适合采用高速模式，以Air,N₂(O₂)为辅助切割气体，激光穿孔方式为脉冲穿孔。