CN109366022B - 一种指尖封严片皮秒超快激光切割质量控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明一种指尖封严片皮秒超快激光切割质量控制方法，可解决皮秒激光切割引入的局部热应力造成的变形问题，该方法采用分段切割的方式，在宏观上将零件按照结构特征划分成对称区域进行切割，将圆环划分成小分为弧段，并交错切割外圆和内圆；在切割每个小弧段时，将切割轨迹分层，不同层数的切割速度按照一定规律变化，控制每个小弧段材料断屑脱落行为，从而整体上实现了各个切割区域内应力平衡的切割效果。
Description
技术领域
本发明属于皮秒超快激光切割工艺技术领域，尤其涉及一种指尖封严片皮秒超快激光切割质量控制方法。
背景技术
长脉冲激光切割由于热效应显著，切割板厚小于0.5mm的金属薄板时加工部位会产生热变形，因而无法实现微米级结构的切割。采用脉冲宽度超过10ps的超短脉冲激光作为光源，按照长脉冲切割方式编程切割金属薄板，仍会在切割区域引入热应力，并且宏观上封严片的指尖会产生变形和翘曲。航空发动机用指尖封严片由于需要同回转轴配合，具有大尺寸高精度的特点，并对组件可靠性提出较高要求。超短脉冲激光切割具备微米级结构加工能力，重熔层极小，但由于切割大尺寸零件时所积累的内应力所表现出的形变是亟需解决的问题。
发明内容
本发明提供一种指尖封严片皮秒超快激光切割质量控制方法，以解决脉宽大于10ps的皮秒超短脉冲激光切割大尺寸零件造成的变形问题，实现无变形、小重熔层薄板零件的超短脉冲激光切割。
本发明提供一种指尖封严片皮秒超快激光切割质量控制方法，包括如下步骤：
步骤1：将板材装夹在皮秒超短脉冲激光机床的夹具上，装夹面平面度小于0.06mm；
步骤2：利用皮秒超短脉冲激光机床切割形成指尖缝和定位孔，切割时根据板厚分层切割，每层采用不同的切割速度；
步骤3：采用分弧段切割的方式切割外圆和内圆，切割顺序为：外圆、内圆、内圆、外圆，即先采用对称交错的切割方式切割外圆形成多个间隔的弧段槽，然后采用同样的方式切割内圆形成多个间隔的弧段槽，再采用同样的方式切割内圆剩余的弧段，最后采用同样的方式切割外圆剩余的弧段；弧段切割时根据板厚分层切割，每层采用不同的切割速度。
在本发明的指尖封严片皮秒超快激光切割质量控制方法中，外圆和内圆的弧段数量根据下列公式确定：
s＝n×i
其中，s为外圆和内圆的弧段数量，n为指尖缝的数量，i为正整数。
在本发明的指尖封严片皮秒超快激光切割质量控制方法中，每个弧段所对应的圆心角α为：
其中
为了保证弧段能够脱落，弧段宽度σ≥0.3mm。
在本发明的指尖封严片皮秒超快激光切割质量控制方法中，步骤3中采用对称交错的切割方式切割外圆形成多个间隔的弧段具体为：
1)选取某一指尖缝的中心线延长线同外圆轮廓线交点处作为切割的起始位置；
2)切割轨迹在板材所在的XY平面内沿该弧段轮廓顺时针或逆时针绕行，同时激光每沿弧段轮廓绕行一次，沿板厚Z方向下降δ(mm)，其中
Δ为板厚，t为分层数，直到将该弧段的每层都切割完成，弧段脱落形成弧段槽；
3)切割完上一弧段后，绕中心线旋转β角度后，重复2)切割下一弧段，直到外圆形成多个相互间隔的弧段槽，其中β＝π+α。
在本发明的指尖封严片皮秒超快激光切割质量控制方法中，步骤3中采用同样的方式切割内圆形成多个间隔的弧段槽时，首先选取某一外圆弧段的末端所在半径和内圆轮廓线交点作为内圆的切割起始位置。
在本发明的指尖封严片皮秒超快激光切割质量控制方法中，每层采用不同的切割速度具体为：
t＞6时：当切割轨迹位于板厚上段15％区域时，采用低切割速度完成切割；当切割轨迹位于板厚上段15％至75％区域时，采用高切割速度完成切割；当切割轨迹位于板厚下段25％区域时，采用中速完成切割；
4≤t≤6时，当切割轨迹位于板厚上段25％区域时，采用中切割速度完成切割；当切割轨迹位于板厚上段25％至75％区域时，采用高切割速度完成切割；当切割轨迹位于板厚下段25％区域时，采用低切割速度完成切割；
2≤t＜4时，当切割轨迹位于板厚上段25％区域时，采用高切割速度完成切割，不要求切穿；当切割轨迹位于板厚上段25％至75％区域时，采用中切割速度完成切割；当切割轨迹位于板厚下段25％区域时，采用低切割速度完成切割。
在本发明的指尖封严片皮秒超快激光切割质量控制方法中，所述步骤1中的皮秒超短脉冲激光机床的激光器输出波长为532nm，重复频率为200KHz，输出平均功率为20W。
本发明的一种指尖封严片皮秒超快激光切割质量控制方法，能够采用脉宽高于10ps的皮秒激光器作为光源对大尺寸零件进行精密切割，解决了采用该类激光器切割薄板的热变形问题，同时成本低于飞秒激光切割，具有广阔的应用前景。
采用皮秒超快激光切割大尺寸结构，当在常规切割方式下未采用分层切割时，零件内存在较大内应力，宏观上表现为薄板不平，无法保证尺寸精度。采用本发明提出的切割区域划分方法能够有效减少零件不平度，同时采用变切割速度的分层切割，有效控制了落料行为，提高切割质量。针对0.3mm厚的薄板切割，采用皮秒超快激光切割，成品率高，切缝重熔层厚度降低30um以内，减少了潜在失效隐患。
附图说明
图1是采用对称交错的切割方式对外圆进行分弧段切割的示意图；
图2是采用对称交错的切割方式对内圆进行分弧段切割的示意图；
图3是一个实施例的弧段的切割轨迹示意图。
具体实施方式
本发明的一种指尖封严片皮秒超快激光切割质量控制方法，包括如下步骤：
步骤1：将板材装夹在皮秒超短脉冲激光机床的夹具上，装夹面平面度小于0.06mm；皮秒超短脉冲激光机床的激光器输出波长为532nm，重复频率为200KHz，输出平均功率为20W。
步骤2：利用皮秒超短脉冲激光机床切割形成指尖缝和定位孔，切割时根据板厚分层切割，每层采用不同的切割速度；
步骤3：采用分弧段切割的方式切割外圆和内圆，切割顺序为：外圆、内圆、内圆、外圆，即先采用对称交错的切割方式切割外圆形成多个间隔的弧段槽，如图1所示，然后采用同样的方式切割内圆形成多个间隔的弧段槽，如图2所示，再采用同样的方式切割内圆剩余的弧段，此时内圆切割完成使内圆落料，最后采用同样的方式切割外圆剩余的弧段，完成零件的加工；弧段切割时根据板厚分层切割，每层采用不同的切割速度。
具体实施时，为了提高切割效率，保证切割质量，每层切割速度分配不同。有三种速度分配模式，其中t表示分层数：
t＞6时：当切割轨迹位于板厚上段15％区域时，采用低切割速度完成切割；当切割轨迹位于板厚上段15％至75％区域时，采用高切割速度完成切割；当切割轨迹位于板厚下段25％区域时，采用中速完成切割。该切割模式特别适用于切割板厚Δ＞0.3mm的几何特征，兼顾切割效率以及质量。
4≤t≤6时，当切割轨迹位于板厚上段25％区域时，采用中切割速度完成切割；当切割轨迹位于板厚上段25％至75％区域时，采用高切割速度完成切割；当切割轨迹位于板厚下段25％区域时，采用低切割速度完成切割；该切割模式适用于0.15≤Δ≤0.35mm的几何特征。
2≤t＜4时，当切割轨迹位于板厚上段25％区域时，采用高切割速度完成切割，不要求切穿；当切割轨迹位于板厚上段25％至75％区域时，采用中切割速度完成切割；当切割轨迹位于板厚下段25％区域时，采用低切割速度完成切割。该切割模式适用于Δ＜0.15mm复杂几何特征的高效切割。
其中，低速为5-10mm/min，中速为20-30mm/min，高速为40-80mm/min。
具体实施时，外圆和内圆的弧段数量根据下列公式确定：
s＝n×i
其中，s为外圆和内圆的弧段数量，n为指尖缝的数量，i为正整数。每个弧段所对应的圆心角α为：
其中
为了保证弧段能够脱落，弧段宽度σ≥0.3mm。
由于皮秒超快激光切割具有一定热效应，为保证零件尺寸精度，采用内外弧段交错方式进行切割。切割顺序为在完成所有指尖缝切割后，先切割某一指尖缝所对应的外圆弧段形成间隔的弧段槽，然后切割内圆弧段形成弧段槽，再切割内圆剩余弧段和外圆剩余弧段，完成零件加工。
具体实施时，采用对称交错的切割方式切割外圆形成多个间隔的弧段具体为：
1)选取某一指尖缝的中心线延长线同外圆轮廓线交点处作为切割的起始位置；
2)如图3所示，箭头所示的切割轨迹在板材所在的XY平面内沿该弧段轮廓顺时针或逆时针绕行，同时激光每沿弧段轮廓绕行一次，沿板厚Z方向下降δ(mm)，其中
Δ为板厚，t为分层数，直到将该弧段的每层都切割完成，弧段脱落形成弧段槽；
3)切割完上一弧段后，绕中心线旋转β角度后，重复2)切割下一弧段，直到外圆形成多个相互间隔的弧段槽，其中β＝π+α。
采用同样的方式切割内圆形成多个间隔的弧段槽时，首先选取某一外圆弧段的末端所在半径和内圆轮廓线交点作为内圆的切割起始位置。间隔的内圆弧段槽的加工方法与外圆相同。
为了解决皮秒激光切割引入的局部热应力造成的变形问题，本发明提出了一种指尖封严片皮秒超快激光切割质量控制方法，该方法采用分段切割的方式，在宏观上将零件按照结构特征划分成对称区域进行切割，将圆环划分成小分为弧段，并交错切割外圆和内圆；在切割每个小弧段时，将切割轨迹分层，不同层数的切割速度按照一定规律变化，控制每个小弧段材料断屑脱落行为，从而整体上实现了各个切割区域内应力平衡的切割效果。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明的思想，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (4)
1.一种指尖封严片皮秒超快激光切割质量控制方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1：将板材装夹在皮秒超短脉冲激光机床的夹具上，装夹面平面度小于0.06mm；
步骤2：利用皮秒超短脉冲激光机床切割形成指尖缝和定位孔，切割时根据板厚分层切割，每层采用不同的切割速度；
步骤3：采用分弧段切割的方式切割外圆和内圆，切割顺序为：外圆、内圆、内圆、外圆，即先采用对称交错的切割方式切割外圆形成多个间隔的弧段槽，然后采用同样的方式切割内圆形成多个间隔的弧段槽，再采用同样的方式切割内圆剩余的弧段，最后采用同样的方式切割外圆剩余的弧段；弧段切割时根据板厚分层切割，每层采用不同的切割速度；
外圆和内圆的弧段数量根据下列公式确定：
其中，s为外圆和内圆的弧段数量，n为指尖缝的数量，i为正整数，每个弧段所对应的圆心角α为：
其中
，为了保证弧段能够脱落，弧段宽度
；
采用对称交错的切割方式切割外圆形成多个间隔的弧段具体为：
1）选取某一指尖缝的中心线延长线同外圆轮廓线交点处作为切割的起始位置；
2）切割轨迹在板材所在的XY平面内沿该弧段轮廓顺时针或逆时针绕行，同时激光每沿弧段轮廓绕行一次，沿板厚Z方向下降δmm，其中
，
为板厚，t为分层数，直到将该弧段的每层都切割完成，弧段脱落形成弧段槽；
3）切割完上一弧段后，绕中心线旋转
角度后，重复2）切割下一弧段，直到外圆形成多个相互间隔的弧段槽，其中
。
2.如权利要求1所述的指尖封严片皮秒超快激光切割质量控制方法，其特征在于，步骤3中采用同样的方式切割内圆形成多个间隔的弧段槽时，首先选取某一外圆弧段的末端所在半径和内圆轮廓线交点作为内圆的切割起始位置。
3.如权利要求1所述的指尖封严片皮秒超快激光切割质量控制方法，其特征在于，每层采用不同的切割速度具体为：
4.如权利要求1所述的指尖封严片皮秒超快激光切割质量控制方法，其特征在于，所述步骤1中的皮秒超短脉冲激光机床的激光器输出波长为532nm，重复频率为200KHz，输出平均功率为20W。
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