CN109702361A - 一种激光坡口切割方法及激光切割机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种激光坡口切割方法，其包括：S1、激光切割机获取用户上传的坡口信息、初始焦点信息、初始距离信息以及初始辅助气体气压信息；S2、控制器根据所述坡口信息控制激光头移动，进行切割；S3、通过控制器获取实时夹角信息、实时距离信息；所述夹角为所述激光头与法向之间的夹角；所述距离为所述激光头与待切割工件之间的距离；S4、根据所述实时夹角信息、初始辅助气体气压信息调整实时辅助气体气压；根据所述实时夹角信息、实时距离信息和初始焦点信息调整实时焦点，完成待切割工件的激光坡口切割。实施本发明，可提升坡口切割产品直口面与坡口面的一致性，大幅提升产品成品率。

Description

一种激光坡口切割方法及激光切割机

技术领域

本发明涉及激光切割技术领域，尤其涉及一种激光坡口切割方法及激光切割机。

背景技术

激光切割是指利用激光束照射到待切割工件表面，使得工件材料迅速熔化，同时借助与光束同轴的辅助气体吹除熔融物质，形成切口，从而将工件切开。由于激光切割器的能量非常集中，所以，仅有少量热传到坯料的其它部分，所造成的变形很小或没有变形，利用激光可以非常准确地切割复杂形状的坯料，所切割的坯料不必再作进一步的处理。

影响激光切割质量的参数有很多，如材料本身性质（厚度、材料等）；激光切割功率、速度、辅助气体压力、焦点位置、喷嘴距离等；其中，焦点与辅助气体压力影响尤为显著，如果切割过程中焦点位置调整不当，轻者会造成毛边缺陷，重者甚至无法完成切割；同样，如果辅助气体气压调整失当，轻者会造成条纹缺陷，重者容易造成粘连，无法完成切割。

另一方面，在船舶制造、工程机械、石油管道等生产制造过程中，据设计或工艺需要，坡口加工一直都是一个必不可少的工序；坡口切割是指在焊件的待焊部位加工并装配成一定几何形状的坡口，常用的坡口形式有I形坡口、V形(带钝边)坡口、U形(带钝边)坡口、X 形(带钝边)坡口、单边V形(带钝边)坡口和K形(带钝边)坡口。坡口切割的过程中需要控制激光头进行三维移动，其技术较为复杂。中国专利201110286494.0提出了一种利用激光进行坡口切割的方法，其主要是利用控制器控制激光头进行相应运动以完成坡口切割。然而，其并未对切割过程中其他切割参数，如焦点位置、辅助气体气压等参数的变化进行探讨。而目前常见的激光坡口切割都是采用同一种气压控制与焦点控制方式，其切割出来的产品止口面和坡口面效果不同，产品一致性差，成品率低。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于，提供一种激光坡口切割方法，其成品率高，断面质量良好。

本发明还要解决的技术问题在于，提供一种激光切割机，其可用于坡口切割。

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种激光坡口切割方法，其包括：

S1、激光切割机获取用户上传的坡口信息、初始焦点信息、初始距离信息以及初始辅助气体气压信息；

S2、激光切割机根据所述坡口信息控制激光头移动，进行切割；

S3、通过控制器获取实时夹角信息、实时距离信息；所述夹角为所述激光头与法向之间的夹角；所述距离为所述激光头与待切割工件之间的距离；

S4、根据所述实时夹角信息、初始辅助气体气压信息调整实时辅助气体气压；根据所述实时夹角信息、实时距离信息和初始焦点信息调整实时焦点，完成待切割工件的激光坡口切割。

作为上述技术方案的改进，步骤S4中，所述实时辅助气体气压的调整方法为：根据公式

计算所述实时辅助气体气压；其中， k为调整常数，其取值范围为0.5-1.5； P₀为初始辅助气体气压；δ为待切割工件的厚度；α为激光头与法向的实时夹角。

作为上述技术方案的改进，其特征在于，步骤S4中，所述实时焦点的调整方法为：根据公式

计算所述实时焦点；其中，λ为焦点与待切割工件下表面的距离；λ₀为初始焦点位置；d为激光头与待切割工件的上表面的距离；d₀为初始距离；α为激光头与法向的实时夹角。

作为上述技术方案的改进，当待切割工件厚度δ＞2 mm时，k为0.6-0.8；当待切割工件厚度δ＜2 mm时，k为1-1.2。

作为上述技术方案的改进，当待切割工件厚度δ＞2 mm时，k为0.71；当待切割工件厚度δ＜2 mm时，k为1。

相应的，本发明还公开了一种激光切割机，其包括激光头和控制器；

其中，所述控制器包括：

第一获取单元，用于获取用户上传的坡口信息、初始焦点信息、初始距离信息以及初始辅助气体气压信息；

控制单元，用于根据所述坡口信息控制激光头移动，进行切割；

第二获取单元，用于获取实时夹角信息和实时距离信息；

调整单元，用于调整实时焦点与实时辅助气体气压。

作为上述技术方案的改进，所述调整单元包括气压调整单元与焦点调整单元；所述气压调整单元用于根据所述实时夹角信息、初始辅助气体气压信息调整实时辅助气体气压；所述焦点调整单元用于根据所述实时夹角信息、实时距离信息和初始焦点信息调整实时焦点。

作为上述技术方案的改进，所述气压调整单元调整实时辅助气体气压单元的方法包括：根据公式

计算所述实时辅助气体气压；其中， k为调整常数，其取值范围为0.5-1.5； P₀为初始辅助气体气压；δ为待切割工件的厚度；α为激光头与法向的实时夹角。

作为上述技术方案的改进，所述焦点调整单元调整实时焦点的方法包括：根据公式

计算所述实时焦点；其中，λ为焦点与待切割工件下表面的距离；λ₀为初始焦点位置；d为激光头与待切割工件的上表面的距离；d₀为初始距离；α为激光头与法向的实时夹角。

作为上述技术方案的改进，其为光纤激光切割机。

实施本发明，具有如下有益效果：

本发明在坡口面与直口面采用了不同的辅助气体气压控制方法和不同的焦点位置控制方法，提升了直口面与坡口面的一致性，断面质量得到了大幅提升，产品成品率提高了30%以上。

附图说明

图1是本发明一种激光坡口切割方法的流程图；

图2是本发明一种激光切割机的结构示意图；

图3是本发明调整单元的结构示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作进一步地详细描述。仅此声明，本发明在文中出现或即将出现的上、下、左、右、前、后、内、外等方位用词，仅以本发明的附图为基准，其并不是对本发明的具体限定。

现有的激光坡口切割工艺在直口面和坡口面采用同一种辅助气体气压控制方式和同一种焦点位置，导致直口面与坡口面一致性差，成品率低。为此，本发明提供了一种激光坡口切割方法，参见图1；其包括以下步骤：

S1、激光切割机获取用户上传的坡口信息、初始焦点信息、初始距离信息以及初始辅助气体气压信息；

其中，所述坡口信息包括坡口角度，坡口起始坐标和坡口目标坐标；

所述初始焦点信息为激光头位于法向，并与待切割工件的切割面垂直时，激光焦点与待切割工件下表面之间的距离；

所述初始距离信息为激光头位于待切割面的法向，并与待切割工件的切割面垂直时，激光头与待切割工件上表面之间的距离；

初始焦点信息、初始距离信息以及初始辅助气体气压信息可根据经验数据获得，或与待切割工件直口切割时采用的数据相同。

优选的，步骤S1还包括激光切割机获取用户上传的待切割工件的信息，包括厚度、形状，但不限于此。

S2、控制器根据所述坡口信息控制激光头移动，进行切割；

具体的，可根据坡口角度以及坡口起始坐标和坡口目标坐标，控制激光头进行旋转、平移、竖移或侧移，进行切割；本发明对于坡口切割过程中激光头移动的方法不做特殊限制，任何可实现坡口切割的激光头的移动方法均可用于本发明。具体的，可采用如专利201110286494.0所示的移动方法；或采用与鸿镭激光生产的型号为HL-CF-T60的激光切割机相同的控制方法，但不限于此。

S3、通过控制器获取实时夹角信息、实时距离信息；

其中，所述夹角为所述激光头与待切割面法向之间的夹角；具体的，为所述激光头所在轴线与法向线之间的夹角；所述距离为所述激光头与待切割工件之间的距离，具体的，为所述激光头下端点与所述待切割工件上表面之间的距离。

S4、根据所述实时夹角信息、初始辅助气体气压信息调整实时辅助气体气压；根据所述实时夹角信息、实时距离信息和初始焦点信息调整实时焦点，完成待切割工件的激光坡口切割。

具体的，所述实时辅助气体气压的调整方法为：根据公式

计算所述实时辅助气体气压；其中， k为调整常数，其取值范围为0.5-1.5； P₀为初始辅助气体气压；δ为待切割工件的厚度；α为激光头与法向的实时夹角。

优选的，当待切割工件厚度δ＞2 mm时，k为0.6-0.8；当待切割工件厚度δ＜2 mm时，k为1-1.2。

进一步优选的，当待切割工件厚度δ＞2 mm时，k为0.71；当待切割工件厚度δ＜2mm时，k为1。

需要说明的是，进行坡口切割时，待切割工件的切割面与激光头呈非垂直的角度，这就导致了实际切割的厚度与垂直切割时不同，且导致辅助气体的直接作用方向与落渣方向不同，影响了气体的吹渣作用；因此需要对辅助气体的气压进行调整。经过大量的试验发现，当待切割工件厚度＜2mm时，随着切割头角度的增大，需要逐步增大气压（大于初始气压）；而当工件厚度＞2mm后，在角度增大的情况下，反而需要降低气压（小于初始气压），才能消除切割缺陷，提高成品率。

其中，所述实时焦点的调整方法为：根据公式

计算所述实时焦点；其中，λ为焦点与待切割工件下表面的距离；λ₀为初始焦点位置；d为激光头与待切割工件的上表面的距离；d₀为初始距离；α为激光头与法向的实时夹角。

其中，焦点位置与切割厚度以及切割头与工件切割面的距离有关；切割头与工件切割面的距离又与切割头与法向的夹角有关。通过上述公式可完整的描述实时焦点与实时夹角、实时距离之间的关系，兼顾两方面的影响。调整实时焦点位置可增强直口面与坡口面的一致性，提升坡口切割的成品率。

在调整焦点与调整辅助气体气压的协同配合作用下，可大幅提升坡口切割的成品率，提升直口面与坡口面的一致性。实施本实施例，坡口切割的成品率可提高30%以上。

相应的，参考图2，本实施例还提供了一种激光切割机，其用于坡口切割，其可为二氧化碳激光切割机或光纤激光切割机。具体的，其包括激光头1与控制器2；其中，控制器2包括第一获取单元21，用于获取用户上传的坡口信息、初始焦点信息、初始距离信息以及初始辅助气体气压信息；控制单元22，用于根据所述坡口信息控制激光头移动，进行切割；第二获取单元23，用于获取实时夹角信息和实时距离信息；调整单元24，用于调整实时焦点与实时辅助气体气压。

具体的，参见图3，在本实施例中，调整单元24包括气压调整单元25与焦点调整单元26；其中，气压调整单元25用于根据所述实时夹角信息、初始辅助气体气压信息调整实时辅助气体气压；焦点调整单元26用于根据所述实时夹角信息、实时距离信息和初始焦点信息调整实时焦点。

在本实施例中，气压调整单元25调整实时辅助气体气压单元的方法包括：根据公式

计算所述实时辅助气体气压；其中， k为调整常数，其取值范围为0.5-1.5； P₀为初始辅助气体气压；δ为待切割工件的厚度；α为激光头与法向的实时夹角。

在本实施中，焦点调整单元26调整实时焦点的方法包括：根据公式

计算所述实时焦点；其中，λ为焦点与待切割工件下表面的距离；λ₀为初始焦点位置；d为激光头与待切割工件的上表面的距离；d₀为初始距离；α为激光头与法向的实时夹角。

本领域技术人员应当知晓：结合本文中所公开的实施例描述的单元及算法步骤，能够以电子硬件、或者计算机软件和电子硬件的结合来实现。这些功能究竟是以硬件还是软件的方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来试用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本发明的范围。

以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种激光坡口切割方法，其特征在于，包括：

S1、激光切割机获取用户上传的坡口信息、初始焦点信息、初始距离信息以及初始辅助气体气压信息；

S2、控制器根据所述坡口信息控制激光头移动，进行切割；

S3、通过控制器获取实时夹角信息、实时距离信息；所述夹角为所述激光头与法向之间的夹角；所述距离为所述激光头与待切割工件之间的距离；

S4、根据所述实时夹角信息、初始辅助气体气压信息调整实时辅助气体气压；根据所述实时夹角信息、实时距离信息和初始焦点信息调整实时焦点，完成待切割工件的激光坡口切割。

2.如权利要求1所述的激光坡口切割方法，其特征在于，步骤S4中，所述实时辅助气体气压的调整方法为：根据公式

计算所述实时辅助气体气压；其中， k为调整常数，其取值范围为0.5-1.5； P₀为初始辅助气体气压；δ为待切割工件的厚度；α为激光头与法向的实时夹角。

3.如权利要求2所述的激光坡口切割方法，其特征在于，步骤S4中，所述实时焦点的调整方法为：根据公式

计算所述实时焦点；其中，λ为焦点与待切割工件下表面的距离；λ₀为初始焦点位置；d为激光头与待切割工件的上表面的距离；d₀为初始距离；α为激光头与法向的实时夹角。

4.如权利要求2所述的激光坡口切割方法，其特征在于，当待切割工件厚度δ＞2 mm时，k为0.6-0.8；当待切割工件厚度δ＜2 mm时，k为1-1.2。

5.如权利要求2所述的激光坡口切割方法，其特征在于，当待切割工件厚度δ＞2 mm时，k为0.71；当待切割工件厚度δ＜2 mm时，k为1。

6.一种激光切割机，其特征在于，包括激光头和控制器；

其中，所述控制器包括：

第一获取单元，用于获取用户上传的坡口信息、初始焦点信息、初始距离信息以及初始辅助气体气压信息；

控制单元，用于根据所述坡口信息控制激光头移动，进行切割；

第二获取单元，用于获取实时夹角信息和实时距离信息；

调整单元，用于调整实时焦点与实时辅助气体气压。

7.如权利要求6所述的激光切割机，其特征在于，所述调整单元包括气压调整单元与焦点调整单元；所述气压调整单元用于根据所述实时夹角信息、初始辅助气体气压信息调整实时辅助气体气压；所述焦点调整单元用于根据所述实时夹角信息、实时距离信息和初始焦点信息调整实时焦点。

8.如权利要求7所述的激光切割机，其特征在于，所述气压调整单元调整实时辅助气体气压单元的方法包括：根据公式

计算所述实时辅助气体气压；其中， k为调整常数，其取值范围为0.5-1.5； P₀为初始辅助气体气压；δ为待切割工件的厚度；α为激光头与法向的实时夹角。

9.如权利要求7所述的激光切割机，其特征在于，所述焦点调整单元调整实时焦点的方法包括：根据公式

计算所述实时焦点；其中，λ为焦点与待切割工件下表面的距离；λ₀为初始焦点位置；d为激光头与待切割工件的上表面的距离；d₀为初始距离；α为激光头与法向的实时夹角。

10.如权利要求6-9任一项所述的激光切割机，其特征在于，其为光纤激光切割机。