CN110773885A - 一种激光穿孔方法 - Google Patents

Abstract

本公开实施例涉及一种激光穿孔方法，其方法包括：设置穿孔高度和初始穿孔参数；切割头到板材表面的距离为穿孔高度，在穿孔的第一阶段以初始穿孔参数为初始值进行动态变化对板材进行刺穿，且第一阶段结束时穿孔参数的频率、占空比和焦点与初始穿孔参数经过变化得到调整后的穿孔参数；在穿孔的第二阶段以调整后的穿孔参数为初始值动态变化进行刺穿，其中第一阶段的频率高于第二阶段的频率，第一阶段穿孔参数中的焦点的初始值为负离焦，第二阶段穿孔参数中的焦点的初始值为零或正离焦，且第一阶段与第二阶段的频率、占空比和焦点的变化速率不同。本公开实施例提供的方法可以解决穿孔过程中出现爆孔和过烧的问题，实现快速稳定的穿孔。

Description

一种激光穿孔方法

技术领域

本公开涉及激光切割技术领域，尤其涉及一种激光穿孔方法。

背景技术

激光切割利用不可见的激光光束代替传统机械到对材料进行切割，激光切割机的加工工艺流程一般为：首先穿孔，然后引线，最后切割。在采用光纤激光进行切割时首先必须进行穿孔，板材穿透时以穿孔点为起点进行切割。

但是现有技术中激光切割的穿孔会带来以下问题：

穿孔过程中会由于功率过高引起爆孔现象出现，对板材进行穿孔后，板材的表面附着的熔渣比较多，而且堆积的高度有4-5毫米，如果在板材上切割0.5-0.8倍板厚的小孔时，会出现切割过烧现象，容易使板材损坏。

上述缺陷是本领域技术人员期望克服的。

发明内容

(一)要解决的技术问题

为了解决现有技术的上述问题，本公开提供一种激光穿孔方法，进而至少在一定程度上克服现有技术中板材切割过程中会出现爆孔以及切割过烧现象的缺点。

本公开的其他特性和优点将通过下面的详细描述变得显然，或数据子段地通过本公开的实践而习得。

(二)技术方案

为了达到上述目的，本公开采用的主要技术方案包括：

本公开的实施例一方面提供一种激光穿孔方法，其包括：

设置穿孔高度和初始穿孔参数；

切割头到板材表面的距离为所述穿孔高度，在穿孔的第一阶段以所述初始穿孔参数为初始值进行动态变化对所述板材进行刺穿，且第一阶段结束时穿孔参数的频率、占空比和焦点与所述初始穿孔参数经过变化得到调整后的穿孔参数；

在穿孔的第二阶段以所述调整后的穿孔参数为初始值动态变化进行刺穿，其中第一阶段的频率高于第二阶段的频率，第一阶段穿孔参数中的焦点的初始值为负离焦，第二阶段穿孔参数中的焦点的初始值为零或正离焦，且所述第一阶段与所述第二阶段的频率、占空比和焦点的变化速率不同。

在本公开一实施例中，所述第一阶段的频率不低于3000Hz，第二阶段的频率不高于1500Hz。

在本公开一实施例中，所述第一阶段穿孔参数中的负离焦为-6，且所述第一阶段穿孔参数中焦点的变化速率小于所述第二阶段穿孔参数中焦点的变化速率。

在本公开一实施例中，所述第一阶段的占空比大于第二阶段的占空比，且所述第一阶段穿孔参数中占空比的变化速率小于所述第二阶段穿孔参数中占空比的变化速率。

在本公开一实施例中，所述第一阶段的占空比小于第二阶段的占空比，且所述第一阶段穿孔参数中占空比的变化速率小于所述第二阶段穿孔参数中占空比的变化速率。

在本公开一实施例中，还包括：经过两个阶段穿孔之后得到的孔的直径为1.0～1.5mm。

在本公开一实施例中，所述在穿孔的第一阶段以所述初始穿孔参数为初始值进行动态变化对所述板材进行刺穿之前，还包括：

将所述切割头在预穿孔高度在第一预设时间内采用中频脉冲进行激光穿孔，其中所述预穿孔高度高于所述穿孔高度；在第二预设时间内停光出气，在所述板材的表面形成凹坑。

在本公开一实施例中，所述凹坑的深度为所述板材的厚度的1/5至1/4。

在本公开一实施例中，在第二预设时间内停光出气之后，还包括：

在第三预设时间内，将所述切割头从所述预穿孔高度下降到所述穿孔高度，且下降过程中不停光。

在本公开一实施例中，所述切割头在穿孔的第一阶段按照所述初始穿孔参数对所述板材进行刺穿之前，还包括：

对穿孔过程中激光束的光斑大小进行设置，所述光斑的直径为激光器的光线芯径的2.5～3倍。

(三)有益效果

本公开的有益效果是：本公开实施例提供的激光穿孔方法，穿孔过程中采用改变频率、占空比、焦点的方法，主要是指穿孔时使用由高频变至低频、由高占空比变至低占空比或者由低占空比变至高占空比、焦点由高离焦量变到低离焦量，可以解决穿孔过程中出现爆孔和过烧的问题，实现快速稳定的穿孔。

附图说明

图1为本发明实施例一中提供的一种激光穿孔方法的流程图；

图2为本发明实施例二中提供的一种激光穿孔方法的流程图；

图3为本发明实施例三中提供的一种激光穿孔方法的流程图。

具体实施方式

为了更好的解释本公开，以便于理解，下面结合附图，通过具体实施方式，对本公开作详细描述。

本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本公开的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本公开的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本公开。本文所使用的术语“和/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。

基于现有技术存在的问题，本公开提供一种激光穿孔方法，实现快速穿孔，且不会出现爆孔和过烧的现象。通过本公开提供的激光穿孔方法，可以实现快速穿孔、无感穿孔以及无渣穿孔，下面对本公开的技术方案做具体介绍。

实施例一

图1为本公开实施一例提供的一种激光穿孔方法的流程图，如图1所示，该方法包括以下步骤：

如图1所示，在步骤S110中，设置穿孔高度和初始穿孔参数。

在本实施例中，该步骤中将切割头固定在穿孔高度(如某一高度h)，设置穿孔参数，还设置穿孔过程在预设时间t内完成。其中此时设定的穿孔参数为初始穿孔参数，即包括频率、占空比和焦点等参数。

如图1所示，在步骤S120中，切割头到板材表面的距离为所述穿孔高度，在穿孔的第一阶段以所述初始穿孔参数为初始值进行动态变化对所述板材进行刺穿，且第一阶段结束时穿孔参数的频率、占空比和焦点与所述初始穿孔参数经过变化得到调整后的穿孔参数。

如图1所示，在步骤S130中，在穿孔的第二阶段以所述调整后的穿孔参数为初始值动态变化进行刺穿，其中第一阶段的频率高于第二阶段的频率，第一阶段穿孔参数中的焦点的初始值为负离焦，第二阶段穿孔参数中的焦点的初始值为零或正离焦，且所述第一阶段与所述第二阶段的频率、占空比和焦点的变化速率不同。

在本实施例中，穿孔过程中分为两个阶段，采用两个阶段变频、变焦以及变占空比的方式，第一阶段穿孔参数中的占空比可以大于第二阶段穿孔参数中的占空比，或者第一阶段穿孔参数中的占空比小于第二阶段穿孔参数中的占空比。频率由第一阶段的初始频率H1降至第二阶段的初始频率H2(即第一阶段结束时得到的调整后的频率)，其中H1设置为不低于3000HZ(优选可以设置为3000HZ)，H2设置为不高于1500HZ(优选可以设置为1500HZ)；第一阶段的焦点f1初始值设置为-6，第二阶段的焦点f2初始值设置为0，穿孔过程中两个阶段的初始占空比设置为z1和z2，两个阶段的穿孔时间分别设置为t1和t2，总时间为t＝t1+t2。

本实施例中占空比的变化可以分为两种，一种是高占空比到低占空比的变化，另一种是低占空比到高占空比的变化，这两种情形在结合变频和变焦的场景下均可以实现快速穿孔，具体如下：

(1)高占空比到低占空比

穿孔过程中，1)频率方面的变化：激光束的频率在第一阶段(即时间t1)初始值设置为3000Hz，且在时间t1内以加速度为3.3HZ/ms²做直线降低，激光束的频率在第二阶段(即时间t2)初始值设置为1500Hz，在时间t2内以6.6HZ/ms²的加速度做直线降低；2)占空比方面的变化：激光束第一阶段的占空比(占空比z1)初始值设置为50％，第二阶段的占空比(占空比z2)初始值设置为30％，且在时间t1内占空比以0.67％/ms²的加速度做直线降低变化，时间t2内占空比以1％/ms²的加速度做直线降低变化；3)焦点的变化：第一阶段的焦点(即焦点f1)初始值设置为-6，第二阶段的焦点(即焦点f2)初始值设置为0焦，时间t1内离焦量从f1-f2以0.02mm/ms²的加速度做直线降低变化，时间t2内以0.04mm/ms²的加速度做直线上升变化。如果是在预设时间t内完成激光穿孔，该过程中穿孔时间t为300ms，t＝t1+t2。

表1为高占空比到低占空比变化过程中频率、占空比和焦点的变化以及加速度变化的数据：

表1

基于上述，此种穿孔工艺可以解决在刺穿中厚板时穿孔速度低且不稳定问题，由于焦点、频率、占空比在整个穿孔过程中一直变化，且变化规律，具体是在每个阶段中以方程y＝ax直线关系变化，且两个阶段中变化的加速度a不同，所以穿孔快速且稳定。

(2)低占空比到高占空比

穿孔过程中，1)频率方面的变化：激光束的频率在第一阶段(即时间t1)初始值设置为3000Hz，且在时间t1内以加速度为6.6HZ/ms²做直线降低，激光束的频率在第二阶段(即时间t2)初始值设置为1500Hz，在时间t2内以3.3HZ/ms²的加速度做直线降低；2)占空比方面的变化：激光束第一阶段的占空比(占空比z1)初始值设置为30％，第二阶段的占空比(占空比z2)初始值设置为50％，在时间t1内占空比以0.67％/ms²的加速度做直线升高变化，时间t2内占空比以1％/ms²的加速度做直线降低变化；3)焦点的变化：第一阶段的焦点(即焦点f1)初始值设置为-6焦，第二阶段的焦点(即焦点f2)初始值设置为0焦，时间t1内离焦量从f1-f2以0.02mm/ms²的加速度做直线降低变化，时间t2内以0.04mm/ms²的加速度做直线上升变化。该过程中的穿孔时间t也为300ms，t＝t1+t2。

表2为低占空比到高占空比变化过程中频率、占空比和焦点的变化以及加速度变化的数据：

表2

基于上述，与上述穿孔方法不同，此种穿孔工艺可以解决在刺穿中厚板时穿孔周围出现喷渣的问题，进一步解决在切割小于板厚2/3的小孔起步问题。穿孔t1时间内会出现“倒喇叭口”，在时间t2高占空比、低频率穿孔时喷渣会沿着“倒喇叭口”壁飞溅出去，不会在穿孔位置留下浮渣。

上述两种不同的穿孔方式，在第一阶段和第二阶段中频率、占空比和焦点均是从初始值按照一定的变化速率直线变化，焦点的变化均是第一节点从初始的负离焦量变化到0，第二阶段从0变化到正离焦量。根据焦点对切割的影响为：正离焦切割时焦点位置在板材表面上方，切割面纹路均匀，断面较好；焦点为0时焦点位置刚好与板材上表面重合，即焦点贴近板材表面进行切割；负离焦切割时焦点位置在板材内，即焦点位于板材表面内部。因此本发明分阶段且穿孔时逐渐变焦的方式是从负离焦经过0到正离焦的缓慢变化过程，这样后续切割时再采用正离焦进行切割，可以避免穿孔过小，切割缝较宽导致大量喷站的问题。

上述两种穿孔工艺经过两个阶段穿孔之后得到的孔的直径为1.0～1.5mm。传统穿孔方法由于使用焦点是负离焦且离焦量在5-8mm左右，穿出的孔径比较小，切割时使用正离焦，使得割缝较宽，起步时容易出现喷渣，损伤保护镜。而采用该方法穿孔后得到的孔径变得相对较大，在切割起步时不会出现喷渣现象。

综上所述，本实施例提供的穿孔方法具有以下优势：穿孔过程中采用改变频率、占空比、焦点的方法，主要是指穿孔时使用由高频变至低频、由高占空比变至低占空比或者由低占空比变至高占空比、焦点由负离焦量变到0，再从0变到正离焦量，可以实现快速穿孔，且穿孔高度不会变化，整个穿孔过程不会因为功率过高而出现暴孔现象，保证在切割直径为板材厚度0.5-0.8倍的小孔不会也因喷渣的影响而过烧。

实施例二

图2为本发明实施例二中提供的一种激光穿孔方法的流程图，如图2所示，该方法包括以下步骤：

如图2所示，在步骤S210中，设置预穿孔高度和穿孔参数、以及穿孔过程中的穿孔高度和初始穿孔参数。

在本实施例中，该步骤中将切割头固定在预穿孔高度(如某一高度h)，设置预穿孔的穿孔参数，还设置穿孔过程在预设时间T内完成，其中预穿孔的两个阶段的时间分别为T1和T2，穿孔过程时间为T3。其中此时设定的穿孔参数为初始穿孔参数，即包括频率、占空比和焦点。

如图2所示，在步骤S220中，将所述切割头在预穿孔高度在第一预设时间内采用中频脉冲进行激光穿孔，在第二预设时间内停光出气，在所述板材的表面形成凹坑，其中该过程为预穿孔过程，且此时的所述预穿孔高度高于所述穿孔高度。

在本实施例中，该步骤中通过激光穿孔执行一段时间后停光可以预先在板材上形成一个凹坑，确定预穿孔的位置，凹坑的深度不宜过深或过浅，所述凹坑的深度为所述板材的厚度的1/5至1/4。

如图2所示，在步骤S230中，在第三预设时间内，将所述切割头从所述预穿孔高度下降到所述穿孔高度，且下降过程中不停光。

在该步骤中，切割头以一定的运行速度出光并从预穿孔高度降落到穿孔高度，同时在第三预设时间内切割头下降的过程中进行穿孔。另外，在整个切割头下降过程中需要对切割头陶瓷体处的电容值进行实时采集，然后在控制器(如PLC)中将实时采集的切割头的实际高度与穿孔预设值高度进行比较，从而确保穿孔时切割头下降位置的准确性，此种采集方式不会因板材热量过高出现穿孔高度不准确的现象，且可以有效地保证随动性能，根据实际高度的位置及时调整后续处理操作。

该步骤中切割头穿孔的过程具体如下：

首先，切割头到板材表面的距离为所述穿孔高度，在穿孔的第一阶段以所述初始穿孔参数为初始值进行动态变化对所述板材进行刺穿，且第一阶段结束时穿孔参数的频率、占空比和焦点与所述初始穿孔参数经过变化得到调整后的穿孔参数。

其次，在穿孔的第二阶段以所述调整后的穿孔参数为初始值动态变化进行刺穿，其中第一阶段的频率高于第二阶段的频率，第一阶段穿孔参数中的焦点的初始值为负离焦，第二阶段穿孔参数中的焦点的初始值为零或正离焦，且所述第一阶段与所述第二阶段的频率、占空比和焦点的变化速率不同。

该方法在板材上形成凹坑的基础上，后续切割头下降过程中进行穿孔，下面结合设置的具体穿孔参数进行介绍：

首先，在预设高度h1下在第一预设时间T1内采用中频脉冲进行激光穿孔，其中初始占空比设置为z1，z1设置为30％-50％范围内的某一数值，第一预设时间T1设置为100-200ms，功率设置为激光器满功率w，第二预设时间T2设置停光出气时间为T2，第二预设时间T2为200-300ms，经过该步骤中预穿孔后，在板材表面形成凹坑。

然后，切割头在第三预设时间T3内由预穿孔高度h1下降至穿孔高度h2，切割头降落的同时进行穿孔的时间T3为200-300ms。在切割头下降过程中进行激光穿孔，且在下降过程中不会停光，穿孔过程中也是分为两个阶段(t1和t2两个阶段)。

在切割头下降及穿孔过程中，切割头下降速度为200mm/s，其他穿孔参数的变化情况：1)频率方面：激光束的频率在第一阶段(即时间t1)内以加速度为3HZ/ms²做直线降低，在第二阶段(即时间t2)内以9HZ/ms²的加速度做直线降低；2)占空比方面：激光束的第一阶段的占空比(占空比z1)设置为50％-55％，第二阶段的占空比(占空比z2)设置为25％-30％，在时间t1内占空比以0.5％/ms²的加速度做直线降低变化，时间t2内占空比以1.2％/ms²的加速度做直线降低变化；3)焦点：第一阶段的焦点(即焦点f1)为-7焦，第二阶段的焦点(即焦点f2)设置为1焦，时间t1内离焦量从f1-f2以0.03mm/ms的加速度做直线降低变化，时间t2内以0.06mm/ms²的加速度做直线上升变化。该过程中的穿孔时间T为500-800ms，T＝T1+T2+T3，其中T3＝t1+t2。表3为切割头下降过程中进行穿孔时频率、占空比和焦点的变化以及加速度变化的数据：

表3

上述穿孔方法具有以下技术效果：执行穿孔动作时，切割头在下降过程中不会出现断光，而且在切割头下降过程中变频、变焦点、变占空比，相当于在切割头下落的过程中就已经将孔穿孔，且穿孔过程快速稳定。这样，切割头落下来就直接进行切割，不用进行等待穿孔时间，整个穿孔过程可以实现无感穿孔。

实施例三

图3为本发明实施例三中提供的一种激光穿孔方法的流程图，如图3所示，该方法包括以下步骤：

如图3所示，在步骤S310中，设置穿孔过程中激光束的光斑大小、穿孔高度和初始穿孔参数。

在本实施例中，该步骤中将切割头固定在穿孔高度(如某一高度h)，设置穿孔参数，还设置穿孔过程在预设时间t内完成。其中此时设定的穿孔参数为初始穿孔参数，即包括频率、占空比和焦点。

在本实施例中，激光束的光斑的直径大小设置为激光器的光线芯径的2.5～3倍，需要说明的是，设置光斑的大小，需要考虑到切割嘴孔径大小，再将光斑放大之后的激光束直径需小于割嘴孔径，避免将激光打在割嘴内孔边缘，发生割嘴过热的情况。另外，由于增大光斑直径的瑞利长度，可以使瑞利长度扩大到原来的2.5-3倍，获得更高的能量，更大的穿孔直径。

如图3所示，在步骤S320中，切割头到板材表面的距离为所述穿孔高度，在穿孔的第一阶段以所述初始穿孔参数为初始值进行动态变化对所述板材进行刺穿，且第一阶段结束时穿孔参数的频率、占空比和焦点与所述初始穿孔参数经过变化得到调整后的穿孔参数。

如图3所示，在步骤S330中，在穿孔的第二阶段以所述调整后的穿孔参数为初始值动态变化进行刺穿，其中第一阶段的频率高于第二阶段的频率，第一阶段穿孔参数中的焦点的初始值为负离焦，第二阶段穿孔参数中的焦点的初始值为零或正离焦，且所述第一阶段与所述第二阶段的频率、占空比和焦点的变化速率不同。

该方法对光斑大小进行设置，可以增大穿孔直径，减少喷渣，实现无渣穿孔，下面结合设置的具体穿孔参数进行介绍：

首先，开始穿孔之前，除了设置切割头高度和穿孔参数，还对光斑进行设置，光斑设置为b，b的取值为2.5-3，即穿孔时发出的激光束的光斑直径为激光器光纤芯径的2.5-3倍。

其次，在预设时间t内完成激光穿孔，穿孔过程参数的变化和同上述实施例一，此处不再赘述。

上述穿孔方法具有以下技术效果：由于穿孔光斑直径为原来光纤芯径的2.5-3倍，落在板材表面上的光斑直径更大，在穿孔时可以获得更大的孔径，从而改变熔渣的导向，使得穿孔熔渣几乎垂直反射出去，从而使得熔渣不容易在板面穿孔位置依附，减少穿孔喷渣，进而使得切割不受影响。

本领域技术人员在考虑说明书及实践这里公开的发明后，将容易想到本公开的其它实施方案。本申请旨在涵盖本公开的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本公开的一般性原理并包括本公开未公开的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。说明书和实施例仅被视为示例性的，本公开的真正范围和精神由下面的权利要求指出。

应当理解的是，本公开并不局限于上面已经描述并在附图中示出的精确结构，并且可以在不脱离其范围进行各种修改和改变。本公开的范围仅由所附的权利要求来限制。

Claims (10)

1.一种激光穿孔方法，其特征在于，包括：

设置穿孔高度和初始穿孔参数；

切割头到板材表面的距离为所述穿孔高度，在穿孔的第一阶段以所述初始穿孔参数为初始值进行动态变化对所述板材进行刺穿，且第一阶段结束时穿孔参数的频率、占空比和焦点与所述初始穿孔参数经过变化得到调整后的穿孔参数；

在穿孔的第二阶段以所述调整后的穿孔参数为初始值动态变化进行刺穿，其中第一阶段的频率高于第二阶段的频率，第一阶段穿孔参数中的焦点的初始值为负离焦，第二阶段穿孔参数中的焦点的初始值为零或正离焦，且所述第一阶段与所述第二阶段的频率、占空比和焦点的变化速率不同。

2.如权利要求1所述的激光穿孔方法，其特征在于，所述第一阶段的频率不低于3000Hz，第二阶段的频率不高于1500Hz。

3.如权利要求1所述的激光穿孔方法，其特征在于，所述第一阶段穿孔参数中的负离焦为-6，且所述第一阶段穿孔参数中焦点的变化速率小于所述第二阶段穿孔参数中焦点的变化速率。

4.如权利要求1所述的激光穿孔方法，其特征在于，所述第一阶段的占空比大于第二阶段的占空比，且所述第一阶段穿孔参数中占空比的变化速率小于所述第二阶段穿孔参数中占空比的变化速率。

5.如权利要求1所述的激光穿孔方法，其特征在于，所述第一阶段的占空比小于第二阶段的占空比，且所述第一阶段穿孔参数中占空比的变化速率小于所述第二阶段穿孔参数中占空比的变化速率。

6.如权利要求1所述的激光穿孔方法，其特征在于，还包括：经过两个阶段穿孔之后得到的孔的直径为1.0～1.5mm。

7.如权利要求1所述的激光穿孔方法，其特征在于，所述在穿孔的第一阶段以所述初始穿孔参数为初始值进行动态变化对所述板材进行刺穿之前，还包括：

将所述切割头在预穿孔高度在第一预设时间内采用中频脉冲进行激光穿孔，其中所述预穿孔高度高于所述穿孔高度；在第二预设时间内停光出气，在所述板材的表面形成凹坑。

8.如权利要求7所述的激光穿孔方法，其特征在于，所述凹坑的深度为所述板材的厚度的1/5至1/4。

9.如权利要求7所述的激光穿孔方法，其特征在于，在第二预设时间内停光出气之后，还包括：

在第三预设时间内，将所述切割头从所述预穿孔高度下降到所述穿孔高度，且下降过程中不停光。

10.如权利要求1所述的激光穿孔方法，其特征在于，所述切割头在穿孔的第一阶段按照所述初始穿孔参数对所述板材进行刺穿之前，还包括：

对穿孔过程中激光束的光斑大小进行设置，所述光斑的直径为激光器的光线芯径的2.5～3倍。

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