CN111151892B - 一种无锥度激光切割方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种无锥度激光切割方法，主要解决激光加工过程中产生的锥度问题。该方法包括：1)沿切缝高度方向将切缝分为K段；2)将第一段切缝沿高度方向分为P层，激光从第一层至最后一层依次扫描；被切割材料的切缝切割面分别为A面和B面,每一层的激光扫描从A面开始，直至扫完本层的左填充面，然后从B面再次开始，直至扫完本层的右填充面；每一层的左填充面以A面为基准，向B面延伸，每一层的右填充面以B面为基准，向A面延伸；第一层至最后一层的左填充面尺寸依次减小，第一层至最后一层的右填充面尺寸依次减小；3)激光进给，参照步骤2)，对第二段切缝进行切割，直至K段切缝切割完成。

Description

一种无锥度激光切割方法

技术领域

本发明涉及一种超快激光加工工艺，具体涉及一种无锥度激光切割方法。

背景技术

气凝胶材料主要用于航空、航天等承受高温的服役环境中，其在使用过程中的隔热性与结构完整性往往直接影响整个系统的使用寿命，所以在气凝胶材料的加工制备方面也具有相当严格的技术要求。

气凝胶材料的传统加工方式为机械加工、高压水射流加工和长脉冲激光加工等。但此类加工方式容易在气凝胶材料表面产生毛刺、分层、撕裂、崩边、热熔等损伤，同时对于尺寸要求较高的结构件，采用上述方法切割后往往存在很严重的锥度问题，难以满足其在航空、航天结构中的要求。同样，其他对损伤、尺寸要求较高的热结构材料在切割过程中也面临损伤及锥度问题。

超快激光具有峰值功率极高、脉冲极短的特点，材料去除过程以“冷加工”的方式进行而非热熔性。因此，超快激光应用在气凝胶材料切割中，可以实现断面无微裂纹、无重熔层及无热影响区等，且材料断面具有较好的表面平整度。但是由于高斯光束的聚焦特性，应用超快激光切割往往在切缝两侧的材料上形成一定的锥度，且该锥度随着厚度的增加而增大，对于厚度较大的材料，光束下降到一定程度时会出现挡光现象，进一步增大锥度，甚至无法继续加工，后期采用光束修正仍然无法彻底解决由光束本身所导致的锥度问题。

因此，形成锥度的主要原因有：一是因为聚焦光束随着深度下降出现挡光所致；二是因为随着深度增加，光束离焦现象明显，边缘能量输入少，激光去除能量下降。

发明内容

本发明的目的是主要解决激光加工过程中产生的锥度问题，提供一种无锥度激光切割方法。

本发明的技术方案是：

一种无锥度激光切割方法，包括以下步骤：

1)沿切缝高度方向将切缝分为K段，K≥1；

2)对第一段切缝进行激光切割；

将第一段切缝沿高度方向分为P层，P≥1，激光从第一层至最后一层依次扫描，且相邻两层的填充线扫描角度错开设置；

被切割材料的切缝切割面分别为A面和B面，每一层的激光扫描从A面开始，直至扫完本层的左填充面，然后从B面再次开始，直至扫完本层的右填充面；每一层的左填充面以A面为基准，向B面延伸，每一层的右填充面以B面为基准，向A面延伸；第一层至最后一层的左填充面尺寸依次减小，第一层至最后一层的右填充面尺寸依次减小；

3)激光进给，参照步骤2)，对第二段切缝进行切割，以此类推，直至K段切缝切割完成。

进一步地，步骤2)中，每一层的激光扫描采用弓形线扫描。

进一步地，步骤2)中，每一层的左填充面和右填充面均为矩形面，第一层至最后一层的左填充面、右填充面的长度不变，宽度逐层依次递减。

进一步地，步骤2)中，相邻两层的填充线扫描角度错开设置具体如下：第i层与第i+1层的错开角度为90°，第i+1层与第i+2层的错开角度为30°；第i+2层与第i+3层的错开角度为90°，第i+3层与第i+4层的错开角度为30°；以此类推，直至P层扫描完毕；其中i为大于等于1，且小于P的整数。

进一步地，步骤2)中，P为10，则第1层至第10层的错开角度设置如下：0°、90°、60°、150°、120°、210°、180°、270°、240°、330°。

进一步地，扫描激光的波长为1030nm。

进一步地，激光在扫描过程中，沿切割方向吹扫保护气体。

进一步地，所述保护气体为Ar气。

本发明与现有技术相比，具有以下技术效果：

1.与当前常见的激光切割方法相比，本发明采用激光错边切割的方法，在激光扫描轨迹上设计一定宽度的切割槽，激光依次扫描两侧及中间材料，形成切缝。传统的单束或多束激光加工时，激光能量分布呈中心高两侧低的特点，往往在切缝两侧形成很大的锥度，本方法中激光扫描轨迹具有中间重叠率低，而边缘重叠率高的特点，在一定程度上补偿了由激光能量分布不均形成的锥度问题。

2.本发明激光错边切割方法中，由于激光轨迹形成了一定宽度的切割槽，在较大厚度材料的加工方面，可以避免光束挡光问题，且随着厚度的增加，可以相应的增大激光扫描轨迹的范围，实现无挡光、无锥度切割。

3.本发明利用超快激光光束进行材料切割，解决了传统加工方法切割气凝胶及其他对损伤要求较高的材料所带来的微裂纹、热损伤及锥度等直接影响使用寿命及性能的问题。

附图说明

图1为现有的激光加工系统示意图；

图2为本发明单面切割轨迹分布示意图；

图3为本发明切割轨迹平面投影图；

图4为本发明振镜无错边无锥度加工示意图。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明的内容作进一步详细描述：

当前超快激光主要以振镜加工的方式进行切割材料，但振镜线扫描切割方式无法一次性解决切割锥度的问题。本发明针对气凝胶及其他对损伤、尺寸要求较高的热结构材料在切割过程中面临的损伤及锥度问题，提供一种利用振镜实现低损伤、无锥度切割的方法。

如图1所示，本发明采用现有的激光加工系统，该系统包括沿光路依次设置的激光器、扩束器、两个反射镜、振镜系统和场镜。激光器选择波长为1030nm的飞秒红外激光器，场镜选择焦距为160mm的远心场镜，其中振镜系统需要事先进行方向及尺寸的校正。初始光束沿激光器水平出射后经两倍扩束并准直，扩束后的光束光斑大约为6mm，光束经第一个45°反射镜后垂直向下传输，经第二个45°反射镜后水平沿振镜的入光口中心进入振镜系统，振镜系统输出的光路通过场镜聚焦后聚焦至加工物体表面。振镜系统固定在可以进行升降或进给的驱动轴上，切割过程中根据切缝深度可以实时进给，目的是保证整个切割过程均在焦点处完成，尽量避免离焦加工。振镜系统具体包括X偏转镜和Y偏转镜，通过控制X偏转镜和Y偏转镜的运动，从而控制激光的加工轨迹，该系统采用两个反射镜，使得可以对该光路的激光进行光路控制和调整。

在上述光路中需采用光束质量分析仪分别对水平传输的光束进行水平度调整，对光路中垂直传输光束及振镜下的光束进行垂直度校准。

本发明无锥度切割主要采取开槽切割，错边加工的方法，目的在于优先扫描切缝边缘材料、并选择性的改变扫描次数，从而达到无锥度切割。

本发明提供的无锥度激光切割方法，包括以下步骤：

1)沿切缝高度方向将切缝分为K段，K≥1；

2)对第一段切缝进行激光切割，形成一定宽度的切割槽；被切割材料的切缝宽度为M，高度为H，长度为N，切割面分别为A面和B面；

将第一段切缝沿高度方向分为P层，P≥1，激光从第一层至最后一层依次扫描，且相邻两层的扫描角度错开设置，每一层的激光扫描采用弓形线扫描；

每一层的激光扫描从A面开始，直至扫描完本层的左填充面，然后从B面再次开始，直至扫描完本层的右填充面；每一层的左填充面以A面为基准，向B面延伸，每一层的右填充面以B面为基准，向A面延伸；第一层至最后一层的左填充面尺寸依次减小，第一层至最后一层的右填充面尺寸依次减小；具体的，每一层的左填充面和右左填充面为矩形面，第一层矩形面的长和宽为M×N，第二层至最后一层的长度为M，宽度依稀递减；

也就是说，每一层的激光扫描轨迹从A面开始，然后是B面对应的填充面，即A、B面同一层填充面依次扫描，扫描完成后再依次扫描下一层对应的填充面，直至扫描完所有A、B面对应的填充面；

3)激光进行进给，参照步骤2)，对第二段切缝进行切割，以此类推，对剩余的切缝进行切割，直至K段切缝切割完成。

步骤2)中，相邻两层的填充角度错开设置具体如下：第i层与第i+1层的错开角度为90°，第i+1层与第i+2层的错开角度为30°；第i+2层与第i+3层的错开角度为90°，第i+3层与第i+4层的错开角度为30°；以此类推，直至P层扫描完毕；其中i为大于等于1，且小于P的整数。

本发明方法具体切割过程如下：

由于气凝胶材料结构疏松，属于非金属结构，且材料本身具有很强的脆性，由于非金属中可以自由运动的电子数极少，飞秒激光加工非金属过程中首先是激发电离，当电子密度达到一定程度后，通过电子吸热、爆炸的方式进行材料的去除，因此超快激光加工时需要设置较大的单脉冲能量，保证加工过程中的激发电离过程与电子吸收过程。另一方面，激光能量密度不宜过高，过高使得材料发生崩边、氧化。本发明方法设置激光器重复频率为100kHz，功率选择5W，振镜扫描速度设置为1000mm/min。同时，沿切割方向设置旁轴吹气的气嘴，保护气体种类为99.999％的Ar气，吹气方向与运动方向相反，气体流量设置为1.5L/min。保护气体一方面是为了及时吹散表面的空气，在材料表面形成一定惰性气体环境，保护材料在外界辐射热作用下不被氧化；另一方面加速已去除材料的剥离过程。

设定需要切割的材料厚度为10mm，切割长度为50mm聚焦后的光斑直径为30μm，焦点上方10mm处的焦斑大小大约为50μm，所以针对10mm厚的气凝胶材料，设计1mm宽的切缝进行无锥度切割。

开始加工前，首先将加工材料固定在平台上，调整振镜，使得光束焦点与材料表面位置重合。

加工时，打开旁轴吹气，启动设备进给功能，进给速率为2mm/min，振镜加工次数设置为连续加工，激光沿依次完成所有轨迹扫描；待进给程序结束后，切割完成。

本发明激光切割过程采用多线填充、错边切割去除材料的方法进行，需要对振镜进行运动控制，从而实现激光扫描轨迹的控制。

将切割段分为10层，每一层的左填充面和右填充面为矩形面，第一层为1mm×50mm的矩形，同时选择确定需要错边切割的位置，然后以该位置为基准，依次画0.9mm×50mm、0.8×50mm···0.1×50mm的矩形，即以切割边为基准，形成了一个逐渐缩进的矩形面，如图2平面投影图所示。用同样的方法完成另一边的错边加工扫描轨迹设计，同一切缝中错边加工轨迹的等效截面如图3中等效截面所示。

分别对每个矩形面进行填充，每个矩形面的填充方式选择弓形线填充，第一层至第十层的错开角度遵循以下角度：0°、90°、60°、150°、120°、210°、180°、270°、240°、330°。

控制振镜，从而控制激光扫描轨迹，错边切割中采取A、B两边依次扫描的方式，即切缝两侧同一层的轨迹依次扫描，同一层扫描轨迹完成后，自动进行下一层扫描，依次类推，直至扫描完成。

通过上述过程，可以形成一道1mm切缝宽度，切缝两侧切面均几乎无锥度，且由于超快激光的“冷加工”效应及保护气体的作用，切面无微裂纹、无损伤。

本工作中选用飞秒激光器作为加工工具，一方面是飞秒激光本身具有极高的峰值功率，在材料的加工中基本可以实现“冷加工”，即热熔性无损伤。另一方面，本工作中选择的5W激光功率、100kHz重复频率和1000mm/s的加工速度是充分考虑了本条件下的激光脉冲重叠率等加工参数，可以实现该类材料的无损伤加工。

Claims (6)

1.一种无锥度激光切割方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)沿切缝高度方向将切缝分为K段，K≥1；

2)对第一段切缝进行激光切割；

将第一段切缝沿高度方向分为P层，P＞1，激光从第一层至最后一层依次扫描，且相邻两层的填充线扫描角度错开设置；

被切割材料的切缝切割面分别为A面和B面，每一层的激光扫描从A面开始，直至扫完本层的左填充面，然后从B面再次开始，直至扫完本层的右填充面；每一层的左填充面以A面为基准，向B面延伸，每一层的右填充面以B面为基准，向A面延伸；第一层至最后一层的左填充面尺寸依次减小，第一层至最后一层的右填充面尺寸依次减小；

步骤2)中，每一层的左填充面和右填充面均为矩形面，第一层至最后一层的左填充面、右填充面的长度不变，宽度逐层依次递减；

步骤2)中，相邻两层的填充线扫描角度错开设置具体如下：第i层与第i+1层的错开角度为90°，第i+1层与第i+2层的错开角度为30°；第i+2层与第i+3层的错开角度为90°，第i+3层与第i+4层的错开角度为30°；以此类推，直至P层扫描完毕；其中i为大于等于1，且小于P的整数；

3)激光进给，参照步骤2)，对第二段切缝进行切割，以此类推，直至K段切缝切割完成。

2.根据权利要求1所述的无锥度激光切割方法，其特征在于：步骤2)中，每一层的激光扫描采用弓形线扫描。

3.根据权利要求2所述的无锥度激光切割方法，其特征在于：步骤2)中，P为10，则第1层至第10层的错开角度设置如下：0°、90°、60°、150°、120°、210°、180°、270°、240°、330°。

4.根据权利要求3所述的无锥度激光切割方法，其特征在于：步骤2)、步骤3)中，扫描激光的波长为1030nm。

5.根据权利要求4所述的无锥度激光切割方法，其特征在于：步骤2)、步骤3)中，扫描激光在扫描过程中，沿切割方向吹扫保护气体。

6.根据权利要求5所述的无锥度激光切割方法，其特征在于：步骤2)、步骤3)中，所述保护气体为Ar气。

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