CN111716014A - 基于熔渣成分确定离轴式激光切割工艺的方法及装置 - Google Patents

基于熔渣成分确定离轴式激光切割工艺的方法及装置 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种基于熔渣成分确定离轴式激光切割工艺的方法，步骤为：采用离轴调整装置调整离轴距离后，离轴激光切割被切割物；收集离轴激光切割产生的熔渣，将熔渣研磨成粉末并制成样本；将制成的样本利用XRD进行衍射扫描，得到熔渣成分衍射图谱；将熔渣成分衍射图谱对照标准材料谱，计算熔渣中各物相的含量百分比，确定离轴式激光切割的工艺条件。本发明用于确定离轴式激光切割的工艺，选择不同的离轴量、功率、切割速度与气压等，提高切割能力，获得更好的切割质量。

Description

基于熔渣成分确定离轴式激光切割工艺的方法及装置
技术领域
本发明涉及激光切割技术领域，特别是涉及基于熔渣成分确定离轴式激光切割工艺的方法及离轴调整装置。
背景技术
现在工业上所使用的激光切割技术基本上是同轴激光切割，少数使用离轴激光切割，离轴激光切割就是将激光束轴线在切割方向上相对于辅助气体偏移一定距离进行切割，激光束轴线与辅助气体轴线之间偏移的距离便为离轴量，离轴式激光切割过程中调整离轴量可以提高加工效率，同时也可以降低切割背面的挂渣。目前并没有任何一种方法能够了解离轴量对激光切割的影响规律，从而不能合理的设定工艺参数，导致切割质量差，加工效率低。
发明内容
发明目的：
本发明目的在于提供一种基于熔渣成分确定离轴式激光切割工艺的方法及装置，其目的在于便于分析离轴量对熔渣成分变化的影响，进而得到离轴量对激光切割的影响规律，确定离轴式激光切割的工艺条件获得更好的切割能力与切割质量。
技术方案：
一种基于熔渣成分确定离轴式激光切割工艺的方法，步骤为：
步骤一，采用离轴调整装置调整离轴距离后，离轴激光切割被切割物；
步骤二，收集离轴激光切割产生的熔渣，将熔渣研磨成粉末并制成样本；
步骤三，将制成的样本利用XRD进行衍射扫描，得到熔渣成分衍射图谱；
步骤四，将熔渣成分衍射图谱对照标准材料谱，得到熔渣中的各种物相的衍射强度和角度，并计算熔渣中各物相的含量百分比及各物相释放的总热量，根据各物相释放的总热量分析离轴量对激光切割机理的影响，确定离轴式激光切割的工艺条件。
步骤二中粉末的粒度为320目。
步骤三中XRD的衍射角度为10°-90°。
步骤四中计算熔渣中各物相的含量百分比的公式为：
Figure RE-GDA0002591730870000021
式中，wi为质量分数，Ii为各物相的峰面积，Ki为已知的各物相的R/R值，Kj i为常数，i 表示i相，j表示j相，n表示有n个相。
一种离轴调整装置，离轴调整装置连接安装在激光切割头内，该装置的冷却固定套外周圈对称设置有螺旋测微器，冷却固定套外周圈还设置有进水连接杆和出水连接杆，冷却固定套内设置有冷却装置，冷却装置由冷却内套和冷却外套组成，冷却内套和冷却外套过盈配合连接，冷却外套与冷却固定套之间留有间隙，冷却内套内设置有聚焦镜片，螺旋测微器与冷却外套接触，冷却装置上端设置冷却固定筒，聚焦镜片与冷却固定筒之间设置有固定镜片环，冷却固定套的上端与激光切割机的导光装置连接，冷却固定套的下端与激光切割机的喷嘴连接。
优点效果：
本发明通过对离轴量对离轴式激光切割中熔渣各物相成分含量的影响，得到各物相的含量百分比，进而可以得到在激光切割中氧铁燃烧反应所释放的热量，通过离轴量对氧铁燃烧反应释放热量的影响规律，便可以方便确定离轴式激光切割的工艺，选择不同的离轴量、功率、切割速度与气压等，提高切割能力，获得更好的切割质量。避免了离轴激光切割程序中不能合理的设定工艺参数，导致切割质量差，加工效率低，导致离轴激光切割技术不能广泛的应用问题。本发明方便选择离轴激光切割程序中合理的工艺参数，以提高切割质量，提高加工效率。
附图说明
图1是本发明实施例所述基于熔渣成分的离轴式激光切割机理分析方法流程示意图；
图2为离轴调整装置示意图；
图3为离轴调整装置俯视图；
图4为熔渣收集箱；
图5为熔渣研磨装置；
图6为玻璃制片；
图7为熔渣衍射图谱；
图中标注：120.进水连接杆，130.出水连接杆，140.螺旋测微器，150.冷却固定套，160.冷却固定筒，170.聚焦镜片，180.固定镜片环，190.冷却装置，190-1.冷却内套，190-2.冷却外套，200.熔渣，210.收集箱，220.聚四氟板，230.碳钢板，240.激光束， 250.捣筒，260.捣锤，270.玻璃制片。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。其中，附图仅用于示例性说明，表示的仅是示意图，不能理解为对本发明的限制。
本发明提供一种基于熔渣成分确定离轴式激光切割工艺的方法及离轴调整装置，通过离轴调整装置调整激光束轴线与辅助气体轴线的位置关系，使激光束轴线在切割方向上超前辅助气体轴线一段距离，将激光切割中产生的熔渣提前吹除出去并收集起来，并对熔渣进行检测分析，以此来分析验证离轴量对激光切割产生的影响与规律，从而在离轴式激光切割中得到合适的工艺参数，提高激光切割质量与切割效率。
一种基于熔渣成分确定离轴式激光切割工艺的方法，步骤为：
采用离轴调整装置调整离轴距离，离轴激光切割被切割物；
收集离轴激光切割产生的熔渣，将熔渣研磨成粉末并制成样本；
将制成的样本利用XRD进行衍射扫描，得到熔渣成分衍射图谱；
将熔渣成分衍射图谱对照标准材料谱，得到熔渣中的各种物相的衍射强度和角度，并计算熔渣中各物相的含量百分比及各物相释放的总热量，根据各物相释放的总热量分析离轴量对激光切割机理的影响，确定离轴式激光切割的工艺条件。
实施例1
采用本发明的基于熔渣成分确定离轴式激光切割工艺的方法以及离轴调整装置，确定离轴式激光切割碳钢板的工艺。
一种基于熔渣成分确定离轴式激光切割工艺的方法，步骤为：
步骤一：采用离轴调整装置调整离轴距离，离轴激光切割被切割物；
本实施例中被切割物为碳钢板，将碳钢板置于收集箱210上，调整离轴调整装置的离轴距离，即在切割方向上调整相对的两对螺旋测微器140，使聚焦镜片170在切割方向上移动一定距离，激光束轴线与辅助气体轴线在同一个位置时处于同轴状态，而激光束焦点的位置会根据聚焦镜片位置的改变而改变，将聚焦镜片在水平方向上沿着切割方向进行移动，便改变了激光束的轴线位置，使激光束轴线相对于辅助气体轴线前移一定距离，实现了离轴切割。
步骤二：收集离轴激光切割产生的熔渣，将熔渣研磨成粉末并制成样本。
离轴激光切割所产生的熔渣利用收集箱210进行收集，为防止熔渣200与收集箱210接触产生污染，在收集箱210内壁贴一层聚四氟薄板220。将待切钢板放在收集箱210上面，将调整好的切割头位于钢板上方，开始切割，激光束240熔化钢板230产生的熔渣200吹落在收集箱210内。
将收集箱210内收集的熔渣200放入捣筒250内，用捣锤260进行研磨，磨成320目的粒度。
将熔渣200研磨成的粉末均匀放在玻璃制片270的凹槽内，并压平，制成可供XRD检测的样本。
步骤三：将制成的样本利用XRD进行衍射扫描，得到熔渣成分衍射图谱；钢板内主要成分是铁，而铁氧化合物的衍射角度范围为10°-90°，所以设定XRD的衍射角度为10° -90°。
将熔渣成分衍射图谱对照标准材料谱，得到熔渣中的各种物相的衍射强度和角度，并利用公式
Figure RE-GDA0002591730870000041
计算熔渣中各物相的含量百分比进而可以得到各物相释放的总热量，根据各物相释放的总热量分析离轴量对激光切割机理的影响，确定离轴式激光切割的工艺条件。
计算熔渣中各物相的含量百分比的公式为：
Figure RE-GDA0002591730870000042
式中，wi为质量分数，Ii为各物相的峰面积，Ki为已知的各物相的R/R值，Kj i为常数，i表示 i相，j表示j相，n表示有n个相。
在衍射图谱中不同的衍射角度上可能存在同一种物相，但公式(1)中的Ii是各物相的峰面积，从而可以确定各物相的最强峰面积，Ki为已知的各物相的R/R值，各物相最强峰确定后，Ki也随之确定。
根据两种物相的衍射强度之比，从而确定Ka b的值，即Kj i的值。
Figure RE-GDA0002591730870000043
当wa＝wb时，则：
Figure RE-GDA0002591730870000044
式中，Ia为a相的峰面积，0＜a≤i；Ib表示b相的峰面积，0＜b≤j；wa为a相的质量分数；wb为b相的质量分数；Ka b为常数。
本发明中，通过检测熔渣对所述离轴式激光切割机理进行分析，所述离轴式激光切割是指将激光束相对于辅助气体在切割方向上前移一定距离，而离轴调整由离轴调整装置实现的。
一种离轴调整装置，离轴调整装置连接安装在激光切割头内，该装置的冷却固定套 150外周圈对称设置有螺旋测微器140，冷却固定套150外周圈还相隔180°设置有进水连接杆120和出水连接杆130，进水连接杆120和出水连接杆130用于对聚焦镜片170进行冷却，冷却固定套150内设置有冷却装置190，冷却装置190由冷却内套(190-1)和冷却外套190-2组成，冷却内套190-1和冷却外套190-2过盈配合连接，冷却内套190-1和冷却外套190-2之间形成冷却水的流路，进水连接杆120和出水连接杆(130)连接在冷却外套190-2上，冷却外套190-2与冷却固定套150之间留有间隙，冷却内套190-1内设置有聚焦镜片170，螺旋测微器140与冷却外套190-2接触，冷却装置190上端设置冷却固定筒160，聚焦镜片170与冷却固定筒160之间设置有固定镜片环180，冷却固定套150 的上端与激光切割机的导光装置连接，冷却固定套150的下端与激光切割机的喷嘴连接。
碳钢板中Fe占绝大部分，其他的物质影响可以忽略不计，故不予考虑。XRD检测熔渣所得衍射图谱如图7所示，从图中可以看到熔渣中的铁氧化合物包括Fe2O3、Fe3O4、FeO三种，而且每一种氧铁化合物在各个衍射角上的衍射强度都不同，Fe2O3在33.185°左右的强度比其他衍射角上的强度都大，Fe3O4在35.481°上的强度与其他衍射角上的强度相比也是最大的，FeO在衍射角为42.131°上的强度最大，Fe在衍射角为44.793°上的强度最大，Fe在44.642°左右衍射强度最大，因此利用33.185°、35.481°、42.131°、 44.793°衍射角度上的峰面积及K值计算各物相的含量百分比。
本次实验验证采用不同离轴量进行切割。其中切割速度、辅助气压、激光电流固定。
表1实验工艺参数
Figure RE-GDA0002591730870000051
通过对衍射图谱利用公式(1)进行计算得到不同离轴量对熔渣氧化产物的影响如表2 所示。
表2不同离轴量的氧化物含量百分比
Figure RE-GDA0002591730870000061
激光切割钢板铁与氧气接触发生化学反应，释放热量，释放的热量用公式(2)、(3)和(4)进行计算。
2Fe+O2→2FeO+267KJ (2)
3Fe+2O2→Fe3O4+1120.5kJ (3)
4Fe+3O2→2Fe2O3+823.4KJ (4)
其中Fe与O2的单位为mol。
表3不同离轴量的放热量
Figure RE-GDA0002591730870000062
综上所述，当激光功率一定时，即激光辐射能固定，随着离轴量的改变，熔渣中的成分也随之变化，且熔渣中释放的热量比同轴释放的多。说明离轴量有助于氧铁燃烧反应的发生，而且，从表3中可知当离轴量改变到0.1mm时，氧铁燃烧反应释放的热量最多。即本实例中离轴式激光切割碳钢板的工艺条件为：辅助气压0.5MPa，切割速度1300mm/min，激光电流150A，离轴量0.1mm。在这个工艺条件下氧铁燃烧反应释放的热量最多。当改变辅助气压、切割速度和激光电流等条件时，通过本发明同样可以得到释放的热量多的离轴量，以提高激光的切割能力。
本发明基于熔渣成分的离轴式激光切割机理分析方法，通过对熔渣进行分析，了解熔渣各成分的变化规律，反应出激光切缝中氧化燃烧反应的程度，可以比同轴选择更低的激光功率、辅助气压或者更高的切割速度，提高了激光的切割能力。

Claims (5)

1.一种基于熔渣成分确定离轴式激光切割工艺的方法，其特征在于：
步骤为：
步骤一，采用离轴调整装置调整离轴距离后，离轴激光切割被切割物；
步骤二，收集离轴激光切割产生的熔渣，将熔渣研磨成粉末并制成样本；
步骤三，将制成的样本利用XRD进行衍射扫描，得到熔渣成分衍射图谱；
步骤四，将熔渣成分衍射图谱对照标准材料谱，得到熔渣中的各种物相的衍射强度和角度，并计算熔渣中各物相的含量百分比及各物相释放的总热量，根据各物相释放的总热量分析离轴量对激光切割机理的影响，确定离轴式激光切割的工艺条件。
2.根据权利要求1所述的基于熔渣成分确定离轴式激光切割工艺的方法，其特征在于：步骤二中粉末的粒度为320目。
3.根据权利要求1所述的基于熔渣成分确定离轴式激光切割工艺的方法，其特征在于：步骤三中XRD的衍射角度为10°-90°。
4.根据权利要求1所述的基于熔渣成分确定离轴式激光切割工艺的方法，其特征在于：步骤四中计算熔渣中各物相的含量百分比的公式为：
Figure RE-FDA0002591730860000011
式中，wi为质量分数，Ii为各物相的峰面积，Ki为已知的各物相的R/R值，Kj i为常数，i表示i相，j表示j相，n表示有n个相。
5.一种如权利要求1中所述的离轴调整装置，离轴调整装置连接安装在激光切割头内，其特征在于：该装置的冷却固定套(150)外周圈对称设置有螺旋测微器(140)，冷却固定套(150)外周圈还设置有进水连接杆(120)和出水连接杆(130)，冷却固定套(150)内设置有冷却装置(190)，冷却装置(190)由冷却内套(190-1)和冷却外套(190-2)组成，冷却内套(190-1)和冷却外套(190-2)过盈配合连接，冷却外套(190-2)与冷却固定套(150)之间留有间隙，冷却内套(190-1)内设置有聚焦镜片(170)，螺旋测微器(140)与冷却外套(190-2)接触，冷却装置(190)上端设置冷却固定筒(160)，聚焦镜片(170)与冷却固定筒(160)之间设置有固定镜片环(180)，冷却固定套(150)的上端与激光切割机的导光装置连接，冷却固定套(150)的下端与激光切割机的喷嘴连接。
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