CN112894359A - 一种射流切割方法及其系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种射流切割方法及其系统，射流切割方法包括以下步骤：(1)装夹工件并使所述工件的待加工面成竖直状态；(2)将激光束照射到所述待加工面上形成加热点，将射流束冲击到所述待加工面上形成切割点，所述切割点位于所述加热点的下部，且所述切割点和所述加热点均位于加工轨迹上；(3)所述加热点和所述切割点相对于所述待加工面向上沿着所述加工轨迹移动，对所述工件进行加工；本发明在装夹工件后，使得工件的待加工面成竖直状态，射流束的介质依靠重力的作用在加工后流向地面方向，可以减少对待加工面的降温，提高激光对于待加工面的软化作用，进而提高加工效率。

Description

一种射流切割方法及其系统
技术领域
本发明涉及射流切割技术领域，特别是涉及一种射流切割方法及其系统。
背景技术
高压水射流切割技术是一种利用一定高压的纯水或带有切割磨料的液浆，经切割喷管射出具有高密度冲击的液柱，直冲被加工物体进行切割的技术。相较于传统机械加工技术，高压水射流具有切割范围广、切割质量好、无热加工、环保、无需更换刀具等优点。相较于传统刀具，高压水射流设备在切割陶瓷等高硬度材料时加工速度可以提高数十倍，但是其刀具进给速度仍然缓慢，加工效率仍然较低，达不到大批量生产所需的要求。
现有的方案在提高水射流的加工效率的最主要的措施是利用激光加热对材料表面的软化作用，使得高硬度材料更易被切割。
申请公布号为CN108326554A的中国专利公开了一种激光水射流复合加工系统，射流喷嘴出射水射流，水射流落点在工件表面的加工路径上，激光装置1产生的激光束经多次全反射汇聚为直线光束输出，直接作用于水中工件表面的加工路径上，形成激光水射流复合的加工系统，但是，该方案中工件的待加工面与地面水平，在实际加工时，会导致水射流的工作介质不可避免的漫到已经被激光加热的区域，造成待加工区域的降温，削弱应有的软化作用。
发明内容
本发明的目的是提供一种射流切割方法及其系统，以解决上述现有技术存在的问题，在装夹工件后，使得工件的待加工面成竖直状态，射流束的介质依靠重力的作用在加工后流向地面方向，可以减少对待加工面的降温，提高激光对于待加工面的软化作用，进而提高加工效率。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
本发明提供一种射流切割方法，包括以下步骤：
(1)装夹工件并使所述工件的待加工面成竖直状态；
(2)将激光束照射到所述待加工面上形成加热点，将射流束冲击到所述待加工面上形成切割点，所述切割点位于所述加热点的下部，且所述切割点和所述加热点均位于加工轨迹上；
(3)所述加热点和所述切割点相对于所述待加工面向上沿着所述加工轨迹移动，对所述工件进行加工。
优选地，所述射流束倾斜向下冲击到所述待加工面。
优选地，所述射流束与所述待加工面的夹角为75°-90°，所述射流束的射流出速为400m/s以上。
优选地，所述激光束倾斜向下照射到所述待加工面，所述激光束的倾斜角度小于所述射流束的倾斜角度，射流偏距大于所述射流束的半径，且为所述加热点和所述切割点相对于所述待加工面移动速度的1.5至2倍。
优选地，所述激光束与所述待加工面的夹角为45°-65°。
优选地，所述射流束采用的介质为液氮或0-4℃的水。
本发明还提供一种射流切割系统，包括激光装置和射流装置，工件在装夹后使得所述工件的待加工面成竖直状态，所述激光装置发射激光束并照射到所述待加工面上形成加热点，所述射流装置喷出射流束并冲击到所述待加工面上形成切割点，所述切割点位于所述加热点的下部，所述加热点和所述切割点相对于所述待加工面向上移动。
优选地，所述射流装置的喷头处设置有保护罩，用于防止所述射流束的介质溅射到所述激光装置。
优选地，所述激光束倾斜向下、且与所述待加工面的夹角为45°-65°，所述射流束倾斜向下、且与所述待加工面的夹角为75°-90°，射流偏距大于所述射流束的半径，且为所述激光束和所述射流束相对于所述待加工面移动速度的1.5至2倍。
优选地，所述射流束采用的介质为液氮或0-4℃的水。
本发明相对于现有技术取得了以下技术效果：
(1)本发明在装夹工件后，使得工件的待加工面成竖直状态，射流束的介质不会或很少漫到待加工面已加热区域，而是依靠重力的作用在加工后流向地面方向，因此，可以减少对待加工面的降温，提高激光对于待加工面的软化作用，进而提高加工效率；
(2)本发明射流束倾斜向下冲击到待加工面上，由于射流束相对于待加工面向上方移动，此时，射流束会在被加工处大部分向下方已切割缝隙处流去，相较于垂直冲击待加工面或者朝向移动方向倾斜冲击待加工面的切割方式，减少了介质向周围的飞溅，一方面可以减少对激光束照射到待加工面的加热点的降温，另一方面可以降低介质飞溅至激光装置光束头使其损坏的风险；
(3)本发明射流偏距大于射流束的半径，且为加热点和切割点相对于待加工面移动速度的1.5至2倍，也就是说，本发明射流偏距即加热点和切割点之间的间距不至于过大和过小，能够避免射流偏距小于射流半径所导致的激光束透过射流束的介质而降低激光束照射到加热点的能量，同时避免射流偏距过大导致切割点较晚到达加热点使得加热点的温度散失过多而削弱切割效果，另外，还可以避免激光束对加热点的过度烧蚀；
(4)本发明将激光束倾斜向下照射到待加工面上，一方面能够保证射流偏距在设计范围之内，另一方面还可以在射流装置的射流喷头处增加防护罩，防止射流束的介质溅射至激光装置导致激光装置的损坏；
(5)本发明采用温度较低的0-4℃的冷水或液氮作为射流束的介质，骤冷骤热下工件内部各相材料的热膨胀系数不同产生的热失配应力增加了工件内部的残余热应力，加大的残余热应力极易诱发新的微裂纹，同时在原有的裂纹尖端处产生应力集中，当受到外载荷的作用时裂纹更易产生与扩展，因此工件更易被切割。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明射流切割系统的示意图；
其中，1、激光装置；11、激光束；2、射流装置；21、射流束；22、保护罩；3、工件。
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，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明的目的是提供一种射流切割方法及其系统，以解决现有技术存在的问题，在装夹工件后，使得工件的待加工面成竖直状态，射流束的介质依靠重力的作用在加工后流向地面方向，可以减少对待加工面的降温，提高激光对于待加工面的软化作用，进而提高加工效率。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
参考图1，本发明提供一种射流切割方法，包括以下步骤：
(1)装夹工件3，工件3可以为板状待切割材料，将工件3在加工轨迹的两侧进行装夹，并装夹紧固，装夹方式采用现有的方法，以避免工件3在被切割后仍能保证被切断的两部分均不脱离夹紧的状态；如果是局部切割，也可以在加工轨迹的两侧进行装夹；装夹后使工件3的待加工面成竖直状态；
(2)将激光束11照射到待加工面上形成加热点，激光束11可以由激光装置1发射，而激光装置1可以采用现有的能够发射激光并利用激光加热的设备，将射流束21冲击到待加工面上形成切割点；射流束21可以由射流装置2喷出，而射流装置2可以采用现有的能够进行射流切割的设备，射流束21的介质可以是水、带有磨料的水或者其他溶液、切割液等，在采用带有磨料的水时，可以在介质中添加60-80目的石榴石磨料；切割点位于加热点的下部，且切割点和加热点均位于加工轨迹上；
(3)加热点和切割点相对于待加工面向上沿着加工轨迹移动，对工件3进行加工，也就是说，在加工时，先由激光束11对待加工面进行加热，使得工件3在加热点软化，然后再利用射流束21对已软化的加热点进行切割；并且，需要注意的是：在实际中，可以是工件3不动、激光装置1和射流装置2移动，也可以是激光装置1和射流装置2不动、工件3移动；由于待加工面为竖直状态，射流束21在冲击到待加工面后，射流束21的介质不会或很少漫到待加工面已加热区域，而是依靠重力的作用在加工后流向地面方向，因此，可以减少对待加工面的降温，提高激光对于待加工面的软化作用，进而提高加工效率。
如图1所示，射流束21倾斜向下冲击到待加工面，由于射流束21相对于待加工面向上方移动，此时，射流束21会在被加工处大部分向下方已切割缝隙处流去，相较于垂直冲击待加工面或者朝向移动方向倾斜冲击待加工面的切割方式，减少了介质向周围的飞溅，一方面可以减少对激光束11照射到待加工面的加热点的降温，另一方面可以降低介质飞溅至激光装置1的光束头使其损坏的风险。
进一步的，射流束21与待加工面的夹角为75°-90°，能够更好的获得切割效果，并使得射流束21向切割缝隙处流去，降低飞溅，更为优选的是射流束21与待加工面的夹角为80°；另外，射流束21的射流出速可以为400m/s以上，此时射流束21的压力可以达到200MPa-400MPa，也就是说，利用高压的射流束21作为主加工，激光束11只是起到辅助作用，以进行更好的射流切割。
如图1所示，激光束11倾斜向下照射到待加工面，激光束11的倾斜角度小于射流束21的倾斜角度，因此，能够使得激光束11的加热点更接近于射流束21的切割点，需要说明的是：加热点和切割点之间的距离定义为射流偏距，通过上述的设置方式可以使得射流偏距大于射流束21的半径，且为加热点和切割点相对于待加工面移动速度的1.5至2倍；例如，可以是射流偏距为3mm，加热点和切割点相对于待加工面的移动速度为1.5mm/s-2mm/s，也可以是射流偏距为3-10mm，加热点和切割点相对于待加工面移动速度为0.5mm/s-5mm/s；使得激光束11的加热点先于射流束21的切割点1.5s-2s到达加工位置；因此，射流偏距不至于过大和过小，能够避免射流偏距小于射流半径所导致的激光束11透过射流束21的介质而降低激光束11照射到加热点的能量，同时避免射流偏距过大导致切割点较晚到达加热点使得加热点的温度散失过多而削弱切割效果，另外，还可以避免激光束11对加热点的过度烧蚀，此处需要说明的是，现有技术中，为了防止激光热损伤的产生，使得射流偏距小于射流半径，利用射流束降低激光的能量，本发明使得射流偏距大于射流半径后并使其处于加热点和切割点相对于待加工面移动速度的1.5-2倍的间距内，能够在防止激光热损伤和激光热损失过多之中寻找平衡点，达到更佳的切割效率和切割质量。
进一步的，激光束11与待加工面的夹角为45°-65°，能够更好的调整射流偏距的大小，更为优选的是激光束11与待加工面的夹角为60°。
射流束21采用的介质可以为液氮或0-4℃的水，远低于常温的介质的温度，也就是说，相较于现有技术进一步的降低了所采用的介质的温度，在加热点利用激光束11加热，在切割点利用射流束21冷却切割，形成骤冷骤热的变化，骤冷骤热下工件3内部各相材料的热膨胀系数不同产生的热失配应力增加了工件3内部的残余热应力，加大的残余热应力极易诱发新的微裂纹，同时在原有的裂纹尖端处产生应力集中，当受到外载荷的作用时裂纹更易产生与扩展，因此工件3更易被切割。
如图1所示，本发明还提供一种射流切割系统，可以应用前文的射流切割方法，也就是说，前文的射流切割方法中的提到的装置和结构均可以应用在射流切割系统中，具体的，可以包括激光装置1和射流装置2，其中，激光装置1可以是超短脉冲光纤激光发生器，脉冲为202ns，脉冲能量为0.5mg，波长为1080nm，随机偏振；在激光频率为50khz、焦平面位置为0mm、脉冲重叠率为99％、横向移动速度为1.5mm/s时，聚焦激光束11的直径为25um；激光装置1可以在瞬时(＜10-5s)将激光能转化为工件3表层(＜10-5cm)的热能(工件3表层温度可以达到1000℃)，在这个过程中，陶瓷等高硬度材料从脆性断裂转变为塑性破坏，材料被软化，另外，需要说明的是：如果是工程陶瓷材料，那么温度应该在1000℃左右，如果是高速钢等高硬材料，温度可以适当调低，合理调节功率既可以保证加工的经济型，也可以防止过于严重的热损伤；射流装置2可以是超高压磨料水射流机床，采用200MPa-400MPa的水射流设备，喷水直径为1mm；需要注意的是，激光装置1和射流装置2并不局限于上述给出的具体实施例；工件3在装夹后使得工件3的待加工面成竖直状态，激光装置1发射激光束11并照射到待加工面上形成加热点，射流装置2喷出射流束21并冲击到待加工面上形成切割点，切割点位于加热点的下部，加热点和切割点相对于待加工面向上移动。
如图1所示，射流装置2的喷头处设置有保护罩22，保护罩22可以为圆形、方形或其他异形结构，保护罩22能够阻挡喷头喷出的射流束21在冲击到待加工面后飞溅到激光装置1，避免导致激光装置1的损坏，需要注意的是，在设置保护罩22后，必然会增大射流装置2相对于射流束21的宽度，可能阻挡激光束11照射到待加工面上，此时，保护罩22可以采用透明材质制作而成，可以透过激光也能阻挡介质飞溅，或者，调整激光束11照射到待加工面的角度，使其倾斜角度小于射流束21与待加工面的角度。
具体的，激光束11倾斜向下、且与待加工面的夹角为45°-65°，射流束21倾斜向下、且与待加工面的夹角为75°-90°，射流偏距大于射流束21的半径，且为激光束11和射流束21相对于待加工面移动速度的1.5至2倍，射流偏距不至于过大和过小，能够避免射流偏距小于射流半径所导致的激光束11透过射流束21的介质而降低激光束11照射到加热点的能量，同时避免射流偏距过大导致切割点较晚到达加热点使得加热点的温度散失过多而削弱切割效果，另外，还可以避免激光束11对加热点的过度烧蚀。
射流束21采用的介质为液氮或0-4℃的水，在加热点利用激光束11加热，在切割点利用射流束21冷却切割，形成骤冷骤热的变化，骤冷骤热下工件3内部各相材料的热膨胀系数不同产生的热失配应力增加了工件3内部的残余热应力，加大的残余热应力极易诱发新的微裂纹，同时在原有的裂纹尖端处产生应力集中，当受到外载荷的作用时裂纹更易产生与扩展，因此工件3更易被切割。
本发明中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (10)

1.一种射流切割方法，其特征在于：包括以下步骤：
(1)装夹工件并使所述工件的待加工面成竖直状态；
(2)将激光束照射到所述待加工面上形成加热点，将射流束冲击到所述待加工面上形成切割点，所述切割点位于所述加热点的下部，且所述切割点和所述加热点均位于加工轨迹上；
(3)所述加热点和所述切割点相对于所述待加工面向上沿着所述加工轨迹移动，对所述工件进行加工。
2.根据权利要求1所述的射流切割方法，其特征在于：所述射流束倾斜向下冲击到所述待加工面。
3.根据权利要求2所述的射流切割方法，其特征在于：所述射流束与所述待加工面的夹角为75°-90°，所述射流束的射流出速为400m/s以上。
4.根据权利要求2或3所述的射流切割方法，其特征在于：所述激光束倾斜向下照射到所述待加工面，所述激光束的倾斜角度小于所述射流束的倾斜角度，射流偏距大于所述射流束的半径，且为所述加热点和所述切割点相对于所述待加工面移动速度的1.5至2倍。
5.根据权利要求4所述的射流切割方法，其特征在于：所述激光束与所述待加工面的夹角为45°-65°。
6.根据权利要求5所述的射流切割方法，其特征在于：所述射流束采用的介质为液氮或0-4℃的水。
7.一种射流切割系统，其特征在于：包括激光装置和射流装置，工件在装夹后使得所述工件的待加工面成竖直状态，所述激光装置发射激光束并照射到所述待加工面上形成加热点，所述射流装置喷出射流束并冲击到所述待加工面上形成切割点，所述切割点位于所述加热点的下部，所述加热点和所述切割点相对于所述待加工面向上移动。
8.根据权利要求7所述的射流切割系统，其特征在于：所述射流装置的喷头处设置有保护罩，用于防止所述射流束的介质溅射到所述激光装置。
9.根据权利要求7或8所述的射流切割系统，其特征在于：所述激光束倾斜向下、且与所述待加工面的夹角为45°-65°，所述射流束倾斜向下、且与所述待加工面的夹角为75°-90°，射流偏距大于所述射流束的半径，且为所述激光束和所述射流束相对于所述待加工面移动速度的1.5至2倍。
10.根据权利要求9所述的射流切割系统，其特征在于：所述射流束采用的介质为液氮或0-4℃的水。
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