CN114083150A - 一种激光复合切割管体的方法及切割系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种激光复合切割管体的方法及切割系统，属于激光加工技术领域，通过高功率光纤激光束在管体的外表面进行一次切割并形成第一切割缝，通过超短脉冲激光束在所述第一切割缝的基础上进行二次切割并形成第二切割缝，以切断管体，本发明利用高功率光纤激光束和超短脉冲激光束复合切割管体，实现高效率去除和冷加工复合作用，兼具熔融加工和冷加工的特点，提供一种全新的管体切割方式，尤其适用于内部有其他部件或温度要求的管体切割。
Description
技术领域
本发明属于激光加工技术领域，具体地说涉及一种激光复合切割管体的方法及切割系统。
背景技术
随着激光加工技术的发展，对金属和非金属板材的激光切割技术已经非常成熟。对于工业上大量应用的薄板(毫米)和厚板(数十毫米)，一般采用大功率光纤激光器进行切割，具有高效率、低成本特点。对于消费类电子产品(例如手机壳)上的超薄金属板(小于500微米)，一般采用超短脉冲激光束进行切割，具有切割温度低、切缝质量高的特点。
大功率光纤激光切割技术因优异的加工性能和极高的效率使之被广泛应用于各种金属切割行业，可以实现对毫米级的薄板和数十毫米级的厚板进行快速的切割，其切割速度可达数米每分钟。通过高功率激光束的聚焦照射到被加工件表面，其功率密度可达105～106W/cm2，材料吸收光产生热量对材料加热使得作用点温度急剧升高直到熔点，使被照射的材料迅速熔化、汽化、烧蚀形成孔洞，随着光束与工件的相对运动形成切缝，同时，借助辅助气体的动力学作用形成拖拽力将熔融物从切缝内吹出，从而实现切割。大功率光纤激光作用方式为熔融加工，其特点是作用点温度非常高(金属材料熔点上千度)、存在较大热影响区域、有大量的高温熔融残渣喷射产生。
超短脉冲激光束切割技术因其切割质量高、热影响区小的特点广泛应用于消费类电子产品、精密仪器设备中的超薄板的切割，其能量极快地注入很小的作用区域，瞬间高能量密度沉积使电子吸收和运动方式发生变化，避免了激光线性吸收、能量转移和扩散等影响。超短脉冲激光束加工的特点是聚焦激光功率密度大于107W/cm2，直接达到材料的气化功率密度，使得材料直接气化甚或等离子体化，未经过熔融状态而直接气化和离化。同时，超短脉冲的脉冲宽度小于金属材料的晶格弛豫时间，也就是说，在其热量传导前已经完成脉冲激光的作用，从而使得该加工过程无热的影响，实现冷加工(温升低)。
管体材料是指具有一定直径和一定壁厚的规则圆筒材料。激光应用在管体材料的切割已经非常成熟，并已开发出成熟的激光管材切割装备(如大族公司研发了P6018D全自动激光切管机)，其方法是采用高功率光纤激光束切割头垂直于管体材料表面，通过激光头的移动实现快速切割，对于2毫米厚的板材切割线速度可达3米每分钟。激光在切割管体材料表面正入射时，高功率光束将直接照射到管体内部，同时其产生的高温熔渣也会随着高速气流进入管体内部，对于内部含有其它部件的管体材料以及管体外壳，尤其是该内部部件材料无法承受高功率激光直接照射或者高温作用时，会对内部材料造成不可避免的影响。
目前，对于管体内部有其他部件和温度要求的管体，有一种比较可行的方式是采用超短脉冲激光束冷切割的方式进行切割。但是该方法材料去除效率较低，切割速度非常慢，如对2毫米厚材料的切割，其速度约为1毫米每分钟。对于较大直径和较大厚度的管体材料的切割，现有的超短脉冲激光束切割方式显然已经无法满足要求。
发明内容
针对现有技术的种种不足，为了解决上述问题，现提出一种激光复合切割管体的方法及切割系统。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种激光复合切割管体的方法，包括以下步骤：
步骤S100、通过高功率光纤激光束在管体的外表面进行一次切割并形成第一切割缝，且第一切割缝的深度小于管体的壁厚；
步骤S200、通过超短脉冲激光束在所述第一切割缝的基础上进行二次切割并形成第二切割缝，且第一切割缝与第二切割缝的深度总和等于管体的壁厚，以切断管体。
进一步，所述第一切割缝的深度与管体的壁厚的差值小于0.5mm。
进一步，所述第一切割缝和第二切割缝均沿着管体的周向延伸。
进一步，所述第一切割缝的宽度大于第二切割缝的宽度。
进一步，所述第一切割缝的深度为第一切割缝沿着管体径向的厚度，所述第一切割缝的宽度为第一切割缝沿着管体轴向的厚度，同理，第二切割缝的深度及宽度不再赘述。
进一步，步骤S100中，所述第一切割缝的形成过程包括以下步骤：
步骤S101、高功率光纤激光束沿管体切线方向发射并照射于切点位置，使得切点位置的材料被熔融去除；
步骤S102、管体旋转，位于管体同一圆周上的切点位置的材料均被熔融去除；
步骤S103、高功率光纤激光束沿管体径向平移；
步骤S104、重复步骤S101至步骤S103，直至管体的剩余壁厚达到阈值，形成第一切割缝。
进一步，所述切点位置为高功率光纤激光束与管体外表面的相交点。
进一步，在高功率光纤激光束照射切点位置的过程中，高压气体吹除切点位置的材料熔融残渣。
进一步，所述管体的剩余壁厚阈值为x，且x∈(0，0.5)，单位为mm。
进一步，高功率光纤激光束沿管体轴向平移，增加第一切割缝的宽度。
进一步，步骤S200中，所述第二切割缝的形成过程包括以下步骤：
步骤S201、将超短脉冲激光束对准并照射第一切割缝，且焦点位于第一切割缝的底面位置，使得焦点位置的材料被切割去除；
步骤S202、沿着第一切割缝的延伸方向，动态调节超短脉冲激光束的焦点位置，使得焦点位置始终位于超短脉冲激光束的工作区域，形成第二切割缝。
进一步，步骤S201中，超短脉冲激光束沿着管体的径向对准并照射第一切割缝。
进一步，在超短脉冲激光束照射第一切割缝的过程中，高压气体吹除焦点位置的材料残渣。
优选的，步骤S202中，管体同步旋转，沿着第一切割缝的延伸方向，动态调节超短脉冲激光束的焦点位置，使得焦点位置始终位于超短脉冲激光束的工作区域，实现管体圆周方向的材料被均匀地去除，形成第二切割缝。
优选的，步骤S202中，管体静止，沿着第一切割缝的延伸方向，动态调节超短脉冲激光束的焦点位置，使得焦点位置始终位于超短脉冲激光束的工作区域，完成当前区域的材料切割，旋转管体，使得超短脉冲激光束作用到与当前的工作区域相邻的新的工作区域，切割与旋转管体交替重复进行，实现管体整个圆周方向的材料均被切割去除，形成第二切割缝。
另，本发明还提供一种激光复合切割管体的切割系统，包括：
高功率光纤激光束切割组件，用于输出切割管体的高功率光纤激光束；
超短脉冲激光束切割组件，用于输出切割管体的超短脉冲激光束；
供气组件，分别为高功率光纤激光束的工作区域、超短脉冲激光束的工作区域提供高压气体；
以及工作台，用于承载管体并带动管体旋转。
进一步，所述供气组件包括第一供气气路和第二供气气路，所述第一供气气路为高功率光纤激光束的工作区域提供高压气体，所述第二供气气路为超短脉冲激光束的工作区域提供高压气体。
进一步，所述高功率光纤激光束切割组件包括光纤激光器、切割头和机械手，所述光纤激光器用于输出高功率光纤激光束，高功率光纤激光束通过激光传输光缆传输至切割头，切割头对高功率光纤激光束进行准直聚焦形成第一加工激光束，机械手与切割头连接，用于带动切割头移动。
优选的，所述高功率光纤激光束的功率大于500W，其为连续激光、准连续激光或具有调制的脉冲激光。
进一步，所述切割头包括筒体、喷嘴和光学窗口，所述筒体内设有对高功率光纤激光束进行准直聚焦的光学元件，所述光学窗口位于筒体与喷嘴之间，对筒体起到密封和保护作用，所述第一供气气路与喷嘴连通，且第一加工激光束与第一供气气路提供的高压气体通过喷嘴同轴耦合并输出。
进一步，所述超短脉冲激光束切割组件包括超短脉冲激光器、调焦模块、振镜和场镜，所述超短脉冲激光器用于输出超短脉冲激光束，所述调焦模块用于对超短脉冲激光束的焦点位置进行调节，所述振镜用于控制超短脉冲激光束的移动与扫描，所述场镜用于对超短脉冲激光束进行聚焦形成第二加工激光束。
优选的，所述超短脉冲激光器为脉冲小于10ps的皮秒激光器或飞秒激光器。
进一步，所述第二供气气路与气体喷嘴连接，在第二加工激光束切割过程中提供高压气体。
进一步，所述高压气体的压强大于空气压强，高压气体为惰性气体或压缩空气，所述惰性气体为氮气或氩气等。
进一步，所述工作台上设有用于加持管体的旋转轴，且旋转轴具备高速旋转功能。
本发明的有益效果是：
1、利用高功率光纤激光束和超短脉冲激光束复合切割管体，实现高效率去除和冷加工复合作用，兼具熔融加工和冷加工的特点，提供一种全新的管体切割方式，尤其适用于内部有其他部件或温度要求的管体切割。
2、高功率光纤激光束沿管体切线方向发射，既可以完成对切点位置的材料去除，又能够不照射入管体内部，同时，高压气体也沿管体切线方向，既可以将熔融残渣从切线方向去除时不吹入管体内部，又可以将工作区域产生的热量带走，加速冷却，相较于激光束垂直表面切割，具有无激光直接照射管体内部、无熔融残渣、工作区域温度低的优点。
3、超短脉冲激光束的聚焦光斑非常小，平均功率低，工作区域温度低，当光束离开焦点位置时，其功率密度迅速下降，不会对管体内部造成热影响，无热传导，同时，去除过程中只有微小的颗粒物/残渣产生，温度低，对管体内部无影响。
4、供气组件分别为高功率光纤激光束的工作区域、超短脉冲激光束的工作区域提供高压气体，吹除残渣/颗粒物，集成度高。
5、通过调焦模块和场镜动态调节超短脉冲激光束的焦点位置，提高切割效果，灵活方便，自动化程度高。
附图说明
图1是激光复合切割管体的流程框图；
图2是切割系统的整体结构示意图；
图3是第一加工激光束的切割示意图；
图4是第二加工激光束的切割示意图；
图5是第一切割缝的示意图；
图6是第一切割缝和第二切割缝的示意图。
附图中：1-管体、2-光纤激光器、3-筒体、4-喷嘴、5-机械手、6-气源、7-第一供气气路、8-第二供气气路、9-超短脉冲激光器、10-调焦模块、11-振镜、12-场镜、13-第一加工激光束、14-第二加工激光束、15-第一切割缝、16-第二切割缝。
具体实施方式
为了使本领域的人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合本发明的附图，对本发明的技术方案进行清楚、完整的描述，基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的其它类同实施例，都应当属于本申请保护的范围。此外，以下实施例中提到的方向用词，例如“上”“下”“左”“右”等仅是参考附图的方向，因此，使用的方向用词是用来说明而非限制本发明创造。
实施例一：
如图1、图5和图6所示，一种激光复合切割管体的方法，管体1作为需要进行切割的物体，其为圆柱型管状结构或为产品外壳上的某一段圆柱结构，其材质一般为金属材料或能够用激光进行切割的非金属材料，所述管体1的内部有其他部件或有切割温度要求(如小于100℃)，其壁厚大于0.5mm，当壁厚小于0.5mm时，可以直接采用超短脉冲激光束切割。
所述方法包括以下步骤：
步骤S100、通过高功率光纤激光束在管体1的外表面进行一次切割并形成第一切割缝15，且第一切割缝15的深度小于管体1的壁厚，优选的，所述第一切割缝15的深度与管体1的壁厚的差值小于0.5mm。
步骤S200、通过超短脉冲激光束在所述第一切割缝15的基础上进行二次切割并形成第二切割缝16，且第一切割缝15与第二切割缝16的深度总和等于管体1的壁厚，以切断管体。
所述第一切割缝15和第二切割缝16均沿着管体1的周向延伸。同时，所述第一切割缝15的宽度大于第二切割缝16的宽度。具体的，所述第一切割缝15的深度为第一切割缝15沿着管体1径向的厚度，所述第一切割缝15的宽度为第一切割缝15沿着管体1轴向的厚度，同理，第二切割缝16的深度及宽度不再赘述。
如图3、图5所示，所述第一切割缝15的形成过程包括以下步骤：
步骤S101、高功率光纤激光束作为第一加工激光束13沿管体1切线方向发射并照射于切点位置，使得切点位置的材料被熔融去除，所述切点位置为高功率光纤激光束与管体1外表面的相交点，与此同时，高压气体吹除切点位置的材料熔融残渣。
步骤S102、管体1旋转，位于管体1同一圆周上的切点位置的材料均被熔融去除。
步骤S103、高功率光纤激光束沿管体1径向平移。
步骤S104、重复步骤S101至步骤S103，直至管体1的剩余壁厚达到阈值，形成第一切割缝15，所述管体1的剩余壁厚阈值为x，且x∈(0，0.5)，单位为mm。同时，采用激光测距的方式监测管体的剩余壁厚。
所述第一切割缝15的宽度约为高功率光纤激光束的聚焦点位置的光束直径，一般小于500um。为实现更宽宽度的第一切割缝15，高功率光纤激光束沿管体1轴向平移，增加第一切割缝15的宽度。高功率光纤激光束沿管体1切线方向发射，既可以完成对切点位置的材料去除，又能够不照射入管体1内部，同时，高压气体也沿管体1切线方向，既可以将熔融残渣从切线方向去除时不吹入管体1内部，又可以将工作区域产生的热量带走，加速冷却，相较于激光束垂直表面切割，具有无激光直接照射管体1内部、无熔融残渣、工作区域温度低的优点。
如图4、图6所示，所述第二切割缝16的形成过程包括以下步骤：
步骤S201、超短脉冲激光束作为第二加工激光束14沿着管体1的径向对准并照射第一切割缝15，且焦点位于第一切割缝15的底面位置，优选的，焦点位于第一切割缝15的底面中心，使得焦点位置的材料被切割去除，与此同时，高压气体吹除焦点位置的材料残渣。
步骤S202、管体1同步旋转，沿着第一切割缝15的延伸方向，动态调节超短脉冲激光束的焦点位置，使得焦点位置始终位于超短脉冲激光束的工作区域，实现管体1圆周方向的材料被均匀地去除，形成第二切割缝16。
在其他一些实施例中，管体1静止，沿着第一切割缝15的延伸方向，动态调节超短脉冲激光束的焦点位置，使得焦点位置始终位于超短脉冲激光束的工作区域，完成当前区域的材料切割，旋转管体1，使得超短脉冲激光束作用到与当前的工作区域相邻的新的工作区域，切割与旋转管体1交替重复进行，实现管体1整个圆周方向的材料均被切割去除，形成第二切割缝16。
超短脉冲激光束的聚焦光斑非常小，平均功率低，工作区域温度低，当光束离开焦点位置时，其功率密度迅速下降，不会对管体1内部造成热影响，无热传导，同时，去除过程中只有微小的颗粒物/残渣产生，温度低，对管体1内部无影响。
也就是说，利用高功率光纤激光束和超短脉冲激光束复合切割管体1，实现高效率去除和冷加工复合作用，兼具熔融加工和冷加工的特点，提供一种全新的管体1切割方式，尤其适用于内部有其他部件或温度要求的管体1切割。
实施例二：
如图2至图4所示，一种激光复合切割管体的切割系统，包括高功率光纤激光束切割组件、超短脉冲激光束切割组件、供气组件以及工作台，所述高功率光纤激光束切割组件用于输出切割管体1的高功率光纤激光束，超短脉冲激光束切割组件，用于输出切割管体1的超短脉冲激光束，供气组件为高功率光纤激光束的工作区域、超短脉冲激光束的工作区域提供高压气体，工作台用于承载管体1并带动管体1旋转，所述工作台上设有用于加持管体1的旋转轴，且旋转轴具备高速旋转功能。
所述供气组件包括第一供气气路7和第二供气气路8，且第一供气气路7和第二供气气路8分别与气源6连通，所述第一供气气路7为高功率光纤激光束的工作区域提供高压气体，所述第二供气气路8为超短脉冲激光束的工作区域提供高压气体。所述高压气体的压强大于空气压强，高压气体为惰性气体或压缩空气，所述惰性气体为氮气或氩气等。
所述高功率光纤激光束切割组件包括光纤激光器2、切割头和机械手5，所述光纤激光器2用于输出高功率光纤激光束，高功率光纤激光束通过激光传输光缆传输至切割头，切割头对高功率光纤激光束进行准直聚焦形成第一加工激光束13，机械手5与切割头连接，用于带动切割头移动。优选的，所述高功率光纤激光束的功率大于500W，其为连续激光、准连续激光或具有调制的脉冲激光。
所述切割头包括筒体3、喷嘴4和光学窗口，所述筒体3内设有对高功率光纤激光束进行准直聚焦的光学元件，所述光学窗口位于筒体3与喷嘴4之间，对筒体3起到密封和保护作用，所述第一供气气路7与喷嘴4连通，且第一加工激光束13与第一供气气路7提供的高压气体通过喷嘴4同轴耦合并输出。
所述超短脉冲激光束切割组件依次包括超短脉冲激光器9、调焦模块10、振镜11和场镜12，所述超短脉冲激光器9用于输出超短脉冲激光束，由于管体1圆周的弧面特性，其不同位置到场镜12的距离不同，使得存在焦点位置的偏离，因此，需要调焦模块10对超短脉冲激光束的焦点位置进行动态调节，所述振镜11用于控制超短脉冲激光束的移动与扫描，并具备光束轨迹规划设计功能，所述场镜12用于对超短脉冲激光束进行聚焦形成第二加工激光束14。优选的，所述超短脉冲激光器9为脉冲小于10ps的皮秒激光器或飞秒激光器。所述第二供气气路8与气体喷嘴连接，在第二加工激光束14切割过程中提供高压气体。
实施例三：
本实施例与实施例一、实施例二相同的部分不再赘述，不同的是：
管体为碳钢(不锈钢)，直径30mm，厚度2mm。光纤激光器功率1kW，连续模式，准连续调制重频5kHz，占空比50％(或者80％)。第一切割缝宽度600um，深度1.7mm。超短脉冲激光器平均功率50W，重频100kHz，脉冲宽度10ps。第二切割缝宽度800um。高压气体为氮气，压力1.5Mpa。耗时4分钟将管体切断。
实施例四：
本实施例与实施例一、实施例二相同的部分不再赘述，不同的是：
管体为碳钢(不锈钢)，直径100mm，厚度4mm。光纤激光器功率5kW，连续模式，准连续调制重频5kHz，占空比20％。第一切割缝宽度1.2mm，深度3.6mm。超短脉冲激光器平均功率100W，重频500kHz，脉冲宽度500fs。第二切割缝宽度100um。高压气体为氮气，压力1.2Mpa。耗时12分钟将管体切断。
以上已将本发明做一详细说明，以上所述，仅为本发明之较佳实施例而已，当不能限定本发明实施范围，即凡依本申请范围所作均等变化与修饰，皆应仍属本发明涵盖范围内。
Claims (10)
1.一种激光复合切割管体的方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤S100、通过高功率光纤激光束在管体的外表面进行一次切割并形成第一切割缝，且第一切割缝的深度小于管体的壁厚；
步骤S200、通过超短脉冲激光束在所述第一切割缝的基础上进行二次切割并形成第二切割缝，且第一切割缝与第二切割缝的深度总和等于管体的壁厚，以切断管体。
2.根据权利要求1所述的一种激光复合切割管体的方法，其特征在于，所述第一切割缝和第二切割缝均沿着管体的周向延伸。
3.根据权利要求2所述的一种激光复合切割管体的方法，其特征在于，步骤S100中，所述第一切割缝的形成过程包括以下步骤：
步骤S101、高功率光纤激光束沿管体切线方向发射并照射于切点位置，使得切点位置的材料被熔融去除；
步骤S102、管体旋转，位于管体同一圆周上的切点位置的材料均被熔融去除；
步骤S103、高功率光纤激光束沿管体径向平移；
步骤S104、重复步骤S101至步骤S103，直至管体的剩余壁厚达到阈值，形成第一切割缝。
4.根据权利要求3所述的一种激光复合切割管体的方法，其特征在于，所述管体的剩余壁厚阈值为x，且x∈(0，0.5)，单位为mm。
5.根据权利要求1-4任一所述的一种激光复合切割管体的方法，其特征在于，高功率光纤激光束沿管体轴向平移，增加第一切割缝的宽度。
6.根据权利要求5所述的一种激光复合切割管体的方法，其特征在于，步骤S200中，所述第二切割缝的形成过程包括以下步骤：
步骤S201、将超短脉冲激光束对准并照射第一切割缝，且焦点位于第一切割缝的底面位置，使得焦点位置的材料被切割去除；
步骤S202、沿着第一切割缝的延伸方向，动态调节超短脉冲激光束的焦点位置，使得焦点位置始终位于超短脉冲激光束的工作区域，形成第二切割缝。
7.根据权利要求6所述的一种激光复合切割管体的方法，其特征在于，管体同步旋转，沿着第一切割缝的延伸方向，动态调节超短脉冲激光束的焦点位置，使得焦点位置始终位于超短脉冲激光束的工作区域，实现管体圆周方向的材料被均匀地去除，形成第二切割缝。
8.根据权利要求6所述的一种激光复合切割管体的方法，其特征在于，管体静止，沿着第一切割缝的延伸方向，动态调节超短脉冲激光束的焦点位置，使得焦点位置始终位于超短脉冲激光束的工作区域，完成当前区域的材料切割，旋转管体，使得超短脉冲激光束作用到与当前的工作区域相邻的新的工作区域，切割与旋转管体交替重复进行，实现管体整个圆周方向的材料均被切割去除，形成第二切割缝。
9.一种激光复合切割管体的切割系统，其特征在于，包括：
高功率光纤激光束切割组件，用于输出切割管体的高功率光纤激光束；
超短脉冲激光束切割组件，用于输出切割管体的超短脉冲激光束；
供气组件，分别为高功率光纤激光束的工作区域、超短脉冲激光束的工作区域提供高压气体；
以及工作台，用于承载管体并带动管体旋转。
10.根据权利要求9所述的切割系统，其特征在于，所述供气组件包括第一供气气路和第二供气气路，所述第一供气气路为高功率光纤激光束的工作区域提供高压气体，所述第二供气气路为超短脉冲激光束的工作区域提供高压气体。
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