CN114289860B - 激光切割方法、装置、设备及存储介质 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种激光切割方法、装置、设备及存储介质，激光切割方法包括步骤：调整激光束的焦点位置，使激光束的焦点落在工件表面或工件表面的上方，且激光束投射在工件表面的光斑偏移工件另一表面预定距离；沿预设轨迹移动激光束，使工件表面与工件另一表面之间形成坡口。当激光束在工件表面且离工件另一表面预定距离的位置进行切割时，熔融可从工件另一表面的外部向内部进行，造成工件另一表面处熔化程度较内部熔化程度高，因此可在工件的表面和另一表面之间形成坡口，并且在切割过程中无需改变激光切割头的切割角度。
Description
技术领域
本发明涉及激光切割技术领域，特别涉及一种激光切割方法、装置、设备及存储介质。
背景技术
激光切割是利用激光器产生激光束，并利用激光束照射被切割工件，随着激光束对工件沿一定轨迹进行移动，完成对工件的切割。对工件进行激光切割并形成倾斜的坡口时，需要旋转激光切割头的角度，然而部分激光切割设备的激光切割头无法旋转角度，只能进行平面切割，从而无法实现坡口切割。
发明内容
鉴于上述现有技术的不足之处，本发明提供一种激光切割方法、装置、设备及存储介质，无需旋转激光切割头的角度，即可实现坡口切割。
本实施例采取了以下技术方案：
一种激光切割方法，包括步骤：
调整激光束的焦点位置，使激光束的焦点落在工件表面或工件表面的上方，且激光束投射在工件表面的光斑偏移工件另一表面预定距离；
沿预设轨迹移动激光束，使工件表面与工件另一表面之间形成坡口。
进一步的，在所述激光切割方法中，所述调整激光束的焦点位置，使激光束的焦点落在工件表面或工件表面的上方，且激光束投射在工件表面的光斑偏移工件另一表面预定距离的步骤包括：
获取工件上所需要形成的坡口的宽度；
沿垂直于工件表面的方向移动激光束的焦点的位置，改变激光束投射在工件表面的光斑的直径，使光斑的直径适应坡口的宽度。
进一步的，在所述激光切割方法中，所述沿垂直于工件表面的方向移动激光束的焦点的位置，改变激光束投射在工件表面的光斑的直径，使光斑的直径适应坡口的宽度的步骤包括：
判断坡口的宽度是否小于或等于预设值；
若判断为是，沿垂直于工件表面的方向调整激光束的焦点位置，使激光束投射在工件表面的光斑的直径等于坡口的宽度。
进一步的，在所述激光切割方法中，所述沿垂直于工件表面的方向移动激光束的焦点的位置，改变激光束投射在工件表面的光斑的直径，使光斑的直径适应坡口的宽度的步骤包括：
判断坡口的宽度是否小于或等于预设值；
若判断为否，沿垂直于工件表面的方向调整激光束的焦点位置，使激光束投射在工件表面的光斑的直径为预设值或小于预设值。
进一步的，在所述激光切割方法中，所述沿预设轨迹移动激光束，使工件表面与工件另一表面之间形成坡口的步骤包括：
沿第一预设轨迹移动激光束，使工件表面与工件另一表面之间形成第一坡口：
沿平行于工件表面的方向调整激光束的焦点位置，并沿第二预设轨迹移动激光束，使工件表面与第一坡口之间形成第二坡口；
重复上述步骤，使工件表面与第N坡口之间形成所需要形成的坡口，其中，N为正整数。
进一步的，在所述激光切割方法中，所述坡口的宽度为所述光斑的直径的倍数。
进一步的，在所述激光切割方法中，所述调整激光束的焦点位置，使激光束的焦点落在工件表面或工件表面的上方，且激光束投射在工件表面的光斑偏移工件另一表面预定距离的步骤包括：
获取工件上所需要形成的坡口的深度；
调整激光束的能量，改变激光束投射在工件表面的光斑的能量，使光斑的能量适应坡口的深度。
进一步的，在所述激光切割方法中，所述沿预设轨迹移动激光束，使工件表面与工件另一表面之间形成坡口的步骤包括：
设置切割时的辅助气体，并使辅助气体的吹气方向由工件表面朝向工件另一表面。
一种激光切割装置，包括：
焦点调整模块，用于调整激光束的焦点位置，使激光束的焦点落在工件表面或工件表面的上方，且激光束投射在工件表面的光斑偏移工件另一表面预定距离；
切割控制模块，用于沿预设轨迹移动激光束，使工件表面与工件另一表面之间形成坡口。
一种激光切割设备，包括存储器和处理器，所述存储器中存储有计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现如以上任意一项所述的激光切割方法。
一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机可执行指令，所述计算机可执行指令设置为执行如以上任意一项所述的激光切割方法。
相较于现有技术，本发明提供的一种激光切割方法、装置、设备及存储介质，当激光束在工件表面、并且离工件另一表面预定距离的位置进行切割时，熔融可从工件另一表面的外部向内部进行，造成工件另一表面处熔化程度较内部熔化程度高，因此可在工件的表面和另一表面之间形成坡口。从而可以在不改变激光切割头的切割角度的前提下，对工件进行激光切割并形成坡口，后续无需采用其它设备对工件进行二次加工倒坡口，提高了激光切割设备的实用性。
附图说明
图1为V坡坡口的结构示意图。
图2为Y坡坡口的结构示意图。
图3为本发明提供的激光切割方法的流程图。
图4为本发明提供的坡口切割示意图。
图5为图3所示激光切割方法中步骤S100的流程图。
图6为图5中步骤S120的流程图。
图7为图3所示激光切割方法中步骤S200的流程图。
图8为步骤S200中第一次切割坡口时的示意图。
图9为步骤S200中第二次切割坡口时的示意图。
图10为步骤S200中待形成的坡口切割完成后的示意图。
图11为步骤S140中采用低能量的激光束切割坡口的示意图。
图12为步骤S140中采用高能量的激光束切割坡口的示意图。
图13为本发明提供的激光切割装置的结构框图。
图14为本发明提供的激光切割设备的结构框图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案及效果更加清楚、明确，以下参照附图并举实施例对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明，在没有进一步叙述的情况下，一个实施方式中的元件、结构和特征也可以有益地结合到其他实施方式中。
激光切割是利用激光器产生激光束，通过光纤传达到切割头内通过准直、聚焦后在材料表面产生热量使得材料融化，并根据激光束在材料上进行的一定轨迹的切割运动，从而形成一定外形的切缝。
在激光切割设备中，会配套使用数控系统对切割头运动轨迹进行控制。目前的平板式激光切割头只能实现板材等工件在平面上的垂直切割，然而待切割的工件有时还需要进行二次加工，使工件的端部形成具有一定坡度的斜面。
如图1和图2所示，工件端部形成的斜面即为坡口10，根据坡口10的形状可分为V坡和Y坡。通过对工件切割形成坡口10，可带来相应的作用。例如，可以在工件的开孔上切割坡口10，使小孔形成沉头孔，方便安装螺栓或者其他的连接部件；或者，可以在工件直线边缘倒坡口10，以方便工件的焊接；或者，可以在工件的端部切割坡口10形成倒角，使工件更加美观等。
请参阅图3，本发明提供的激光切割方法可以对工件进行切割形成坡口10，包括步骤：
S100、调整激光束的焦点位置，使激光束的焦点落在工件表面或工件表面的上方，且激光束投射在工件表面的光斑偏移工件另一表面预定距离；
S200、沿预设轨迹移动激光束，使工件表面与工件另一表面之间形成坡口。
请结合图4，工件表面是指工件的切割面20，即工件被激光束照射的面；工件另一表面是指与工件上与工件切割面20相连的断面30。当激光束在工件表面离断面30预定距离的位置进行切割时，由于工件断面30处的表面积大，接触热量更多，熔融从断面30的外部向内部进行，造成断面30处熔化程度较内部熔化程度高，因此可在工件的切割面20和断面30之间，即在工件的端部形成带有一定倾角的坡口10。
并且，通过调整激光束的焦点位置，使激光束的焦点落在工件表面或工件表面的上方，可使激光束投射在工件表面的光斑具有一定的直径，方便形成相应宽度的坡口10。
光斑偏移工件另一表面预定距离，是指光斑的中心离断面30预定距离a，该预定距离a可根据实验或者操作人员的经验进行设置，一般不宜过大，避免无法形成坡口10。并且，预定距离a可选为光斑的半径，使光斑与工件的断面30相交，确保工件能从断面30处向内熔融形成坡口10。预设轨迹是指工件的切割轨迹，可根据工件上需要形成坡口10的部位进行相应的切割轨迹规划。
通过实施上述切割方法，可以在不改变激光切割头的切割角度的前提下，对工件进行激光切割并形成坡口10，后续无需采用其它设备对工件进行二次加工倒坡口10，提高了激光切割设备的实用性，并提高了对工件的切割效率。
工件上的坡口10主要包括坡宽与坡深两个参数，即坡口10的宽度和坡口10的深度。通过调整坡口10的坡宽和坡深，可在工件上形成不同尺寸及坡度的坡口10。在一些实施例中，请参阅图5，步骤S100包括：
S110、获取工件上待形成的坡口的宽度；
S120、沿垂直于工件表面的方向移动激光束的焦点的位置，改变激光束投射在工件表面的光斑的直径，使光斑的直径适应坡口的宽度。
在步骤S110中，可以直接通过人工输入坡口10的宽度，确定工件上待形成的坡口10的宽度；或者也可以通过处理工件的三维零件数据，获得工件上待形成的坡口10的宽度。
在步骤S120中，在实际切割形成坡口10时，激光束留在工件表面的光斑直径大致就是坡口10的宽度。因此可以调整激光束的焦点位置，使其投射在工件表面的光斑的直径为合适的值，以得到所需宽度的坡口10。
在一些实施例中，请参阅图6，步骤S120包括：
S121、判断坡口的宽度是否小于或等于预设值；
S122、若判断为是，沿垂直于工件表面的方向调整激光束的焦点位置，使激光束投射在工件表面的光斑的直径等于坡口的宽度。
在进行激光切割前，根据激光器的参数以及工件的材质，或者通过测试，可获得能在工件上形成合格的坡口10的激光光斑的最大直径，此直径即为S121中的预设值。当工件上待形成的坡口10的宽度小于或等于预设值时，使光斑的直径等于坡口10的宽度，并使光斑与断面30相交，此时通过一次切割即可形成所需宽度的坡口10。
步骤S120还包括：
S123、若判断为否，沿垂直于工件表面的方向调整激光束的焦点位置，使激光束投射在工件表面的光斑的直径为预设值或小于预设值。
此时，由于一次切割无法形成所需宽度的坡口10，因此可将光斑的直径设置为小于或等于预设值，并对工件切割两次或两次以上，以形成所需宽度的坡口10。此时，请参阅图7，步骤S200包括：
S210、沿第一预设轨迹移动激光束，使工件表面与工件另一表面之间形成第一坡口：
S220、沿平行于工件表面的方向调整激光束的焦点位置，并沿第二预设轨迹移动激光束，使工件表面与第一坡口之间形成第二坡口；
S230、重复步骤S220，使工件表面与第N坡口之间形成待形成的坡口，其中，N为正整数。
请结合图8-图10，设定在第一次切割中，激光束在工件表面形成光斑的直径为X，且需要在工件上形成的坡口10宽度为Y。则在步骤S210中，光斑焦点偏移的预定距离a为X/2,沿第一预设轨迹移动激光束完成工件的第一次切割后，在工件上形成坡口10的坡宽b为X。
在步骤S220中，沿平行于工件表面的方向调整激光束的焦点位置，是指焦点远离断面30，且设定在第二次切割中，焦点移动距离为Z1，沿第二预设轨迹移动激光束完成工件的第二次切割后，在工件上形成坡口10的坡宽b为X+Z1。
在步骤S230中，可以重复多次步骤S220，且每次焦点移动距离可以为Z2、Z3、…ZN等，且当X+Z1+Z2+…ZN＝Y时，即可形成所需宽度的坡口10。例如，当X+Z1＝Y时，代表无需重复步骤S220，切割两次即可形成所需宽度的坡口10。
优选的，待形成坡口10的坡宽b可以是激光束投射在工件表面的光斑的直径的倍数，即Y为X的倍数。此时，不仅每一次切割时激光束的焦点高度不变，而且每次切割时焦点的移动距离与光斑的直径一致，即X＝Z1＝Z2＝…＝ZN。
此时，在第一次切割时，激光束投射在工件表面的光斑与断面30相交，沿第一预设轨迹移动激光束完成工件的第一次切割后，在工件上形成第一个坡口10的坡宽b为X。
在第二次切割时，激光束投射在工件表面的光斑与第一个坡口10相交，沿第二预设轨迹移动激光束完成工件的第二次切割后，在工件上形成第二个坡口10的坡宽b为2X。
重复上述步骤，在第N次切割时，激光束投射在工件表面的光斑与第N-1个坡口10相交，沿第N预设轨迹移动激光束完成工件的第N次切割后，在工件上即可形成坡宽b为Y＝NX的坡口10。
在一些实施例中，请继续参阅图5，步骤S100还包括步骤：
S130、获取工件上待形成的坡口10的深度；
S140、调整激光束的能量，改变激光束投射在工件表面的光斑的能量，使光斑的能量适应坡口10的深度。
与步骤S110同理，在步骤S130中，可以直接通过人工输入坡口10的坡深c，确定工件上待形成的坡口10的坡深c；也可以通过处理工件的三维零件数据，获得工件上待形成的坡口10的坡深c。
在步骤S140中，请参阅图11和图12，分别为采用低能量的激光束切割坡口10的示意图和采用高能量的激光束切割坡口10的示意图，可见坡口10的坡深c与激光束的能量有关。因此可通过调节焦点位置、激光功率、激光频率、激光占空比等参数改变激光束的能量，进而调节工件的熔融程度，达到改变坡口10的坡深c的目的。
同时，坡口10的坡深c还与激光束的切割速度有关，可以在步骤S200中调整激光束沿预设轨迹的移动速度，以配合调节坡口10的坡深c。激光光束能量越大，切割速度越慢，则坡口10的坡深c越大；反之，则坡口10的坡深c深度越浅。
由于坡度＝arctan(坡宽/坡深)，通过上述调节坡口10的坡宽b和坡口10的坡深c的方法，实际加工过程中可以得到不同坡度的坡口10。同时，当调节的坡口10深度≥工件厚度时，在工件上可以切割形成V坡；当调节的坡深＜工件厚度时，在工件上可以切割形成Y坡。
在步骤S200中，还可设置切割时的辅助气体，并使辅助气体的吹气方向由工件表面朝向工件另一表面。辅助气体可以是与激光束同轴的氧气、氮气、空气或其他气体，在工件被激光束照射并熔融时，辅助气体可以起到引流作用，使熔融液体倾向于向断面30处流动，便于在工件上形成合格的坡口10。
为了更好地理解本发明，以下举具体实施例对本发明提供的激光切割方法进行说明。
实施例一
板材为厚度4mm的碳钢板，需要对板材上的小孔(3mm)切割形成V坡。
切割工艺参数设置：
1、功率：3000W；
2、速度：0.8m/min；
3、气压：6bar；
4、焦点：0；
5、气体：氧气；
6、1.1mm；
7、喷嘴离板材表面的高度：40mm(焦平面距板面40mm)；
8、脉冲频率：1500HZ；
9、占空比：35。
实施例一切割方法：先在4mm厚的碳钢板材上切割一个直径为3mm的小孔，然后使用上面设置好的工艺参数，切割小孔的同心圆，需进行三次切割，先后切割的同心圆直径分别为4mm、5mm、6mm，这样的切割将会得到一个V型坡口的小圆，V坡宽约为3.5mm，类似的这种孔适合用作螺钉的沉头孔。(如果需要调节V坡口宽度可以调节工艺参数中的功率，速度，脉冲频率或占空比来达到其效果)
实施例二
板材厚度为10mm的碳钢板，需要对板材上的小孔(6mm)切割形成Y坡。
切割工艺参数设置：
1、功率：6000W；
2、速度：1m/min；
3、气压：6bar；
4、焦点：0；
5、气体：氧气；
6、割嘴孔径：
7、喷嘴离板材表面的高度：40mm(焦平面距板面40mm)；
8、激光脉冲频率：1500HZ；
9、占空比：35。
实施例二切割方法：先在10mm厚的碳钢板材上切割一个直径为6mm的小孔，然后使用上面的工艺参数切割该小孔的同心圆，其直径为7.6mm。这样将会得到一个带有Y坡口的小圆，Y坡口宽约为3mm左右，坡口深度约3mm，类似的这种孔也适合用作螺钉的沉头孔，美观实用。
实施例三
板材厚度为10mm的碳钢板，需要在板材上的线段切割形成Y坡。
切割工艺参数设置：
1、功率：6000W；
2、速度：1m/min；
3、气压：6bar；
4、焦点：0；
5、气体：氧气；
6、1.2mm；
7、喷嘴离板材表面的高度为40mm(焦平面距板面40mm)；
8、激光脉冲频率：1500HZ；
9、占空比：35。
实施例三切割方法：先在10mm厚的碳钢板材上切割一条线段，然后在偏移该线段0.8mm处使用上面的工艺参数切割一条与该线段平行的线段，这样将会得到一个Y坡口的线段轮廓，该Y坡的坡宽约为3mm，Y坡的坡深约为3mm。将该方法用到不同工件上，可以得到带Y坡口的工件外形，适合于焊接或给工件做倒角，更加牢固。
如果需要调节Y坡口宽度或深度，可以调节工艺参数中的焦点，功率，速度，脉冲频率或占空比来达到其效果，例如：在其他参数不变的情况下，将坡口切割的焦点从0改成2，那么坡口的宽度增加约0.2mm，坡口深度会减小约0.1mm。不同参数的匹配，决定了切割形成的不同坡口效果。
此外，请参阅图13，本发明还提供一种激光切割装置，包括：
焦点调整模块100，用于调整激光束的焦点位置，使激光束的焦点落在工件表面或工件表面的上方，且激光束投射在工件表面的光斑偏移工件另一表面预定距离；
切割控制模块200，用于沿预设轨迹移动激光束，使工件表面与工件另一表面之间形成坡口。
在一些实施例中，焦点调整模块还包括
坡口宽度调整单元110，用于在获取工件上待形成的坡口的宽度后，沿垂直于工件表面的方向移动激光束的焦点的位置，改变激光束投射在工件表面的光斑的直径，使光斑的直径适应坡口的宽度；
坡口深度调整单元120，用于在获取工件上待形成的坡口的深度后，调整激光束的能量，改变激光束投射在工件表面的光斑的能量，使光斑的能量适应坡口的深度。
本发明还提供了一种非暂态计算机可读存储介质，其存储有计算机可执行指令，所述计算机可执行指令设置为执行上述实施例中的激光切割方法。
请参阅图14，本发明还提供了一种激光切割设备，包括：至少一个中央处理器A1(processor)，图14中以一个中央处理器A1为例；存储器A2(memory)；还可以包括显示屏A3、激光切割头A4、通信接口(Communications Interface)和总线。其中，中央处理器A1、存储器A2、显示屏A3、激光切割头A4和通信接口可以通过总线完成相互间的通信；显示屏A3设置为显示初始设置模式中预设的用户操作界面；通信接口可以传输信息；中央处理器A1可以调用存储器A2中的逻辑指令，通过驱动激光切割头A4移动，以执行上述实施例中的方法。
中央处理器A1可以是中央处理单元(Central Processing Unit，CPU)，该处理器A1还可以是其他通用处理器、数字信号处理器(Digital Signal Processor，DSP)、专用集成电路(Application Specific Integrated Circuit，ASIC)、现成可编程门阵列(Field-Programmable Gate Array，FPGA)或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件等。
此外，上述的存储器A2中的逻辑指令可以通过软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。
存储器A2作为一种计算机可读存储介质，可设置为存储软件程序、计算机可执行程序，如本发明实施例中的方法对应的程序指令或模块。中央处理器A1通过运行存储在存储器A2中的软件程序、指令或模块，从而执行功能应用以及数据处理，即实现上述实施例中的方法。
存储器A2可包括存储程序区和存储数据区，其中，存储程序区可存储操作系统、至少一个功能所需的应用程序；存储数据区可存储根据终端设备的使用所创建的数据等。此外，存储器A2可以包括高速随机存取存储器，还可以包括非易失性存储器。
上述实施例的全部或部分步骤可以通过硬件来完成，也可以通过程序来指令相关的硬件完成，该程序可以存储于一计算机可读存储介质中，存储介质可以是非暂态存储介质，包括U盘、移动硬盘、只读存储器(Read-Only Memory，ROM)、随机存取存储器(RandomAccess Memory，RAM)、磁盘或光盘等等多种可以存储程序代码的介质，也可以是暂态存储介质。
可以理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，而所有这些改变或替换都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。
Claims (7)
1.一种激光切割方法，其特征在于，包括步骤：
调整激光束的焦点位置，使激光束的焦点落在工件表面或工件表面的上方，且激光束投射在工件表面的光斑偏移工件另一表面预定距离；
沿预设轨迹移动激光束，使工件表面与工件另一表面之间形成坡口；
所述调整激光束的焦点位置，使激光束的焦点落在工件表面或工件表面的上方，且激光束投射在工件表面的光斑偏移工件另一表面预定距离的步骤包括：
获取工件上所需要形成的坡口的宽度；
判断坡口的宽度是否小于或等于预设值；
若判断为是，沿垂直于工件表面的方向调整激光束的焦点位置，使激光束投射在工件表面的光斑的直径等于坡口的宽度；
若判断为否，沿垂直于工件表面的方向调整激光束的焦点位置，使激光束投射在工件表面的光斑的直径为预设值或小于预设值，且所述坡口的宽度为所述光斑的直径的倍数。
2.根据权利要求1所述的激光切割方法，其特征在于，所述沿预设轨迹移动激光束，使工件表面与工件另一表面之间形成坡口的步骤包括：
沿第一预设轨迹移动激光束，使工件表面与工件另一表面之间形成第一坡口：
沿平行于工件表面的方向调整激光束的焦点位置，并沿第二预设轨迹移动激光束，使工件表面与第一坡口之间形成第二坡口；
重复上述步骤，使工件表面与第N坡口之间形成所需要形成的坡口，其中，N为正整数。
3.根据权利要求1所述的激光切割方法，其特征在于，所述调整激光束的焦点位置，使激光束的焦点落在工件表面或工件表面的上方，且激光束投射在工件表面的光斑偏移工件另一表面预定距离的步骤包括：
获取工件上所需要形成的坡口的深度；
调整激光束的能量，改变激光束投射在工件表面的光斑的能量，使光斑的能量适应坡口的深度。
4.根据权利要求1-3中任意一项所述的激光切割方法，其特征在于，所述沿预设轨迹移动激光束，使工件表面与工件另一表面之间形成坡口的步骤包括：
设置切割时的辅助气体，并使辅助气体的吹气方向由工件表面朝向工件另一表面。
5.一种激光切割装置，其特征在于，包括：
焦点调整模块，用于调整激光束的焦点位置，使激光束的焦点落在工件表面或工件表面的上方，且激光束投射在工件表面的光斑偏移工件另一表面预定距离；
切割控制模块，用于沿预设轨迹移动激光束，使工件表面与工件另一表面之间形成坡口:
所述焦点调整模块还用于：
获取工件上所需要形成的坡口的宽度；
判断坡口的宽度是否小于或等于预设值；
若判断为是，沿垂直于工件表面的方向调整激光束的焦点位置，使激光束投射在工件表面的光斑的直径等于坡口的宽度；
若判断为否，沿垂直于工件表面的方向调整激光束的焦点位置，使激光束投射在工件表面的光斑的直径为预设值或小于预设值，且所述坡口的宽度为所述光斑的直径的倍数。
6.一种激光切割设备，其特征在于，包括存储器和处理器，所述存储器中存储有计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现如权利要求1至4中任意一项所述的激光切割方法。
7.一种计算机可读存储介质，其特征在于，所述计算机可读存储介质存储有计算机可执行指令，所述计算机可执行指令设置为执行如权利要求1至4中任意一项所述的激光切割方法。
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