CN114289895A - 一种坡口倒角的三轴激光切割方法 - Google Patents
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Abstract
一种坡口倒角的三轴激光切割方法，包括如下步骤：待加工工件的放置；剖口倒角加工文件的制作；剖口倒角加工文件发送至平面三轴激光切割机；平面三轴激光切割机的激光切割头和割嘴与待加工工件的平面垂直设置；调整割嘴与待加工工件切口位置边缘以及割嘴与待加工工件表面的距离；调整激光切割机的割嘴的气压；调整激光切割机的割嘴的速度，激光切割头和割嘴与待加工工件始终保持垂直状态。本发明的坡口倒角的三轴激光切割方法，不需要调整切光切割头的角度，只需保持激光切割头与待加工工件切割时的角度即可，能够实现多种外形坡口和不同位置的工件熔蚀，降低了加工难度，且加工精度高，工序集中，熔蚀稳定，能够显著提高工件的加工效率。
Description
技术领域
本发明属于先进生产制造及自动化技术领域，具体地，涉及一种坡口倒角的三轴激光切割方法。
背景技术
激光切割是指利用激光束照射到待切割工件表面，使得工件材料迅速熔化，同时借助与光束同轴的辅助气体吹除熔融物质，形成切口，从而将工件切开。由于激光切割器的能量非常集中，所以，仅有少量热传到坯料的其它部分，所造成的变形很小或没有变形，利用激光可以非常准确地切割复杂形状的坯料，所切割的坯料不必再作进一步的处理。
据设计或工艺需要，坡口加工一直都是一个必不可少的工序，坡口切割是指在焊件的待焊部位加工并装配成一定几何形状的坡口，常用的坡口形式有I形坡口、V形(带钝边)坡口、U形(带钝边)坡口、X 形(带钝边)坡口、单边V形(带钝边)坡口和K形(带钝边)坡口。
传统的激光坡口切割采用五轴激光切割机，该方法是将激光切割头安装在五轴的数控激光切割机床上，通过AB轴的转动带动切割头旋转至需要的角度，从而形成坡口切割；该方法因切割头在摆动角度后对余料同时产生了切割，被损伤的余料部分不能使用，这样导致了材料利用率的降低，另因在横梁上增加了AB轴，由于AB轴自重较重且为悬臂状，这样大大增加了横梁轴径向负载，为了消除AB轴对激光设备的影响，往往选择降低设备的动态性能，降低设备的加速度，以及正常切割的速度，平面设备在切1mm不锈钢时速度可达60m/min，而增加AB轴后切割1mm不锈钢的速度只能到9m/min，超过9m/min时切割精度将达不到要求，这样大大降低了激光切割的效率。
发明内容
发明目的：本发明的目的是提供一种坡口倒角的三轴激光切割方法，解决了现有技术中激光切割剖口时需要根据剖口的倒角特征调整激光切割头的角度，从而降低了激光切割的速度，进而导致切割效率降低的问题。
技术方案：本发明提供了一种坡口倒角的三轴激光切割方法，包括如下步骤：
S1、待加工工件放置在平面三轴激光切割机的切割工作台面上；
S2、剖口倒角加工文件的制作；
S3、剖口倒角加工文件发送至平面三轴激光切割机；
S4、平面三轴激光切割机的激光切割头和割嘴处于同一直线上，平面三轴激光切割机的激光切割头和割嘴与待加工工件的平面垂直设置；
S5、调整割嘴与待加工工件切口位置边缘以及割嘴与待加工工件表面的距离；
S6、调整激光切割机的割嘴的气压；
S7、调整激光切割机的割嘴的速度，使得激光切割机的割嘴沿着坡口倒角加工文件的路径在待加工工件上直接熔蚀出坡口倒角形状，在熔蚀坡口倒角的过程中，三轴激光切割机的激光切割头和割嘴与待加工工件始终保持垂直状态。
本发明的坡口倒角的三轴激光切割方法，提供一种高效、节能的三轴激光坡口倒角切割的方法。用这种方法可以提高加工材料的利用率，且不降低设备正常切割的性能及效率，无需对现有设备进行改造或者更换设备，仅需对设备软件以及加工工艺更新等特点。
进一步的，上述的坡口倒角的三轴激光切割方法，上述步骤S2具体包括如下步骤：
S2-1、待加工工件的图形在CAD制图中增加轮廓倒角切割线条及内孔倒角螺旋切割线；
S2-2、在套料软件中将坡口倒角的切割线匹配为对应的切割图层生，切割路径先按图形轮廓垂直切断，再在需要坡口倒角的位置再次进行切割的顺序规划路径，若是外轮廓需要倒角，需在外轮廓上增加微联接防止工件掉落，各参数匹配完成后生成加工文件。
进一步的，上述的坡口倒角的三轴激光切割方法，上述步骤S3具体包括如下步骤：
将加工文件发送至平面三轴激光切割机，平面三轴激光切割机此时需具备定高切割、多图层工艺单独设置、随动功能，与加工文件对应图层匹配合适的加工工艺参数，参数匹配完成后进行待加工工件的加工，待加工工件可一次完成垂直和倒角切割。
进一步的，上述的坡口倒角的三轴激光切割方法，上述步骤S5具体包括如下步骤：
S5-1、将调整激光切割机割嘴的光斑向需要坡口倒角的轮廓内侧偏移0～1.5mm；
S5-2、调整激光切割机割嘴与待加工工件的板面距离为30～60mm。
进一步的，上述的坡口倒角的三轴激光切割方法，上述步骤S6具体包括如下步骤：
将调整激光切割机割嘴的气压设置至5～8bar，将平面三轴激光切割机的切割功率设置至2000～6000W。
进一步的，上述的坡口倒角的三轴激光切割方法，上述步骤S7具体包括如下步骤：
将平面三轴激光切割机的切割速度设置成平面三轴激光切割机正常切割速度的70～140%。
进一步的，上述的坡口倒角的三轴激光切割方法，上述步骤S7还包括如下步骤：
将待加工工件的圆孔倒角轮廓选用螺旋线方式2～3圈。
进一步的，上述的坡口倒角的三轴激光切割方法，调整激光切割机割嘴的切割焦点依据材料设置碳钢9～13mm，不锈钢-5～-15mm，依此设置后可得到0～40°及0～7mm的坡口倒角的切割。
进一步的，上述的坡口倒角的三轴激光切割方法，上述激光切割机割嘴的光斑大小调整方法为，根据公式：
BPP：光束参数乘积，该参数由激光发生器决定；
W：焦点光斑半径，由传输光纤纤径、准直镜与聚焦镜焦距决定；
θ：远场发散角，该参数受光束参数乘积与焦点光斑半径的影响；
dfocus：焦点光斑直径；
Ff：聚焦镜焦距；
Fc：准直镜焦距；
dfiber：传输光纤纤径；
Wz：远场光斑半径；
Zmn：焦点与切割材料间距。
上述技术方案可以看出，本发明具有如下有益效果：本发明所述的坡口倒角的三轴激光切割方法，不需要调整切光切割头的角度，只需保持激光切割头与待加工工件切割时的角度即可，能够实现多种外形坡口和不同位置的工件熔蚀，降低了加工难度，且加工精度高，工序集中，熔蚀稳定，能够显著提高工件的加工效率；调整割嘴与待加工工件的位置、距离、气压、速度的控制方法和不同的焦点位置控制方法是实现熔蚀的关键，提高了坡口面的一致性，坡口面质量得到了大幅提升，产品成品率提高了50%以上。
附图说明
图1为本发明所述坡口倒角的三轴激光切割方法的坡口位置尺寸示意图；
图2为本发明所述高斯激光束模型图与相关参数图；
图3为本发明所述标准垂直切割的原理图；
图4为本发明所述坡口倒角切割方法原理的示意图；
图5为本发明所述坡口倒角CAD图形的示意图；
图6为本发明所述坡口倒角切割后的示意图。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“顺时针”、“逆时针”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确的限定。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
实施例1
如图1、3、4所示的坡口倒角的三轴激光切割方法，是以平面三轴激光切割机为载体，包括如下步骤：
S1、待加工工件放置在平面三轴激光切割机的切割工作台面上；
S2、剖口倒角加工文件的制作；
S3、剖口倒角加工文件发送至平面三轴激光切割机；
S4、平面三轴激光切割机的激光切割头和割嘴处于同一直线上，平面三轴激光切割机的激光切割头和割嘴与待加工工件的平面垂直设置；
S5、调整割嘴与待加工工件切口位置边缘以及割嘴与待加工工件表面的距离；
S6、调整激光切割机的割嘴的气压；
S7、调整激光切割机的割嘴的速度，使得激光切割机的割嘴沿着坡口倒角加工文件的路径在待加工工件上直接熔蚀出坡口倒角形状，在熔蚀坡口倒角的过程中，三轴激光切割机的激光切割头和割嘴与待加工工件始终保持垂直状态。
上述步骤S2具体包括如下步骤：
S2-1、待加工工件的图形在CAD制图中增加轮廓倒角切割线条及内孔倒角螺旋切割线；
S2-2、在套料软件中将坡口倒角的切割线匹配为对应的切割图层生，切割路径先按图形轮廓垂直切断，再在需要坡口倒角的位置再次进行切割的顺序规划路径，若是外轮廓需要倒角，需在外轮廓上增加微联接防止工件掉落，各参数匹配完成后生成加工文件。
上述步骤S3具体包括如下步骤：
将加工文件发送至平面三轴激光切割机，平面三轴激光切割机此时需具备定高切割、多图层工艺单独设置、随动功能，与加工文件对应图层匹配合适的加工工艺参数，参数匹配完成后进行待加工工件的加工，待加工工件可一次完成垂直和倒角切割。
上述步骤S5具体包括如下步骤：
S5-1、将调整激光切割机割嘴的光斑向需要坡口倒角的轮廓内侧偏移0～1.5mm，该项调整的目的是为了调整激光能量中心区的位于板材边缘的位置，当大于1.5mm时不利于切削的排除导致切割断面不够光滑；
S5-2、调整激光切割机割嘴与待加工工件的板面距离为30～60mm，该项是调整激光光斑大小从而改变倒角上表面的宽度，当超过60mm时，由于距离太远气体辅助作用损失，切割质量下降。
上述步骤S6具体包括如下步骤：
将调整激光切割机割嘴的气压设置至5～8bar，将平面三轴激光切割机的切割功率设置至2000～6000W，这两项的调整会影响坡口倒角的切割深度，气压与切割功率同时加大增加切割深度，同时减小降低切割深度。
上述步骤S7具体包括如下步骤：
将平面三轴激光切割机的切割速度设置成平面三轴激光切割机正常切割速度的70～140%，该项的调整将影响到切割断面的光洁度，圆孔的倒角速度要大于正常切割速度，直边轮廓的速度要小于正常切割的速度。
图3和4中A：切割头，B：割嘴，C：割嘴与待加工工件板面的距离，D：待加工工件，E：割缝。
上述步骤S7还包括如下步骤：
将待加工工件的圆孔倒角轮廓选用螺旋线方式2～3圈，该项调整是对圆孔倒角的设置，是为了控制圆孔倒角的大小，螺旋偏移增大倒角变大，螺旋偏移变小倒角变小；
调整激光切割机割嘴的切割焦点依据材料设置碳钢9～13mm，不锈钢-5～-15mm。该项是为了不同材料的设置，不锈钢选用负焦切割，碳钢选用正焦点切割，依此设置配方后可得到0～40°及0～7mm的坡口倒角切割。
如图2所示的本发明源自高斯激光束的特性，其横截面的振幅分布遵守高斯函数，高斯光束的传输特性，是在远处沿传播方向成特定角度扩散，该角度即是光束的远场发散角，也就是一对渐近线的夹角，它与波长成正比，与其束腰半径成反比，故而，束腰半径越小，光斑发散越快；束腰半径越大，光斑发散越慢。本发明通过对远场光斑大小的实时控制，从而实现不同宽度坡口倒角的切割加工。图2中W：交点光斑半径，θ：光束发散角，W（Z）：远端光斑半径，Zmn：交点至材料距离，Z：高斯激光束。
上述激光切割机割嘴的光斑大小调整方法为，根据公式：
BPP：光束参数乘积，该参数由激光发生器决定，本发明中使用的BPP为4mm*mrad；
W：焦点光斑半径，由传输光纤纤径、准直镜与聚焦镜焦距决定，本发明中焦点光斑半径为100um；
θ：远场发散角，该参数受光束参数乘积与焦点光斑半径的影响；
dfocus：焦点光斑直径；
Ff：聚焦镜焦距；
Fc：准直镜焦距；
dfiber：传输光纤纤径；
Wz：远场光斑半径；
Zmn：焦点与切割材料间距。
由上远场光斑大小调整公式，可以得到通过调节Zmm焦点与材料之间的距离去调节远场光斑的大小，当Zmn增大远场光斑随之增大，当Zmn减小远场光斑大小随之减小。
坡口尺寸遵循以下表格中的变化，其中Dw为坡口宽度，Dv为坡口深度，Do光斑中心偏移距离，A为坡口角度。
以下所述实施例详细说明了本发明的坡口倒角的具体实施方式。采用本发明熔蚀的方案进行坡口倒角切割的产品成型图如图5、6所示，F：圆孔倒角螺旋线，G：坡口倒角偏移线，H、I、J：均为坡口倒角。
实施例2
12mm碳钢坡口倒角切割，在CAD制图中将需倒角轮廓偏移1mm，在套料软件中生成匹配好的加工文件，在三轴平面数控激光切割系统上坡口倒角切割层切割功率调整为2000W，切割速度调整为1.4m/min，切割气压调整为5bar，气体选用氧气，割嘴与板面距离40mm，焦点调整+9mm，按照此配方进行坡口倒角切割工艺参数配置进行切割，可得到深度6.03mm，角度18.5°的坡口倒角。
实施例3
12mm碳钢坡口倒角切割，在CAD制图中将需倒角轮廓偏移1.5mm，在套料软件中生成匹配好的加工文件，在三轴平面数控激光切割系统上坡口倒角切割层切割功率调整为4000W，切割速度调整为1.3m/min，切割气压调整为5bar，气体选用氧气，割嘴与板面距离50mm，焦点调整为+12mm，按照此配方进行坡口倒角切割工艺参数配置进行切割，可得到深度5.1mm，角度35.4°的坡口倒角。
实施例4
20mm碳钢坡口倒角切割，在CAD制图中将需倒角轮廓偏移1.5mm，在套料软件中生成匹配好的加工文件，在三轴平面数控激光切割系统上坡口倒角切割层切割功率调整为5500W，切割速度调整为1.3m/min，切割气压调整为5bar，气体选用氧气，割嘴与板面距离55mm，焦点调整为+13mm，按照此配方进行坡口倒角切割工艺参数配置进行切割，可得到深度6.21mm，角度23.3°的坡口倒角。
实施例5
20mm碳钢坡口倒角切割，在CAD制图中将需倒角的圆孔增加2圈螺旋线,在套料软件中生成匹配好的加工文件，在三轴平面数控激光切割系统上圆孔坡口倒角层切割功率调整为3500W，切割速度调整为2m/min，切割气压调整为6bar，气体选用氧气，割嘴与板面距离40mm，焦点调整为+13mm，依此配方进行坡口倒角切割，可得到深度3.44mm，角度37.5°的坡口倒角。
实施例6
10mm不锈钢坡口倒角切割，在CAD制图中将需倒角轮廓偏移1mm，在套料软件中生成匹配好的加工文件，在三轴平面数控激光切割系统上坡口倒角层切割功率调整为5000W，切割速度调整为1.5m/min，切割气压调整为8bar，气体选用氧气，割嘴与板面距离40mm，焦点调整为-15mm，依此配方进行坡口倒角切割，可得到深度5.07mm，角度21.3°的坡口倒角。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进，这些改进也应视为本发明的保护范围。
Claims (9)
1.一种坡口倒角的三轴激光切割方法，其特征在于：包括如下步骤：
S1、待加工工件放置在平面三轴激光切割机的切割工作台面上；
S2、剖口倒角加工文件的制作；
S3、剖口倒角加工文件发送至平面三轴激光切割机；
S4、平面三轴激光切割机的激光切割头和割嘴处于同一直线上，平面三轴激光切割机的激光切割头和割嘴与待加工工件的平面垂直设置；
S5、调整割嘴与待加工工件切口位置边缘以及割嘴与待加工工件表面的距离；
S6、调整激光切割机的割嘴的气压；
S7、调整激光切割机的割嘴的速度，使得激光切割机的割嘴沿着坡口倒角加工文件的路径在待加工工件上直接熔蚀出坡口倒角形状，在熔蚀坡口倒角的过程中，三轴激光切割机的激光切割头和割嘴与待加工工件始终保持垂直状态。
2.根据权利要求1所述的坡口倒角的三轴激光切割方法，其特征在于：上述步骤S2具体包括如下步骤：
S2-1、待加工工件的图形在CAD制图中增加轮廓倒角切割线条及内孔倒角螺旋切割线；
S2-2、在套料软件中将坡口倒角的切割线匹配为对应的切割图层生，切割路径先按图形轮廓垂直切断，再在需要坡口倒角的位置再次进行切割的顺序规划路径，若是外轮廓需要倒角，需在外轮廓上增加微联接防止工件掉落，各参数匹配完成后生成加工文件。
3.根据权利要求1或2所述的坡口倒角的三轴激光切割方法，其特征在于：上述步骤S3具体包括如下步骤：
将加工文件发送至平面三轴激光切割机，平面三轴激光切割机此时需具备定高切割、多图层工艺单独设置、随动功能，与加工文件对应图层匹配合适的加工工艺参数，参数匹配完成后进行待加工工件的加工，待加工工件可一次完成垂直和倒角切割。
4.根据权利要求1或2所述的坡口倒角的三轴激光切割方法，其特征在于：上述步骤S5具体包括如下步骤：
S5-1、将调整激光切割机割嘴的光斑向需要坡口倒角的轮廓内侧偏移0～1.5mm；
S5-2、调整激光切割机割嘴与待加工工件的板面距离为30～60mm。
5.根据权利要求1所述的坡口倒角的三轴激光切割方法，其特征在于：上述步骤S6具体包括如下步骤：
将调整激光切割机割嘴的气压设置至5～8bar，将平面三轴激光切割机的切割功率设置至2000～6000W。
6.根据权利要求5所述的坡口倒角的三轴激光切割方法，其特征在于：上述步骤S7具体包括如下步骤：
将平面三轴激光切割机的切割速度设置成平面三轴激光切割机正常切割速度的70～140%。
7.根据权利要求1所述的坡口倒角的三轴激光切割方法，其特征在于：上述步骤S7还包括如下步骤：
将待加工工件的圆孔倒角轮廓选用螺旋线方式2～3圈。
8.根据权利要求7所述的坡口倒角的三轴激光切割方法，其特征在于：调整激光切割机割嘴的切割焦点依据材料设置碳钢9～13mm，不锈钢-5～-15mm，依此设置后可得到0～40°及0～7mm的坡口倒角的切割。
9.根据权利要求4所述的坡口倒角的三轴激光切割方法，其特征在于：上述激光切割机割嘴的光斑大小调整方法为，根据公式：
BPP：光束参数乘积，该参数由激光发生器决定；
W：焦点光斑半径，由传输光纤纤径、准直镜与聚焦镜焦距决定；
θ：远场发散角，该参数受光束参数乘积与焦点光斑半径的影响；
dfocus：焦点光斑直径；
Ff：聚焦镜焦距；
Fc：准直镜焦距；
dfiber：传输光纤纤径；
Wz：远场光斑半径；
Zmn：焦点与切割材料间距。
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