CN117548856A - 一种激光切割工艺 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种激光切割工艺，属于激光加工技术领域，利用光纤高斯光束激光进行切割，并采用正离焦增加切割过程中待切割材料的激光吸收率，以对高活性熔融液态金属件，或高活性熔融液态金属形成的合金件，或由两种或多种高活性熔融液态金属形成的合金件进行激光切割。本发明采用光纤高斯光束激光并利用正离焦提高激光吸收率，提高了高活性金属材料锥度、断面粗糙度、热影响区、断面氧化等切割断面质量。
Description
技术领域
本发明涉及激光加工技术领域，具体涉及一种激光切割工艺。
背景技术
锆、钛等金属及其合金的化学性质活泼、熔融液态下其金属单质及合金的粘度较大，激光切割时在切缝中粘度较大的液态金属及合金难以实现有效去除，使得断面质量较差，如断面氧化、切割条纹、粗糙度、毛刺挂渣等，从而影响加工精度、效率乃至材料零部件性能。如锆合金的氧化层、热影响区等将会影响作为核燃料元件包壳的堆内运行工况腐蚀性能。
现有技术中，如文献CN 107414321 A《一种齿槽激光切割工艺》采用片偏转切割头角度方式实现了金属齿槽结构加工；文献CN 102717194B《适于切割热轧钢板的激光切割工艺》采用激光头对表面涂有一层润滑油的热轧钢板进行了激光切割，提高了热轧钢板的切割质量。
现有技术的激光切割工艺针适用于常规材料工件，切割获得的断面对于粗糙度、锥度、断面氧化等并没有严格要求，若需要对断面的粗糙度、锥度、断面氧化等进行精加工处理，则需要利于后续的其他工序进行，如采用冷却液对激光切割后的工件进行冷却后，送至加工中心进行精加工，此精加工过程则不涉及激光切割。
因此针对化学性质活泼、熔融液态金属单质及合金粘度大的高活性金属，现有的激光切割技术均难以实现切割断面的断面氧化、切割条纹、粗糙度、毛刺挂渣等高质量加工控制。
鉴于此，提出本专利申请。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是现有的激光切割工艺无法满足高活性金属及合金对于切割断面氧化、粗糙度、锥度等的严格质量控制需求，提供了一种激光切割工艺，采用光纤高斯光束激光并利用正离焦提高激光吸收率，提高了高活性金属材料锥度、断面粗糙度、热影响区、断面氧化等切割断面质量。
本发明的目的在于提供一种激光切割工艺，利用光纤高斯光束激光进行切割，并采用正离焦增加切割过程中待切割材料的激光吸收率，以对高活性熔融液态金属件，或高活性熔融液态金属形成的合金件，或由两种或多种高活性熔融液态金属形成的合金件进行激光切割。
本发明实施例中利用光纤高斯光束激光，并结合正离焦切割，一方面正离焦切割可以实现激光在切缝中的多次反射以提高待切割材料的激光吸收率，保证切割断面上、下部分的热输入均匀性；另一方面，切割材料表面正离焦可以改变光斑的光强轴心分布，实现高斯热源的重新调校，从而提高了高活性金属及合金材料的锥度、断面粗糙度、热影响区、底部掉渣、断面氧化等切割断面质量。
在一些可选的实施例中，所述高活性熔融液态金属包括锆、钛、铪、钼、铌中的任意一种，或由其中的任意两种及以上形成的合金。
在一些可选的实施例中，包括以下步骤：
S1，待切割工件的夹持与校平；
S2，光纤高斯光束激光切割头的高度标定；
S3，调节切割过程中辅助气体的压力；
S4，采用正离焦，设置光纤高斯光束激光切割的焦点位置及切割头高度；
S5，设置激光切割路径；
S6，设置切割参数完成激光切割。
在一些可选的实施例中，步骤S1中，采用夹持工装约束定位工装，同时采用水平仪调平工件使工件处于水平面，工件的平面度小于等于0.1mm。
在激光切割前通过对待切割工件进行夹持与校平，控制工件的平面度小于等于0.1mm，可以确保激光光束在加工路径入射角度的一致性。
在一些可选的实施例中，步骤S2中，在工件调平后，采用激光切割系统随动定稿标定激光切割头的高度位置，并记录此时的板平面高度位置为零位。
在一些可选的实施例中，步骤S3中，打开气闸，通过大流量减压阀调节辅助气体压力，选定激光切割头喷嘴规格后，通过电磁阀控制检测辅助气体压力，当压力达到并稳定在待切割的活性材料的辅助气体压力阈值时关闭气源。
在一些可选的实施例中，所述激光切割头喷嘴的直径为2mm~5mm。
在一些可选的实施例中，所述激光切割头喷嘴的直径为3mm，切割辅助气体压力大于等于1.5Mpa，辅助气体采用纯度大于99.9%的氩气。
本发明实施例中采用高压大流量惰性气体实现工件切割断面及周边氛围保护，在此基础上可实现度熔融金属的有效吹离。
在一些可选的实施例中，步骤S4中正离焦切割采用的离焦量为+2~+6mm；
正离焦切割的光场分布为从中心向四周先降低再增加的趋势，高斯热源的激光聚焦光斑直径范围为50μm~300μm。
在高压大流量惰性气体下需要实现气体的有效进入，形成无空气卷入的惰性气体保护屏蔽气流层（shielding gas），因此需要保证切缝具备一定的宽度且一致性较好，本发明实施例中采用较大直径的光斑获得合适的切缝宽度。
在一些可选的实施例中，步骤S4中切割头的高度设定为距离待切割工件表面0.2mm~0.6mm；
步骤S6中激光器切割的线功率速度为12kJ/m~20kJ/m。
本发明与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：
针对现有的激光切割工艺无法满足高活性金属及合金对于切割断面氧化、粗糙度、锥度等的严格质量控制需求，本发明实施例提供了一种激光切割工艺，采用光纤高斯光束激光并利用正离焦提高激光吸收率，提高了高活性金属材料锥度、断面粗糙度、热影响区、断面氧化等切割断面质量。
附图说明
为了更清楚地说明本发明示例性实施方式的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。在附图中：
图1为本发明实施例提供的一种激光切割工艺流程图。
图2为本发明实施例提供的一种激光切割工艺中基于高斯光束光场分布的正离焦切割示意图。
图3为正离焦切割过程中材料的多次反射吸收示意图。
图4为本发明的高斯光束正离焦光场光强分布图。
图5为本发明实施例1、2的切割断面实物图；
图5（a）代表采用实施例1的激光切割工艺切割高活性的锆合金板材获得的断面图；
图5（b）代表采用实施例2的激光切割工艺切割高活性的锆合金板材获得的断面图。
图6为本发明实施例1、2的切割剖面金相图；
图6（a）代表采用实施例1的激光切割工艺切割高活性的锆合金板材获得的断面金相图；
图6（b）代表采用实施例2的激光切割工艺切割高活性的锆合金板材获得的断面金相图。
图7为本发明对比例的全聚焦高斯激光切割断面实物图。
附图标记及代表的含义：
1-待加工工件，2-激光光束 ，3-激光焦点，4-切缝。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。
为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本申请实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
在本申请实施例的描述中，术语 “中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖向”、“纵向”、“侧向”、“水平”、“内”、“外”、“前”、“后”、“顶”、“底”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，或者是该申请产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，或者是本领域技术人员惯常理解的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的设备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申请的限制。
现有的激光切割工艺无法对高活性金属或合金切割得到的断面在氧化、锥度、粗糙度、毛刺挂渣等方面进行高质量加工控制；而目前处理这种高活性金属件是采用现有的机械加工切割后，对断面处再进行其他工序处理以处理断面氧化、精加工粗糙度、锥度等，但是前期的机械加工与后续其他工艺无法较好集成，且加工效率低，产品的加工质量也不能达到预期效果。
为了解决以上问题，本发明实施例中提供了一种激光切割工艺，采用以下方案：
利用光纤高斯光束激光进行切割，并采用正离焦增加切割过程中待切割材料的激光吸收率，以对高活性熔融液态金属件，或高活性熔融液态金属形成的合金件，或由两种或多种高活性熔融液态金属形成的合金件进行激光切割。
进一步地，所述高活性熔融液态金属包括锆、钛、铪、钼、铌等中的任意一种，或由其中的任意两种及以上形成的合金。
进一步地，包括以下步骤：
S1，工件夹持与校平：在激光切割前，为确保激光过程待切割工件保持平面度，进而确保激光光束在加工路径入射角度一致性，采用夹持工装约束定位工装，同时采用水平仪调平工件使工件处于水平面；
S2，切割头高度标定：在工件调平后，采用激光切割系统标定激光切割头高度位置，并记录板平面高度位置；
S3，调节辅助气体压力：通过打开气闸，通过大流量减压阀调节辅助气体压力，选定切割头喷嘴规格后，通过电磁阀控制检测气辅助气体压力，当达到并稳定该活性材料辅助气体压力阈值时采用电磁阀控制关闭气源；
S4，激光切割焦点位置及切割头高度设置：基于高活性材料特性，采用正离焦增加切割过程材料激光吸收率，设定合适的焦点位置，同时为保证辅助气体扩散保护效果，设定合适的切割头高度；
S5，设置激光切割路径：根据工件外形尺寸要求，设置激光切割路径；
S6，设置切割参数完成激光切割：完成设置激光功率、切割速度等切割参数设置，进行激光切割试运行后，激光器出光完成板材激光切割。进一步地，步骤S1中，工件的平面度小于等于0.1mm。
进一步地，步骤S2中，在工件调平后，采用激光切割系统随动定稿标定激光切割头的高度位置，并记录此时的板平面高度位置为零位。
进一步地，步骤S1中工件拘束方式针对成品工件进行定位约束，最好采用真空吸盘分区吸附。
进一步地，激光切割头喷嘴的直径为2mm~5mm。
进一步地，所述激光切割头喷嘴的直径为3mm，切割辅助气体压力大于等于1.5Mpa，辅助气体采用纯度大于99.9%的氩气。
更进一步地，步骤S4中正离焦切割采用的离焦量为+2~+6mm；
正离焦切割的光场分布为从中心向四周先降低再增加的趋势，正离焦切割的光斑直径范围为50μm~300μm。
如图4中所示，当采用的激光为全聚焦时，光场分布为中心高且逐渐向四周趋弱；而当激光焦点位置为正离焦时，光场分布为从中心向四周为先降低再增加的趋势，这样有利于使光温度场展平效果更好，对切割断面质量提升具有很大帮助。
更进一步地，步骤S4中切割头的高度设定为距离待切割工件表面为0.2mm~0.6mm；
步骤S6中激光器切割的线功率速度为12kJ/m~20kJ/m。
本发明针对锆、钛等高活性金属及其合金薄板的激光切割的高质量断面成形制造，基于板材材质与厚度规格，采用光纤高斯光束激光，通过焦点位置匹配，并结合气体压力及流量控制、激光切割工艺的优化等方法，一方面获得稳定的切缝宽度值，为工件尺寸精度补偿提供数据，另一方面，优化了金属切割断面粗糙度、断面氧化色、底部挂渣、热影响区范围及组织晶粒度等断面质量，实现激光加工高活性金属及其合金薄板的高效、高质量成形，进而大幅度提供科研生产效率及质量。
以下结合具体实施例进行更加详细的说明。
实施例1：
一种用于高活性金属的激光切割工艺，以切割高活性的锆合金板材为例，包括以下步骤：
S1，工件夹持与校平：在激光切割前，为确保激光过程待切割工件保持平面度，进而确保激光光束在加工路径入射角度一致性，采用夹持工装约束定位工装，同时采用水平仪调平工件使工件处于水平面，平面度小于等于0.1mm；
S2，切割头高度标定：在工件调平后，采用激光切割系统标定激光切割头高度位置，并记录板平面高度位置；
S3，调节辅助气体压力：通过打开气闸，通过大流量减压阀调节辅助气体压力，选定切割头喷嘴为3mm，通过电磁阀显示器检测气辅助气体压力，当达到并稳定该活性材料辅助气体压力阈值时采用电磁阀控制关闭气源针。针对2mm左右厚锆合金板材，辅助气体采用的氩气或纯度大于99.9%的高纯氩气，气体管路直径≥12mm，辅助气体压力设置为1.5MPa；
S4，激光切割焦点位置及切割头高度设置：基于高活性材料特性，采用正离焦增加切割过程材料激光吸收率，设定合适的焦点位置，离焦量设置为+2mm，高斯热源的激光聚焦光斑大小为100μm；同时为保证辅助气体扩散保护效果，设定合适的切割头高度，高度设置为距离待切割工件表面0.5mm；
S5，设置激光切割路径：根据工件外形尺寸要求，设置激光切割路径；
S6，设置切割参数完成激光切割：完成设置激光功率、切割速度等切割参数设置，激光功率设为3000W，切割速度设置为10m/min，即线功率速度为18J/m；进行激光切割试运行后，激光器出光完成板材激光切割。
如图1、图2、图3所示，图2中显示对待加工工件1通过高斯激光光束2形成激光焦点3，进行切割获得切缝4。针对吸收率较差的高活性金属薄板，采用光纤高斯光束激光，并利用正离焦，一方面正离焦切割可以实现激光在切缝中的多次反射材料激光吸收率，保证切割断面上、下部分的热输入均匀性；另一方面，切割材料表面正离焦可以改变光斑的光强轴心分布，实现高斯热源的重新调校。进一步优化提高材料锥度、断面粗糙度、热影响区、断面氧化等切割断面质量。
切割获得的实物断面图见图5（a），切割纹路较为细腻，经粗糙度检测仪器测量切割断面上、中、下粗糙度Ra分别为：2.963μm、3.146μm、3.416μm，当正离焦切割时切割断面与母材颜色一致，对比图7中切割断面，表明切割未见明显氧化。由图6（a）经金相观察可以发现其切割断面相对平直，未发现明显的锥度偏差，同时通过光学显微镜测量热影响区最大值为193.813μm。
实施例2：
一种用于高活性金属的激光切割工艺，以切割高活性的锆合金板材为例，包括以下步骤：
S1，工件夹持与校平：在激光切割前，为确保激光过程待切割工件保持平面度，进而确保激光光束在加工路径入射角度一致性，采用夹持工装约束定位工装，同时采用水平仪调平工件使工件处于水平面，平面度小于等于0.1mm；
S2，切割头高度标定：在工件调平后，采用激光切割系统标定激光切割头高度位置，并记录板平面高度位置；
S3，调节辅助气体压力：通过打开气闸，通过大流量减压阀调节辅助气体压力，选定切割头喷嘴直径为3mm，通过电磁阀显示器检测气辅助气体压力，当达到并稳定该活性材料辅助气体压力阈值时采用电磁阀控制关闭气源针。针对2mm左右厚锆合金板材，辅助气体采用氩气，纯度应优于99.9%，气体压力设置为1.6MPa，气体管路直径为16mm；
S4，激光切割焦点位置及切割头高度设置：基于高活性材料特性，采用正离焦增加切割过程材料激光吸收率，设定合适的焦点位置，离焦量设置为+4mm，高斯热源的激光聚焦光斑大小为200μm；
同时为保证辅助气体扩散保护效果，设定合适的切割头高度，高度设置为0.3mm；
S5，设置激光切割路径：根据工件外形尺寸要求，设置激光切割路径；
S6，设置切割参数完成激光切割：完成设置激光功率、切割速度等切割参数设置，激光功率设为2700W，切割速度设置为9m/min，即线功率速度为18J/m，进行激光切割试运行后，激光器出光完成板材激光切割。
切割获得的实物断面图见图5（b），几乎观察不到切割纹路，经粗糙度检测仪器测量切割断面上、中、下粗糙度Ra分别为：2.634、中、2.741、中、2.887、中，当正离焦切割时切割断面与母材颜色一致，与对比例中图7中切割断面，表明切割未见明显氧化。由图6（b）经金相观察可以发现其切割断面相对平直，未发现明显的锥度偏差，同时通过光学显微镜测量热影响区最大值为167.95。
对比例1：
图7所示为仅采用高斯光束激光，不进行正离焦技术切割的对比例，同样给出结果图，对比与实施例1或实施例2的结果，可以看出其断面为蓝色乃至黑色的，说明发生明显的氧化，同时对面纹路明显，其次断面底部挂渣明显，经粗糙仪测量，断面粗糙度为9.452μm~11.316μm。
本发明面向锆、钛、铪、钼、铌等等高活性金属及其合金薄板的激光切割的高质量断面成形加工，相比于传统激光切割采取正焦点切割或负离焦（实施例里边都是正焦点，没有负焦点，若要保护负焦点，需要给出具体的实施案例）切割，基于高斯热源模型及光场分布采取正离焦切割工艺，在此基础上结合激光线功率、保护气体压力、切割头高度等工艺协同优化，实现激光加工高活性金属及其合金薄板的高效、高质量成形，进而大幅度提供科研生产效率及质量。采用本发明实施例提供的激光切割工艺可以直接精加工，无需再进行后续工序，简化工艺流程，提高效率，也无需考虑与后续其他工序集成的问题。
以上的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种激光切割工艺，其特征在于，利用光纤高斯光束激光进行切割，并采用正离焦增加切割过程中待切割材料的激光吸收率，以对高活性熔融液态金属件，或高活性熔融液态金属形成的合金件，或由两种或多种高活性熔融液态金属形成的合金件进行激光切割。
2.根据权利要求1所述的一种激光切割工艺，其特征在于，所述高活性熔融液态金属包括锆、钛、铪、钼、铌中的任意一种，或由其中的任意两种及以上形成的合金。
3.根据权利要求1所述的一种激光切割工艺，其特征在于，包括以下步骤：
S1，待切割工件的夹持与校平；
S2，光纤高斯光束激光切割头的高度标定；
S3，调节切割过程中辅助气体的压力；
S4，采用正离焦，设置光纤高斯光束激光切割的焦点位置及切割头高度；
S5，设置激光切割路径；
S6，设置切割参数完成激光切割。
4.根据权利要求3所述的一种激光切割工艺，其特征在于，步骤S1中，采用夹持工装约束定位工装，同时采用水平仪调平工件使工件处于水平面，工件的平面度小于等于0.1mm。
5.根据权利要求3所述的一种激光切割工艺，其特征在于，步骤S2中，在工件调平后，采用激光切割系统随动定稿标定激光切割头的高度位置，并记录此时的板平面高度位置为零位。
6.根据权利要求3所述的一种激光切割工艺，其特征在于，步骤S3中，打开气闸，通过大流量减压阀调节辅助气体压力，选定激光切割头喷嘴规格后，通过电磁阀控制检测辅助气体压力，当压力达到并稳定在待切割的活性材料的辅助气体压力阈值时关闭气源。
7.根据权利要求6所述的一种激光切割工艺，其特征在于，所述激光切割头喷嘴的直径为2mm~5mm。
8.根据权利要求6所述的一种激光切割工艺，其特征在于，所述激光切割头喷嘴的直径为3mm，切割辅助气体压力大于等于1.5Mpa，辅助气体采用纯度大于99.9%的氩气。
9.根据权利要求3所述的一种激光切割工艺，其特征在于，步骤S4中正离焦切割采用的离焦量为+2~+6mm；
正离焦切割的光场分布为从中心向四周先降低再增加的趋势，高斯热源的激光聚焦光斑直径范围为50μm~300μm。
10.根据权利要求3所述的一种激光切割工艺，其特征在于，步骤S4中切割头的高度设定为距离待切割工件表面为0.2mm~0.6mm；
步骤S6中激光器切割的线功率速度为12kJ/m~20kJ/m。
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