CN1972040A - 利用纤维激光器切割不锈钢的方法 - Google Patents

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Abstract

一种用于切割不锈钢工件的激光切割方法，使用包括具有掺杂镱的芯的石英纤维的激光束产生装置，用于产生激光束。优选，由镱基纤维产生的激光束的波长在1.07至1.09微米之间，该激光束的品质因数在0.33至8mm.mrad之间，该激光束的功率在0.1至25千瓦之间。用于激光束的辅助气体选自于氮气、氦气、氩气及其混合物，此外，它还可选地包含选自于O2、CO2、H2和CH4的一种或多种附加化合物。

Description

利用纤维激光器切割不锈钢的方法
技术领域
本发明涉及一种利用掺杂镱的纤维型激光源来切割不锈钢的激光切割方法。
背景技术
当前，在工业领域中广泛使用CO2型激光源产生激光束来进行激光切割，其波长为10.6微米，功率达到6千瓦。该方法尤其可用于切割不锈钢。
然而，能够实现的切割速度和所获得的切割质量非常不稳定，这取决于被切割的材料，以及取决于所采用的切割方法参数，例如辅助气体的性质、聚焦束的直径、入射激光的功率，等等。
因此，CO2激光器不能与低电离电势的辅助气体例如氩气一起使用，这样就没有产生会不利于该方法的寄生等离子体的危险。
而且，CO2激光器在功率方面有所限制，从而直接影响切割速度。
此外，必须将激光束从激光发生器准确引导到聚焦头也就是切割头，这样会带来缺陷，尤其是在光学路径中对准光学元件时。这是因为，用于引导的光学元件通常是抛光过的且/或涂铜的反射镜，它们的位置决定激光束的行进路径。因此，必须精确对准这些反射镜，以便确保激光束能够最优地进入聚焦头或切割头。现在，通常通过机械装置来调节这些反射镜的位置，但是由于存在部件磨损以及环境条件变化，尤其是环境温度、湿度等等，所以很容易出现失准的情况。
此外，光束的光学路径必须保持处于惰性气氛中，以避免出现任何污染以及保持具有恒定光学指标的介质，这对于光束能够良好地传播是必需的。这些条件使得涉及光束直径和光束能量的横向分布的特性以及光束质量特性可以保持该方法获得令人满意的结果，在切割中使用的大功率CO2激光束的光束参数乘积(BPP)的品质因数通常在3mm.mrad和6mm.mrad之间。这种氛围还可以保护用于引导的光学元件并防止这些光学元件损坏。
现在，在工业条件下这是不实际的，并且会带来额外的成本。
为了能够缓解这些问题，已经有人提出利用Nd:YAG型激光器装置来切割不锈钢，在该Nd:YAG型激光器装置内，通过包含固态放大介质也就是掺杂钕(Nd)的YAG棒的谐振器来产生光束，然后经光纤将其发送到聚焦头。
然而，从工业角度看，这种技术方案也是不令人满意的。
这是因为，已经发现，利用Nd:YAG型激光源输出的波长1.06微米的激光束进行切割在切割质量和切割速度方面的性能低劣。
这是因为Nd:YAG型激光器的品质因数(BPP值)不适于激光切割过程，其范围根据激光源大约在15mm.mrad至30mm.mrad之间。现在，激光器的品质因数越高，也就是，聚集束腰和光束散度之间的乘积越大，该激光束用于激光切割过程的效率就越低。
此外，聚焦的Nd:YAG激光束的横向能量分布不是高斯型的，而是具有顶帽型分布，同时超过焦点之后该横向能量分布就变成随意性分布。
更一般来说，当期望获得从工业角度看适宜的切割速度和切割质量，利用Nd:YAG激光器进行激光切割来切割不锈钢是非常不期望的。
因此，出现的问题在于，如何提供一种利用激光束来切割不锈钢的改进的、工业上适宜的方法，该方法能够根据所讨论的厚度实现高达15至20米/分钟甚至更高的速度和优良的切割质量，即直切割面、无毛刺、以及减小的粗糙度等。
发明内容
因此，本发明所提供的技术方案是一种用于切割不锈钢工件的激光切割方法，其中使用包括至少一种含镱纤维的激光束产生装置以产生激光束，而用于熔化工件从而执行实际切割作业，其特征在于，该激光束的品质因数在0.33至8mm.mrad之间。
该激光束产生装置包括激励器，优选为若干激励器，其结合至少一种受激励元件来产生激光束，该受激励元件也称为放大介质。激励器优选为若干激光器二极管，而受激励元件为纤维，优选为具有掺杂镱的芯的石英纤维。
对于本发明，术语“激光束产生装置”和“谐振器”将不加区分。
根据这种情况，本发明的该方法可以包括一个或多个下列特征：
-纤维由具有石英包层的掺杂镱的芯形成；
-由所述镱基纤维产生的所述激光束的波长在1至5微米之间，优选为在1.04至3微米之间；
-由所述镱基纤维产生的激光束的波长在1.07至1.09微米之间，优选为1.07微米；
-激光束的功率在0.1至25千瓦之间，优选为0.5至15千瓦；
-激光束是连续或者脉冲激光束，优选为连续激光束；
-将要切割的工件的厚度在0.25至30毫米之间，优选为在0.40至20毫米之间；
-切割速度在0.1至25米/分钟之间，优选为在2至20米/分钟之间；
-用于激光束的辅助气体选自氮气、氦气、氩气及其混合物，此外，所述辅助气体还可选地包含选自O2、CO2、H2和CH4等的一种或多种附加化合物；
-激光束的品质因数在1至8mm.mrad之间，优选为大于2mm.mrad，更优选为大于3mm.mrad，并且/或者优选小于7mm.mrad，更优选为小于5mm.mrad；
-更概括地说，辅助气体气压在大约8巴至25巴之间，这根据将要切割的厚度来选择；以及
-气体喷射孔的直径在0.5至4毫米之间，通常在1至3毫米之间，该直径随将要切割的工件的厚度的增加而增加。
附图说明
图1是用于实施利用激光束来切割不锈钢工件的激光切割方法的安装原理图；
图2示出了获得的速度随将被切割的厚度的变化；
图3示出在厚度为e的材料的切口进行切割期间的结构；
图4示出切割前表面(cutting front)的最佳角度α随切割厚度变化的情况。
具体实施方式
图1是用于实施利用激光束3来切割不锈钢工件10的激光切割方法的安装原理图，其中采用具有谐振器的激光源1或者由具有掺杂镱的芯的石英纤维形成的激光束产生装置2来产生激光束3。
激光源1用于产生激光束3，该激光束的波长为1微米至5微米，更准确地说为1.07微米。
光束3传播通过光束传送装置4，例如由熔融石英制成的直径为20微米至300微米的光纤，传播至光束3和工件10之间的交互区11，也就是出现切口的区域。
在离开该纤维4时，激光束3具有特定的光学特性和1至8mm.mrad之间的品质因数(BPP)。
然后利用光学准直仪5对光束3进行准直，该光学准直仪配置有由涂敷的熔融石英制成的准直双合透镜，以限制离开纤维的光束的散度，以及使得激光束平行。
然后，通过涂敷的熔融石英透镜6，将散度已经大大受到准直仪限制的平行光束3聚焦到将被切割的工件10上或工件10中，其中熔融石英透镜6的焦距为80毫米至510毫米，优选为100毫米至250毫米。
在到达工件10之前，光束3轴向通过激光头6，该激光头配置有喷嘴7，该喷嘴具有轴向出孔8，而该轴向出孔面向将被切割的工件10，光束3和辅助气体通过所述喷嘴。喷嘴的孔径可以是0.5毫米至5毫米之间，优选为1毫米至3毫米之间。
激光头6本身经气体入口9被馈入辅助气体，例如惰性气体，诸如氮气、氩气、氦气或是若干这些气体的混合物，还可以为某些活性气体，例如氧气，甚至还可以是活性气体/惰性气体混合物。
被加压的辅助气体用于，在工件10沿希望切割路径相对于激光头6相对运动时，从该工件10中形成的切口12上去除熔融金属。相反，当保持工件静止而相对移动切割头时，也是同样的结论。
图3示出在切口(厚度为e的材料)进行切割期间的结构，其中示出了在聚焦之后激光束的发散角θ、聚焦光束的直径2Wo以及切割前表面的角度α。
光束品质因数或者BPP定义为发散角θ和其半径Wo的乘积。
切割过程由在切割期间在材料中从激光束吸收的能量来进行控制。根据采用的激光束的波长，因此存在对于材料吸收能量而言最佳的角度。如果不是该最佳角度，则会反射以及/或者损失一部分能量。
图3示出，在最佳切割条件下，切割前表面的角度α对应于将材料的整个厚度e暴露于直径为2Wo的光束。
图4示出切割前表面的最佳角度α随切割厚度变化的情况。上部曲线通过利用4千瓦TEM01*模式的CO2激光器获得，而下部曲线通过利用根据本发明的2千瓦镱基纤维激光器获得。两条曲线不重合，因为10.6微米和1.07微米的最佳能量吸收角度存在差异，其中10.6微米是CO2激光器的波长，而1.07微米是镱基纤维激光器的波长。
从这些曲线可以清楚明显看出，小厚度的切割前表面的最佳角度大于较大厚度的切割前表面的最佳角度。将激光能量传输到该材料中的最大角度几何地获得，它是两个角度之和，即α+θ。
因此，可以理解的是，当切割小厚度(数毫米)物体时，需要采用低光束发散角，也就是小BPP，这是因为光点直径由采用的纤维直径来进行设定，从而保持最佳能量吸收角度恒定。
从中还可以推导出，超过8mm.mrad的值之后，从光束到该材料的能量传输效率会降低。
因此，对于本发明而言，采用的激光束的品质因数优选为1至8mm.mrad，更优选为2至8mm.mrad。
实例
为了说明本发明的该方法的有效性，利用包含放大介质的谐振器或者根据本发明方法的用于产生激光束的装置来执行对不锈钢工件进行切割的若干切割试验，所述用于产生激光束的装置由具有掺杂镱的芯的石英光纤构成，这些试验的结果在下面的实例中给出。
更准确地说，下面的实例中采用的激光源包括放大介质，该放大介质由二极管激励的掺杂镱的纤维构成，产生的激光束功率为2千瓦以及波长为1.07微米，该激光束在100微米涂敷的熔融石英光纤中传播，并且该纤维具有的品质因数(BPP)为4mm.mrad。位于纤维的出口处的准直仪配置有焦距为55毫米的双合透镜。
为了根据将被切割的工件的厚度和采用的辅助气体的气压和组成来确定利用本发明的该方法可以实现的速度范围，对厚度为1.5毫米至8毫米的不锈钢工件执行切割试验。
采用的气体是惰性气体，即氮气，并且，以根据采用的气体而在8至25巴范围内变化的气压，将采用的气体喷射到其中光束和工件交互作用的交互区并通过激光切割喷嘴，所述激光切割喷嘴具有的孔的直径根据实际情况在0.5至4毫米、通常在1至3毫米之间范围内变化。被切割的物体厚度越大，则该喷嘴的直径就必须越大。
采用焦距在127毫米至190.5毫米之间的聚焦透镜来对激光束进行聚焦，其中该激光束通过包含二极管激励的掺杂镱的纤维的放大介质而产生、并且通过光学传送装置被传送到切割头的聚焦透镜，该光学传送装置例如是100微米直径的光纤。
更准确地说，对于将要切割的物体厚度小于等于4毫米的情况，采用焦距为127毫米的透镜，而对于其它更大厚度而言，采用焦距为190.5毫米的透镜。
利用从获得的切割质量的角度看是令人满意的利用15巴的氮气气压获得的结果在图2中给出，图2示出了获得的速度(y轴上的点)随将被切割的厚度(x轴上的点)的变化。
该图示出，在2毫米厚的板上，在上述条件下，本发明方法使得可以实现16米/分钟的速度。然而，该图还示出，从逻辑上看，切割速度随切割材料的厚度的增加而降低。
此外，应当强调的是，在检查切割面之后，对于所有切割厚度，所获得的切割在毛刺和条痕方面是非常令人满意的。
然而，利用这里使用的激光功率在上述实验条件下切割的最大厚度是8毫米。
因此，本发明的该方法用于不锈钢切割时的切割速度和切割质量都是有效的。

Claims (10)

1.一种用于切割不锈钢工件的激光切割方法，其中使用激光束产生装置来熔化所述工件从而执行实际切割，其中所述激光束产生装置包括至少一种含镱纤维，用于产生激光束，其特征在于，所述激光束的品质因数在0.33至8mm.mrad之间。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述纤维由具有石英包层的掺杂镱的芯形成。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，由所述镱基纤维产生的所述激光束的波长在1至5微米之间，优选为在1.04至3微米之间。
4.根据权利要求1至3之一所述的方法，其特征在于，由所述镱基纤维产生的激光束的波长在1.07至1.09微米之间，优选为1.07微米。
5.根据权利要求1至4之一所述的方法，其特征在于，所述激光束的功率在0.1至25千瓦之间，优选为在0.5至15千瓦之间。
6.根据权利要求1至5之一所述的方法，其特征在于，所述激光束是连续或者脉冲激光束，优选为连续激光束。
7.根据权利要求1至6之一所述的方法，其特征在于，所述将要切割的工件的厚度在0.25至30毫米之间，优选为在0.40至20毫米之间。
8.根据权利要求1至7之一所述的方法，其特征在于，所述切割速度在0.1至25米/分钟之间，优选为在2至20米/分钟之间。
9.根据权利要求1至8之一所述的方法，其特征在于，所述用于激光束的辅助气体选自于氮气、氦气、氩气及其混合物，此外，所述辅助气体还包含选自于O2、CO2、H2和CH4的一种或多种附加化合物。
10.根据权利要求1至9之一所述的方法，其特征在于，所述激光束的品质因数在1至8mm.mrad之间，优选为大于2mm.mrad，更优选为大于3mm.mrad，并且/或者优选小于7mm.mrad，更优选为小于5mm.mrad。
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