CN103962734B - 激光切割快速变焦穿孔方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了激光切割技术领域内的一种激光切割快速变焦机构及快速变焦穿孔方法，该机构包括切割头和反射镜，反射镜包括由弹性材料制成的反射镜片，反射镜片安装在密闭的腔体上，腔体与压力控制机构相连，反射镜片的表面曲率半径随腔体内的压力的变化而变化。穿孔时，先将喷嘴离工件表面5~6mm，再改变腔体内压，使激光聚焦到工件表面上方0.9~1.1mm，打出凹坑；然后使焦点下移到工件内4~5mm继续穿孔，最后，将喷嘴下移到工件表面上方0.9~1.1mm，使反射镜片为平面镜，直至激光切割穿透工件。该装置及方法使其更易于切割，即可避免飞溅物粘到聚焦镜片上，提高穿孔效率，同时避免爆孔，其穿孔稳定，切割质量高。

Description

激光切割快速变焦穿孔方法

技术领域

本发明涉及一种板材加工方法。

背景技术

激光切割是将激光作为一种加工手段对金属或非金属板材进行切割加工，可在平面板材上加工直线和任意形状的曲线，广泛应用于电气制造、汽车、仪表开关、纺织机械、运输机械、家电制造、电梯设备制造、食品工业、装饰装潢与广告以及激光加工站等。

激光切割的过程是先利用经聚焦的高功率密度的激光照射加工材料，使被照射的材料迅速熔化、汽化，同时借助与光束同轴的高速气流吹除熔融物质，先在工件上形成一个孔，然后运动***带动切割装置或加工工件移动，激光将所照射的位置的工件熔化、汽化，并被辅助气体吹走，从而实现切割。

现有技术中，激光穿孔时，激光光束经平面反射镜反射到切割头中的聚焦镜片上，经聚焦镜聚焦后通过割嘴照射在工件上，激光光束聚焦后在工件表面形成一个焦点；喷嘴离工件表面较近，约为1mm，在孔未被打穿时，全部气化物、飞溅物均从盲孔中飞溅而出，一旦打穿，则在辅助气体的喷吹下，这些物质会从工件下方被吹走；因此，穿孔过程中的飞溅物容易粘附在聚焦镜片的下表面上，聚焦镜片污染后会降低切割质量甚至导致切割失败；现有激光切割装置中，激光光束聚焦后的焦点在工件上的位置恒定，在穿孔过程中随着板材未被打穿的部分减少，切割点逐步偏离焦点，导致光斑直径变大，能量不够集中，穿孔时间长，易爆孔，尤其是在切割8~25mm的厚板材时，上述问题更容易发生。比较容易想到的解决思路是将聚焦镜片随板材穿孔的深度变化而作适应性变化，使激光束焦点位置相应变化。但事实上，采用这种方法导致切割头结构复杂、可靠性低而且成本较高，此外，随着聚焦镜片离板材表面距离的减小，飞溅物更容易粘附在聚焦镜片上。因此，采用传统的穿孔方式会导致机床的加工效率低、切割零件易报废，聚焦镜片损耗高。

发明内容

本发明的目的、是提供一种激光切割快速变焦机构，使其焦点位置可变，以便适应不同厚度的工件切割，提高穿孔效率和穿孔质量。

本发明的目的是这样实现的：一种激光切割快速变焦机构，包括切割头和反射镜，切割头上设有聚焦镜片，切割头上位于聚焦镜片的下方设有用于喷出辅助气体的喷嘴，所述反射镜设置激光光路上，反射镜的位置满足恰好将激光的反射光照射在聚焦镜片上；所述反射镜包括由弹性材料制成的反射镜片，所述反射镜片安装在密闭的腔体上，所述腔体与压力控制机构相连，反射镜片的表面曲率半径随腔体内的压力的变化而变化。

使用时，通过改变腔体的内压，使得反射镜片表面的弧度产生变化，从而改变聚焦镜片聚焦后的激光束的焦点位置，使其更易于切割，避免飞溅物粘到聚焦镜片上，提高切割效率，同时避免爆孔。

本发明目的之二是提供一种利用上述激光切割快速变焦机构进行的激光切割快速变焦穿孔方法，使其能快速在中厚板材上穿孔，同时提高穿孔质量。

为此，本发明还提供了一种激光切割快速变焦穿孔方法：其特征在于包括如下步骤：

1）将激光快速变焦机构的切割头移动到工件上方，使切割头上的喷嘴离工件表面5~6mm；所述激光快速变焦机构包括切割头和反射镜，切割头上设有聚焦镜片，切割头上位于聚焦镜片的下方设有用于喷出辅助气体的喷嘴，所述反射镜设置激光光路上，反射镜的位置满足恰好将激光的反射光照射在聚焦镜片上；反射镜包括由弹性材料制成的反射镜片，所述反射镜片安装在密闭的腔体上，所述腔体与压力控制机构相连，反射镜片的表面曲率半径随腔体内的压力的变化而变化；

2）在激光快速变焦机构的腔体内施加一定压力，使反射镜片为凸面镜，并使激光束经聚焦镜片聚焦后的焦点位于工件的上方，先开启辅助气体，再开启激光；

3）增加腔体内压，使反射镜片表面曲率变化，激光束经聚焦镜片聚焦后的焦点下移到工件表面上方0.9~1.1mm，使激光在工件表面打出一个凹坑；

4）持续增加腔体内压，使激光束经聚焦镜片聚焦后的焦点下移到工件表面下4~5mm，激光对凹坑下方的工件内部进行切割；

5）下降切割头，使喷嘴离工件表面0.9~1.1mm，改变腔体内压，使反射镜片表面为平面，此时，激光束的焦点大致位于工件上表面，保持该腔体内压直至激光切割穿透工件。

该方法特别适合切割厚度8~25mm的中厚碳钢板工件。在切割头下降之前，聚焦镜片与工件表面的距离大，飞溅物不易溅射到聚焦镜片上，保证了聚焦镜片工作可靠；在工件表面凹坑形成后，激光束的焦点实时移动到工件表面下4~5mm，可使凹坑逐渐加深，而工件的金属材料熔融、汽化并被辅助气体不断吹走；随后喷嘴位置下降，一方面使辅助气体能更好吹到凹坑内，避免熔融液体接触氧气而自燃烧，另一方面，此时凹坑积聚了大量热量，熔融的液体更多地汽化，飞溅物较少，切割头下降后能更好地实现穿孔后的切割，其控制相对简单，能量利用效率高，穿孔稳定，可提高切割稳定性。最后通过将反射镜片改变为平面镜，使其保持到穿孔完成，在穿孔完成后，随着工作台及切割头的移动，可在板材表面切割出设定形状的工件，切割时，熔融的液体从工件下方被吹走，因此平面镜的状态可保持到整条切缝的最后，因此，采用变焦的方法适用于穿孔加工中。与现有技术相比，本发明穿孔效率高，穿孔稳定，可提高切割质量。

作为本发明的进一步改进，激光束经聚焦镜片聚焦后的焦点下移到工件表面后，保持腔体内压0.25~0.35秒。此外，激光束经聚焦镜片聚焦后的焦点下移到工件表面下4~5mm后，板厚在8～15mm时保持腔体内压0.4~0.5秒，板厚在16～25mm时保持腔体内压1.5~1.6秒。通过上述短暂的延时，可保证反射镜片维持在稳定的弧度上，激光束经聚焦镜片聚焦后的焦点保持不变，可在局部积聚能量，利于打出凹坑及将凹坑内的熔融液体及时吹走，避免飞溅物粘附到聚焦镜片上。

附图说明

图1为激光束的焦点位于工件表面上方时的工作原理图。

图2为图1的局部放大图。

图3为激光束的焦点下移到工件表面下4～5mm时的工作原理图。

图4为图3的局部放大图。

图5为反射镜片为平面镜时的切割状态图。

其中，1激光束，2反射镜，2a反射镜片，2b腔体，3切割头，4聚焦镜片，5喷嘴，6焦点，7工件，8辅助气体束，9飞溅物。

具体实施方式

如图1中所示，激光切割快速变焦机构，包括切割头3和反射镜2，切割头3上设有聚焦镜片4，切割头3上位于聚焦镜片4的下方设有用于喷出辅助气体的喷嘴5，反射镜2设置在激光光路上，反射镜2的位置满足恰好将激光的反射光照射在聚焦镜片4上；反射镜2包括由弹性材料制成的反射镜片2a，反射镜片2a安装在密闭的腔体2b上，腔体2b与压力控制机构相连，反射镜片2a的表面曲率半径随腔体2b内的压力的变化而变化，可采用液压或气压控制腔体2b的内压。反射镜片2a的表面曲率半径变化后，激光束1经反射镜片2a反射，并经聚焦镜片4折射后，激光束1的焦点6的位置发生变化。

如图1~5所示，用上述激光切割快速变焦机构进行激光切割快速变焦穿孔，穿孔方法按如下步骤进行：

1）将切割头3移动到工件7上方，工件为厚度10mm的碳钢板，优选切割8~25mm的中厚碳钢板；先使切割头3上的喷嘴5离工件7表面5~6mm，优选为5.5mm；该距离远比正常切割的1mm左右的距离大。

2）在腔体2b内施加一定压力，使反射镜片2a为凸面镜，并使激光束1经聚焦镜片4聚焦后的焦点6位于工件的上方，先开启辅助气体，再开启激光，辅助气体束8和激光束1从喷嘴5的中心孔中射出。

3）增加腔体内压，使反射镜片表面曲率变化，激光束经聚焦镜片聚焦后的焦点下移到工件表面上方0.9~1.1mm，保持腔体内压0.25~0.35秒，使激光在工件7表面打出一个凹坑；图2中，飞溅物9溅射，由于聚焦镜片4距离较远，不会溅射到聚焦镜片4上，辅助气体从喷嘴5喷出后，形成辅助气体束8，其隔离了空气，避免金属材料燃烧。

4）持续增加腔体2b内压，使激光束1经聚焦镜片4聚焦后的焦点6下移到工件7表面下4~5mm后，保持腔体内压0.4~0.5秒，使激光对凹坑下方的工件内部进行切割，可如图3和4所示，凹坑底部熔融、汽化的金属被辅助气体束8不断吹出，凹坑深度持续增加。辅助气体束8可避免凹坑内的金属材料自燃烧，从而可以使用更大的激光功率。

5）下降切割头3，使喷嘴5离工件表面0.9~1.1mm，优选为1mm，改变腔体内压，使反射镜片2a表面为平面，此时，激光束1的焦点6大致位于工件7上表面，这是由聚焦镜片4的固有特性决定的，在喷嘴5离工件表面0.9~1.1mm时，聚焦镜片4的焦点大致在工件7上表面，可保持该腔体内压直至激光切割穿透工件。

该激光切割采用了三级变焦快速穿孔方法，通过实时调整光束焦点在工件上的位置，结合切割头的上下运动控制喷嘴5与工件7表面的距离，同时可实时调整激光穿孔功率和辅助气体压力，分五个步骤实现快速穿孔，特别对于中厚碳钢板（t=8～25mm）的穿孔效率比传统方式提高约400%。由于穿孔的初期及中期，喷嘴与工件表面的距离变大，同时光束焦点位置随穿孔过程实时下降，穿孔稳定，避免自燃烧及爆孔现象，防止聚焦镜片4被快速污染，提高了切割稳定性。经试验证明：该方法使激光穿孔效率大幅提升，装置其结构简单，控制方便，自动化程度高，效果显著。

上述加工方法中，激光束1经聚焦镜片4聚焦后的焦点6下移到工件7表面下4~5mm后，当板厚在8～15mm时，保持腔体内压0.4~0.5秒；板厚在16～25mm时，保持腔体内压1.5~1.6秒。可具有更好的穿孔效果。

本发明并不局限于上述实施例，在本发明公开的技术方案的基础上，本领域的技术人员根据所公开的技术内容，不需要创造性的劳动就可以对其中的一些技术特征作出一些替换和变形，这些替换和变形均在本发明的保护范围内。

Claims (4)

1.一种激光切割快速变焦穿孔方法，其特征在于包括如下步骤：

1）将激光快速变焦机构的切割头移动到工件上方，使切割头上的喷嘴离工件表面5~6mm；所述激光快速变焦机构包括切割头和反射镜，切割头上设有聚焦镜片，切割头上位于聚焦镜片的下方设有用于喷出辅助气体的喷嘴，所述反射镜设置激光光路上，反射镜的位置满足恰好将激光的反射光照射在聚焦镜片上；反射镜包括由弹性材料制成的反射镜片，所述反射镜片安装在密闭的腔体上，所述腔体与压力控制机构相连，反射镜片的表面曲率半径随腔体内的压力的变化而变化；

2）在激光快速变焦机构的腔体内施加一定压力，使反射镜片为凸面镜，并使激光束经聚焦镜片聚焦后的焦点位于工件的上方，先开启辅助气体，再开启激光；

3）增加腔体内压，使反射镜片表面曲率变化，激光束经聚焦镜片聚焦后的焦点下移到工件表面上方0.9~1.1mm，使激光在工件表面打出一个凹坑；

4）持续增加腔体内压，使激光束经聚焦镜片聚焦后的焦点下移到工件表面下4~5mm，激光对凹坑下方的工件内部进行切割；

5）下降切割头，使喷嘴离工件表面0.9~1.1mm，改变腔体内压，使反射镜片表面为平面，此时，激光束的焦点大致位于工件上表面，保持该腔体内压直至激光切割穿透工件。

2.根据权利要求1所述的激光切割快速变焦穿孔方法，其特征在于：所述工件为厚度8~25mm的中厚碳钢板。

3.根据权利要求1所述的激光切割快速变焦穿孔方法，其特征在于：激光束经聚焦镜片聚焦后的焦点下移到工件表面后，保持腔体内压0.25~0.35秒。

4.根据权利要求1所述的激光切割快速变焦穿孔方法，其特征在于：激光束经聚焦镜片聚焦后的焦点下移到工件表面下4~5mm后，板厚在8～15mm时，保持腔体内压0.4~0.5秒；板厚在16～25mm时，保持腔体内压1.5~1.6秒。