CN111633347A - 一种电磁辅助预处理的激光切割设备 - Google Patents

Abstract

本发明属于激光切割相关技术领域，其公开了一种电磁辅助预处理的激光切割设备，激光切割设备包括输入输出装置、集成工控机、激光发生器、激光切割机床电动运动机构、激光切割头及电磁感应加热装置，输入输出装置、激光发生器、激光切割头、激光切割机床电动运动机构及电磁感应加热装置分别连接于集成工控机，激光切割头及电磁感应加热装置分别连接于激光切割机床电动运动机构；输入输出装置用于向集成工控机输入各项工艺参数，集成工控机用于根据接收到的工艺参数分别对应地控制激光发生器、激光切割机床电动运动机构、激光切割头及电磁感应加热装置。本发明提高了切割质量及效率，降低了成本。

Description

一种电磁辅助预处理的激光切割设备

技术领域

本发明属于激光切割相关技术领域，更具体地，涉及一种电磁辅助预处理的激光切割设备。

背景技术

目前在工业应用领域应用最广泛的激光切割设备的激光器功率普遍在几千瓦左右水平，且切割的金属材料主要集中在4.5mm以下的薄板以及几毫米到十几毫米的中厚板。近年来随着国内外万瓦级光纤激光器的迅猛发展，以及各行业应用中针对厚度25mm以上的金属厚板激光切割需求，采用万瓦以上的超高功率激光切割设备，对厚度25mm以上的金属厚板进行切割的方案在工业应用领域正在被逐步推广。

对于金属厚板激光切割存在以下两个突出的难题：1、激光束不易穿透金属板材形成熔融金属在切缝内的排出通道，从而无法随着激光束相对板材的移动而形成切缝。2、对于厚板而言，由于在厚度方向上尺寸较大，切缝内熔融金属向下流动排出的路径较长。在熔融金属向下流动过程中与板材、辅助气体进行热交换从而温度逐步下降、黏度增加，熔融金属流动性变差而滞留在切缝内使得切面形成高低起伏的条纹形貌以及粘滞在切缝底部形成挂渣，甚至阻塞切缝使切割后的板材无法分离。

对于厚板激光切割，工业上采用的方法为尽可能采用万瓦以上的超大功率激光器，但随之而来的问题是万瓦以上的超大功率激光器价格仍然十分昂贵，对于一些对激光高反的金属材料如铝合金而言，激光功率越高意味着损失的能量越多，在工业生产中形成巨大浪费。

目前，本领域相关技术人员已经做了一些研究，如专利CN103659004A公开了一种激光切割预处理装置、激光切割装置及激光切割方法，其采用激光作为辅助热源的方式对热塑性高聚物材料进行预热，使待切割位置的材料受热后处于固液混合相区，之后采用激光对固液混合相区进行切割。又如专利CN110293324A公开了一种电磁场辅助激光切割方法，其采用电磁线圈作为辅助装置，通过在激光切割过程中加入电磁场，对激光切割的熔融金属产生向下的外力——洛伦兹力，以加强熔融金属向下的流动过程，最终解决了激光切割厚板拐角处出现熔融金属向上发生“逆喷”现象，致使切割无法继续进行的问题。

然而，专利CN103659004A采用激光作为辅助热源对材料的待切割位置进行预热，提出了两项实例。实例1为采用两套激光设备，一套用来对待切割材料进行预热，另一套用来对材料进行激光切割。由于激光器作为激光切割设备的核心部件，其价格占据整套切割设备的最主要部分，因此采用两套激光切割设备必然会提高投入成本，且操作过程繁琐，不利于工业应用上的推广。实例2为采用一台激光器，采用分光装置将激光束一分为二，一束用以对材料进行预热，另一束用以对材料进行切割。此方案由于需要分光，因此需要的激光器必须为功率足够大，直接提高了设备成本，且分光装置为承受高功率密度激光束的精密光学器件，价格同样昂贵。另外，由于某些对激光高反的金属材料如铝合金等，在激光照射过程中会反射损失大量激光能量，这类材料虽然对激光的吸收率随着自身温度提高会有适当提高，在预热后会对切割激光的吸收有一定改善，但是在预热时将会对预热激光产生高反作用，大量损失预热激光能量而预热效果不佳。

专利CN110293324A采用电磁线圈作为辅助装置，通过引入电磁场对切割熔融金属产生向下的外力——洛伦兹力，提高了熔融金属的流动性，加强了熔融金属在切缝中的流动排出效果，从而解决了在切割路径拐角处产生“逆喷”现象。该方案虽然通过外加辅助手段对切割过程中熔融金属的流动过程进行了一定的改善，但是对于切割起点位置，材料待切割位置需要摄入足够的能量，其达到熔化穿透效果方可形成熔融金属流动排出通道，采用电磁线圈对熔融金属施加洛伦兹力的方案显然无法解决这一问题。另外，该专利方案的应用范围仅仅适用于解决切割路径中拐角处出现“逆喷”的现象，对于整个激光切割过程并无法产生完全的辅助改善作用。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种电磁辅助预处理的激光切割设备，所述激光切割设备采用电磁感应线圈对金属厚板预加热后进行激光切割，解决了对金属厚板进行激光切割时，激光束不易穿透板材形成熔融金属排出通道、熔融金属在切缝内流动排出不畅而形成切割挂渣及阻碍排出通道的难题，且提高了切割效率及质量，降低了成本。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种电磁辅助预处理的激光切割设备，所述激光切割设备包括输入输出装置、集成工控机、激光发生器、激光切割机床电动运动机构、激光切割头及电磁感应加热装置，所述输入输出装置、所述激光发生器、所述激光切割头、所述激光切割机床电动运动机构及所述电磁感应加热装置分别连接于所述集成工控机，所述激光切割头及所述电磁感应加热装置分别连接于所述激光切割机床电动运动机构；

所述输入输出装置用于向所述集成工控机输入各项工艺参数，所述集成工控机用于根据接收到的工艺参数分别对应地控制所述激光发生器、所述激光切割机床电动运动机构、所述激光切割头及所述电磁感应加热装置；

工作时，所述电磁感应加热装置在前，所述激光切割头在后，所述电磁感应加热装置用于对材料待切割位置进行感应预热，所述激光发生器发出的激光束与切割气体自所述激光切割头同轴输出以对材料待切割位置进行切割。

进一步地，所述激光切割设备包括水冷***，所述水冷***分别连接所述激光发生器及所述激光切割头。

进一步地，所述激光切割设备包括空气压缩机及切割气体发生装置，所述空气压缩机及所述切割气体发生装置分别连接于所述激光切割头。

进一步地，所述电磁感应加热装置包括电磁感应线圈夹持机构及电磁感应线圈，所述电磁感应线圈夹持机构连接于所述激光切割机床电动运动机构，所述电磁感应线圈设置在所述电磁感应线圈夹持机构上。

进一步地，各项工艺参数包括所述激光发生器的输出功率、所述激光切割机床电动运动机构的运动路径及运动速度、所述激光切割头的参数及所述电磁感应线圈的参数。

进一步地，所述激光切割机床电动运动机构用于根据所述集成工控机通信过来的信号带动所述激光切割头及所述电磁感应加热装置按照预设速度V完成预设运动轨迹。

进一步地，所述切割气体为活性气体、非活性气体或者惰性气体。

进一步地，所述集成工控机通过所述激光切割机床电动运动机构实时调整所述激光切割头的喷嘴末端与待切割材料表面之间的距离为预设值。

进一步地，所述激光切割设备的工作模式包括起点预热方式、随动加热方式、起点预热+随动加热方式、起点预热+变速切割方式、随动加热+变速切割方式、以及起点预热+随动加热+变速切割方式。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，本发明提供的电磁辅助预处理的激光切割设备主要具有以下有益效果：

1.采用电磁感应线圈对待切割金属厚板进行预热的方式，集成了电磁感应线圈与激光束，通过二者协同作用于待切割工件，使切割起点位置更易于在激光作用下穿透形成熔融金属流动排出通道，且在激光切割过程中通过预热使得待切割金属基板温度升高，切面与熔融金属件的粘滞力减小，更利于熔融金属从切缝流动排出，形成成型良好的切面，提高了切割质量与效率。

2.在采用电磁辅助预热装置对切割材料输入足够的热量后，可一定程度上提高切割速度，解决了材料切割起点位置需要输入足够高的能量达到一定温度阈值后才能熔化穿透，形成熔融金属流动排出通道的问题，且解决了在切割过程中，切面需要保持一定的温度，方可避免熔融金属受力模型中与切面的粘滞力过大而滞留在切缝内，降低切割质量的问题，提高了熔融金属的流动性，改善了切割质量。

3.由于采用电磁辅助预热，解决了采用激光作为辅助热源进行预热时铝合金等材料产生高反现象，可产生较好的预热效果。

4.由于采用电磁辅助预热后，金属材料温度升高，对激光的吸收率有一定提升，因此相比不采用电磁辅助预热，可以降低激光器的输出功率。

5.所述激光切割设备的结构简单，操作简便，相比高功率激光器设备的价格更低，节约了经济成本。

附图说明

图1是本发明提供的电磁辅助预处理的激光切割设备的示意图；

图2是图1中的电磁辅助预处理的激光切割设备的激光切割头及电磁感应线圈的示意图；

图3是图1中的电磁辅助预处理的激光切割设备采用起点预热方式的工作示意图；

图4是图1中的电磁辅助预处理的激光切割设备采用随动加热方式及起点预热+随动加热方式的工作示意图；

图5是图1中电磁辅助预处理的激光切割设备采用起点预热+变速切割方式的工作示意图；

图6是图1中的电磁辅助预处理的激光切割设备采用随动加热+变速切割方式及起点预热+随动加热+变速切割方式的工作示意图。

在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：10-激光切割金属工件，11-激光切割机床工作台，12-激光切割头，13-电磁感应加热装置，131-电磁感应线圈夹持机构，132-电磁感应线圈，14-切割气体发生装置，141-切割气体，15-空气压缩***，16-水冷***，17-激光发生器，171-激光束，18-集成工控机，19-输入输出装置，20-激光切割机床电动运动机构。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

请参阅图1及图2，本发明提供的电磁辅助预处理的激光切割设备，所述激光切割设备采用电磁辅助装置作为预热热源对激光切割过程进行辅助预热，通过电磁辅助预热达到了改善金属厚板激光切割效果的目的。

所述激光切割设备包括输入输出装置19、集成工控机18、激光发生器17、激光切割机床电动运动机构20、激光切割头12、电磁感应加热装置13、切割气体发生装置14、激光切割机床工作台11、空气压缩***15及水冷***16，所述激光切割头12及所述电磁感应加热装置13分别连接于所述激光切割机床电动运动机构20，所述激光发生器17、所述激光切割机床电动运动机构20、所述输入输出装置19分别连接于所述集成工控机18。所述空气压缩机15及所述切割气体发生装置14分别连接于所述激光切割头12。所述水冷***16分别连接于所述激光发生器17及所述激光切割头12，所述激光发生器17连接于所述激光切割头12。所述激光切割机床工作台11位于所述激光切割头12的下方，其用于承载激光切割金属工件10。

本实施方式中，所述电磁感应加热装置13包括电磁感应线圈夹持机构131及电磁感应线圈132，所述电磁感应线圈夹持机构131连接于所述激光切割机床电动运动机构20，所述电磁感应线圈132设置在所述电磁感应线圈夹持机构131上；所述激光切割头12及所述电磁感应加热装置13分别连接于所述集成工控机18。

所述输入输出装置19用于向所述集成工控机18输入各项工艺参数，所述工艺参数包括设置所述激光发生器17的输出功率、所述激光切割机床电动运动机构20的运动路径及运动速度、所述激光切割头12的参数、所述电磁感应线圈132的参数及显示所述集成工控机18的各项参数的执行反馈情况。

所述集成工控机18用于将来自所述输入输出装置19的各项工艺参数转换成可与所述激光发生器17、所述激光切割机床电动运动机构20、所述激光切割头12、所述电磁感应线圈132进行通信的信号，以使上述的设备按照信号完成设定的动作，并通过监测装置实时记录各项设备对信号的执行情况最终反馈显示在所述输入输出装置19上。

所述激光发生器17用于产生切割材料的激光束171，并根据所述集成工控机18通信过来的信号控制输出激光的功率P1，所述激光发生器17通过光纤连接于所述激光切割头12。所述激光切割机床电动运动机构20用于根据所述集成工控机18通信过来的信号带动所述激光切割头12及电磁感应加热装置13按照预设速度V完成预设运动轨迹。

所述激光切割头12用于将光纤传导过来的激光输出至材料待切割位置，根据所述集成工控机18通信过来的信号调整其内部的光学部件的空间位置，以调整所述激光束171的焦点位置与焦距长度f；根据所述集成工控机18信号通过配套的电磁阀机构调整切割气体输出压力Pa，其中，切割气体类型根据切割材料不同可选择活性气体、非活性气体及惰性气体等，切割气体与所述激光束171同轴输出；根据所述集成工控机18的信号调整所述激光切割头12的喷嘴末端与切割材料表面之间的距离为预设值△d，并通过配套的电容传感器及其内部的电动运动装置或者切割机床电动运动机构在切割过程中带动所述激光切割头12实时调整空间位置，以保证喷嘴末端与材料表面之间的距离△d在切割过程中不随材料表面不平整或者材料受热膨胀抖动而发生改变。

所述电磁感应加热装置13用于根据所述集成工控机18的信号调整用以对材料进行加热的输出功率，并由所述激光切割机床电动运动机构20带动以调整所述电磁感应加热装置13与切割材料之间的距离。

所述切割气体发生装置14用于根据应用需要输出特定种类的切割气体141，其通过内部调节装置输出特定压力的切割气体141至所述激光切割头12。

所述空气压缩***15用于对空气压缩至特定压力，并通过内部压力调节装置输出特定压力的压缩空气至所述激光切割头12，以对所述激光切割头12的喷嘴进行冷却。

所述水冷***16用于对循环水进行加热或者冷却至特定温度T，并传输预设流量和温度的循环水至所述激光切割头12、光纤接口及所述激光发生器17以进行冷却。

所述激光切割设备工作时，所述电磁感应线圈132在前，所述激光切割头12在后，所述电磁感应线圈132对材料待切割位置进行感应预热，所述激光束171及所述切割气体141同轴输出对材料待切割位置进行切割，其中所述电磁感应线圈132对材料的加热范围覆盖所述激光束171照射位置。执行切割过程时，所述电磁感应线圈132以特定功率P₂在切割起点位置上方停留并加热预设时长t，之后所述电磁感应线圈132迅速移离，同时所述激光切割头12迅速移动至切割起点位置上方，并输出同轴激光和切割气体，按照预设激光功率P₁及预设切割气压Pa从切割起点开始按照预设切割速度V沿待切割路径进行切割；或者所述电磁感应线圈132与所述激光切割头12按照预设切割速度V同步运动，所述电磁感应线圈132以特定功率P₂按照待切割路径运动的同时对材料进行实时加热，所述激光切割头12跟随其后按照预设激光功率P₁及预设切割气压Pa沿待切割路径对材料进行切割；亦可结合上述两种方式，即所述电磁感应线圈132以特定功率P₂在切割起点位置上方停留并加热预设时长t，之后所述电磁感应线圈132与所述激光切割头12按照预设切割速度V沿待切割路径同步运动，所述电磁感应线圈132在沿切割路径运动的同时以特定功率P₂对材料进行实时加热，所述激光切割头12运动到切割起点位置上方时开始输出同轴激光和切割气体，从此开始以预设激光功率P₁及预设切割气压Pa按照预设切割速度V进行切割。

由于在激光束作用在金属切割材料之前，已通过所述电磁感应线圈132对待切割位置进行加热，切割起点位置易于在激光作用下穿透形成熔融金属流动排出通道，且切割过程中熔融金属与切面粘滞力较小，熔融金属易于流动排出切缝，形成质量良好的切面。上述各项工艺参数根据实际应用中，针对不同场景条件对应的优化结果进行设定选择。

所述激光切割设备根据不同切割工艺要求设计的预热切割方法有以下六种：

方法一：起点预热方式，如图3所示，所述电磁感应线圈132以特定功率P₂在切割起点位置A点上方停留并加热预设时长t，之后所述电磁感应线圈132迅速移离，同时所述激光切割头12迅速移动至切割起点位置A点上方，并输出同轴激光束171和切割气体141，按照预设激光功率P₁及预设切割气压Pa从切割起点A点开始按照预设切割速度V沿待切割路径进行切割。

方法二：随动加热方式，如图4所示，所述电磁感应线圈132与所述激光切割头12按照预设切割速度V同步运动，所述电磁感应线圈132从起点A点开始沿待切割路径运动的同时以特定功率P₂对材料进行实时加热，所述激光切割头12跟随其后，从起点A点开始输出同轴激光束171和切割气体141，按照预设激光功率P₁及预设切割气压Pa沿待切割路径对材料进行切割。

方法三：起点预热+随动加热方式，如图4所示，所述电磁感应线圈132以特定功率P₂在切割起点A点上方停留并加热预设时长t，之后所述电磁感应线圈132与所述激光切割头12按照预设切割速度V沿待切割路径同步运动，所述电磁感应线圈132在沿切割路径运动的同时以特定功率P₂对材料进行实时加热，所述激光切割头12运动到切割起点位置A点上方时开始输出同轴激光和切割气体141，从此开始按照预设激光功率P₁及预设切割气压Pa按照预设切割速度V进行切割。

方法四：起点预热+变速切割方式，如图5所示，所述电磁感应线圈132以特定功率P₂在切割起点位置A点上方停留并加热预设时长t，之后所述电磁感应线圈132迅速移离，同时所述激光切割头12迅速移动至切割起点位置A点上方，并输出同轴激光和切割气体141，按照预设激光功率P₁及预设切割气压Pa从切割起点A点开始按照预设切割速度V沿待切割路径进行切割至点B，在激光束171从A点沿切割路径移动特定距离d₁至B点过程中，在切缝形成的同时由于热量交换使得金属基板吸收了足够多的能量，热扩散后金属基板温度已明显升高，形成预热效果，此时熔融金属流动排出效果良好，可以在保证切割质量的同时适当提升切割速度，从B点开始以更快的速度进行更高效率的切割。

方法五：随动加热+变速切割方式，如图6所示，所述电磁感应线圈132与所述激光切割头12按照预设切割速度V同步运动，所述电磁感应线圈从起点A点开始沿待切割路径运动的同时以特定功率P₂对材料进行实时加热，所述激光切割头12跟随其后，从起点A点开始输出同轴激光束171和切割气体，按照预设激光功率P₁及预设切割气压Pa沿待切割路径对材料进行切割至点B，在所述电磁感应线圈132与激光束171从A点沿切割路径移动特定距离d₁至B点过程中，在切缝形成的同时由于热量交换使得金属基板吸收了足够多的能量，热扩散后，所述金属基板温度已明显升高，与没有电磁辅助加热的单激光切割相比预热效果得到加强，此时熔融金属流动排出效果良好，可以在保证切割质量的同时适当提升切割速度，从B点开始以更快的速度进行更高效率的切割。

方法六：起点预热+随动加热+变速切割方式，如图6所示，所述电磁感应线圈132以特定功率P₂在切割起点A点上方停留并加热预设时长t，由于切割起点位置得到预热更易于在激光作用下穿透形成熔融金属流动排出通道，之后所述电磁感应线圈132与所述激光切割头12按照预设切割速度V沿待切割路径同步运动，所述电磁感应线圈132在沿切割路径运动的同时以特定功率P₂对材料进行实时加热，所述激光切割头12运动到切割起点位置A点上方时开始输出同轴激光束171和切割气体141，从此开始按照预设激光功率P₁及预设切割气压Pa按照预设切割速度V进行切割至点B，在所述电磁感应线圈132与激光束171从A点沿切割路径移动特定距离d₁至B点过程中，在切缝形成的同时由于热量交换使得金属基板吸收了足够多的能量，热扩散后金属基板温度已明显升高，与没有电磁辅助加热的单激光切割相比预热效果得到加强，此时熔融金属流动排出效果良好，可以在保证切割质量的同时适当提升切割速度，从B点开始以更快的速度进行更高效率的切割。

本发明提供的电磁辅助预处理的激光切割设备采用电磁感应线圈对待切割金属厚板进行预热的方式，集成了电磁感应线圈与激光束，通过二者协同作用于待切割工件，使切割起点位置更易于在激光作用下穿透形成熔融金属流动排出通道，且在激光切割过程中铜鼓预热使得待切割金属基板温度升高，切面与熔融金属件的粘滞力减小，更利于熔融金属从切缝流动排出，形成成形良好的切面，提高了切割质量及效率。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种电磁辅助预处理的激光切割设备，其特征在于：

所述激光切割设备包括输入输出装置、集成工控机、激光发生器、激光切割机床电动运动机构、激光切割头及电磁感应加热装置，所述输入输出装置、所述激光发生器、所述激光切割头、所述激光切割机床电动运动机构及所述电磁感应加热装置分别连接于所述集成工控机，所述激光切割头及所述电磁感应加热装置分别连接于所述激光切割机床电动运动机构；

所述输入输出装置用于向所述集成工控机输入各项工艺参数，所述集成工控机用于根据接收到的工艺参数分别对应地控制所述激光发生器、所述激光切割机床电动运动机构、所述激光切割头及所述电磁感应加热装置；

工作时，所述电磁感应加热装置在前，所述激光切割头在后，所述电磁感应加热装置用于对材料待切割位置进行感应预热，所述激光发生器发出的激光束与切割气体自所述激光切割头同轴输出以对材料待切割位置进行切割。

2.如权利要求1所述的电磁辅助预处理的激光切割设备，其特征在于：所述激光切割设备包括水冷***，所述水冷***分别连接所述激光发生器及所述激光切割头。

3.如权利要求1所述的电磁辅助预处理的激光切割设备，其特征在于：所述激光切割设备包括空气压缩机及切割气体发生装置，所述空气压缩机及所述切割气体发生装置分别连接于所述激光切割头。

4.如权利要求1所述的电磁辅助预处理的激光切割设备，其特征在于：所述电磁感应加热装置包括电磁感应线圈夹持机构及电磁感应线圈，所述电磁感应线圈夹持机构连接于所述激光切割机床电动运动机构，所述电磁感应线圈设置在所述电磁感应线圈夹持机构上。

5.如权利要求4所述的电磁辅助预处理的激光切割设备，其特征在于：各项工艺参数包括所述激光发生器的输出功率、所述激光切割机床电动运动机构的运动路径及运动速度、所述激光切割头的参数及所述电磁感应线圈的参数。

6.如权利要求4所述的电磁辅助预处理的激光切割设备，其特征在于：所述激光切割机床电动运动机构用于根据所述集成工控机通信过来的信号带动所述激光切割头及所述电磁感应加热装置按照预设速度V完成预设运动轨迹。

7.如权利要求1-6任一项所述的电磁辅助预处理的激光切割设备，其特征在于：所述切割气体为活性气体、非活性气体或者惰性气体。

8.如权利要求1-6任一项所述的电磁辅助预处理的激光切割设备，其特征在于：所述集成工控机通过所述激光切割机床电动运动机构实时调整所述激光切割头的喷嘴末端与待切割材料表面之间的距离为预设值。

9.如权利要求1-6任一项所述的电磁辅助预处理的激光切割设备，其特征在于：所述激光切割设备的工作模式包括起点预热方式、随动加热方式、起点预热+随动加热方式、起点预热+变速切割方式、随动加热+变速切割方式、以及起点预热+随动加热+变速切割方式。

Images