雷射切割特種鋼薄板的裝置的製作方法

2023-05-21 11:43:56 3

專利名稱：雷射切割特種鋼薄板的裝置的製作方法
技術領域：
本實用新型一般地涉及一種切割裝置，特別地涉及一種雷射切割特種鋼薄 板的裝置。
背景技術：
雷射切割具有速度快、切縫窄、熱影響區小的優點，切割過程不需要模具，降低了產品的成本，容易與CAD/CAM結合，便於生產過程的控制，適於加 工小批量、多品種、形狀複雜的零件和切割特硬\特軟及脆性材料。雷射切割 普通碳鋼薄板工藝已近成熟，切口質量可得到較好控制。但是對於含有較高 Si、 Cr 、 Ni等合金元素的矽鋼、不鏽鋼等特種鋼板材，常規雷射切割工藝 容易產生掛渣和飛渣現象，影響其廣泛應用。常規雷射切割工藝中，氧化反應是形成熔渣的主要原因。通常針對不鏽鋼 等易掛渣材料雷射切割的常用工藝是採用高壓高純度氮氣或惰性氣體作為輔 助切割氣體，隔絕大氣中氧氣，吹走熔渣，避免氧化反應的發生。儘管此方法 可以獲得光滑無熔渣的高質量切口，但是隨之而來的問題是首先，由於需要 高純度氣體，高壓工作條件，因而氣體的消耗量極大。例如當氣體壓力為5公 斤時，幾乎10分鐘消耗完一鋼瓶40升氣體，而高純氮氣成本較高，這樣勢必 造成生產成本的劇增；此外，沒有氧化反應，缺乏其放熱所提供的大量熱源， 導致此方法切割板材所要求雷射功率急劇增大，如切割0.5mm矽鋼片要求基 模雷射功率高達IOOOW，隨著板厚增加，雷射功率要求更高，雷射器價格隨 著功率提高而大幅度上升，因此造成整體的生產成本進一步劇增。因此，此方 法缺乏大規模生產實用性。試驗研究發現，在常規雷射切割工藝中，以氧氣(或壓縮空氣)為輔助氣 體，初始Fe與02相互作用發生的氧化反應為切割過程的進行提供了大量熱 源。隨著氧化反應的進行，特種鋼中所含合金元素同時發生氧化反應生成密度 比氧化鐵低的如鉻鐵氧化物和氧化鉻等合金元素氧化物雜質。 一方面，這些氧
化物雜質在熔融區形成一個既影響表面張力又影響氧化物的動力學性能的表 面層。這些熔融態雜質具有較大的粘滯係數，形成熔渣且不易被普通噴嘴輔助切割氣體吹走；另一方面，這些雜質熔點高於母材鐵，成為妨礙穩定雷射切割 的重要因素。儘管採取隔絕氧氣，避免氧化反應發生工藝上可行，但缺乏實用 性，所以需另闢蹊徑。常規雷射切割工藝中，輔助氣體氧氣在切割過程中起到極為重要的作用， 氧化反應供給的熱量約為雷射切割所需總能量的2 / 3以上，切割所需雷射功 率大幅度降低，這是比較惰性氣體或氮氣輔助切割的最大優勢。但在特種鋼板 切割中由此產生大量具有較大的粘滯係數，不易被普通噴嘴輔助切割氣體吹除 的氧化物雜質。傳統噴嘴在較高供氣壓力下噴射出的氣流紊流度大，在氣體流 場中會產生激波。如果噴嘴和工件表面之間存在正激波，在噴嘴和工件表面之 間的流場中將產生渦流，其旋轉方向和切縫中的熔化金屬及碎屑排出的方向相 反，使得熔化金屬及碎屑排出變得困難。同時渦流產生有利於等離子體的形成。 等離子體會吸收雷射束的能量，從而被切割工件吸收的能量就要減少，切割效 率就會下降。等離子體的存在會使雷射束髮生散焦，雷射束的模式也會發生變 化，從而使切割質量變差。因此通常考慮設計特殊噴嘴形狀，如超音速拉伐兒 噴嘴，將供氣的滯壓全部轉化成動能，這樣可以有效地把熔化的金屬及其夾渣 物從切縫前沿吹走。但是這一方法缺乏通用性，不同板厚、不同焦距等因素的 改變等都將導致噴嘴出口處漸擴管幾何形狀的改變，不易與聚焦錐形雷射束匹 配。中國專利CN01804775.0提供了一種用於雷射切割薄且脆的材料的改進方 法和裝置，其採用輔助氣體排除熔化的材料和雷射產生的碎屑，其特徵在於高 速輔助氣體施加在被切割的材料上的淨力基本上為零。但其並未涉及含有較高 Si、 Cr、 Ni等合金元素的矽鋼、不鏽鋼等特種鋼板材的切割。實用新型內容本實用新型所要解決的技術問題在於提供一種雷射切割含有較高Si、 Cr、 Ni等合金元素的矽鋼、不鏽鋼等特種鋼薄板的裝置，以解決雷射切割工藝容 易產的生掛渣和飛渣，得到良好的切割效果。 本實用新型所解決的技術問題可以採用以下技術方案來實現 一種雷射切割特種鋼薄板的裝置，包括一雷射切割設備和一置於所述雷射切割設備雷射噴嘴下方的旋轉氣流引導裝置，其特徵在於所述旋轉氣流引導裝置包括一頂部設有一除渣吸口的中空錐體， 一與所述錐體下部連接的兩通排灰管， 一與所述排灰管的另一端連接旋轉氣流製造器。本實用新型中，所述中空錐體通過夾持器與雷射切割設備雷射噴嘴的運動機架連接，以保持所述雷射切割設備雷射噴嘴與中空錐體的除渣吸口同軸設置，並在切割過程保持同步運動。為了節約能源降低成本，所述雷射切割設備的雷射功率低於500W。 雷射切割設備的同軸輔助氣體的含氧率對雷射切割有很大的影響，含雜質多的氧氣就不能提供足夠的能量到切口底部形成高流動性的熔化物，因而降低了切割質量和切割速度，因此本實用新型中所述雷射切割設備的同軸輔助氣體為純氧；在不同的雷射功率及不同的厚度下，雷射切割設備的同軸輔助氧氣壓力均有一最佳值，可以獲得最大的切割速度，壓力過高時，氣流過強形成過強 的冷卻作用，切割速度反而下降，因此所述雷射切割設備的同軸輔助氧氣的氣體壓力為150kPa—300kPa。所述旋轉氣流引導裝置採用壓縮空氣，氣體壓力為50kPa—150kPa。 切割速度的提高，不僅提高切割效率，而且能細化切縫，降低切口粗糙度，明顯改善切口質量，因此在雷射功率一定時，應採取措施儘可能獲得高的切割速度，所述雷射切割設備的切割速度大於2米/分鐘。焦點位置對切口寬度也有影響，對於鋼薄板，雷射切割過程中焦點置於表面為佳。所述中空錐體的除渣吸口緊貼待切割的鋼薄板底部。本實用新型的雷射切割特種鋼薄板的裝置，在氧氣輔助雷射切割過程中， 促使氧化反應充分進行，從而釋放出大量熱量，泡沫性低密度反應生成物在反 應熱源及雷射熱源的共同作用下，反應殘渣在泡沫性狀態下可保持較長的時 間，此時通過設置在工件底部的旋風除渣器，形成強烈的旋轉氣流，利用由此 產生的巨大離心力，對物料起到強烈的衝刷作用，消除粘渣現象。此時既可阻 礙等離子體的產生，又可將泡沫性殘渣快速、乾淨地清除。

圖1為本實用新型的結構示意圖。
具體實施方式
為了使本實用新型實現的技術手段、創作特徵、達成目的與功效易於明白 了解，下面結合具體圖示，進一步闡述本實用新型。如圖1所示， 一種雷射切割特種鋼薄板的裝置，包括一雷射切割設備1和一置於所述雷射切割設備1雷射噴嘴11下方的旋轉氣流引導裝置2，旋轉氣流 弓I導裝置2包括一頂部設有一除渣吸口的中空錐體21 ，中空錐體21通過夾持 器23與雷射切割設備雷射噴嘴11的運動機架12連接，以保持所述雷射切割 設備雷射噴嘴11與中空錐體21的除渣吸口同軸設置，並在切割過程保持同步 運動，並緊貼待切割的鋼薄板3底部，中空錐體21下部連接的兩通排灰管22， 排灰管22的另一端連接旋轉氣流製造器(未示出)。本實施例中，雷射切割設備l採用TrumpfTCL 4030 CO2雷射切割機， 雷射器輸出光束直徑為lOmmTEMOO的雷射束，輸出功率為1800—4000W可 調。採用飛行光路系統，經CNC控制焦點，最大切割速度可達3340英寸/分 鍾，位移精度為0.02mm。使用5"聚焦鏡，焦點光斑直徑為O.lmm ，吹氣噴 嘴直徑為2mm 。為確保吹氣的穩定性，高壓氣體先經一組氣體過濾器及調壓 閥先行降壓，進入吹氣噴嘴前再經一由CNC程式控制的電控調壓閥，使吹氣 與雷射的輸出達到最佳同步。鋼薄板3材料選用0.5mm厚矽鋼，其中含Si為 2.7% ，及少量C 、 Mn 、 S 、 P等。將待切割的鋼薄板3置於雷射切割設備1雷射噴嘴11和旋轉氣流引導裝 置2之間，運行雷射切割設備，當氧氣流以12—25米/秒的速度由進氣管進入 旋轉氣流引導裝置2時，氣流將由直線運動變為圓周運動。旋轉氣流的絕大部 分沿器壁直圓筒體呈螺旋形向下，朝中空錐體21流動，通常稱此為外旋氣流。 含渣氣流在旋轉過程中產生離心力，將密度大於氣體的渣粒甩向器壁。渣粒一 旦與器壁接觸，便失去慣性力而靠入口速度的動量和向下的重力沿壁面下落， 進入排灰管22。旋轉下降的外旋氣流在到達錐體時，因圓錐形的收縮而向除塵
器中心靠攏，其切向速度不斷提高。當氣流到達中空錐體21下端某一位置時， 即以同樣的旋轉方向從中空錐體21中部，由下而上繼續做螺旋形流動，即內 旋氣流。最後淨化氣經排氣管(未示出)排出器外， 一部分未被捕集的渣粒也 由此逃失。自進氣管流入的另一小部分氣體，則向中空錐體21頂蓋流動，然 後沿排氣管外側向下流動，當到達排氣管下端時，即反轉向上隨上升的中心氣 流一同從排氣管排出，分散在這一部分上旋氣流中的渣粒也隨同被帶走。 為了節約能源降低成本，所述雷射切割設備的雷射功率低於500W。 雷射切割設備的同軸輔助氣體的含氧率對雷射切割有很大的影響，含雜質 多的氧氣就不能提供足夠的能量到切口底部形成高流動性的熔化物，因而降低 了切割質量和切割速度，因此本實用新型中所述雷射切割設備的同軸輔助氣體 為純氧；在不同的雷射功率及不同的厚度下，雷射切割設備的同軸輔助氧氣壓 力均有一最佳值，可以獲得最大的切割速度，壓力過高時，氣流過強形成過強 的冷卻作用，切割速度反而下降，因此所述雷射切割設備的同軸輔助氧氣的氣 體壓力為150kPa—300kPa。所述旋轉氣流引導裝置採用壓縮空氣，氣體壓力為50kPa—150kPa。 切割速度的提高，不僅提高切割效率，而且能細化切縫，降低切口粗糙度， 明顯改善切口質量，因此在雷射功率一定時，應採取措施儘可能獲得高的切割 速度，所述雷射切割設備的切割速度大於3米/分鐘。焦點位置對切口寬度也有影響，對於鋼薄板，雷射切割過程中焦點置於表 面為佳。本實施例中同軸輔助切割氣體為氧氣，氣體壓力降低為300kPa，旋轉氣 流引導裝置氣體採用壓縮空氣，壓力為100kPa。當雷射功率為500W ，模式 為TEMOI，焦點位於工件上表面，切割速度為3米/分鐘時，獲得了光滑的高 質量切口。以上顯示和描述了本實用新型的基本原理和主要特徵和本實用新型的優 點。本行業的技術人員應該了解，本實用新型不受上述實施例的限制，上述實 施例和說明書中描述的只是說明本實用新型的原理，在不脫離本實用新型精神 和範圍的前提下，本實用新型還會有各種變化和改進，這些變化和改進都落入 要求保護的本實用新型範圍內。本實用新型要求保護範圍由所附的權利要求書
及其等效物界定。
權利要求1.一種雷射切割特種鋼薄板的裝置，包括一雷射切割設備，其特徵在於，還包括一置於所述雷射切割設備雷射噴嘴下方的旋轉氣流引導裝置。
2. 如權利要求1所述的裝置，其特徵在於所述旋轉氣流引導裝置包括 一頂部設有一除渣吸口的中空錐體， 一與所述錐體下部連接的兩通排灰管，一 與所述排灰管的另 一端連接旋轉氣流製造器。
3. 如權利要求2所述的裝置，其特徵在於所述中空錐體通過夾持器與激 光切割設備雷射噴嘴的運動機架連接。
4. 如權利要求2所述的裝置，其特徵在於所述雷射噴嘴與所述中空錐體 的除渣吸口同軸設置，並在切割過程保持同步運動。
5. 如權利要求1所述的裝置，其特徵在於所述雷射切割設備的雷射功率低於500W。
6.如權利要求1所述的裝置，其特徵在於雷射切割設備的同軸輔助氣體為氧氣，氣體壓力為150kPa—300kPa。
7. 如權利要求1所述的裝置，其特徵在於所述旋轉氣流引導裝置採用壓縮空氣，氣體壓力為50kPa—150kPa。
8. 如權利要求1所述的裝置，其特徵在於所述中空錐體的除渣吸口緊貼待切割的鋼薄板底部。
專利摘要本實用新型提供一種雷射切割特種鋼薄板的裝置，該裝置，包括一雷射切割設備，其還包括一置於所述雷射切割設備雷射噴嘴下方的旋轉氣流引導裝置，所述旋轉氣流引導裝置包括一頂部設有一除渣吸口的中空錐體，一與所述錐體下部連接的兩通排灰管，一與所述排灰管的另一端連接旋轉氣流製造器。本實用新型的雷射切割特種鋼薄板的裝置，在氧氣輔助雷射切割過程中，促使氧化反應充分進行，從而釋放出大量熱量，此時通過設置在工件底部的旋轉氣流引導裝置，形成強烈的旋轉氣流，利用由此產生的巨大離心力，對物料起到強烈的衝刷作用，消除粘渣現象，此時既可阻礙等離子體的產生，又可將泡沫性殘渣快速、乾淨地清除。
文檔編號B23K26/00GK201015818SQ200620047408
公開日2008年2月6日 申請日期2006年11月1日 優先權日2006年11月1日
發明者蕾 洪 申請人:上海海事大學