專利名稱：采用氬/氦氣體混合物的鈦激光切割的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種使用由氬/氦混合物形成的輔助氣體的用于切割鈦和鈦合金的激光束切割工藝。
背景技術(shù)：
鈦及其合金是具有特別有用的冶金和機(jī)械特性的有色金屬，該特性尤其得益于它們的低密度，例如鈦的密度大約為4.5g/cm3。特別是在高技術(shù)應(yīng)用中非常需要利用鈦的特性。
另外，在功率至少為1.5kW和/或功率密度至少為1MW/cm2的CO2激光切割中，聚焦激光束的高能量密度往往引起待切割工件的材料的局部蒸發(fā)。
根據(jù)條件，金屬蒸氣局部地轉(zhuǎn)變成易于擴(kuò)散到周圍的切割氣體中的等離子體。然后金屬和氣態(tài)等離子體可吸收一些入射能量，造成切縫中的功率不足。這不可避免地導(dǎo)致切割缺陷尤其是切縫下表面上的毛刺的形成。
因此，任何會(huì)促使等離子體形成的條件都被認(rèn)為是激光切割工藝中的限制因素，尤其對(duì)于切割速度和控制靈活性(regulating flexibility)而言。
此外，鈦和鈦合金對(duì)氧(氧化，燃燒)和氮(氮化)具有高敏感性。
為了避免這些問題，在熱切割中只使用氬來切割鈦及其合金。
但是，由于氬的電離電勢(shì)大約為15.4eV，因此氬是易于電離的氣體，由于它非?？焖俚仉婋x并由此妨害切割過程，所以它成為激光切割工藝中的限制因素。
因此，在大約為10.6μm的波長下操作、使用氬作為激光束的輔助氣體即作為切割氣體、采用CO2源的高功率(＞1.5kW和/或1MW/cm2)的激光切割的效率低。
已提出用氦來代替氬，因?yàn)殡婋x氦所需的能量比電離氬所需的能量高得多，即大約為24.5eV。
因此使用氦作為切割氣體是有效的，但是要在使用高流量的情況下。這是因?yàn)楹し肿雍苄〔⑶覍?duì)于標(biāo)準(zhǔn)的氣體流量而言切縫中氣體的動(dòng)態(tài)沖擊力很小。
因此，在非常高流量的氦下的切割使得能夠保持切割射流的有效的動(dòng)力條件。
但是，由于氦的高成本，所以增加氦的流量在經(jīng)濟(jì)上不利于該工藝，這導(dǎo)致許多使用者不采用該方案。
結(jié)果，所面臨的問題是要提出一種沒有上述問題和缺陷的用于鈦和鈦合金的激光切割工藝，特別地，該工藝能夠?qū)τ赦伝蜮伜辖鹬瞥傻墓ぜM(jìn)行有效的切割，即不會(huì)產(chǎn)生毛刺或產(chǎn)生的毛刺最少；并且其切割速度與工業(yè)規(guī)模的應(yīng)用相適合，例如對(duì)于2.5mm的厚度速度至少為3至4m/min，并且對(duì)于使用者而言在經(jīng)濟(jì)上是可接受的。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的解決方案是一種使用激光束的輔助氣體的用于切割由鈦或鈦合金制成的工件的激光束切割工藝，其特征在于，所述輔助氣體是氬/氦混合物。
根據(jù)情況，本發(fā)明的工藝可包括下列特征中的一個(gè)或多個(gè)特征-通過CO2、Nd:YAG、二極管或纖維類型的激光發(fā)生器來獲得激光；-氣體混合物包含按體積計(jì)20-80％的氬和/或氣體混合物包含按體積計(jì)20-80％的氦；-氣體混合物包含按體積計(jì)30-70％的氬和/或氣體混合物包含按體積計(jì)30-70％的氦；-氣體混合物僅由氬和氦形成；-氣體混合物包含按體積計(jì)40-60％的氬，其余為氦；
-氣體混合物包含50％的氬和50％的氦；-激光束的功率至少為1kW，優(yōu)選為1.5-20kW；-待切割工件是厚度在0.5mm至4mm之間、優(yōu)選為至少1mm的板；-切割速度至少為2m/min，優(yōu)選為3m/min至10m/min之間；-通過CO2激光源或鐿纖維激光源產(chǎn)生激光束；以及-切割氣體的壓力在5bar至20bar之間和/或切割氣體的流量在5m3/h至75m3/h之間。


圖1示出在試驗(yàn)中所獲得的作為Ar/He氣體混合物中氦含量的函數(shù)的最大允許功率密度。
具體實(shí)施例方式
氬/氦氣體混合物可以在被引入切割頭中之前預(yù)先混合，或者混合物可以通過在切割頭中或在離開切割頭時(shí)將一種氣體與另一種氣體混合而就地生成——例如經(jīng)由雙層氣流實(shí)現(xiàn)，所述雙層氣流的氣體在以所需比例混合以獲得所期望的He/Ar混合物之前相互同心地分布。在后一種情況下，混合在一起的兩種氣體可以是“純凈”氣體——例如一方面為氬而另一方面為氦，或者是具有相同組分或不同組分的Ar/He氣體混合物，這些氣體在切割頭中或在離開切割頭時(shí)混合。
因此，本發(fā)明的原理是使用氬/氦混合物作為高功率CO2激光切割的輔助氣體來提高切割氣體的電離電勢(shì)。向輔助氣體中添加氦趨向于降低氣體的電離電勢(shì)，同時(shí)可保持切割氣體射流的動(dòng)力勢(shì)能。
本發(fā)明也可應(yīng)用于任何其它類型的易于在切割氣體中產(chǎn)生不希望出現(xiàn)的等離子體的激光源。但是，在利用氦和利用氬對(duì)鈦進(jìn)行的激光切割對(duì)比試驗(yàn)中已發(fā)現(xiàn)，使用氦時(shí)限制切割速度的是在切縫底部出現(xiàn)了由于切割速度過高而導(dǎo)致的小毛刺，而使用氬時(shí)，切割缺陷主要源于切縫中等離子體的出現(xiàn)。
此外，使用氦時(shí)的流量需要比使用氬時(shí)的流量高三倍。
鑒于此可以推斷出，沒有必要使用按體積計(jì)包含100％的氦的輔助氣體，氬/氦混合物就足以在最佳切割速度——即獲得鈦的無毛刺切割的最大可能速度——下消除等離子體的出現(xiàn)或使等離子體的出現(xiàn)減到最小。
氬/氦混合物必須根據(jù)切割條件例如激光功率和待切割工件的幾何形狀來選擇。這些選擇可以由使用者憑經(jīng)驗(yàn)做出。
在任何情況下，根據(jù)本發(fā)明使用氬/氦混合物來切割鈦或鈦合金使得能夠從氦的優(yōu)點(diǎn)和氬的優(yōu)點(diǎn)二者處獲益，但是卻沒有在單獨(dú)使用這些氣體時(shí)所遇到的缺陷。
為了確認(rèn)這些觀察結(jié)論，本發(fā)明的發(fā)明人進(jìn)行了下列對(duì)比試驗(yàn)。
這些試驗(yàn)的目的是，對(duì)于各種氬/氦混合物和作為對(duì)比的純氬，根據(jù)所要求的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，例如粗糙度、細(xì)小毛刺、由于燃燒而造成的切割損失或低質(zhì)量切割、保護(hù)氣體中等離子體的出現(xiàn)等，來確定切縫的最大允許功率和相應(yīng)的切割速度。
這些切割試驗(yàn)采用Trumpf的3kW的CO2激光裝置在2.5mm厚的鈦板上進(jìn)行，其中使用四種不同的(按體積計(jì))切割氣體，即-試驗(yàn)A純氬；-試驗(yàn)B70％Ar/30％He的混合物；-試驗(yàn)C50％Ar/50％He的混合物；以及-試驗(yàn)D30％Ar/70％He的混合物。
試驗(yàn)的其它條件和所獲得的試驗(yàn)結(jié)果在下面的表1和2中給出。
表1


此外，附圖示出在這些試驗(yàn)中所獲得的作為Ar/He氣體混合物中氦含量的函數(shù)的最大允許功率密度。
可以看到，試驗(yàn)表明通過增加氦的比例可以增大工件所容許的功率，由此導(dǎo)致更高的切割速度。該增加使得當(dāng)氦的含量按體積計(jì)在50％以上時(shí)可降低每米的輔助氣體消耗量。與氬相比，當(dāng)引入按體積計(jì)為30％的氦時(shí)就產(chǎn)生(一定的)控制靈活性。最終，由于細(xì)小毛刺(的出現(xiàn))在70％的氦下達(dá)到功率和切割速度極限。這突出了氦稍微過量時(shí)的效果。
因此，從這些試驗(yàn)可明顯得出，使用氦/氬的混合物使得能夠從氦的優(yōu)點(diǎn)和氬的優(yōu)點(diǎn)二者處獲益。在這點(diǎn)上，一旦引入按體積計(jì)為30％的氦就產(chǎn)生(一定的)控制靈活性并且在氦含量為大約70％時(shí)達(dá)到最大功率。
此外，根據(jù)本發(fā)明使用Ar/He的混合物還減少了等離子體的形成，提高了切割速度，降低了所使用的氦的量并由此降低了輔助氣體的流量。
下面的表2給出了所試驗(yàn)的四種混合物A至D的最大切割速度和最大激光功率的百分比(％)，高于所述最大激光功率的百分比就會(huì)在切割氣體中形成有害的等離子體。
表2

這示出采用純氬(試驗(yàn)A)時(shí)不能超過1.8m/min的切割速度，而采用根據(jù)本發(fā)明的混合物不僅可以提高切割速度還可以提高有用的激光功率。
權(quán)利要求
1.一種使用激光束的輔助氣體的用于切割由鈦或鈦合金制成的工件的激光束切割工藝，其特征在于，所述輔助氣體是氬/氦混合物。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的工藝，其特征在于，通過CO2、Nd:YAG、二極管或纖維類型的激光發(fā)生器來獲得激光束。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的工藝，其特征在于，所述氣體混合物包含按體積計(jì)20-80％的氬和/或所述氣體混合物包含按體積計(jì)20-80％的氦。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的工藝，其特征在于，所述氣體混合物包含按體積計(jì)30-70％的氬和/或所述氣體混合物包含按體積計(jì)30-70％的氦。
5.根據(jù)權(quán)利要求1至4所述的工藝，其特征在于，所述氣體混合物僅由氬和氦形成。
6.根據(jù)權(quán)利要求1至5所述的工藝，其特征在于，所述氣體混合物包含按體積計(jì)40-60％的氬，其余為氦。
7.根據(jù)權(quán)利要求1至6所述的工藝，其特征在于，所述氣體混合物包含50％的氬和50％的氦。
8.根據(jù)權(quán)利要求1至7所述的工藝，其特征在于，激光束的功率至少為1kW，優(yōu)選為1.5-20kW。
9.根據(jù)權(quán)利要求1至8所述的工藝，其特征在于，待切割工件是厚度在0.5mm至4mm之間、優(yōu)選為至少1mm的板。
10.根據(jù)權(quán)利要求1至9所述的工藝，其特征在于，切割速度至少為2m/min，優(yōu)選在3m/min至10m/min之間。
11.根據(jù)權(quán)利要求1至10所述的工藝，其特征在于，通過CO2激光源或鐿纖維激光源產(chǎn)生激光束。
12.根據(jù)權(quán)利要求1至11所述的工藝，其特征在于，切割氣體的壓力在5bar至20bar之間和/或切割氣體的流量在5m3/h至75m3/h之間。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種使用激光束的輔助氣體的用于切割由鈦或鈦合金制成的工件的激光束切割工藝，其特征在于，所述輔助氣體是氬/氦混合物。
文檔編號(hào)B23K103/14GK101015889SQ200710007028
公開日2007年8月15日 申請(qǐng)日期2007年2月7日 優(yōu)先權(quán)日2006年2月7日
發(fā)明者S·敘松 申請(qǐng)人:喬治洛德方法研究和開發(fā)液化空氣有限公司