激光切割快速變焦機構(gòu)及快速變焦穿孔方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了激光切割【技術(shù)領(lǐng)域】內(nèi)的一種激光切割快速變焦機構(gòu)及快速變焦穿孔方法，該機構(gòu)包括切割頭和反射鏡，反射鏡包括由彈性材料制成的反射鏡片，反射鏡片安裝在密閉的腔體上，腔體與壓力控制機構(gòu)相連，反射鏡片的表面曲率半徑隨腔體內(nèi)的壓力的變化而變化。穿孔時，先將噴嘴離工件表面5~6mm，再改變腔體內(nèi)壓，使激光聚焦到工件表面上方0.9~1.1mm，打出凹坑；然后使焦點下移到工件內(nèi)4~5mm繼續(xù)穿孔，最后，將噴嘴下移到工件表面上方0.9~1.1mm，使反射鏡片為平面鏡，直至激光切割穿透工件。該裝置及方法使其更易于切割，即可避免飛濺物粘到聚焦鏡片上，提高穿孔效率，同時避免爆孔，其穿孔穩(wěn)定，切割質(zhì)量高。
【專利說明】激光切割快速變焦機構(gòu)及快速變焦穿孔方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種板材加工裝置及加工方法，特別涉及一種激光切割機。
【背景技術(shù)】
[0002]激光切割是將激光作為一種加工手段對金屬或非金屬板材進行切割加工，可在平面板材上加工直線和任意形狀的曲線，廣泛應(yīng)用于電氣制造、汽車、儀表開關(guān)、紡織機械、運輸機械、家電制造、電梯設(shè)備制造、食品工業(yè)、裝飾裝潢與廣告以及激光加工站等。
[0003]激光切割的過程是先利用經(jīng)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，同時借助與光束同軸的高速氣流吹除熔融物質(zhì)，先在工件上形成一個孔，然后運動系統(tǒng)帶動切割裝置或加工工件移動，激光將所照射的位置的工件熔化、汽化，并被輔助氣體吹走，從而實現(xiàn)切割。
[0004]現(xiàn)有技術(shù)中，激光穿孔時，激光光束經(jīng)平面反射鏡反射到切割頭中的聚焦鏡片上，經(jīng)聚焦鏡聚焦后通過割嘴照射在工件上，激光光束聚焦后在工件表面形成一個焦點；噴嘴離工件表面較近，約為1_，在孔未被打穿時，全部氣化物、飛濺物均從盲孔中飛濺而出，一旦打穿，則在輔助氣體的噴吹下，這些物質(zhì)會從工件下方被吹走；因此，穿孔過程中的飛濺物容易粘附在聚焦鏡片的下表面上，聚焦鏡片污染后會降低切割質(zhì)量甚至導(dǎo)致切割失敗；現(xiàn)有激光切割裝置中，激光光束聚焦后的焦點在工件上的位置恒定，在穿孔過程中隨著板材未被打穿的部分減少，切割點逐步偏離焦點，導(dǎo)致光斑直徑變大，能量不夠集中，穿孔時間長，易爆孔，尤其是在切割8?25mm的厚板材時，上述問題更容易發(fā)生。比較容易想到的解決思路是將聚焦鏡片隨板材穿孔的深度變化而作適應(yīng)性變化，使激光束焦點位置相應(yīng)變化。但事實上，采用這種方法導(dǎo)致切割頭結(jié)構(gòu)復(fù)雜、可靠性低而且成本較高，此外，隨著聚焦鏡片離板材表面距離的減小，飛濺物更容易粘附在聚焦鏡片上。因此，采用傳統(tǒng)的穿孔方式會導(dǎo)致機床的加工效率低、切割零件易報廢，聚焦鏡片損耗高。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的之一是提供一種激光切割快速變焦機構(gòu)，使其焦點位置可變，以便適應(yīng)不同厚度的工件切割，提高穿孔效率和穿孔質(zhì)量。
[0006]本發(fā)明的目的是這樣實現(xiàn)的:一種激光切割快速變焦機構(gòu)，包括切割頭和反射鏡，切割頭上設(shè)有聚焦鏡片，切割頭上位于聚焦鏡片的下方設(shè)有用于噴出輔助氣體的噴嘴，所述反射鏡設(shè)置激光光路上，反射鏡的位置滿足恰好將激光的反射光照射在聚焦鏡片上；所述反射鏡包括由彈性材料制成的反射鏡片，所述反射鏡片安裝在密閉的腔體上，所述腔體與壓力控制機構(gòu)相連，反射鏡片的表面曲率半徑隨腔體內(nèi)的壓力的變化而變化。
[0007]使用時，通過改變腔體的內(nèi)壓，使得反射鏡片表面的弧度產(chǎn)生變化，從而改變聚焦鏡片聚焦后的激光束的焦點位置，使其更易于切割，避免飛濺物粘到聚焦鏡片上，提高切割效率，同時避免爆孔。
[0008]本發(fā)明目的之二是提供一種利用上述激光切割快速變焦機構(gòu)進行的激光切割快速變焦穿孔方法，使其能快速在中厚板材上穿孔，同時提高穿孔質(zhì)量。
[0009]為此，本發(fā)明還提供了一種激光切割快速變焦穿孔方法:其特征在于包括如下步驟:
1)將切割頭移動到工件上方，使切割頭上的噴嘴離工件表面5~6mm；
2)在權(quán)利要求1所述的一種激光快速變焦機構(gòu)的腔體內(nèi)施加一定壓力，使反射鏡片為凸面鏡，并使激光束經(jīng)聚焦鏡片聚焦后的焦點位于工件的上方，先開啟輔助氣體，再開啟激光;
3)增加腔體內(nèi)壓，使反射鏡片表面曲率變化，激光束經(jīng)聚焦鏡片聚焦后的焦點下移到工件表面上方0.9~1.1mm，使激光在工件表面打出一個凹坑；
4)持續(xù)增加腔體內(nèi)壓，使激光束經(jīng)聚焦鏡片聚焦后的焦點下移到工件表面下4~5mm，激光對凹坑下方的工件內(nèi)部進行切割；
5)下降切割頭，使噴嘴離工件表面0.9~1.1mm，改變腔體內(nèi)壓，使反射鏡片表面為平面，此時，激光束的焦點大致位于工件上表面，保持該腔體內(nèi)壓直至激光切割穿透工件。
[0010]該方法特別適合切割厚度8~25mm的中厚碳鋼板工件。在切割頭下降之前，聚焦鏡片與工件表面的距離大，飛濺物不易濺射到聚焦鏡片上，保證了聚焦鏡片工作可靠；在工件表面凹坑形成后，激光束的焦點實時移動到工件表面下4~5_，可使凹坑逐漸加深，而工件的金屬材料熔融、汽化并被輔助氣體不斷吹走；隨后噴嘴位置下降，一方面使輔助氣體能更好吹到凹坑內(nèi)，避免熔融液體接觸氧氣而自燃燒，另一方面，此時凹坑積聚了大量熱量，熔融的液體更多地汽化，飛濺物較少，切割頭下降后能更好地實現(xiàn)穿孔后的切割，其控制相對簡單，能量利用效率高，穿孔穩(wěn)定，可提高切割穩(wěn)定性。最后通過將反射鏡片改變?yōu)槠矫骁R，使其保持到芽孔完成，在芽孔完成后，隨著工作臺及切割頭的移動，可在板材表面切割出設(shè)定形狀的工件，切割時，熔融的液體從工件下方被吹走，因此平面鏡的狀態(tài)可保持到整條切縫的最后，因此，采用變焦的方法適用于穿孔加工中。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明穿孔效率高，穿孔穩(wěn)定，可提聞切割質(zhì)量。
[0011]作為本發(fā)明的進一步改進，激光束經(jīng)聚焦鏡片聚焦后的焦點下移到工件表面后，保持腔體內(nèi)壓0.25~0.35秒。此外，激光束經(jīng)聚焦鏡片聚焦后的焦點下移到工件表面下4~5mm后，板厚在8~15mm時保持腔體內(nèi)壓0.4~0.5秒，板厚在16~25mm時保持腔體內(nèi)壓
1.5~1.6秒。通過上述短暫的延時，可保證反射鏡片維持在穩(wěn)定的弧度上，激光束經(jīng)聚焦鏡片聚焦后的焦點保持不變，可在局部積聚能量，利于打出凹坑及將凹坑內(nèi)的熔融液體及時吹走，避免飛濺物粘附到聚焦鏡片上。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0012]圖1為激光束的焦點位于工件表面上方時的工作原理圖。
[0013]圖2為圖1的局部放大圖。
[0014]圖3為激光束的焦點下移到工件表面下4~5mm時的工作原理圖。
[0015]圖4為圖3的局部放大圖。
[0016]圖5為反射鏡片為平面鏡時的切割狀態(tài)圖。
[0017]其中，I激光束，2反射鏡，2a反射鏡片，2b腔體，3切割頭，4聚焦鏡片，5噴嘴，6焦點，7工件，8輔助氣體束，9飛濺物。【具體實施方式】
[0018]如圖1中所示，激光切割快速變焦機構(gòu)，包括切割頭3和反射鏡2，切割頭3上設(shè)有聚焦鏡片4，切割頭3上位于聚焦鏡片4的下方設(shè)有用于噴出輔助氣體的噴嘴5，反射鏡2設(shè)置在激光光路上，反射鏡2的位置滿足恰好將激光的反射光照射在聚焦鏡片4上；反射鏡2包括由彈性材料制成的反射鏡片2a，反射鏡片2a安裝在密閉的腔體2b上，腔體2b與壓力控制機構(gòu)相連，反射鏡片2a的表面曲率半徑隨腔體2b內(nèi)的壓力的變化而變化，可采用液壓或氣壓控制腔體2b的內(nèi)壓。反射鏡片2a的表面曲率半徑變化后，激光束I經(jīng)反射鏡片2a反射，并經(jīng)聚焦鏡片4折射后，激光束I的焦點6的位置發(fā)生變化。
[0019]如圖f 5所示，用上述激光切割快速變焦機構(gòu)進行激光切割快速變焦穿孔，穿孔方法按如下步驟進行:
I)將切割頭3移動到工件7上方，工件為厚度IOmm的碳鋼板，優(yōu)選切割8~25mm的中厚碳鋼板；先使切割頭3上的噴嘴5離工件7表面5~6mm，優(yōu)選為5.5mm ;該距離遠比正常切割的Imm左右的距離大。
[0020]2)在腔體2b內(nèi)施加一定壓力，使反射鏡片2a為凸面鏡，并使激光束I經(jīng)聚焦鏡片4聚焦后的焦點6位于工件的上方，先開啟輔助氣體，再開啟激光，輔助氣體束8和激光束I從噴嘴5的中心孔中射出。
[0021]3)增加腔體內(nèi)壓，使反射鏡片表面曲率變化，激光束經(jīng)聚焦鏡片聚焦后的焦點下移到工件表面上方0.9^1.1mm，保持腔體內(nèi)壓0.25、.35秒，使激光在工件7表面打出一個凹坑；圖2中，飛濺物9濺射，由于聚焦鏡片4距離較遠，不會濺射到聚焦鏡片4上，輔助氣體從噴嘴5噴出后，形成輔助氣體束8，其隔離了空氣，避免金屬材料燃燒。
[0022]4)持續(xù)增加腔體2b內(nèi)壓，使激光束I經(jīng)聚焦鏡片4聚焦后的焦點6下移到工件7表面下4~5_后，保持腔體內(nèi)壓0.4^0.5秒，使激光對凹坑下方的工件內(nèi)部進行切割，可如圖3和4所示，凹坑底部熔融、汽化的金屬被輔助氣體束8不斷吹出，凹坑深度持續(xù)增加。輔助氣體束8可避免凹坑內(nèi)的金屬材料自燃燒，從而可以使用更大的激光功率。
[0023]5)下降切割頭3，使噴嘴5離工件表面0.9~1.1mm，優(yōu)選為1mm，改變腔體內(nèi)壓，使反射鏡片2a表面為平面，此時，激光束I的焦點6大致位于工件7上表面，這是由聚焦鏡片4的固有特性決定的，在噴嘴5離工件表面0.9^1.1mm時，聚焦鏡片4的焦點大致在工件7上表面，可保持該腔體內(nèi)壓直至激光切割穿透工件。
[0024]該激光切割采用了三級變焦快速穿孔方法，通過實時調(diào)整光束焦點在工件上的位置，結(jié)合切割頭的上下運動控制噴嘴5與工件7表面的距離，同時可實時調(diào)整激光穿孔功率和輔助氣體壓力，分五個步驟實現(xiàn)快速穿孔，特別對于中厚碳鋼板(t=8~25mm)的穿孔效率比傳統(tǒng)方式提高約400%。由于穿孔的初期及中期，噴嘴與工件表面的距離變大，同時光束焦點位置隨穿孔過程實時下降，穿孔穩(wěn)定，避免自燃燒及爆孔現(xiàn)象，防止聚焦鏡片4被快速污染，提高了切割穩(wěn)定性。經(jīng)試驗證明:該方法使激光穿孔效率大幅提升，裝置其結(jié)構(gòu)簡單，控制方便，自動化程度高，效果顯著。
[0025]上述加工方法中，激光束I經(jīng)聚焦鏡片4聚焦后的焦點6下移到工件7表面下4~5mm后，當板厚在8~15mm時，保持腔體內(nèi)壓0.4^0.5秒；板厚在16~25mm時，保持腔體內(nèi)壓1.5~1.6秒?？删哂懈玫拇┛仔Ч0026]本發(fā)明并不局限于上述實施例，在本發(fā)明公開的技術(shù)方案的基礎(chǔ)上，本領(lǐng)域的技術(shù)人員根據(jù)所公開的技術(shù)內(nèi)容，不需要創(chuàng)造性的勞動就可以對其中的一些技術(shù)特征作出一些替換和變形，這些替換和變形均在本發(fā)明的保護范圍內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1.一種激光切割快速變焦機構(gòu)，包括切割頭和反射鏡，切割頭上設(shè)有聚焦鏡片，切割頭上位于聚焦鏡片的下方設(shè)有用于噴出輔助氣體的噴嘴，所述反射鏡設(shè)置激光光路上，反射鏡的位置滿足恰好將激光的反射光照射在聚焦鏡片上；其特征在于:所述反射鏡包括由彈性材料制成的反射鏡片，所述反射鏡片安裝在密閉的腔體上，所述腔體與壓力控制機構(gòu)相連，反射鏡片的表面曲率半徑隨腔體內(nèi)的壓力的變化而變化。
2.一種激光切割快速變焦穿孔方法:其特征在于包括如下步驟: `1)將切割頭移動到工件上方，使切割頭上的噴嘴離工件表面5飛mm； `2)在權(quán)利要求1所述的一種激光快速變焦機構(gòu)的腔體內(nèi)施加一定壓力，使反射鏡片為凸面鏡，并使激光束經(jīng)聚焦鏡片聚焦后的焦點位于工件的上方，先開啟輔助氣體，再開啟激光; `3)增加腔體內(nèi)壓，使反射鏡片表面曲率變化，激光束經(jīng)聚焦鏡片聚焦后的焦點下移到工件表面上方0.9^1.1mm，使激光在工件表面打出一個凹坑； `4)持續(xù)增加腔體內(nèi)壓，使激光束經(jīng)聚焦鏡片聚焦后的焦點下移到工件表面下5πιπι，激光對凹坑下方的工件內(nèi)部進行切割； `5)下降切割頭，使噴嘴離工件表面0.9^1.1mm，改變腔體內(nèi)壓，使反射鏡片表面為平面，此時，激光束的 焦點 大致位于工件上表面，保持該腔體內(nèi)壓直至激光切割穿透工件。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的激光切割快速變焦穿孔方法:其特征在于:所述工件為厚度`8~25mm的中厚碳鋼板。
4.根據(jù)權(quán)利要求2或3所述的激光切割快速變焦穿孔方法:其特征在于:激光束經(jīng)聚焦鏡片聚焦后的焦點下移到工件表面后，保持腔體內(nèi)壓0.25、.35秒。
5.根據(jù)權(quán)利要求2或3所述的激光切割快速變焦穿孔方法:其特征在于:激光束經(jīng)聚焦鏡片聚焦后的焦點下移到工件表面下5πιπι后，板厚在8~15mm時，保持腔體內(nèi)壓`0.4^0.5秒；板厚在16~25mm時，保持腔體內(nèi)壓1.5^1.6秒。
【文檔編號】B23K26/388GK103962734SQ201410217504
【公開日】2014年8月6日 申請日期:2014年5月22日 優(yōu)先權(quán)日:2014年5月22日
【發(fā)明者】周慶, 周志兵 申請人:江蘇金方圓數(shù)控機床有限公司