本發(fā)明涉及一種高功率激光切割激光領域，尤其涉及一種面向激光切割中厚板的穿孔加工方法。

背景技術：

近些年，隨著國民經(jīng)濟的快速發(fā)展，對較厚金屬材料的高效、優(yōu)質(zhì)切割需求越來越多。目前在造船業(yè)、重型機械、大型壓力容器、大型橋梁和核工業(yè)等行業(yè)都遇到提升中厚鋼板切割效率和質(zhì)量問題，尤其軍艦和潛艇領域用鋼，因為所用鋼材對熱量輸入比較敏感，對現(xiàn)有熱切割技術提升需求更為迫切。

激光切割占整個激光加工業(yè)的70 %以上，多用于薄板高精度切割。但是，早期的激光切割技術在切割15 mm ~ 30 mm的中厚板時，切割速度明顯下降，同時伴有切邊條紋和粘渣現(xiàn)象，其切縫質(zhì)量甚至無法同傳統(tǒng)技術相競爭。近年來，隨著高功率激光器的不斷發(fā)展，激光厚板切割技術受到業(yè)界的廣泛關注。采用激光束對板材進行切割時，必須先進行穿孔，然后以該穿孔為起點進行切割。換言之，激光切割板材必須源于板材穿孔后才能形成割縫。所以穿孔在激光切割中占據(jù)很重要的地位，它影響著割縫的質(zhì)量，生產(chǎn)效率，切割過程的穩(wěn)定性。激光穿孔加工即利用高峰值功率脈沖激光束輻照金屬表面使金屬材料熔化，甚至汽化，形成穿透材料的通孔。目前在實際生產(chǎn)中，激光切割厚板穿孔過程存在的主要問題是：（1）易發(fā)生爆孔（沒有穿孔，熔渣堆積在孔口），使噴嘴受損；（2）穿孔時間過長，隨著板厚的增加，穿孔時間不成比例的增加，影響生產(chǎn)效率。

在2015年7月1日公開的，授權公告號為“CN 102756214 B”，發(fā)明名稱為“一種激光穿孔加工方法”的發(fā)明專利公開了一種激光穿孔加工工藝，其解決了穿孔效率低的問題，但是該技術方案仍舊存在以下問題：該方法提出的采用高占空比和低頻率的激光參數(shù)匹配，實際加工中難以優(yōu)化匹配，高的占空比極容易導致爆孔。

在2015年11月18日公開的，授權公告號為“CN 103962734 B”，發(fā)明名稱為“激光切割快速變焦穿孔方法”的發(fā)明專利公開了一種激光切割快速變焦機構及快速變焦穿孔方法，其解決了穿孔過程中飛濺物粘到聚焦鏡片和易發(fā)生爆孔的問題，但是該技術方案仍舊存在以下問題：該方法提出通過改變壓力來獲得不同表面曲率半徑的反射鏡片，從而得到不同焦深的激光束，實現(xiàn)分步穿孔；然而由彈性材料制成的反射鏡片的變形響應精確度直接影響焦點位置，焦點位置對穿孔質(zhì)量影響極大，再者分步穿孔嚴重影響穿孔效率。

在2000年3月28日公開的，公開號為“JP 2000 – 084686 A”，發(fā)明名稱為“激光穿孔，激光加工噴嘴和激光切割設備” 的發(fā)明專利公開了一種激光穿孔方法，其解決了在厚板上快速穿孔的問題，但是該技術方案仍舊存在以下問題：該方法中采用防飛濺油鋪在穿孔板面和噴嘴，如果有防飛濺油流入到激光穿孔區(qū)域會影響穿孔過程的穩(wěn)定性，同時增加了輔助工藝。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是解決目前高功率激光切割中厚板穿孔過程中，極易發(fā)生爆孔的瓶頸問題。

本發(fā)明的技術方案是提供一種激光穿孔加工方法，其特征在于。

步驟1：除去待切割工件上表面上的雜質(zhì)。

步驟2：將真空罩連接到激光切割頭上，真空罩可以在激光切割頭上旋轉，切割噴嘴與真空罩距離工件表面的距離可調(diào)。

步驟3：將激光切割頭移動到工件上方，使切割頭上的噴嘴與工件表面保持一定距離h，真空罩與工件表面保持一定距離δ。

步驟4：從真空罩的進氣口供給干燥的壓縮空氣。

步驟5：從激光切割頭的輔助氣體進氣口供給穿孔輔助氣體。

步驟6：啟動激光切割系統(tǒng)，激光束垂直輻射工件上表面，完成穿孔過程。

進一步地，在步驟1中，待切割工件為15 mm ~ 30 mm的中厚鋼板。

進一步地，在步驟2中，真空罩為氣旋式真空吸盤。

進一步地，在步驟3中，切割頭上的噴嘴與工件表面之間距離h為1 mm ~ 5 mm。

進一步地，在步驟3中，真空罩與工件表面之間距離δ為0.5 mm ~ 2 mm。

進一步地，在步驟4中，真空罩的供氣壓力為1 bar ~ 4 bar。

進一步地，在步驟5中，輔助氣體為氧氣或氮氣。

進一步地，輔助氣體壓力為0.5 bar ~ 2 bar。

進一步地，在步驟6中，激光峰值功率為3000 W ~ 4000 W，脈沖頻率為15 Hz ~ 35 Hz，占空比為30％ ~ 60％，激光束聚焦焦距為125 mm ~ 200 mm，離焦量為0 mm ～ -5 mm。

進一步地，該方法適用于碳鋼板材或不銹鋼板材。

本發(fā)明的有益效果在于：

在本發(fā)明中，通過簡易的氣旋式真空罩在激光切割穿孔區(qū)域形成局部真空環(huán)境，此時相比于大氣環(huán)境，材料的沸點下降，因此當極高能量密度的激光作用在材料時金屬更容易汽化蒸發(fā)，一方面相比于大氣環(huán)境，會有更多的金屬熔化和汽化，另一方面金屬蒸汽的會比大氣環(huán)境下低。如此，激光穿孔過程中，材料熔融能力強，而穿孔小孔內(nèi)金屬蒸汽的蒸汽壓力較低，避免了大量熔融金屬向上噴射而形成爆孔。

在本發(fā)明中，依據(jù)局部真空環(huán)境下激光加工特點，可以采用高峰值功率、大占空比和大氣壓進行穿孔加工，大大提高了激光切割中厚板時穿孔效率和穩(wěn)定性。

在本發(fā)明提出的局部真空環(huán)境有助于抑制激光致等離子體的產(chǎn)生，避免了光致等離子體對入射激光的逆韌致吸收，從而在獲得同樣穿孔深度的情況下，可以減小激光功率，降低成本。

附圖說明

圖1是本發(fā)明所述激光穿孔加工方法示意圖。

圖2是氣旋式真空罩的工作原理示意圖。

圖3是氣旋式真空罩俯視圖的示意圖。

其中：1、工件，2、激光束，3、真空罩，4、真空罩供氣口，5、切割噴嘴，6、激光切割頭，7、輔助氣體供氣口，8、小孔，9、真空罩噴嘴。

具體實施方式

以下將結合附圖1-3對本發(fā)明的具體實施方式進行詳細說明。

具體實施方式1：

如圖1所示，待切割工件為厚度為20 mm ~ 35 mm的碳鋼板。安裝在切割頭上的真空罩在激光切割穿孔區(qū)域形成局部真空環(huán)境，激光穿孔過程中，材料熔融能力強，而穿孔小孔內(nèi)金屬蒸汽的蒸汽壓力較低，避免了大量熔融金屬向上噴射而形成爆孔，實現(xiàn)了高質(zhì)量穿孔加工。

該實施例中，激光穿孔加工的方法包括以下幾個步驟。

步驟1：除去待切割工件1上表面上的雜質(zhì)，這些雜質(zhì)包括水漬、油污、鐵銹等對焊接質(zhì)量有影響的雜物。

步驟2：將氣旋式真空罩3連接到激光切割頭6上，真空罩3可以在激光切割頭6上旋轉，切割噴嘴5與真空罩3距離工件1上表面的距離可調(diào)。

如圖2和3所示，氣旋式真空罩3工作時，由供氣口4進入的高壓氣體經(jīng)噴嘴9射出后沿切向進入旋回流腔，在腔內(nèi)作強回旋運動，由于離心力的作用，在真空罩3的腔內(nèi)中心產(chǎn)生局部真空。

步驟3：將激光切割頭6移動到工件1上方，使切割噴嘴5與工件1上表面保持一定距離h，真空罩3與工件1表面保持一定距離δ。

如圖1所示，切割頭噴嘴5與工件1上表面之間距離h為1 mm ~ 5 mm，真空罩3與工件1上表面之間距離δ為0.5 mm ~ 2 mm。

步驟4：從真空罩3的進氣口4供給干燥的壓縮空氣，供氣壓力為1 bar ~ 4 bar。

步驟5：從激光切割頭6的輔助氣體進氣口7供給高純氧氣，純度為99.999 %，輔助氣體壓力為0.5 bar ~ 2 bar。

步驟6：啟動激光切割系統(tǒng)，激光束2垂直輻射工件1上表面，隨著材料的不斷熔化和汽化，在板材厚度方向形成深熔小孔8，小孔8快速貫通，從而完成穿孔過程。

在該實施例中，激光束為高亮度光纖激光，激光峰值功率為3000 W ~ 4000 W，脈沖頻率為15 Hz ~ 35 Hz，占空比為30％ ~ 60％，激光束聚焦焦距為150 mm，離焦量為-1 mm ～ -3 mm。

具體實施方式2：

如圖1所示，待切割工件為厚度為15 mm ~ 25 mm的不銹鋼板。安裝在切割頭上的真空罩在激光切割穿孔區(qū)域形成局部真空環(huán)境，激光穿孔過程中，材料熔融能力強，而穿孔小孔內(nèi)金屬蒸汽的蒸汽壓力較低，避免了大量熔融金屬向上噴射而形成爆孔，實現(xiàn)了高質(zhì)量穿孔加工。

該實施例中，激光穿孔加工的方法包括以下幾個步驟。

步驟1：除去待切割工件1上表面上的雜質(zhì)，這些雜質(zhì)包括水漬、油污、鐵銹等對焊接質(zhì)量有影響的雜物。

步驟2：將氣旋式真空罩3連接到激光切割頭6上，真空罩3可以在激光切割頭6上旋轉，切割噴嘴5與真空罩3距離工件1上表面的距離可調(diào)。

如圖2和3所示，氣旋式真空罩3工作時，由供氣口4進入的高壓氣體經(jīng)噴嘴9射出后沿切向進入旋回流腔，在腔內(nèi)作強回旋運動，由于離心力的作用，在真空罩3的腔內(nèi)中心產(chǎn)生局部真空。

步驟3：將激光切割頭6移動到工件1上方，使切割噴嘴5與工件1上表面保持一定距離h，真空罩3與工件1上表面保持一定距離δ。

如圖1所示，切割頭噴嘴5與工件1上表面之間距離h為1 mm ~ 3 mm，真空罩3與工件1上表面之間距離δ為0.5 mm ~ 2 mm。

步驟4：從真空罩3的進氣口4供給干燥的壓縮空氣，供氣壓力為1 bar ~ 4 bar。

步驟5：從激光切割頭6的輔助氣體進氣口7供給高純氮氣，純度為99.999 %，輔助氣體壓力為0.5 bar ~ 1.2 bar。

步驟6：啟動激光切割系統(tǒng)，激光束2垂直輻射工件1上表面，隨著材料的不斷熔化和汽化，在板材厚度方向形成深熔小孔8，小孔8快速貫通，從而完成穿孔過程。

在該實施例中，激光束為高亮度光纖激光，激光峰值功率為3000 W ~ 4000 W，脈沖頻率為15 Hz ~ 35 Hz，占空比為30％ ~ 60％，激光束聚焦焦距為200 mm，離焦量為-2 mm ～ -5 mm。

盡管參考附圖詳細地公開了本發(fā)明，但應理解的是，這些描述僅僅是示例性的，并非用來限制本發(fā)明的應用。本發(fā)明的保護范圍由附加權利要求限定，并可包括在不脫離本發(fā)明保護范圍和精神的情況下針對發(fā)明所作的各種變型、改型及等效方案。