專利名稱：能消除切割條件改變區(qū)內(nèi)各種缺陷的激光切割方法
本申請(qǐng)是1995年2月24日提交的題為“能消除切割條件改變區(qū)內(nèi)各種缺陷的激光切割方法”的第95100012.8號(hào)中國(guó)發(fā)明專利申請(qǐng)的分案申請(qǐng)。
本發(fā)明涉及利用激光束能量切割各種材料的激光切割方法，尤其涉及能有效地防止工件的切割面因切割條件改變而引起的損傷，并防止當(dāng)進(jìn)行激光切割時(shí)因切割條件改變而降低工件切割質(zhì)量的一種激光切割方法。
在用激光切割銳角或類似形狀期間，切割條件通常發(fā)生改變，在用作普通直線切割的高速、高輸出(以下稱之為“第一切割條件”)的條件下。上述形狀很難切割得很好。通常，為了切割一個(gè)銳角或類似的形狀，需要將切割條件改變到低速、低輸出條件(以下稱為“第二切割條件”)。而在該條件下，在不中斷激光照射的情況下，只能在該角度前后幾個(gè)毫米的范圍內(nèi)切割得令人滿意。
圖25示出這樣一種通常的切割方法，它表示通過一種改變切割條件的方法而采用的一條切割路徑，該方法已披露于日本公開特許公報(bào)No.昭63-63593一文中。如圖25所示，采用此通常的方法，首先在第一切割條件下切割工件，然后在切割路徑的A點(diǎn)改變到第二切割條件，同時(shí)維持激光照射，并在第二切割條件下切割一個(gè)角，然后再在切割路徑的B點(diǎn)變回到第一切割條件。
圖26表示披露于日本公開特許公報(bào)No.平2-30388一文中的另一種通常的方法。其中，在從第二切割條件返回到第一切割條件的時(shí)間間隔，處于第二切割條件下的切割速度分別在時(shí)刻0、T1、T1+T2、T1+T2+T3以及T1+T2+T3+T4逐級(jí)改變，即按第一切割條件之10％、20％、40％、60％以及100％的切割速度改變。
圖27示出另一種切割方法，它表示僅在角的一邊改變切割條件的一例，該方法披露于日本公開特許公報(bào)No.昭60-127775和No.平5-277773文中。在該方法中，利用第一切割條件切割至角頂處的T2，然后在T2與TP之間利用第二切割條件切割，最后再利用第一切割條件切割至T3。
還有一種通常的方式，日本公開特許公報(bào)No.平3-106583一文揭示了一種角切割法，其中，在激光切割進(jìn)行到拐角后，在一預(yù)定時(shí)間間隔內(nèi)注入一種冷卻介質(zhì)以冷卻該工件，然后繼續(xù)切割。
然而，如圖21所示，當(dāng)采用圖25所示的一種改變切割條件方法時(shí)，在改變切割條件的A點(diǎn)附近，將在一部分工件的切割表面上產(chǎn)生碎裂、凹槽或類似情況，導(dǎo)致切割產(chǎn)品的切割質(zhì)量下降。產(chǎn)生這一問題的原因在于因切割期間切割條件的變化所造成的切割速度、切割激光輸出等等的突然改變，以及切割氣體流所產(chǎn)生的擾動(dòng)(氣體按與激光束同軸的方向注入，其目的在于例如從工件上去除熔化的區(qū)域，并加速激光切割中的氧化燃燒反應(yīng))。而且，由于激光切割熱量集中在工件切割表面附近也是增加這類凹槽的一個(gè)因素。
圖21是一個(gè)剖面圖，它表示切割期間在A點(diǎn)改變切割條件后的一種切割狀態(tài)。圖中，標(biāo)號(hào)1表示激光束，標(biāo)號(hào)3表示工件。通常，當(dāng)切割期間條件改變時(shí)，將在條件發(fā)生改變的位置上產(chǎn)生碎裂。這是由于在激光束照射部位上實(shí)際切割位置的偏差(圖21中偏差為“m”)，導(dǎo)致在切割條件發(fā)生改變的位置上產(chǎn)生非正常燃燒的緣故。因此，可以預(yù)料，在發(fā)生偏差“m”前面一點(diǎn)(退回距離“l(fā)”)出現(xiàn)切割條件轉(zhuǎn)換位置的B點(diǎn)，無任何凹槽產(chǎn)生，如圖22所示。圖23表示當(dāng)改變切割速度切割厚度為12毫米和19毫米的軟鋼材料時(shí)所產(chǎn)生的偏差“m”。如上所述，偏差“m”取決于材料的厚度和切割速度。表1(A)和1(B)分別表示上述材料的切割條件。表1(A)對(duì)于厚度為12毫米的切割條件
表1(B)對(duì)于厚度為19毫米的切割條件
產(chǎn)生碎裂的其它主要原因在于切割期間切割槽周圍熱分布的不均勻。當(dāng)切割槽的環(huán)境溫度在改變切割條件時(shí)較高時(shí)，熱傳導(dǎo)較大，從而引起異常燃燒的可能性較大。圖24中，標(biāo)號(hào)2表示切割槽，而標(biāo)號(hào)1表示激光束。圖24所示的溫度分布產(chǎn)生在切割槽的周圍。在此條件下尤其溫度不低于約500℃時(shí)很可能發(fā)生切割缺陷。隨著工件變厚，環(huán)境溫度更高，冷卻所需時(shí)間越長(zhǎng)。
至于除軟鋼以外的其它材料，在切割條件變化部位上通常不會(huì)產(chǎn)生熔化缺陷。然而，對(duì)于軟鋼則很容易在切割條件改變部位上產(chǎn)生熔化缺陷。軟鋼材料的氧化反應(yīng)由下列反應(yīng)式(或它們的組合)表示千卡(1)千卡(2)千卡(3)這樣，除了激光束能量以外，還會(huì)產(chǎn)生過量的熱量，由此發(fā)生熔化缺陷。然而，在非鐵金屬的情況下，無足夠的反應(yīng)熱量產(chǎn)生，也就不會(huì)產(chǎn)生熔化缺陷。
采用圖26所示的通常方式，用例如1米/分或更低的低速度切割相對(duì)較薄(例如6毫米或更薄)的工件時(shí)，可以得到較高的質(zhì)量，但是，當(dāng)工件變厚，切割速度變快時(shí)，很可能會(huì)在切割條件發(fā)生變化的部位上產(chǎn)生切割缺陷。
此外，用圖27所示的通常方法可有效地防止角的熔化部分因切割偏差所引起的碎裂而一滴一滴地滴落，并且累積的熱量也因T2與TP之間采用的低速、低輸出的切割條件而降低。然而，如參照?qǐng)D21所述，在切割條件變化部位TP處發(fā)生熔化區(qū)域的滴落，由此總體上降低了切割質(zhì)量。
因此，本發(fā)明的目的在于解決上述問題，提供一種激光切割方法，它能實(shí)際消除當(dāng)切割條件發(fā)生變化時(shí)所產(chǎn)生的切割缺陷。
根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面，一種沿著鋸齒形路徑用激光束切割工件的方法，其中沿所述鋸齒形路徑縱向相鄰轉(zhuǎn)角頂點(diǎn)之間的距離，以及沿垂直于所述縱向之方向上各個(gè)轉(zhuǎn)角頂點(diǎn)之間的距離為40毫米，所述方法包括如下步驟提供具有連續(xù)波輸出的激光束作為切割條件，切割直至第一個(gè)轉(zhuǎn)角的頂點(diǎn)；在所述第一個(gè)轉(zhuǎn)角的頂點(diǎn)，將所述激光束改變?yōu)槊}沖輸出；從所述第一個(gè)轉(zhuǎn)角的頂點(diǎn)，用具有脈沖輸出的所述激光束切割所述工件至給定長(zhǎng)度；將所述激光束改回連續(xù)波輸出進(jìn)行隨后的切割。
采用所述激光切割方法，當(dāng)切割條件變化時(shí)可以有效地消除切割缺陷。


圖1是表示本發(fā)明實(shí)施例1的一種激光切割方法的簡(jiǎn)圖；圖2是表示本發(fā)明實(shí)施例1中后退距離與切換部位(切割條件改變部位)粗糙度之間關(guān)系的曲線圖。
圖3是表示本發(fā)明實(shí)施例1中進(jìn)行圖形切割的一種激光切割方法的簡(jiǎn)圖。
圖4是表示本發(fā)明實(shí)施例2中，由切割槽前面算起之距離與該位置處溫度之間關(guān)系的曲線圖；圖5是表示本發(fā)明實(shí)施例2中，工件溫度與切割條件變化部位處不合格率之間關(guān)系的曲線圖；圖6是大致表示本發(fā)明實(shí)施例2中，液體或氣體是如何注入到切割部分以冷卻該切割部分的簡(jiǎn)圖；圖7是表示本發(fā)明實(shí)施例2中，注入水流與不合格率之間關(guān)系的曲線圖；圖8是表示在本發(fā)明實(shí)施例2中，如何把輔助氣體注入到切割部分以冷卻該切割部分的簡(jiǎn)圖；圖9是表示在本發(fā)明實(shí)施例2中，輔助氣體壓力與不合格率之間關(guān)系的曲線圖；圖10是示出本發(fā)明實(shí)施例3的簡(jiǎn)圖，它表示采用一種通常的偏移方法來完成實(shí)施例1的操作；圖11(a)和11(b)分別表示實(shí)施例3的一例，其中，相對(duì)于激光束方向的右側(cè)和左側(cè)作出偏移；圖12(a)和12(b)表示在本發(fā)明實(shí)施例3的偏移方法中所采用的后退控制及其程序的操作；圖13是表示本發(fā)明實(shí)施例4所采用的一種激光切割方法的簡(jiǎn)圖；圖14是表示在本發(fā)明實(shí)施例4所述方法和通常方法中，轉(zhuǎn)角的切割時(shí)間與切割速度之間關(guān)系的曲線圖；圖15是表示本發(fā)明實(shí)施例4中的切割形狀的簡(jiǎn)圖；圖16是有關(guān)本發(fā)明實(shí)施例4的一張曲線圖，它表示長(zhǎng)度L1、L2與不合格率之間的關(guān)系，其中CW和PW用作圖15所示切割形狀的第一切割條件；圖17是有關(guān)本發(fā)明實(shí)施例4的一張曲線圖，它表示當(dāng)條件改變時(shí)的后退距離與條件改變部位表面粗糙度之間的關(guān)系；圖18是表示本發(fā)明實(shí)施例5中，激光束照射停止時(shí)間與不合格率之間關(guān)系的曲線圖；圖19是有關(guān)本發(fā)明實(shí)施例6的方框圖，它表示用以實(shí)現(xiàn)實(shí)施例1至4的激光切割方法的一種裝置；圖20是有關(guān)本發(fā)明實(shí)施例6的方框圖，它表示用以實(shí)現(xiàn)實(shí)施例5的激光切割方法的一種裝置；圖21是表示在一種通常的激光切割方法中，如何對(duì)切割部分進(jìn)行激光切割的簡(jiǎn)圖；圖22是表示由通常激光切割方法以及根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例1至4所述激光切割方法所產(chǎn)生的缺陷；圖23表示根據(jù)工件厚度，切割速度與前切割面偏離量之間的關(guān)系；圖24是表示由頂部觀察的前切割面溫度分布的簡(jiǎn)圖；圖25是表示在另一種通常的激光切割方法中，如何切割一個(gè)轉(zhuǎn)角的簡(jiǎn)圖；圖26是表示另一種通常的激光切割方法的簡(jiǎn)圖；以及圖27是表示又一種通常的激光切割方法的簡(jiǎn)圖。
實(shí)施例1以下參照?qǐng)D1至圖3描述本發(fā)明的實(shí)施例1。
圖1主要表示一例將用于普通直線切割的高速、高輸出切割條件(以下稱為“第一切割條件”)改變?yōu)橛糜诹己玫霓D(zhuǎn)角切割的低速、低輸出切割條件(以下稱為“第二切割條件”)，其中按(1)至(7)的順序進(jìn)行切割。圖中，標(biāo)號(hào)1表示激光束，標(biāo)號(hào)2表示由激光束1形成的切割槽。(1)表示在第一切割條件下的切割狀態(tài)。(2)表示激光束已經(jīng)到達(dá)A點(diǎn)或切割條件變化位置時(shí)的狀態(tài)。(3)表示激光束照射已在A點(diǎn)停止的狀態(tài)。第(4)步，沿著已切割路徑使激光束照射區(qū)域(位置)后退。在此狀態(tài)中，繼續(xù)停止激光束的照射。(5)表示使激光束照射區(qū)域后退至位置B，該點(diǎn)取決于為條件改變所規(guī)定的距離。從A點(diǎn)后退到B點(diǎn)既可以正常切割速度進(jìn)行，也可以非切割(快速移動(dòng))速度進(jìn)行。第(6)步，在B點(diǎn)選擇第二切割條件，按原來前進(jìn)方向開始切割。(7)表示激光束照射區(qū)域已經(jīng)移過A點(diǎn)，切割正在進(jìn)行的狀態(tài)。
顯然，可以通過移動(dòng)切割頭、移動(dòng)工件或使切割頭和工件兩者作相對(duì)移動(dòng)使激光束照射區(qū)域后退。
至于為何這種切割方法會(huì)在條件改變部分減少熔化缺陷的原因在于，當(dāng)條件改變部分B位于偏離量“m”范圍外時(shí)，不會(huì)產(chǎn)生熔化缺陷。在位置A改變條件時(shí)，響應(yīng)于一個(gè)偏離量引起輔助氣體的擾動(dòng)和異常燃燒，從而發(fā)生熔化缺陷，在表示通常技術(shù)的圖22中，沿前切割面的厚度方向，存在著在高溫下產(chǎn)生的切割偏離量(圖22中的“m”)。
圖2表示應(yīng)用于厚度為6、12、19、25和35毫米的軟鋼材料，其條件改變部分后退距離l(毫米)與條件改變部位A之切割表面粗糙度之間的關(guān)系。發(fā)生熔化缺陷的切割表面的粗糙度要大于普通切割表面的粗糙度。當(dāng)后退距離l增加時(shí)，切割表面的粗糙度起先會(huì)有改善，但是當(dāng)超過給定的l值后則不會(huì)有進(jìn)一步的改善，對(duì)應(yīng)于每一厚度該l值有一個(gè)給定值，即厚度為6毫米時(shí)，l約為1.2毫米；厚度為12毫米時(shí)，l約為2.2毫米；厚度為19毫米時(shí)，l約為3.5毫米。如上所述，該后退距離l不僅取決于厚度，而且也取決于偏離量“m”，后者因切割速度不同而變化，如圖21所示。針對(duì)厚度為6.0毫米至35毫米工件的切割結(jié)果表明，如果后退距離l在1毫米至10毫米之間，則可以獲得良好的切割。
顯然，10毫米或更長(zhǎng)的后退距離可以提供較高的切割質(zhì)量。然而，由于后退距離增加了，需要更多的切割時(shí)間。圖2表示，針對(duì)6毫米或更厚的厚度，后退距離為1毫米與10毫米之間可確保高效率。圖示切割數(shù)據(jù)的變化是因后退距離l不同而產(chǎn)生的，后者取決于速度和輸出等切割條件，而要嚴(yán)格地規(guī)定這些數(shù)據(jù)是較難的。
由于較薄的工件對(duì)應(yīng)的偏離量自然也較小，故在這種情況下后退距離l也可減小。
注意，當(dāng)切割路徑筆直時(shí)，后退路徑可以按后退距離規(guī)定，但是當(dāng)進(jìn)行如圖3所示曲線型切割時(shí)，后退路徑就不能按后退距離規(guī)定。在此情況下，可以相對(duì)于切割停止點(diǎn)(Xa,Ya)規(guī)定后退位置B的坐標(biāo)點(diǎn)(Xb,Yb)。如果切割形狀非常復(fù)雜，或后退位置在三維空間，那么上述規(guī)定坐標(biāo)點(diǎn)的方法可以方便地規(guī)定后退位置。例如，通過由切割路徑與一個(gè)圓的軌跡之交點(diǎn)確定B的坐標(biāo)(該圓是圍繞A點(diǎn)用規(guī)定后退距離l為半徑作出的)或者通過利用已知技術(shù)進(jìn)行曲線切割時(shí)確定一個(gè)后退路徑，即可相對(duì)A點(diǎn)確定B點(diǎn)。
實(shí)施例2現(xiàn)在參考圖4至圖9來描述本發(fā)明的實(shí)施例2。
在條件改變位置上發(fā)生熔化缺陷的原因之一是在溫度高的前切割面發(fā)生了切割損傷，如圖24所示。只有停止激光束的照射才能冷卻材料，提高切割質(zhì)量。
圖4顯示了離前切割面的距離和該點(diǎn)處激光束停止照射時(shí)所測(cè)得的溫度之間的關(guān)系。圖中S表示從激光束停止照射開始算起的一段時(shí)間(秒)。在前切割面附近，激光束照射停止(即，S=0秒)后大約10秒(S=10秒)溫度便降至220℃。在220℃時(shí)，不發(fā)生切割缺陷。圖5顯示了切割條件改變位置處的材料溫度和厚度為16毫米的軟鋼材料200次條件改變所引起的不合格率。不合格率隨著材料溫度下降而正比例下降，而且在大約200℃或更低的材料溫度時(shí)幾乎沒有缺陷出現(xiàn)，從而沒有切割問題。如上所述，規(guī)定一個(gè)切割停止時(shí)間對(duì)降低切割缺陷是有效的。
圖6大體說明了如何把氧氣注入切割部位以便冷卻。標(biāo)號(hào)1表示一激光束，標(biāo)號(hào)3表示一工件，而標(biāo)號(hào)10表示用于氣體或液體注入的6毫米直徑的噴口。在切割停止位置處液體或氣體由噴口10注入以冷卻切割部分，然后繼續(xù)切割。圖7根據(jù)改變注入時(shí)間而獲得的實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示了切割16毫米厚度的工件時(shí)由噴口10注入的氣體流量和不合格率之間的關(guān)系。
600瓦輸出功率、30赫茲脈沖頻率、30％占空因數(shù)及100毫米/分切割速度等的切割條件已經(jīng)改為2000瓦輸出功率、1300赫茲脈沖頻率、60％占空因數(shù)及900毫米/分切割速度以估計(jì)條件改變位置。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明當(dāng)流量增大或氣體注入時(shí)間增加時(shí)，不合格率下降。這是因?yàn)闂l件改變位置處溫度降低了。用液體替代氣體進(jìn)行冷卻也可產(chǎn)生同樣的效果。
用切割頭注入輔助氣體同樣也能達(dá)到冷卻切割部分的效果。應(yīng)當(dāng)注意，由于采用相對(duì)昂貴的輔助氣體，如氬氣，會(huì)增加操作成本，因此最好使用一種較便宜的氣體，如氧氣或氮?dú)狻?br> 圖8大體說明了如何將輔助氣體注入切割部分以便冷卻。標(biāo)號(hào)1表示一激光束，標(biāo)號(hào)2表示一切割槽，標(biāo)號(hào)3表示工件，而標(biāo)號(hào)11表示輔助氣體供給口。在切割停止位置處從噴口注入氧氣或其他類似氣體，以冷卻切割部分，然后繼續(xù)切割。
圖9顯示了在各種輔助氣體壓力下冷卻切割部分3秒鐘(S=3秒)，然后改變切割條件并繼續(xù)切割情況下的不合格率。切割工件是12毫米和25毫米厚的軟鋼材料。對(duì)于每一種厚度，輔助氣體壓力增大可提高冷卻效率并降低不合格率。如果工件較薄，則壓力低時(shí)不合格率下降，但如果25毫米厚度的工件和較薄的工件都在類似的條件下切割，則壓力必須設(shè)為3千克/厘米2。結(jié)果，輔助氣體壓力越高，就對(duì)在切割條件改變位置處因提高冷卻效率而引起的不合格率降低越?jīng)]有效果。然而，當(dāng)壓力超出3千克/厘米2時(shí)，卻沒有進(jìn)一步的提高。因此，最好把氣體壓力設(shè)置得不低于3千克/厘米2。在壓力不低于3千克/厘米2時(shí)對(duì)不合格率的改善沒有效果的原因是由噴口注入的輔助氣體的噴射壓力受到噴口形狀和液體粘度的限制。
25毫米厚的工件的切割條件是2800瓦輸出功率、1300赫茲脈沖頻率、60％占空因數(shù)及650毫米/分切割速度，而12毫米厚的工件的切割條件是1800瓦輸出功率、1300赫茲脈沖頻率、40％占空因數(shù)及1000毫米/分切割速度。
由此，在實(shí)施例1中，根據(jù)材料和工件的厚度，在預(yù)定的壓力下，在一時(shí)間間隔內(nèi)，將一種氣體或一種液體噴射在切割路徑之上和它的附近，在激光束停止照射和重新開始照射之間的一系列操作中，激光束照射區(qū)沿該切割路徑移動(dòng)，從而氣體或液體使切割停止位置附近積聚的熱量減少，比實(shí)施例1更能防止熔化缺陷的發(fā)生。
同樣，在實(shí)施例1中，從激光束停止照射到重新開始照射之間的一系列操作中，在某點(diǎn)上停止一段預(yù)定時(shí)間間隔之后繼續(xù)移動(dòng)，則熱量的自然散失也會(huì)在停止期間使工件積聚的熱量減少，從而比實(shí)施例1更能防止熔化缺陷的發(fā)生。
同樣，在實(shí)施例1中，從激光束停止照射到重新開始照射之間的一系列操作中，在某點(diǎn)短暫停止后繼續(xù)移動(dòng)，并且在3千克/厘米2壓力下，在切割路徑內(nèi)的停止處在一段預(yù)定的時(shí)間間隔內(nèi)噴射輔助氣體，則熱量的自然散失和輔助氣體會(huì)在停止期間減少工件積聚的熱量，從而比實(shí)施例1更能防止熔化缺陷的發(fā)生。
實(shí)施例3現(xiàn)在參考圖10至圖12，描述本發(fā)明的實(shí)施例3。
圖11(a)和11(b)說明了如何用切割槽寬度偏移切割路徑。在這些圖中，圖11(a)示出了一個(gè)相對(duì)于激光束前進(jìn)方向向右偏移W的例子，而圖11(b)示出了一個(gè)向左偏移W的例子。偏移方向在程序中用符號(hào)G表示，如G41和G42，并且與偏移量一起輸入。
如上所述，以切割槽寬度來偏移切割路徑的方向相對(duì)于前進(jìn)方向只向右或向左。因?yàn)橥ǔ５姆椒ㄖ星懈盥窂娇偸茄赝环较虻?，因此只向右或向左偏移不引起問題。
然而，在本發(fā)明實(shí)施例1中，在切割條件改變位置處，前進(jìn)方向會(huì)換向。因此必須考慮偏移方向以避免如圖10中所示的缺陷。也就是說，在圖10中，在第一切割條件下將工件切割直至A點(diǎn)，再從該點(diǎn)使激光束照射區(qū)后退至B點(diǎn)。但是，因?yàn)槠剖峭较虻亩品较蛴植桓淖?，所以偏移?huì)偏離切割路徑，如圖10所示中的B點(diǎn)。這是由于指定偏移后，當(dāng)在筆直路徑的終點(diǎn)處完成正規(guī)偏移時(shí)使切割路徑偏移一規(guī)定量所用的現(xiàn)行功能造成的。
圖12(a)和圖12(b)分別描繪了一個(gè)切割過程及其程序，其中在前進(jìn)方向換向的A點(diǎn)偏移方向亦換向，激光束照射區(qū)后退至B點(diǎn)，并且在重新開始切割處再次使偏移方向換向。為實(shí)現(xiàn)之，當(dāng)激光束照射區(qū)從A點(diǎn)返回B點(diǎn)時(shí)，規(guī)定符號(hào)G42以消除符號(hào)G41帶來的偏移且使偏移方向換向，并且對(duì)B點(diǎn)規(guī)定符號(hào)G41以消除符號(hào)G42帶來的偏移且按原先的偏移量和偏移方向切割工件。
實(shí)施例4現(xiàn)在參考圖13至圖17，描述本發(fā)明的實(shí)施例4。
圖13顯示了一種依照本發(fā)明實(shí)施例4的激光切割方法。其中標(biāo)號(hào)1表示一激光束而S表示激光束照射返回的部分和第二切割條件改變?yōu)榈谝粭l件時(shí)重新切割工件所在的部分。也就是說，實(shí)施例4提供一個(gè)例子，在該例中把實(shí)施例1至3用于圖27所示的切割方法(該方法中，為提高切割效率，用第一切割條件一直切割至轉(zhuǎn)角處，用第二切割條件在該點(diǎn)和S之間切割，并且用第一切割條件自S開始切割)，即，在切割條件改變位置S完成實(shí)施例1所述的激光束照射區(qū)后退操作，在后退期間進(jìn)行實(shí)施例2所述的有效冷卻工件的操作，并且在后退期間進(jìn)一步進(jìn)行實(shí)施例3所述的偏移操作。
如圖14所示，本實(shí)施例中每個(gè)轉(zhuǎn)角都影響條件變化，并且把在第二切割條件下的切割距離減半以減少切割時(shí)間。與圖25中所示的通常方法(該方法中，在快到轉(zhuǎn)角前將第一切割條件改變?yōu)榈诙懈顥l件，并且在激光束照射點(diǎn)越過轉(zhuǎn)角后再將第二切割條件改變?yōu)榈谝磺懈顥l件)相比，在S點(diǎn)處進(jìn)行的操作大大提高了切割表面的質(zhì)量。
圖14顯示了轉(zhuǎn)角頂點(diǎn)與條件改變位置之間的距離為10毫米且條件改變位置上冷卻時(shí)間為5秒時(shí)的切割速度和每個(gè)轉(zhuǎn)角的切割時(shí)間。該圖中，單側(cè)切換表示圖25所示的通常方法，而雙側(cè)切換表示本實(shí)施例的方法。
切割工件直至轉(zhuǎn)角時(shí)所處的第一切割條件中的輸出條件對(duì)圖15所示的轉(zhuǎn)角相互靠近的鋸齒形切割非常重要。
圖16顯示了圖15中的長(zhǎng)度L1(轉(zhuǎn)角頂點(diǎn)間沿與鋸齒形縱向垂直的方向上的距離)和長(zhǎng)度L2(轉(zhuǎn)角頂點(diǎn)間沿鋸齒形縱向的距離)為10、20、30、40及50毫米且用連續(xù)波輸出(CW)和脈沖輸出(PW)作為切割工件直至轉(zhuǎn)角的第一切割條件時(shí)的不合格率。如該圖所示，當(dāng)長(zhǎng)度L1和L2在10至30毫米之間時(shí)，用CW的不合格率較高，但當(dāng)長(zhǎng)度為40毫米和更長(zhǎng)時(shí)，用CW和PW的不合格率沒有差別，而且用CW和PW都能將工件切割得很好。
因此，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)使用小尺寸L1和L2(L1和L2長(zhǎng)度大約在10至30毫米之間時(shí))而容易發(fā)生缺陷時(shí)，最好將脈沖輸出(PW)用作第一和第二兩種切割條件，因?yàn)檫@有利于對(duì)工件輸入熱量的控制，而當(dāng)使用大尺寸L1和L2(長(zhǎng)度L1和L2大約為40毫米或更長(zhǎng)時(shí))基本上不會(huì)發(fā)生缺陷時(shí)，最好將連續(xù)波輸出(CW)用作第一切割條件，因?yàn)樗塬@得高切割速度和高切割表面質(zhì)量，而將脈沖輸出(PW)用作第二切割條件。
圖17顯示了切割條件改變位置處，根據(jù)切割角θ的大小，后退距離l有最佳值。圖17顯示了在90°、70°和50°三個(gè)不同的角度切割厚度為16毫米的軟鋼材料的結(jié)果。當(dāng)角度θ為90°，l=約2.2毫米時(shí)，當(dāng)角度θ為70°，l=約3毫米時(shí)，以及當(dāng)角度θ為50°，l=約3.7毫米時(shí)，切割表面的粗糙度改進(jìn)量趨于水平。如上所述，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，后退距離l應(yīng)隨切割角度改變。
實(shí)施例5現(xiàn)在參考圖18描述本發(fā)明的實(shí)施例5。
圖18顯示了激光束已經(jīng)停止照射且工件已經(jīng)冷卻后的穿孔結(jié)束而開始切割時(shí)，激光束停止時(shí)間與不合格率之間的關(guān)系。所示數(shù)據(jù)是切割厚度為6、12、19和25毫米的軟鋼材料的結(jié)果。切割條件如表2所示。表2
雖然對(duì)每一個(gè)厚度，較長(zhǎng)的激光束停止照射時(shí)間引起較低的不合格率，但當(dāng)停止時(shí)間超過一個(gè)由厚度確定的給定值后就不能獲得進(jìn)一步的改進(jìn)，即，t=6毫米時(shí)為2.5秒，t=12毫米時(shí)為4.5秒，t=19毫米時(shí)為6.5秒，以及t=25毫米時(shí)為10秒。如上所述，當(dāng)穿孔后材料溫度很高時(shí)就馬上開始切割，由于燃燒不當(dāng)現(xiàn)象而容易發(fā)生切割缺陷。然而，如果材料溫度只略微降低了一點(diǎn)，便可大大減小該缺陷發(fā)生的可能性。已發(fā)現(xiàn)，必須采用長(zhǎng)冷卻時(shí)間，因?yàn)椴牧蠝囟冉档退俾室蕾囉诓牧系暮穸榷^厚的厚度需要較長(zhǎng)的時(shí)間來充分降低溫度。
當(dāng)穿孔后開始切割時(shí)，如實(shí)施例2所述，在穿孔后要停止激光束的照射并且使激光束重新照射以開始切割的一系列操作中，在一段指定的時(shí)間間隔內(nèi)為提高工件的冷卻效果在停止點(diǎn)上用3千克/厘米2壓力或更大的壓力沿路徑噴射輔助氣體之后，最好繼續(xù)移動(dòng)。
實(shí)施例6現(xiàn)在參考圖19和圖20描述本發(fā)明的實(shí)施例6。
圖19是一方框圖，顯示了能自動(dòng)確定后退距離以防止在實(shí)施例1至4所述的切割條件改變位置處發(fā)生切割缺陷的一控制單元或一自動(dòng)編程單元的功能。該圖中，ST1表示通常設(shè)備的功能，而ST2表示本實(shí)施例提供的附加功能。在ST1內(nèi)的S1處，設(shè)置一增量或絕對(duì)值坐標(biāo)系和一切割起始點(diǎn)。在S2，通過存儲(chǔ)器的選擇或外部裝置的輸入，設(shè)置在切割起始點(diǎn)進(jìn)行穿孔的條件。在S3，進(jìn)行穿孔以切割出一個(gè)孔。在S4，通過存儲(chǔ)器的選擇或外部裝置的輸入，設(shè)置切割條件。在S5，開始切割。在S6，根據(jù)切割程序提供的切割形狀信息，控制激光束移動(dòng)的路徑，而切割在S7處結(jié)束。
本實(shí)施例中，在執(zhí)行S6期間執(zhí)行S8，預(yù)先可讀取有關(guān)切割形狀的角度、孔徑和段長(zhǎng)等信息。然后，在S9，確定后退的開始位置和后退結(jié)束的坐標(biāo)位置。在S10，當(dāng)達(dá)到后退的開始位置后執(zhí)行激光束關(guān)斷/氣體壓力調(diào)節(jié)或激光束關(guān)斷/停止時(shí)間設(shè)置步驟。在S11，將切割位置移至規(guī)定的后退坐標(biāo)。在S12，執(zhí)行注入氣體或切割氣體壓力調(diào)節(jié)和激光束接通步驟。在S13，重新開始切割且操作返回至S6。
圖20是一方框圖，顯示了能自動(dòng)確定后退距離以防止在如實(shí)施例5所述的穿孔之后開始切割時(shí)發(fā)生切割缺陷的一控制單元或一自動(dòng)編程單元的功能。ST3表示通常的算法控制，而ST4表示本實(shí)施例提供的附加控制。
在ST3內(nèi)的S14處，設(shè)置一增量或絕對(duì)值坐標(biāo)系和一個(gè)切割起始點(diǎn)。在S15，通過存儲(chǔ)器的選擇或外部裝置的輸入，設(shè)置切割起始點(diǎn)處進(jìn)行的穿孔條件。在S16，進(jìn)行穿孔以切割出一個(gè)孔。在S17，在經(jīng)過一段預(yù)定時(shí)間或使用傳感器或類似儀器檢測(cè)出穿孔結(jié)束后終止穿孔。在S18，通過存儲(chǔ)器的選擇或外部裝置的輸入，設(shè)置切割條件。在S19，開始切割。
本實(shí)施例中，用ST4來對(duì)S17上穿孔的結(jié)束進(jìn)行控制。在S20，設(shè)置冷卻用輔助氣體的壓力和注入時(shí)間。在S21，根據(jù)S20設(shè)置的信息，開始注入輔助氣體。在S22，停止注入輔助氣體而操作進(jìn)至S18。
顯然，如上所述，由第一實(shí)施例獲得了一種激光切割方法，當(dāng)在切割期間改變切割條件時(shí)，在切割條件將要改變的直線位置或圓周位置上停止激光束的照射，將激光束照射區(qū)沿切割路徑后退一段預(yù)定的距離至前述位置，重新開始照射激光束，并且激光束照射區(qū)沿后退時(shí)相同的路徑移動(dòng)，重新開始切割。在該過程中，條件變化時(shí)前切割端的后退可消除切割速度、切割輸出功率等等突然變化的影響，否則，在切割期間它們將導(dǎo)致切割表面的損壞。另外。輔助氣流不受擾動(dòng)，條件改變位置處切割表面不發(fā)生熔化缺陷，因而能獲得高的切割質(zhì)量。
同樣明顯，由第二實(shí)施例獲得了一種激光切割方法，當(dāng)激光束后退時(shí)，激光束照射區(qū)的位置沿與切割方向上偏移的相反方向偏移一個(gè)光束直徑的大小，并且當(dāng)再次沿切割方向前進(jìn)時(shí)，激光束照射區(qū)沿與切割方向上偏移的相同方向偏移該光束直徑，從而，當(dāng)重新回到激光束停止照射的位置時(shí)，激光束照射區(qū)可靠地回到激光束停止照射位置，因而工件的切割要比第一實(shí)施例的激光切割方法具有更高的準(zhǔn)確度。
同樣明顯，由第三實(shí)施例獲得了一種激光切割方法，根據(jù)切割條件改變時(shí)工件中將另外產(chǎn)生的缺陷尺寸將激光束照射區(qū)后退一定距離，從而，由于激光束照射區(qū)后退的距離不比必要的最小距離大，所以所需的切割時(shí)間一般比第一和第二實(shí)施例的激光切割方法所需的時(shí)間要短，同時(shí)還保留了第一和第二實(shí)施例的長(zhǎng)處。
同樣明顯，第四實(shí)施例提供了一種激光切割方法，它可以采用下述操作中的任一種根據(jù)工件的材料和厚度，在一給定的時(shí)間間隔內(nèi)以一所需的壓力將一種氣體或液體(流體)噴射在切割路徑上和切割路徑周圍，在激光束停止照射和重新開始照射之間的一系列操作中，激光束照射要沿該路徑移動(dòng)的操作；在激光束停止照射和重新開始照射之間的一系列操作中，在任何一點(diǎn)照射已經(jīng)停止了一段所需的時(shí)間間隔后重新開始移動(dòng)激光束的操作；以及在激光束停止照射和重新開始照射之間的一系列操作中，在任何一點(diǎn)照射已暫時(shí)停止并且已經(jīng)在一段所需的時(shí)間內(nèi)以所需的壓力將一種輔助氣體噴射在路徑的停止點(diǎn)上之后重新開始移動(dòng)激光束的操作，從而，除了第一至第四實(shí)施例中的任何效果以外，還可以減少積聚在切割停止位置附近的熱量，并比第一至第四實(shí)施例更有效地防止熔化缺陷的發(fā)生。
當(dāng)根據(jù)工件的材料和厚度在一給定時(shí)間間隔內(nèi)以一所需的壓力，將一種氣體或一種液體噴射在切割路徑上和切割路徑周圍時(shí)，其中切割路徑是在激光束停止照射和重新開始照射之間一系列操作中激光束照射區(qū)移動(dòng)所沿的路徑，則可縮短切割時(shí)間，不產(chǎn)生熔化缺陷，并且可獲得高的切割質(zhì)量。
還有，當(dāng)在激光束停止照和重新開始照射之間的一系列操作中，照射已經(jīng)在某一點(diǎn)上停止一段所需的時(shí)間間隔后重新開始移動(dòng)時(shí)，停止期間熱量的自然散失使工件冷卻，從而，盡管需要較長(zhǎng)的切割時(shí)間，但容易在低成本情況下防止熔化缺陷而獲得高的切割質(zhì)量。
另外，當(dāng)在激光束停止照射和重新開始照射之間的一系列操作中，照射已經(jīng)在某一點(diǎn)上暫停并且已經(jīng)在一段所需的時(shí)間間隔內(nèi)以所需的壓力將輔助氣體噴射在路徑的停止點(diǎn)上之后重新開始移動(dòng)激光束時(shí)，促進(jìn)了工件的冷卻效果，從而，總體上容易操作，縮短了切割時(shí)間，另外確實(shí)防止了熔化缺陷并獲得高的切割質(zhì)量。
同樣明顯，第五實(shí)施例獲得了一種激光切割方法，將一激光束集中在工件上，并利用光束中的激光能量將工件切割成鋸齒形圖形，其中當(dāng)沿鋸齒形圖形縱向的相鄰轉(zhuǎn)角頂點(diǎn)間的距離和垂直于鋸齒形圖形縱向的相鄰轉(zhuǎn)角頂點(diǎn)間的距離一般為40毫米或更大時(shí)，把連續(xù)波輸出用作切割狀態(tài)來切割直至轉(zhuǎn)角的頂點(diǎn)。在轉(zhuǎn)角頂點(diǎn)將切割狀態(tài)改變?yōu)槊}沖輸出，后用脈沖輸出從轉(zhuǎn)角的頂點(diǎn)切割一段給定的長(zhǎng)度，再把切割狀態(tài)改變?yōu)檫B續(xù)波輸出，并且繼續(xù)切割，從而每遇一個(gè)轉(zhuǎn)角就進(jìn)行切割狀態(tài)的改變，在脈沖輸出的切割狀態(tài)下切割的距離相應(yīng)減半，采用能獲得高切割速度的連續(xù)波輸出切割直至轉(zhuǎn)角，以大大縮短切割時(shí)間，并且利用能獲得高切割表面質(zhì)量的連續(xù)波輸出來保證切割表面的質(zhì)量。同樣明顯，實(shí)施例6提供了一種激光切割方法，當(dāng)工件已經(jīng)穿孔后開始切割時(shí)，在穿孔位置，停止激光束照射一段任意設(shè)置的時(shí)間間隔，然后重新開始并維持激光束照射，并且從穿孔位置開始切割，從而始終如一地提供高的切割質(zhì)量。
權(quán)利要求
1．一種沿著鋸齒形路徑用激光束切割工件的方法，其中沿所述鋸齒形路徑縱向相鄰轉(zhuǎn)角頂點(diǎn)之間的距離，以及沿垂直于所述縱向之方向上各個(gè)轉(zhuǎn)角頂點(diǎn)之間的距離為40毫米，其特征在于所述方法包括如下步驟提供具有連續(xù)波輸出的激光束作為切割條件，切割直至第一個(gè)轉(zhuǎn)角的頂點(diǎn)；在所述第一個(gè)轉(zhuǎn)角的頂點(diǎn)，將所述激光束改變?yōu)槊}沖輸出；從所述第一個(gè)轉(zhuǎn)角的頂點(diǎn)，用具有脈沖輸出的所述激光束切割所述工件至給定長(zhǎng)度；將所述激光束改回連續(xù)波輸出進(jìn)行隨后的切割。
全文摘要
一種沿著鋸齒形路徑用激光束切割工件的方法,包括提供具有連續(xù)波輸出的激光束作為切割條件,切割直至第一個(gè)轉(zhuǎn)角的頂點(diǎn);在所述第一個(gè)轉(zhuǎn)角的頂點(diǎn),將所述激光束改變?yōu)槊}沖輸出;從所述第一個(gè)轉(zhuǎn)角的頂點(diǎn),用具有脈沖輸出的所述激光束切割所述工件至給定長(zhǎng)度;將所述激光束改回連續(xù)波輸出進(jìn)行隨后的切割。采用所述激光切割方法,當(dāng)切割條件變化時(shí)可以有效地消除切割缺陷。
文檔編號(hào)B23K26/00GK1312146SQ01110889
公開日2001年9月12日 申請(qǐng)日期2001年2月28日 優(yōu)先權(quán)日1994年2月24日
發(fā)明者金岡優(yōu), 森譽(yù), 湯山崇之, 竹野祥瑞 申請(qǐng)人:三菱電機(jī)株式會(huì)社