[发明专利]激光切割特种钢薄板的方法和装置

说明书

技术领域

本发明涉及一种激光切割特种钢薄板的方法和一种用于激光切割特种钢薄板的装置。

背景技术

激光切割具有速度快、切缝窄、热影响区小的优点，切割过程不需要模具，降低了产品的成本，容易与CAD/CAM结合，便于生产过程的控制，适于加工小批量、多品种、形状复杂的零件和切割特硬特软及脆性材料。激光切割普通碳钢薄板工艺已近成熟，切口质量可得到较好控制。但是对于含有较高Si、Cr、Ni等合金元素的硅钢、不锈钢等特种钢板材，常规激光切割工艺容易产生挂渣和飞渣现象，影响其广泛应用。

常规激光切割工艺中，氧化反应是形成熔渣的主要原因。通常针对不锈钢等易挂渣材料激光切割的常用工艺是采用高压高纯度氮气或惰性气体作为辅助切割气体，隔绝大气中氧气，吹走熔渣，避免氧化反应的发生。尽管此方法可以获得光滑无熔渣的高质量切口，但是随之而来的问题是：首先，由于需要高纯度气体，高压工作条件，因而气体的消耗量极大。例如当气体压力为5公斤时，几乎10分钟消耗完一钢瓶40升气体，而高纯氮气成本较高，这样势必造成生产成本的剧增；此外，没有氧化反应，缺乏其放热所提供的大量热源，导致此方法切割板材所要求激光功率急剧增大，如切割0.5mm硅钢片要求基模激光功率高达1000W，随着板厚增加，激光功率要求更高，激光器价格随着功率提高而大幅度上升，因此造成整体的生产成本进一步剧增。因此，此方法缺乏大规模生产实用性。

试验研究发现，在常规激光切割工艺中，以氧气(或压缩空气)为辅助气体，初始Fe与O₂相互作用发生的氧化反应为切割过程的进行提供了大量热源。随着氧化反应的进行，特种钢中所含合金元素同时发生氧化反应生成密度比氧化铁低的如铬铁氧化物和氧化铬等合金元素氧化物杂质。一方面，这些氧化物杂质在熔融区形成一个既影响表面张力又影响氧化物的动力学性能的表面层。这些熔融态杂质具有较大的粘滞系数，形成熔渣且不易被普通喷嘴辅助切割气体吹走；另一方面，这些杂质熔点高于母材铁，成为妨碍稳定激光切割的重要因素。尽管采取隔绝氧气，避免氧化反应发生工艺上可行，但缺乏实用性，所以需另辟蹊径。

常规激光切割工艺中，辅助气体氧气在切割过程中起到极为重要的作用，氧化反应供给的热量约为激光切割所需总能量的2/3以上，切割所需激光功率大幅度降低，这是比较惰性气体或氮气辅助切割的最大优势。但在特种钢板切割中由此产生大量具有较大的粘滞系数，不易被普通喷嘴辅助切割气体吹除的氧化物杂质。传统喷嘴在较高供气压力下喷射出的气流紊流度大，在气体流场中会产生激波。如果喷嘴和工件表面之间存在正激波，在喷嘴和工件表面之间的流场中将产生涡流，其旋转方向和切缝中的熔化金属及碎屑排出的方向相反，使得熔化金属及碎屑排出变得困难。同时涡流产生有利于等离子体的形成。等离子体会吸收激光束的能量，从而被切割工件吸收的能量就要减少，切割效率就会下降。等离子体的存在会使激光束发生散焦，激光束的模式也会发生变化，从而使切割质量变差。因此通常考虑设计特殊喷嘴形状，如超音速拉伐儿喷嘴，得供气的滞压全部转化成动能，这样可以有效地把熔化的金属及其夹渣物从切缝前沿吹走。但是这一方法缺乏通用性，不同板厚、不同焦距等因素的改变等都将导致喷嘴出口处渐扩管几何形状的改变，不易与聚焦锥形激光束匹配。

中国专利CN01804775.0提供了一种用于激光切割薄且脆的材料的改进方法和装置，其采用辅助气体排除熔化的材料和激光产生的碎屑，其特征在于高速辅助气体施加在被切割的材料上的净力基本上为零。但其并未涉及含有较高Si、Cr、Ni等合金元素的硅钢、不锈钢等特种钢板材的切割。

发明内容

本发明所要解决的技术问题第一方面在于提供一种激光切割含有较高Si、Cr、Ni等合金元素的硅钢、不锈钢等特种钢薄板的方法，以解决激光切割工艺容易产的生挂渣和飞渣，得到良好的切割效果。

本发明所要解决的技术问题第二方面在于提供一种激光切割含有较高Si、Cr、Ni等合金元素的硅钢、不锈钢等特种钢薄板的装置。

本发明所解决的技术问题可以采用以下技术方案来实现：

作为本发明第一方面的一种激光切割特种钢薄板的方法，包括如下步骤：

1.在激光切割设备激光喷嘴下方设置旋转气流引导装置；

2.将待切割的钢薄板置于激光切割设备激光喷嘴和旋转气流引导装置之间；

3.运行激光切割设备，设置在钢薄板下方的旋转气流引导装置产生强烈的旋转气流，利用由此产生的巨大离心力，对物料产生强烈的冲刷作用，以消除残渣。