[发明专利]一种具有多个焦点的光纤激光切割方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种固态激光切割方法，该方法具有用于高速激光切割工件的多个焦点并具有良好质量。

背景技术

薄标尺(gage)金属的高体积切割主要由通过每分钟非常多次的击打而操作的机械压力冲模切割工具完成。这样的高体积切割需要昂贵的专用切割工具。而且，随着新的更高强度合金的开发，此类金属的薄标尺金属的机械切割导致具有沿切割边缘的过多毛刺和/或微裂隙的低质量的边缘。

激光切割可以取代机械切割方法并获得提升质量的切割边缘并可以省去昂贵的切割工具。然而，当切割速度在金属厚度增加时，尤其当厚度大于约1mm，优选大于约1.3mm时而明显减慢时，激光切割的使用面临生产率和收益率的挑战。在此情况下，切割速度应该在20m/min以上。简单地增加激光功率会因为不利地改变切割性能的热透镜化(lensing)而增加焦点移动的可能性。

美国专利公开No.2007/119833和美国专利公开No.2007/119834分别公开了C-Mn钢或不锈钢的激光切割方法，该方法使用发射具有波长约1.07μm的激光束的镱掺杂的光纤激光谐振器，通过透镜将激光束聚焦在位于工件厚度内的唯一焦点上的。如果该方法可以切割具有上至30mm的厚度的工件，那么最大切割速度只能为约20m/min。

此外，由此获得的边缘或切割质量在被切割金属的厚度大于约2mm至约3mm时会急速劣化。更加具体地讲，当工件由金属或金属合金制成时，切割边缘的表面不总是平滑的而且会在切割的底部出现粘着的渣滓。

同样，使用包括光纤激光谐振器和标准聚焦系统，即，用于将激光聚焦在一个焦点上的透镜或反射器(mirror)的激光切割方法，可以导致在高功率(即，在3kW或以上的功率)下出现的例如焦点移动的其它问题。

出于这些原因，现有的工业激光切割方法通常使用CO₂激光谐振器来实现，这种激光谐振器一般会给出良好的边缘质量，即，良好的表面平滑度而且在边缘底部不出现粘着的渣滓。例如，美国专利公开No.6175096公开了一种利用由CO₂类型的激光谐振器产生激光束并接着通过多物镜在几个间隔分离的并用于切割板的焦点上聚焦的激光束处理例如金属板的材料的方法。这些焦点用于熔化和切割板材。结果，获得了具有良好的切割部分的分离和很少的熔渣粘着的良好的切割槽口。然而，使用装备有多焦点透镜的CO₂激光谐振器具有需要洁净和维护包括例如反射器、窗口和透镜的若干光学元件和光束传输管路的光束传递系统的缺点。

因此，为了解决上述问题，提供了一种克服至少上述某些问题的激光切割方法，具体而言，是一种能够通常以至少约20m/min，优选至少约25m/min的高速度切割具有至少约1mm，优选至少1.3mm，更加优选至少约1.5mm的厚度的金属件的激光切割方法，与此同时，提供了良好的切割质量。

发明内容

本发明提供了一种激光切割方法，其中由特别地为光纤激光谐振器的固态激光谐振器发射的激光束被聚焦在用于切割特别地金属或金属合金工件的工件的多个焦点上，由此获得具有高切割质量的高速激光切割。

根据本发明的用于切割工件的方法包括以下步骤：

a.提供固态激光谐振器；

b.提供具有至少1mm厚度的要被切割的工件；

c.使用所述激光谐振器产生至少0.3kW的激光束；

d.将所述激光束聚焦在多于一个的焦点上，所述焦点中的至少一个位于要被切割的所述工件的所述厚度以内；

e.利用聚焦的激光束以至少20m/min的切割速度切割所述工件。

此外，根据实施例，本发明的方法可以包括一个或几个下面的附加特征：

-所述焦点中的一个位于所述工件的所述厚度内。

-所述激光束被聚焦在几个不同的焦点上。

-所述工件的厚度为至少约1.3mm。

-所述工件的厚度在1.5mm和7mm之间。

-所述焦点被通过至少一个光学透镜或反射器聚焦。

-所述固态激光器选择自光纤激光器、YAG激光器和盘形激光器(disk laser)。

-所述激光谐振器包括一个或几个含镱的光纤。

-所述光纤类型的激光谐振器产生具有至少1kW，优选大于2kW，甚至更加优选至少4kW的激光功率的激光束。

-所述激光谐振器产生具有0.8μm和1.3μm之间波长，优选约1.07μm波长的激光束。

-还包括提供从氮气、氧气、氩气、氦气、氢气、CO₂及其混合物中选择的辅助气体的步骤。