[发明专利]一种基于激光束动态整形的金属材料切割方法及装置

说明书

本发明属于金属热切割技术领域，具体公开了一种基于激光束动态整形的金属材料切割方法及装置，该方法使激光束的焦点在待切割工件的割缝内沿光轴方向做往复运动，从而获得焦点往复运动的动态整形聚焦激光束；同时，输入切割气体，使其与动态整形聚焦激光束一同作用于待切割工件，实现待切割工件的高效率、高质量切割。本发明可使得割缝内部的聚焦激光束能量密度更高、能量分布更加均匀，可以避免激光负离焦切割时在割缝侧壁出现严重侧边燃烧效应，同时，还可以使得割缝内处于熔融态的液态金属温度更高、粘度更小、更易被切割气体吹除，从而获得更高的切割效率和更好的切割质量。

技术领域

本发明属于金属热切割技术领域，更具体地，涉及一种基于激光束动态整形的金属材料切割方法及装置。

背景技术

激光切割技术作为一种金属热加工技术，以切割效率高、切割质量好、穿孔效率高以及可切割复杂形状零件等特点被广泛应用于各种工业制造领域，其市场份额占到整个激光加工技术应用领域的70％左右。事实上，经过数十年的发展，激光切割已经成为重要的金属薄板钣金加工等最主要的加工方式，正在取代传统的切割、钣金甚至冲压技术。

激光切割技术的原理是利用高能量密度激光束对工件进行加热，使工件的待切割区域内金属在极短的时间内熔化甚至气化，并借助切割气体将熔化的液态金属吹除，形成割缝的工艺过程。当激光束沿预先设计的切割路径以一定速度移动，就可以把板材切割成所需形状的零件。

传统激光切割工艺通常是把激光束的焦点位置设置于工件表面以上一定高度，即所谓正离焦切割。对于金属薄板而言，使用正离焦切割工件更容易获得断面光滑、垂直度高、加工质量好的金属零件，且加工效率也较高。但是，当所切割工件的厚度达到一定程度之后，所需要使用的激光器功率会越来越大，正离焦切割工艺会因为激光束能量在割缝不同深度范围内分布极不均匀而出现切割质量不均匀、整体质量大幅下降的问题。特别是聚焦激光束在金属厚板底部的发散角比较大，导致位于割缝底部的激光束能量密度偏低，能量利用率大幅下降，割缝底部的切割质量因此显著下降。

将激光束的焦点位置设置在工件内部，即所谓负离焦，可以在一定程度上改善这一现象。但是，当板厚过大时，也会因焦点位置处激光功率密度过高，导致割缝侧壁产生严重的侧边燃烧，严重时甚至进一步导致割缝断面凹陷、切割质量显著恶化等现象。因此，在切割厚度大于30mm的金属材料时，仅仅通过增加激光功率仍然无法有效提高切割效率和切割质量。此外，随着激光器功率的增加，激光切割厚板的成本也会显著上升。

为解决激光切割金属厚板时存在的割缝内激光束能量分布不均匀、激光能量利用率低导致的割缝质量差、切割效率较低等问题，有必要开发一种新型的金属材料切割方法及装置，以显著提升激光切割技术切割金属厚板时的割缝质量。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种基于激光束动态整形的金属材料切割方法及装置，其通过对激光束进行动态整形，使激光束焦点在割缝内沿光轴方向做高频次往返运动，进而使得割缝内部的聚焦激光束能量密度更高、能量分布更加均匀，以避免激光负离焦切割时在割缝侧壁出现严重侧边燃烧效应，同时，还可以使得割缝内处于熔融态的金属温度更高、粘度更小、更易被切割气体吹除，从而获得更高的切割效率和更好的切割质量。

为实现上述目的，按照本发明的第一个方面，提出了一种基于激光束动态整形的金属材料切割方法，该方法使激光束的焦点在待切割工件的割缝内沿光轴方向做往复运动，从而获得焦点沿着光轴方向往复运动的动态整形聚焦激光束；同时输入切割气体，使其与动态整形聚焦激光束一同作用于待切割工件，实现待切割工件的高效率、高质量切割。