利用纤维激光器切割碳锰钢的方法技术

一种用于切割碳锰钢工件的激光切割方法，其特征在于，使用包括至少一种具有掺杂镱的芯的石英纤维的激光束产生装置，用于产生激光束。优选，镱基纤维的波长在１．０７至１．１微米之间，优选为１．０７微米，该激光束的品质因数在０．３３至８ｍｍ．ｍｒａｄ之间，该激光束的功率在０．１至２５千瓦之间。用于激光束的辅助气体选自于氮气、氦气、氩气、氧气、ＣＯ↓［２］及其混合物，可选地，它还可以包含选自于Ｈ↓［２］和ＣＨ↓［４］的一种或多种附加化合物。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种利用镱基纤维型激光源来切割碳锰(C-Mn)钢的激光切割方法。
技术介绍
当前，在工业领域中广泛使用CO2型激光源产生激光束来进行激光切割，其波长为10.6微米，功率达到6千瓦。该方法尤其可用于切割碳锰钢。在本专利技术中，术语“碳锰钢”应理解为表示任意非合金钢或低合金钢，其碳和锰的重量百分比小于2％，而选择性包含的其它合金元素的重量百分比小于5％。然而，能够实现的切割速度和所获得的切割质量非常不稳定，这取决于被切割的材料，以及取决于所采用的切割方法参数，例如辅助气体的性质、聚焦束的直径、入射激光的功率，等等。因此，CO2激光器不能与低电离电势的辅助气体例如氩气一起使用，这样就没有产生会不利于该方法的寄生等离子体的危险。而且，CO2激光器在功率方面有所限制，从而直接影响切割速度。此外，必须将激光束从激光发生器准确引导到聚焦头也就是切割头，这样会带来缺陷，尤其是在光学路径中对准光学元件时。这是因为，用于引导的光学元件通常是抛光过的且/或涂铜的反射镜，它们的位置决定激光束的行进路径。因此，必须精确对准这些反射镜，以便确保激光束能够最优地进入聚焦头或切割头。现在，通常通过机械装置来调节这些反射镜的位置，但是由于存在部件磨损以及环境条件变化，例如环境温度、湿度等等，所以很容易出现失准的情况。此外，光束的光学路径必须保持处于惰性气氛中，以避免出现任何污染以及保持具有恒定光学指标的介质，这对于光束能够良好地传播是必需的。这些条件使得涉及光束直径和光束能量的横向分布的特性以及光束质量特性可以确保该方法获得令人满意的结果，在切割中使用的大功率CO2激光束的光束参数乘积(BPP)的品质因数通常在3mm.mrad和6mm.mrad之间。这种氛围还可以保护用于引导的光学元件并防止这些光学元件损坏。然而，在工业条件下这是不实际的，因为它复杂了安装过程以及带来额外的成本。为了能够缓解这些问题，已经有人提出利用Nd:YAG型激光器装置来执行切割，在该Nd:YAG型激光器装置内，通过包含固态放大介质也就是掺杂有钕(Nd)的YAG棒的谐振器来产生光束，然后经光纤将其发送到聚焦头。然而，从工业角度看，这种技术方案也是不令人满意的。更严格地说，已经发现，利用Nd:YAG型激光源输出的波长1.06微米的激光束进行切割在切割质量和切割速度方面的性能低劣，尤其是在切割碳锰钢制成的工件时。这是因为Nd:YAG型激光器的品质因数(BPP值)不适于激光切割过程，其范围根据激光源大约在15mm.mrad至30mm.mrad之间。现在，应当理解，激光器的品质因数越高，也就是，聚焦束腰和光束散度之间的乘积越大，该激光束用于激光切割过程的效率就越低。此外，聚焦的Nd:YAG激光束的横向能量分布不是高斯型的，而是具有顶帽型分布，同时超过焦点之后该横向能量分布就变成随意性分布。因此，利用Nd:YAG型激光器进行激光切割尤其是用于激光切割碳锰钢时的限制性能够得以容易的理解。更一般来说，当期望获得从工业角度看适宜的切割速度和切割质量，利用Nd:YAG型激光器进行激光切割来切割碳锰工件是非常不期望的。因此，出现的问题在于，如何提供一种利用激光束来切割碳锰钢的改进的、工业上适宜的方法，该方法能够根据所讨论的厚度实现高达15至20米/分钟甚至更高的速度和优良的切割质量，即直切割面、无毛刺、限制的粗糙度等。
技术实现思路
因此，本专利技术所提供的技术方案是一种用于切割碳锰钢工件的激光切割方法，其特征在于，激光束产生装置包括至少一种含镱纤维，用于产生激光束，以用于熔化工件从而执行实际切割作业，以及，该激光束的品质因数在0.33至8mm.mrad之间。该激光束产生装置包括激励器，优选为若干激励器，其结合至少一种受激励元件来产生激光束，该受激励元件也称为放大介质。激励器优选为若干激光器二极管，而受激励元件为纤维，优选为具有掺杂镱的芯的石英纤维。而且，对于本专利技术，术语“激光束产生装置”和“谐振器”将不加区分。根据这种情况，本专利技术的该方法可以包括一个或多个下列特征-纤维由具有石英包层的掺杂镱的芯形成；-由所述镱基纤维产生的所述激光束的波长在1至5微米之间，优选为在1.04至3微米之间；-由所述镱基纤维产生的激光束的波长在1.07至1.1微米之间，优选为1.07微米；-激光束的功率在0.1至25千瓦之间，优选为在0.5至15千瓦之间；-激光束是连续或者脉冲激光束，优选为连续激光束；-将要切割的工件的厚度在0.25至30毫米之间，优选为在0.40至20毫米之间；-切割速度在0.1至20米/分钟之间，优选为在1至15米/分钟之间；-用于激光束的辅助气体选自于氮气、氦气、氩气、氧气、CO2及其混合物，以及，所述辅助气体还可选地包含选自于H2和CH4的一种或多种附加化合物； -激光束的品质因数在1至8mm.mrad之间，优选为大于2mm.mrad，更优选为大于3mm.mrad，并且/或者优选小于7mm.mrad，更优选为小于5mm.mrad；-利用氧气作为辅助气体，在0.2至6巴的气压下，对厚度为0.4毫米至3毫米之间的钢质工件进行切割的切割速度为6至15米/分钟；-利用氧气作为辅助气体，在0.2至6巴的气压下，对厚度为3毫米至6毫米之间的钢质工件进行切割的切割速度为2至6米/分钟；-利用氧气作为辅助气体，在0.2至6巴的气压下，对厚度为6毫米至10毫米之间的钢质工件进行切割的切割速度为1至3米/分钟；-利用氧气作为辅助气体，在0.2至6巴的气压下，对厚度为10毫米至20毫米之间的钢质工件进行切割的切割速度为0.1至2米/分钟；-更概括地说，辅助气体气压在大约0.1巴至10巴之间，这根据将要切割的厚度来选择；以及-气体喷射孔的直径在0.5至5毫米之间，通常在1至3毫米之间。附图说明图1是用于实施利用激光束来切割碳锰钢工件的激光切割方法的安装原理图；图2示出了获得的速度随将被切割的厚度的变化；图3示出在厚度为e的材料的切口进行切割期间的结构；图4示出切割前表面(cutting front)的最佳角度α随切割厚度变化的情况。具体实施例方式图1是用于实施利用激光束3来切割碳锰钢工件10的激光切割方法的安装原理图，其中采用具有谐振器2的激光源1或者包括石英纤维的激光束产生装置来产生激光束3，其中该石英纤维具有掺杂镱的纤维芯。激光源1用于产生激光束3，该激光束的波长为1微米至5微米，更准确来说为1.07微米。光束3传播通过光束传送装置4，例如由熔融石英制成的直径为20微米至300微米的光纤，传播至光束3和工件10之间的交互区11，在该交互区中，光束撞击碳锰钢工件，并且熔化所述工件的构成材料，因此形成切口。在离开该纤维4时，激光束3具有特定的光学特性和1至8mm.mrad之间的品质因数(BPP)。然后利用光学准直仪5对光束3进行准直，该光学准直仪配置有由涂敷的熔融石英制成的准直双合透镜，从而限制离开纤维的光束的散度，以及使得激光束平行。然后，通过涂敷的熔融石英透镜6，将散度已经大大受到准直仪限制的平行光束3聚焦到将被切割的工件10上或工件10中，其中熔融石英透镜6的焦距为80毫米至510毫米，优选为100毫米至250毫米。在到达工件10之前，光束3轴向通过激光头6，该激光头配置有喷嘴7本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于切割碳锰钢工件的激光切割方法，其特征在于，激光束产生装置包括至少一种含镱纤维，用于产生激光束，以及，所述激光束的品质因数在０．３３至８ｍｍ．ｍｒａｄ之间。

【技术特征摘要】
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【专利技术属性】
技术研发人员：K舒弗，H马扎奥伊，F布里安德，
申请(专利权)人：乔治洛德方法研究和开发液化空气有限公司，法国液体空气焊接公司，
类型：发明
国别省市：FR[法国]