一种激光辅助加热的金属带材切割方法技术

本发明专利技术涉及一种激光辅助加热的金属带材切割方法，采用激光对金属带材先加热再切割，其特征在于，所述的加热温度Th为：式中，U为带材运行速度，m/min；F为激光器功率，W；AS为激光光斑面积，mm2；ξ为与金属带材密度和比热容相关的常数，ξ＝(0.3～0.8)e3；χ为与金属带材厚度相关的常数，χ＝-0.75～0.0；所述的切割温度T为：T＝Th-ΔT；式中ΔT为金属材的温降。本发明专利技术的优点：加热效率高，适应高速切割，尤其适用于高速、高质量要求的极薄带材的切割。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及金属带材切割
，具体地说，是。
技术介绍
金属带材，例如钢带、铜带、铝带等，一般均采用冶炼、轧制、精整、分卷、包装等工艺生产，其中涉及切边、横切、纵切等带材的切割加工。传统的带材切割方式一般采用圆盘剪(满足切边和纵切要求)和斜刃剪(满足横切要求)等，均为机械切割方式，即利用上下剪刃的作用通过塑性滑移制造的裂纹扩展使带材被切断。这种切割方式尽管具有高速且灵活的特点。以钢带的圆盘剪为例，一般其生产方式为成卷或全连续切割，切割速度大于280m/min，钢带强度可达600MPa，钢带厚度可小于O. 3mm，其切割规律如图I所示。其中，塌角是由切割过程中带材塑性弯曲产生的，光亮带是由带材内部相对滑移(塑性变形)产生 的，撕裂带是由带材脆性断裂产生的，毛刺是由断裂时裂纹扩展不充分产生的。但也存在无法解决的问题，主要来源于带材本身。随着技术的进步，用户对带材的要求逐步朝着高强(大于SOOMPa)、极薄(小于O. Imm)方向发展。这对机械切割的刀片强度和组装精度提出更高的要求，同时要求切割质量更高，如切割毛刺控制在O. 02mm以下，增加了刀片的制造成本，缩短了刀片的使用寿命。随着激光技术的发展，其应用领域越来越宽广，其中激光加热技术的发展正逐渐得到重视。专利ZL200610096474. 6提供了一种利用二氧化碳激光作为板材预加热，然后通过钕玻璃激光器的强激光完成板材成形的方法。专利CN101879572A和CN201693118U给出了一种镁合金板材激光局部加热自冲铆接的方法和装置。专利ZL200710115874. I和ZL200910015653. 6则开发了一种利用激光局部加热技术提高板材成形效率的方法。以上专利技术均为板材成形时利用激光局部加热达到软化材料提供成形质量的技术，所涉及的均为非连续生产，且无加工速度要求，无法满足本专利技术的连续化、高速的生产要求，但为本专利技术提供了技术可行性的佐证。针对高强极薄的金属带材而言，考虑到带材的加热软化和切割过程的力学特点，本专利技术在带材切割前利用激光技术对其切割位置进行预加热，达到降低带材的屈服强度、提闻材料塑性的目的，进而在切割时减小刀片受力、提闻切割断面的质量。
技术实现思路
本专利技术的目的在于克服现有技术的不足，提供；该方法是通过安装于带材切割设备入口的激光器对带材进行加热，以降低切割时带材的变形抗力，提高材料塑性，实现降低切割负荷、提高切割质量的目的。本专利技术所针对的带材切割方式以圆盘剪为主，同样地，也适用于其它带材切割方式，例如斜刃剪切割、锯片切割等。本专利技术的构思为需要根据金属带材的力学性能及规格和切割设备的结构参数和工艺参数，如刀片的重叠量和侧向间隙，在保证切割质量和合理切割负荷的前提下，确定带材切割时所需的强度等级，即带材的屈服强度。然后，根据带材的材料性能，即不同温度下的应力应变曲线，确定带材所需的加热温度。最后，根据带材的运行速度(用于估算带材与环境的换热系数)、材料特性(对激光的吸收率)和尺寸规格，给出激光器的输出功率。考虑到带材的高速运行，切割设备所实现的切缝宽度小，要求加热效率高且加热范围小，故本专利技术涉及的激光应以固体激光器所发出的激光优先。本专利技术的目的是通过以下技术方案来实现的，采用激光对金属带材先加热再切割，所述的加热温度Th为Th=CxAxFxAf xU-1·5式中，U为带材运行速度，m/min ；F为激光器功率，W ；AS为激光光斑面积，mm2 ； ξ为与金属带材密度和比热容相关的常数，ξ = (0.3 0.8)e3;x为与金属带材厚度相关 的常数，X = -O. 75 O. O ;在激光加热方法，其加热温度与激光功率和带材吸收率的关系为线性，与带材运行速度和照射光斑为非线性关系。一般地，考虑到与激光加热相关的激光光斑大小相对带材尺寸为微小量，故可将照射光斑范围内的激光输入功率以平均分布考虑。切割温度的确定激光加热点运行至切割点时的温度下降幅度主要由热传导和热辐射产生的，不仅取决于金属带材的热物性(例如材料的导热系数、比热容、密度等)，还与带材速度U和激光加热范围及加热深度有关。本专利技术考虑到现有有关金属材料传热分析已相当成熟，可借鉴现有方法来计算带材的温降Λ Τ，并确定最终切割时带材的温度，所述的切割温度T为T = Th-AT式中AT为金属材的温降。激光照射角度与吸收率的关系激光照射方式是指激光光线与带材法线方向的关系，以及激光加热点与带材切割点的距离。根据材料对激光的吸收率，可确定激光光线与带材法线方向的最大偏移角度。考虑到带材加热后的热量散失,本专利技术要求激光加热点与带材切割点的距离应越小越好,但在很大程度上受到切割设备和激光器的结构尺寸限制。本专利技术涉及的带材激光辅助切割方法，应包含激光照射角度α、加热点与切割点的距离L、激光光斑尺寸等关键参数。激光照射角度α与吸收率A的关系为 4 =式中，β为与材料表面形貌有关的系数，由实验确定。一般地，β = O. 2 O. 62。值得注意的是，随着激光照射角度α的减小，加热点与切割点的距离L可进一步减小，且激光光斑尺寸可增加，这些有助于提高带材加热软化的效果。但有益的效果远远小于吸收率降低所带来的影响，故本专利技术要求应尽可能保证激光照射角度α满足下式。a = —π ~ —π 3 2吸收率的确定材料对激光的吸收率的影响因素较复杂，例如材料的电阻率、带材表面粗糙度、激光的波长等。若想得到准确的吸收率，则必须通过试验确定。一般地，考虑到现有固体激光波长以I. 06微米为主，当激光垂直照射带材表面时材料的激光吸收率A可根据下式确定。A — 3-2 P +过1 P + (2)式中，P为电阻率，Ω · m，可由材料手册得到。a0 a2为与激光波长相关系数；其中，aO = O. 001 O. 5 ；al = I. 0e4 9. 8e5, a2 = -I. Oell -I. 0e9 ；钢铁材料，激光波长为I. 06微米时，可取aO = O. 0741,al =4. 8e5，a2 = -3. 6el0。带材剪切屈服强度与温度的关系激光加热方法适用于热胀材料，即经过加热可实现降低其屈服强度的材料。材料的屈服强度与温度的关系需根据材料的性能要求，通过试验或可根据材料手册确定，其实验方法可采用Gleeble试验机，或其它可给出不同温度下材料应力应变曲线的试验设备。以室温(20°C )为材料的基本力学性能，即室温的剪切屈服强度为τ 20 (可根据材料手册得到)，则不同温度下的金属带材剪切屈服强度τ T可由下式得到。本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种激光辅助加热的金属带材切割方法，采用激光对金属带材先加热再切割，其特征在于，所述的加热温度Th为Th=ξ×A×F×Asχ×U-1.5式中，U为带材运行速度，m/min；F为激光器功率，W；AS为激光光斑面积，mm2；ξ为与金属带材密度和比热容相关的常数，ξ＝(0.3～0.8)e3；χ为与金属带材厚度相关的常数，χ＝？0.75～0.0；所述的切割温度T为T＝Th？ΔT式中ΔT为金属材的温降。

【技术特征摘要】
1.一种激光辅助加热的金属带材切割方法，采用激光对金属带材先加热再切割，其特征在于，所述的加热温度Th为 TA=^xAxFxJfxUL5 式中，U为带材运行速度，m/min ；F为激光器功率，W ；AS为激光光斑面积，mm2 ； ξ为与金属带材密度和比热容相关的常数，ξ = (0.3 0.8)e3;x为与金属带材厚度相关的常数，X = -O. 75 O. O ; 所述的切割温度T为T = Th- Δ T 式中AT为金属材的温降。2.如权利要求I...

【专利技术属性】
技术研发人员：王英杰，李山青，王卫泽，黄涛，赵春涛，
申请(专利权)人：宝山钢铁股份有限公司，
类型：发明
国别省市：