專(zhuān)利名稱(chēng)：采用雙焦點(diǎn)透鏡的厚金屬工件激光切割方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種使用具有雙聚焦功能和選定焦距的透鏡的激光束切割方法。
背景技術(shù)：
激光切割方法常規(guī)上采用由例如二氧化碳(λ＝10.6微米)型或YAG型激光加工機(jī)(激光器)發(fā)出的激光束，該激光束被光學(xué)元件-通常是具有給定焦距的透鏡或反射鏡-聚焦到待切割工件上。切割槽中通常被注入加壓的輔助氣體以去除熔融金屬。由發(fā)射激光束的聚焦元件構(gòu)成并釋放輔助氣體的切割頭與待切割工件之間的相對(duì)移動(dòng)形成了切割槽。
透射聚焦光學(xué)器件，也就是透鏡，是最常見(jiàn)的用于激光切割的元件，因?yàn)樗鼈兛梢栽谇懈铑^中形成加壓密封空腔，輔助氣體可被注入這個(gè)空腔然后經(jīng)由與激光束同軸的管道離開(kāi)。
聚焦透鏡包括經(jīng)過(guò)抗反射處理以限制反射損耗量的兩個(gè)屈光鏡(dioptre)或面。
透鏡的“核心”的材料，對(duì)于二氧化碳型激光器來(lái)說(shuō)通常是硒化鋅，對(duì)于YAG型激光器來(lái)說(shuō)通常是熔融硅、玻璃(bk7)、石英或類(lèi)似物質(zhì)。
目前主要使用的各種透鏡形狀包括-由球面屈光鏡和平面屈光鏡組成的平凸透鏡，-由兩個(gè)球面屈光鏡組成的凹凸透鏡。這種透鏡形狀相對(duì)于平凸透鏡來(lái)說(shuō)具有使球面像差最小化的優(yōu)點(diǎn)，由于這個(gè)原因它在激光切割中得到了非常廣泛的使用。
-非球面透鏡，這種透鏡的第一屈光鏡的形狀不再是半徑恒定的球面，而是經(jīng)過(guò)了優(yōu)化以便相對(duì)于具有球面屈光鏡的凹凸透鏡來(lái)說(shuō)能進(jìn)一步減小幾何像差，從而在焦點(diǎn)處能獲得更高的能量密度，尤其是在焦距短即小于95.25毫米(3.75英寸)的情況下。非球面透鏡的輸出屈光鏡通常是平面以降低其制造成本。
所有的這些透鏡都力圖將激光束集中在直徑最小的單一焦點(diǎn)處。
一種通過(guò)使用具有多個(gè)焦點(diǎn)的光學(xué)器件來(lái)提高性能的激光切割方法在文獻(xiàn)WO-A-98/14302中有教導(dǎo)。這些透鏡或反射鏡類(lèi)型的光學(xué)器件的形狀是這樣的，即，使得入射激光束不再是聚焦在單一的焦點(diǎn)，而是聚焦在兩個(gè)(雙焦點(diǎn)透鏡)或多個(gè)焦點(diǎn)(多焦點(diǎn)透鏡)。
更準(zhǔn)確地說(shuō)，如圖1所示，當(dāng)使用雙焦點(diǎn)透鏡LF時(shí)，入射光束中位于直徑等于2H之外的部分聚焦在位于主焦距FL處的第一焦點(diǎn)PF1上。入射激光束中位于直徑等于2H以?xún)?nèi)的部分進(jìn)而聚焦在沿著光束傳播方向，離第一焦點(diǎn)PF1的距離為DF的第二焦點(diǎn)PF2上。制造這種雙焦點(diǎn)透鏡LF時(shí)，其某一個(gè)屈光鏡具有不同的曲率半徑，例如對(duì)于其凸面，直徑2H以?xún)?nèi)和之外具有不同的曲率半徑。
相對(duì)于透鏡和工件之間距離的變化，這些類(lèi)型的光學(xué)聚焦器件使得加快切割速度、提高切割質(zhì)量和減小容許公差成為可能，并且相對(duì)于傳統(tǒng)的單焦點(diǎn)透鏡，他們也可以切割更厚的材料。
盡管有該文獻(xiàn)的教導(dǎo)，但在實(shí)際應(yīng)用中已經(jīng)發(fā)現(xiàn)對(duì)于某些厚度(的工件)，要獲得高效率、高質(zhì)量的切割會(huì)導(dǎo)致一個(gè)問(wèn)題。
例如，當(dāng)切割厚度在4至25毫米之間，優(yōu)選在5至20毫米之間的金屬板或工件時(shí)就會(huì)反復(fù)遇到這樣一個(gè)問(wèn)題，即需要使用焦距大于130毫米的透鏡來(lái)獲得可令人接受的切割性能。
這些厚度(的工件)通常是采用標(biāo)準(zhǔn)焦距為190.5毫米(7.5英寸)或228.6毫米(9英寸)的透鏡來(lái)進(jìn)行切割，因?yàn)槔酶痰慕咕嗪茈y切割這些厚度(的工件)。具體來(lái)說(shuō)，當(dāng)厚度超過(guò)5毫米時(shí)會(huì)在切割槽的底部系統(tǒng)地形成有毛刺。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供解決這個(gè)問(wèn)題的方案，也就是說(shuō)提供一種用于使用雙焦點(diǎn)透鏡激光切割厚度在4至25毫米之間，優(yōu)選在5至20毫米之間的工件的有效方法。
本發(fā)明的方案是一種用于對(duì)厚度在4至25毫米之間的金屬工件進(jìn)行激光束切割的方法，其中采用用于將激光束至少聚焦在彼此分開(kāi)且均位于激光束光軸上的第一焦點(diǎn)(PF1)和第二焦點(diǎn)(PF2)處的雙聚焦透鏡，其特征在于，該透鏡的焦距(FL)在170至300毫米之間。
根據(jù)具體情況，本發(fā)明所述方法可包含下列一個(gè)或多個(gè)特征-透鏡的焦距在180至200毫米之間。
-透鏡的焦距等于190.5毫米。
-透鏡具有帶一定直徑(2H)的中心區(qū)域，該中心區(qū)域具有用于聚焦在位于所述焦距(FL)處的第一焦點(diǎn)(PF1)的第一曲率半徑，所述直徑(2H)小于20毫米。
-透鏡的直徑在4至15毫米之間。
-切割厚度在4至20毫米之間，優(yōu)選在6至12毫米之間的工件。
-兩個(gè)焦點(diǎn)之間的距離在5至12毫米之間。
-兩個(gè)焦點(diǎn)之間的距離在7至10毫米之間。
-金屬工件由不銹鋼，低碳鋼，鋁或鋁合金，鈦或鈦合金，銅或銅合金制成。
-使用含有氮的輔助氣體。
-激光束的功率在0.5至20千瓦之間，優(yōu)選在1至6千瓦之間。
-采用二氧化碳型激光裝置發(fā)射激光束。


圖1是雙焦點(diǎn)透鏡的示意圖；圖2-3示出對(duì)厚度不同的不銹鋼工件進(jìn)行的測(cè)試的結(jié)果。
具體實(shí)施例方式
當(dāng)涉及到上述問(wèn)題的解決時(shí)，本發(fā)明的發(fā)明者注意到采用雙焦點(diǎn)透鏡的激光切割方法取決于所用透鏡的參數(shù)，即其焦距FL，(直徑)2H以及(距離)DF，如圖1中所示。
透鏡的2H值對(duì)應(yīng)于曲率半徑不同于透鏡外圍部分的透鏡中心區(qū)域的那個(gè)直徑。入射光束中位于直徑2H之外的部分聚焦在位于主焦距FL處的第一焦點(diǎn)PF1上。入射激光束中位于直徑2H以?xún)?nèi)的部分聚焦在位于主焦距FL2處的第二焦點(diǎn)PF2上。直徑2H的大小決定了聚集在第二焦點(diǎn)PF2處的能量的量。
距離DF相應(yīng)地對(duì)應(yīng)于焦距FL和FL2之差，如圖1所示。
示例對(duì)厚度為6毫米和8毫米的不銹鋼(工件)進(jìn)行的，結(jié)果分別如圖2和圖3所示的測(cè)試證明，對(duì)于分別在4至20毫米之間的厚度，采用焦距等于190.5毫米且2H值在4至15毫米之間的雙聚焦透鏡是合適的。
獲得的測(cè)試結(jié)果如下-圖2中所示為(輔助氣體的)壓力為16bar(灰色長(zhǎng)條)和19bar(黑色長(zhǎng)條)，均采用雙焦點(diǎn)透鏡時(shí)的結(jié)果。
-圖3中所示為(輔助氣體的)壓力為19bar，采用雙焦點(diǎn)透鏡(黑色長(zhǎng)條)或?yàn)榱吮容^而采用單焦點(diǎn)透鏡(灰色長(zhǎng)條)時(shí)的結(jié)果。
可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)焦距FL等于190.5毫米且2H取上述值時(shí)，如從圖2中可以看到的那樣，DF的取值在7至10毫米之間時(shí)可以獲得最佳的激光切割性能。
對(duì)于厚度為8毫米的金屬板(圖3)，采用距離DF等于8毫米的雙焦點(diǎn)透鏡可以提高切割速度，且切割質(zhì)量也勝過(guò)采用測(cè)試的其它DF值，具體地說(shuō)就是可以避免產(chǎn)生毛刺。
對(duì)于這些FL，2H和DF的取值，切割槽中吸收的激光能量的能量分布是最優(yōu)的。此外，切割槽的寬度也足以使氣體獲得良好的滲透以及使熔融金屬得到最佳的去除。
權(quán)利要求
1.一種用于對(duì)厚度在4至25毫米之間的金屬工件進(jìn)行激光束切割的方法，其中采用用于將激光束至少聚焦在彼此分開(kāi)且均位于激光束光軸上的第一焦點(diǎn)(PF1)和第二焦點(diǎn)(PF2)處的雙聚焦透鏡，其特征在于，該透鏡的焦距(FL)在170至300毫米之間。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述透鏡的焦距(FL)在180至200毫米之間。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述透鏡的焦距(FL)等于190.5毫米。
4.根據(jù)權(quán)利要求1至3中任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，所述透鏡具有帶一定直徑(2H)的中心區(qū)域，該中心區(qū)域具有用于聚焦在位于所述焦距(FL)處的第一焦點(diǎn)(PF1)的第一曲率半徑，所述直徑(2H)小于20毫米。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的方法，其特征在于，所述透鏡的直徑(2H)在4至15毫米之間。
6.根據(jù)權(quán)利要求1至5中任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，切割厚度在4至20毫米之間，優(yōu)選在6至12毫米之間的工件。
7.根據(jù)權(quán)利要求1至6中任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，所述兩個(gè)焦點(diǎn)(PF1，PF2)之間的距離(DF)在5至12毫米之間。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的方法，其特征在于，所述兩個(gè)焦點(diǎn)(PF1，PF2)之間的距離(DF)在7至10毫米之間。
9.根據(jù)權(quán)利要求1至8中任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，所述金屬工件由不銹鋼，低碳鋼，鋁或鋁合金，鈦或鈦合金，銅或銅合金制成。
10.根據(jù)權(quán)利要求1至9中任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，使用含有氮的輔助氣體。
11.根據(jù)權(quán)利要求1至10中任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，所述激光束的功率在0.5至20千瓦之間，優(yōu)選在1至6千瓦之間。
12.根據(jù)權(quán)利要求1至11中任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，采用二氧化碳型激光裝置發(fā)射激光束。
全文摘要
本發(fā)明涉及采用雙焦點(diǎn)透鏡的厚金屬工件激光切割方法。該方法用于對(duì)厚度在4至25毫米之間的金屬工件進(jìn)行激光束切割，其中采用用于將激光束至少聚焦在彼此分開(kāi)且均位于激光束光軸上的第一焦點(diǎn)(PF1)和第二焦點(diǎn)(PF2)處的雙聚焦透鏡，其特征在于，該透鏡的焦距(FL)在170至300毫米之間。
文檔編號(hào)B23K26/14GK1803373SQ20061000126
公開(kāi)日2006年7月19日 申請(qǐng)日期2006年1月12日 優(yōu)先權(quán)日2005年1月12日
發(fā)明者K·舒弗, H·馬扎維, C·貝爾特茲 申請(qǐng)人:液體空氣喬治洛德方法利用和研究的具有監(jiān)督和管理委員會(huì)的有限公司