一种基于激光角度控制的激光切割装置及快速切割方法与流程

1.本发明属于激光切割设备技术领域，具体涉及基于激光角度控制的激光切割装置，以及基于该激光切割装置的快速切割方法。


背景技术：

2.在激光切割领域中，高功率的光纤激光技术正快速发展，且相应的激光器正在快速往高功率方向发展，激光器的功率从6kw发展到了30kw。为实现快速切割，传统的激光切割的提升切割速度方法为提升激光器的输出功率，但是在高功率的激光器的使用过程中，会存在以下问题：一是高功率的激光器会导致激光切割装置中的镜片组件的寿命缩短，二是为适配高功率的激光器，镜片的高功率设计成本高，从而造成激光切割装置的整体成本上升。
3.传统的激光切割的提升切割速度方法还有通过短焦距的聚焦镜片，缩小聚焦光斑大小来提升切割速度，但是，光斑的不断缩小，会导致厚板切割的排渣困难，切割质量挂渣不良。
4.上述激光高功率化及短焦聚的聚焦镜片均存在各种不足，因此如何在一定的激光功率下提升切割速度是激光切割的重要课题之一。


技术实现要素：

5.本发明的目的之一在于提供一种基于激光角度控制的激光切割装置，该装置中的摆动调节装置控制所述可调反射镜的转向和摆动，通过反射镜片转向改变反射激光束的角度，以使反射激光束经过所述聚焦镜后形成的光斑在所述待加工工件上摆动完成对所述待加工工件的摆动切割，通过摆动切割在不提升功率和不改变聚焦镜配比的情况下，提升材料对激光的吸收率和把最小的焦点位置放在待加工工件材料表面来实现最小割缝，进而来提升切割速度。
6.为实现上述发明目的，本发明采取的技术方案如下：一种基于激光角度控制的激光切割装置，包括：激光器，所述激光器用于发射激光束；可调反射镜，所述可调反射镜用于反射所述激光束；聚焦镜，所述聚焦镜置于所述可调反射镜的下方，经所述可调反射镜反射的激光束进入所述聚焦镜后在所述聚焦镜下方的待加工工件上形成光斑；摆动调节装置，所述摆动调节装置用于控制所述可调反射镜的转向和摆动，通过反射镜片转向改变反射激光束的角度，以使反射激光束经过所述聚焦镜后形成的光斑在所述待加工工件上摆动完成对所述待加工工件的摆动切割；所述激光切割装置进行摆动切割的过程中，根据可调反射镜的摆动计算反射激光束摆动的角度和摆动振幅，在一个摆动振幅范围内，沿切割方向所述聚焦激光束通过摆动在所述待加工工件上形成切割面，并使所述聚焦激光束与所述切割面形成切割峰角θ，通过
切割峰角θ以改变激光吸收率；沿切割方向，激光切割装置边摆动边切割，根据聚焦激光束的摆动振幅和周期内反馈的切割速度分别计算切割峰角和切割过程中的激光吸收率；通过计算的切割峰角和激光吸收率的数值，得出切割峰角和激光吸收率的关系，并对切割峰角和激光吸收率进行寻优；针对不同厚度的待加工工件，确认可调反射镜最优的摆动振幅和该摆动振幅下形成的最优切割峰角，以使切割速度达到最大值。
7.优选的，还包括x轴镜片和y轴镜片，所述x轴镜片和y轴镜片为可调式振镜，所述x轴镜片和y轴镜片均连接有振镜电机，所述x轴镜片和y轴镜片置于所述激光器和所述可调反射镜之间，所述激光器发射的激光束依次经过所述x轴镜片和y轴镜片照射至所述可调反射镜上。
8.优选的，所述x轴镜片和y轴镜片均可以通过振镜电机控制其转动，从而调整激光束在x方向和y方向的位置，且激光束会先照射到x轴镜片上，由x轴镜片反射后将反射后的激光束照射至y轴镜片，再由y轴镜片将反射后后的激光束照射到可调反射镜的镜面上，进而在可调反射镜上进行反射，将反射后的激光束照射至所述聚焦镜，并在聚焦镜的下方形成聚焦激光束。
9.优选的，所述摆动调节装置包括振动电机，通过控制所述振动电机的振幅和频率来控制所述可调反射镜摆动角度和频率，以使反射激光束经过所述聚焦镜后形成的聚焦激光束完成摆动振幅和摆动频率的调节。
10.本发明的目的之二在于提供一种基于激光角度控制的快速切割方法，包括以下步骤：步骤s1.进行驱动器数据交互获取激光切割装置和待加工工件的数据，根据待加工工件的厚度数据，设置激光切割装置中的摆动调节装置的振幅和频率；步骤s2.启动激光切割头的激光器以使激光器发射激光束，并通过摆动调节装置控制可调反射镜的转向和摆动，以使反射激光束经过所述聚焦镜后形成的聚焦激光束完成摆动振幅和摆动频率的调节，所述聚焦激光束在待加工工件上形成的光斑在所述待加工工件上摆动以完成对所述待加工工件的摆动切割；步骤s3. 所述激光切割装置进行摆动切割的过程中，根据可调反射镜的摆动计算反射激光束摆动的角度和摆动振幅，在一个摆动振幅范围内，沿切割方向所述聚焦激光束通过摆动在所述待加工工件上形成切割面，并使所述聚焦激光束与所述切割面形成切割峰角θ，通过切割峰角θ以改变激光吸收率；步骤s4.沿切割方向，激光切割装置边摆动边切割，根据聚焦激光束的摆动振幅和周期内反馈的切割速度分别计算切割峰角和切割过程中激光吸收率；步骤s5.通过步骤s4计算的切割峰角和激光吸收率的数值，得出切割峰角和激光吸收率的关系，并对切割峰角和激光吸收率进行寻优；步骤s6.针对不同厚度的待加工工件，确认可调反射镜最优的摆动振幅和该摆动振幅下形成的最优切割峰角，以使切割速度达到最大值。
11.摆动振幅即所述可调反射镜受所述摆动调节装置振动调节后形成的最大的摆动角度，以使聚焦激光束不会影响割缝以及上下表面的切割效果。本发明通过上述步骤可以在同等激光功率的情况下，提升激光切割速度，且可以使得切割面的质量也得到提升。
12.优选的，步骤s3中，所述聚焦激光束的摆动振幅的计算过程如下：
所述可调反射镜摆动过程中，在聚焦激光束的一个摆动振幅范围内形成前侧聚焦激光束和后侧聚集激光束，所述前侧聚焦激光束为一个摆动振幅范围内沿切割方向位于该摆动振幅范围内前侧极限位的聚焦激光束，所述后侧聚焦激光束为一个摆动振幅范围内沿切割方向位于该摆动振幅范围内后极限位的聚焦激光束，所述前侧聚焦激光束在所述待加工工件的上表面处投影的光斑为前光斑，所述前侧聚焦激光束在所述待加工工件的下表面处投影的光斑为后光斑，所述前光斑中轴线和所述后光斑的中轴线之间的距离为一个摆动振幅。
13.优选的，所述步骤s4中，所述切割峰角的计算方法如下：步骤s4.1.确认所述待加工工件的厚度t；步骤s4.2. 确定可调反射镜的振幅和频率，在聚焦激光束的一个摆动振幅范围内，获取聚焦激光束的摆动振幅b及前侧聚焦激光束投影形成的前光斑的半径r1和后侧聚焦激光束投影形成的后光斑的半径r2；步骤s4.3.根据步骤s4.2获取的参数计算切割峰角，所述切割峰角θ的计算公式如下：。
14.优选的，所述步骤s4中，所述激光吸收率的计算方法如下：步骤s4.1.根据可调反射镜的振幅和频率，在激光切割装置边摆动边切割过程中，测出激光切割速度vc以及割缝宽度w；步骤s4.2.根据下述切割速度公式算出激光吸收率，切割速度的计算公式如下：其中，p
l
为激光功率，单位为w；a为激光吸收率（激光吸收率受波长和切割峰角θ的角度影响，在波长一定的情况下，受切割峰角即摆动过程中产生的最大入射角影响）；ploss为热传导或辅助气体的冷却造成的热量损失，其为待加工工件切断后的损失的激光功率的合计；e为材料熔融状态必要的能量，单位为j/cm3；w为割缝宽度，单位为mm；t为待加工工件厚度，单位为mm。
15.优选的，所述步骤s5中还包括，绘制切割峰角和激光吸收率的关系图，确认不同厚度的待加工工件的最优切割峰角和摆动振幅，通过寻优获取不同厚度待加工工件的最优摆动振幅，以改变激光吸收率，使切割速度达到最大值。根据摆动的不同摆动振幅反馈的切割速度来确定最佳振幅，即吸收率最高的切割峰角。
16.优选的，所述聚焦激光束的摆动角度≤0.1
°
，所述聚焦激光束的摆动角度为所述聚焦激光束摆动到一侧极限位时的激光束光轴线与聚集镜的光轴之间的夹角。
17.这样设置，可以使得光束相对于材料几乎平行移动，以使聚焦激光束不会影响割缝以及上下表面的切割效果。
18.有益效果：本发明提供的基于激光角度控制的激光切割装置，通过设置能够对反射镜角度进行调节的摆动调节装置，从而实现对激光切割头中的可调反射镜进行角度控制，进而控制
聚焦激光束的摆动角度，根据不同摆动振幅反馈的切割速度来确定最佳振幅，即吸收率最高的切割峰角，最终实现了光纤激光在材料上最大的光吸收。本发明由于聚焦激光束的摆动切割使得在待加工工件上形成了切割峰角θ，提升了吸收率，进而提升了切割效率，且本发明能够将最小的焦点位置放在所述待加工工件的表面来实现最小割缝。由于摆动式切割使得聚焦激光束在待加工工件下表面处的光束直径得到控制，使聚焦激光束在待加工工件下表面处形成的光斑直径足够大，进而便于排渣，使得割缝处的上下表面粗糙度降低。
附图说明
19.图1 所示为激光切割装置切割的原理图；图2所示为本发明基于激光角度控制的激光切割装置的切割原理图；图3所示为本发明基于激光角度控制的激光切割装置切割过程中切割峰角θ的形成示意图；图4所示为采用基于激光角度控制的快速切割方法和传统非摆动切割方法生成的切割速度曲线对照图；图5所示为3mm不锈钢切割过程中激光不同入射角与吸收率的关系图；图6所示为采用传统非摆动切割方法切割3mm不锈钢形成的割缝的表面粗糙度示意图；图7所示为采用本发明基于激光角度控制的快速切割方法切割3mm不锈钢形成的割缝的表面粗糙度示意图。
20.附图标记1、可调反射镜；2、聚焦镜；3、聚焦激光束；4、x轴镜片；5、y轴镜片；6、待加工工件；7、前侧聚焦激光束；8、后侧聚焦激光束。
具体实施方式
21.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对照附图说明本发明的具体实施方式。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图，并获得其他的实施方式。
22.下面以具体实施例详细介绍本发明的技术方案。
23.实施例1参考图2，本实施例提供一种基于激光角度控制的激光切割装置，包括：激光器、可调反射镜1、聚焦镜2和摆动调节装置；所述激光器用于发射激光束；所述可调反射镜1用于反射所述激光束；所述聚焦镜2置于所述可调反射镜1的下方，经所述可调反射镜1反射的激光束进入所述聚焦镜2后在所述聚焦镜2下方的待加工工件6上形成光斑；所述摆动调节装置用于控制所述可调反射镜1的转向和摆动，通过反射镜片转向改变反射激光束的角度，以使反射激光束经过所述聚焦镜2后形成的光斑在所述待加工工件6上摆动完成对所述待加工工件6的摆动切割。所述激光切割装置进行摆动切割的过程中，根据可调反射镜1的摆动计算反射激光束摆动的角度和摆动振幅，在一个摆动振幅范围内，沿切割方向所述聚焦激光束3通过摆动在所述待加工工件6上形成切割面，并使所述聚焦激光束3与所述切割面形
成切割峰角θ，通过切割峰角θ以改变激光吸收率；沿切割方向，激光切割装置边摆动边切割，根据聚焦激光束3的摆动振幅和周期内反馈的切割速度分别计算切割峰角和切割过程中的激光吸收率；通过计算的切割峰角和激光吸收率的数值，得出切割峰角和激光吸收率的关系，并对切割峰角和激光吸收率进行寻优；针对不同厚度的待加工工件6，确认可调反射镜1最优的摆动振幅和该摆动振幅下形成的最优切割峰角，以使切割速度达到最大值。
24.本实施例的激光切割装置还包括x轴镜片4和y轴镜片5，所述x轴镜片4和y轴镜片5为可调式振镜，所述x轴镜片4和y轴镜片5均连接有振镜电机，所述x轴镜片4和y轴镜片5置于所述激光器和所述可调反射镜1之间，所述激光器发射的激光束依次经过所述x轴镜片4和y轴镜片5照射至所述可调反射镜1上。
25.所述x轴镜片4和y轴镜片5均可以通过振镜电机控制其转动，从而调整激光束在x方向和y方向的位置，且激光束会先照射到x轴镜片4上，由x轴镜片4反射后将反射后的激光束照射至y轴镜片5，再由y轴镜片5将反射后的激光束照射到可调反射镜1的镜面上，进而在可调反射镜1上进行反射，将反射后的激光束照射至所述聚焦镜2，并在聚焦镜2的下方形成聚焦激光束3。
26.所述摆动调节装置包括振动电机，通过控制所述振动电机的振幅和频率来控制所述可调反射镜1摆动角度和频率，以使反射激光束经过所述聚焦镜2后形成的聚焦激光束3完成摆动振幅和摆动频率的调节。所述激光切割装置进行摆动切割的过程中，在一个摆动振幅范围内，沿切割方向所述聚焦激光束3通过摆动在所述待加工工件6上形成切割面，并使所述聚焦激光束3与所述切割面形成切割峰角θ，通过切割峰角θ以改变激光吸收率。
27.实施例2本实施例提供一种基于激光角度控制的快速切割方法，包括以下步骤：步骤s1.进行驱动器数据交互获取激光切割装置和待加工工件6的数据，根据待加工工件6的厚度数据，设置激光切割装置中的摆动调节装置的振幅和频率；步骤s2.启动激光切割头的激光器以使激光器发射激光束，并通过摆动调节装置控制可调反射镜1的转向和摆动，以使反射激光束经过所述聚焦镜2后形成的聚焦激光束3完成摆动振幅和摆动频率的调节，所述聚焦激光束3在待加工工件6上形成的光斑在所述待加工工件6上摆动以完成对所述待加工工件6的摆动切割；步骤s3. 所述激光切割装置进行摆动切割的过程中，根据可调反射镜1的摆动计算反射激光束摆动的角度和摆动振幅，在一个摆动振幅范围内，沿切割方向所述聚焦激光束3通过摆动在所述待加工工件6上形成切割面，并使所述聚焦激光束3与所述切割面形成切割峰角θ，通过切割峰角θ以改变激光吸收率；步骤s4.沿切割方向，激光切割装置边摆动边切割，根据聚焦激光束3的摆动振幅和周期内反馈的切割速度分别计算切割峰角和切割过程中激光吸收率；步骤s5.通过步骤s4计算的切割峰角和激光吸收率的数值，得出切割峰角和激光吸收率的关系，并对切割峰角和激光吸收率进行寻优；步骤s6.针对不同厚度的待加工工件6，确认可调反射镜1最优的摆动振幅和该摆动振幅下形成的最优切割峰角，以使切割速度达到最大值。
28.摆动振幅即所述可调反射镜1受所述摆动调节装置振动调节后形成的最大的摆动角度，以使聚焦激光束3不会影响割缝以及上下表面的切割效果。本发明通过上述步骤可以
在同等激光功率的情况下，提升激光切割速度，且可以使得切割面的质量也得到提升。在具体的实施方式中，使用本实施例激光切割方法使切割速度提升20-30%，切割面粗糙度得到明显下降。
29.优选的，步骤s3中，所述聚焦激光束3的摆动振幅的计算过程如下：所述可调反射镜1摆动过程中，在聚焦激光束3的一个摆动振幅范围内形成前侧聚焦激光束7和后侧聚集激光束8，所述前侧聚焦激光束7为一个摆动振幅范围内沿切割方向位于该摆动振幅范围内前侧极限位的聚焦激光束3，所述后侧聚焦激光束8为一个摆动振幅范围内沿切割方向位于该摆动振幅范围内后极限位的聚焦激光束3，所述前侧聚焦激光束7在所述待加工工件6的上表面处投影的光斑为前光斑，所述前侧聚焦激光束7在所述待加工工件6的下表面处投影的光斑为后光斑，所述前光斑中轴线和所述后光斑的中轴线之间的距离为一个摆动振幅。
30.参考图3激光切割装置切割过程中切割峰角θ的形成示意图，在一个摆动振幅范围内，所述聚焦激光束3以摆动振幅前侧的极限位为起始位，且沿与切割方向相反的方向开始摆动，在起始时刻，聚焦激光束3会在待加工工件6上表面处形成前光斑，所述前光斑朝向切割方向的最前侧在所述待加工工件6上表面形成上切点，在聚焦激光束3往摆动振幅后侧的极限位摆动的过程中，聚焦激光束3会从待加工工件6的表面开始切割，并自所述待加工工件6上表面开始形成一个向下表面延伸的斜向切割面，所述斜向切割面一直延伸至所述待加工工件6的下表面，当所述聚焦激光束3摆动至摆动振幅后侧的极限位时，聚焦激光束3会在待加工工件6下表面处形成后光斑，所述后光斑背离切割方向的最后侧在所述待加工工件6上表面形成下切点，所述上切点和下切点形成一个摆动振幅范围内的斜向切割面投影的上下端端点，所述斜向切割面与所述待加工工件6的下表面形成的倾斜角即为切割峰角θ。当完成一个摆动振幅后，所述聚焦激光束3自上一个摆动振幅后侧的极限位处开始往回摆动，从而实现对斜向切割面的切割，进而使切割面处的工件自下表面开始向上表面方向切割熔融，最终完成对待加工工件6的切割。
31.聚焦激光束3的移动方向和切割方向相同，聚焦激光束3的摆动方向与聚焦激光束3的移动方向处于同一直线上，由于聚焦激光束3的摆动切割使得在待加工工件6上形成了切割峰角θ，提升了吸收率，进而提升了切割效率。且由于摆动式切割使得聚焦激光束3在待加工工件6下表面处的光束直径得到控制，进而便于排渣，使得割缝处的上下表面粗糙度降低。
32.通过上述切割峰角θ的形成的过程可以得到切割峰角的计算方法，因而所述步骤s4中，所述切割峰角的计算方法如下：步骤s4.1.确认所述待加工工件6的厚度t；步骤s4.2. 确定可调反射镜1的振幅和频率，在聚焦激光束3的一个摆动振幅范围内，获取聚焦激光束3的摆动振幅b及前侧聚焦激光束7投影形成的前光斑的半径r1和后侧聚焦激光8投影形成的后光斑的半径r2；步骤s4.3.根据步骤s4.2获取的参数计算切割峰角，所述切割峰角θ的计算公式如下：。
33.所述步骤s4中，所述激光吸收率的计算方法如下：步骤s4.1.根据可调反射镜的振幅和频率，在激光切割装置边摆动边切割过程中，测出激光切割速度vc以及割缝宽度w；步骤s4.2.根据下述切割速度公式算出激光吸收率，切割速度的计算公式如下：参考图1，其中，p
l
为激光功率，单位为w ，w=(j/sec)；a为激光吸收率（激光吸收率受波长和切割峰角θ的影响，在波长一定的情况下，受切割峰角即摆动过程中产生的最大入射角影响）；ploss为热传导或辅助气体的冷却造成的热量损失，其为待加工工件6切断后的损失的激光功率的合计；e为材料熔融状态必要的能量，单位为j/cm3；w为割缝宽度，单位为m；t为待加工工件6厚度，单位为mm。
34.所述步骤s5中还包括，绘制切割峰角和激光吸收率的关系图，确认不同厚度的待加工工件6的最优切割峰角和摆动振幅，通过寻优获取不同厚度待加工工件6的最优摆动振幅，以改变激光吸收率，使切割速度达到最大值。根据摆动的不同摆动振幅反馈的切割速度来确定最佳振幅，即吸收率最高的切割峰角。
35.所述聚焦激光束3的摆动角度≤0.1
°
，所述聚焦激光束3的摆动角度为所述聚焦激光束3摆动到一侧极限位时的激光束光轴线与聚集镜的光轴之间的夹角。
36.这样设置，可以使得光束相对于材料几乎平行移动，以使聚焦激光束3不会影响割缝以及上下表面的切割效果。
37.参考图4，采用基于激光角度控制的快速切割方法和传统非摆动切割方法生成的切割速度曲线对照图，图中位于上方的曲线为采用基于激光角度控制的快速切割方法生成的板材厚度和最大切割速度之间的关系曲线，位于下方的曲线为采用传统非摆动切割方法生成的板材厚度和最大切割速度之间的关系曲线，由图中可以看出，采用本实施例的方案可以明显提升切割速度。
38.本实施例中的待加工工件6为板材，由于摆动振幅一定的前提下，由上述公式可以根据激光切割速度得出激光吸收率的大小，由振幅可以计算得出切割峰角的大小，因而结合切割速度公式和切割峰角θ的计算公式能够得到激光吸收率和切割峰角的关系图。
39.参考图5，3mm不锈钢切割过程中，不同种类激光的不同切割峰角与吸收率的关系，其中曲线a
ave,yb
表示的为1um波长光纤固体激光的切割峰角和吸收率的关系曲线，曲线a
ave,co2
表示的为10.6um波长二氧化碳激光的切割峰角和吸收率的关系曲线。
40.以3mm不锈钢板材的切割为例：传统激光的切割方式：设置焦点位置0（即焦点位置在板材上表面处），喷嘴高度距离板材上表面0.3mm；实际焦点-1.2mm（即焦点位置在板材上表面下方1.2mm处），实测wk割缝0.2mm，切割速度9m/min，形成的切割峰角θ约等于87.4
°
，吸收率a约等于0.3。
41.本实施例摆动切割方式：设置振幅0.06mm，频率3000hz，焦点位置0即焦点位置在板材上表面处，喷嘴高度0.3mm；实际焦点-1.2 mm（即焦点位置在板材上表面下方1.2mm处），实测w割缝为0.12mm，切割速度为15m/min。通过振动结构，形成的切割峰角θ约等于85.9
°
、吸收率a约等于0.4。也就是说吸收率可以提升1.3倍以上。因而吸收率提升后，切割速度得到了大幅提升。
42.同时参考图6和图7，可以明显看出，采用传统激光加工方法的割缝表面粗糙度ra为18.816μm，采用本实施摆动切割方式的割缝表面粗糙度ra为4.326μm，由此得出，本实施例的快速切割方法能有效改善割缝的表面粗糙度。
43.以上对本发明所提供的实施例进行了详细阐述。本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明的原理的前提下，还可以本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。