專利名稱：利用纖維激光器切割不銹鋼的方法
技術領域：
本發明涉及一種利用摻雜鐿的纖維型激光源來切割不銹鋼的激光切割方法。
背景技術：
當前，在工業領域中廣泛使用CO2型激光源產生激光束來進行激光切割，其波長為10.6微米，功率達到6千瓦。該方法尤其可用于切割不銹鋼。
然而，能夠實現的切割速度和所獲得的切割質量非常不穩定，這取決于被切割的材料，以及取決于所采用的切割方法參數，例如輔助氣體的性質、聚焦束的直徑、入射激光的功率，等等。
因此，CO2激光器不能與低電離電勢的輔助氣體例如氬氣一起使用，這樣就沒有產生會不利于該方法的寄生等離子體的危險。
而且，CO2激光器在功率方面有所限制，從而直接影響切割速度。
此外，必須將激光束從激光發生器準確引導到聚焦頭也就是切割頭，這樣會帶來缺陷，尤其是在光學路徑中對準光學元件時。這是因為，用于引導的光學元件通常是拋光過的且/或涂銅的反射鏡，它們的位置決定激光束的行進路徑。因此，必須精確對準這些反射鏡，以便確保激光束能夠最優地進入聚焦頭或切割頭。現在，通常通過機械裝置來調節這些反射鏡的位置，但是由于存在部件磨損以及環境條件變化，尤其是環境溫度、濕度等等，所以很容易出現失準的情況。
此外，光束的光學路徑必須保持處于惰性氣氛中，以避免出現任何污染以及保持具有恒定光學指標的介質，這對于光束能夠良好地傳播是必需的。這些條件使得涉及光束直徑和光束能量的橫向分布的特性以及光束質量特性可以保持該方法獲得令人滿意的結果，在切割中使用的大功率CO2激光束的光束參數乘積(BPP)的品質因數通常在3mm.mrad和6mm.mrad之間。這種氛圍還可以保護用于引導的光學元件并防止這些光學元件損壞。
現在，在工業條件下這是不實際的，并且會帶來額外的成本。
為了能夠緩解這些問題，已經有人提出利用Nd:YAG型激光器裝置來切割不銹鋼，在該Nd:YAG型激光器裝置內，通過包含固態放大介質也就是摻雜釹(Nd)的YAG棒的諧振器來產生光束，然后經光纖將其發送到聚焦頭。
然而，從工業角度看，這種技術方案也是不令人滿意的。
這是因為，已經發現，利用Nd:YAG型激光源輸出的波長1.06微米的激光束進行切割在切割質量和切割速度方面的性能低劣。
這是因為Nd:YAG型激光器的品質因數(BPP值)不適于激光切割過程，其范圍根據激光源大約在15mm.mrad至30mm.mrad之間。現在，激光器的品質因數越高，也就是，聚集束腰和光束散度之間的乘積越大，該激光束用于激光切割過程的效率就越低。
此外，聚焦的Nd:YAG激光束的橫向能量分布不是高斯型的，而是具有頂帽型分布，同時超過焦點之后該橫向能量分布就變成隨意性分布。
更一般來說，當期望獲得從工業角度看適宜的切割速度和切割質量，利用Nd:YAG激光器進行激光切割來切割不銹鋼是非常不期望的。
因此，出現的問題在于，如何提供一種利用激光束來切割不銹鋼的改進的、工業上適宜的方法，該方法能夠根據所討論的厚度實現高達15至20米/分鐘甚至更高的速度和優良的切割質量，即直切割面、無毛刺、以及減小的粗糙度等。
發明內容
因此，本發明所提供的技術方案是一種用于切割不銹鋼工件的激光切割方法，其中使用包括至少一種含鐿纖維的激光束產生裝置以產生激光束，而用于熔化工件從而執行實際切割作業，其特征在于，該激光束的品質因數在0.33至8mm.mrad之間。
該激光束產生裝置包括激勵器，優選為若干激勵器，其結合至少一種受激勵元件來產生激光束，該受激勵元件也稱為放大介質。激勵器優選為若干激光器二極管，而受激勵元件為纖維，優選為具有摻雜鐿的芯的石英纖維。
對于本發明，術語“激光束產生裝置”和“諧振器”將不加區分。
根據這種情況，本發明的該方法可以包括一個或多個下列特征-纖維由具有石英包層的摻雜鐿的芯形成；-由所述鐿基纖維產生的所述激光束的波長在1至5微米之間，優選為在1.04至3微米之間；-由所述鐿基纖維產生的激光束的波長在1.07至1.09微米之間，優選為1.07微米；-激光束的功率在0.1至25千瓦之間，優選為0.5至15千瓦；-激光束是連續或者脈沖激光束，優選為連續激光束；-將要切割的工件的厚度在0.25至30毫米之間，優選為在0.40至20毫米之間；-切割速度在0.1至25米/分鐘之間，優選為在2至20米/分鐘之間；-用于激光束的輔助氣體選自氮氣、氦氣、氬氣及其混合物，此外，所述輔助氣體還可選地包含選自O2、CO2、H2和CH4等的一種或多種附加化合物；-激光束的品質因數在1至8mm.mrad之間，優選為大于2mm.mrad，更優選為大于3mm.mrad，并且/或者優選小于7mm.mrad，更優選為小于5mm.mrad；-更概括地說，輔助氣體氣壓在大約8巴至25巴之間，這根據將要切割的厚度來選擇；以及-氣體噴射孔的直徑在0.5至4毫米之間，通常在1至3毫米之間，該直徑隨將要切割的工件的厚度的增加而增加。
圖1是用于實施利用激光束來切割不銹鋼工件的激光切割方法的安裝原理圖；圖2示出了獲得的速度隨將被切割的厚度的變化；圖3示出在厚度為e的材料的切口進行切割期間的結構；圖4示出切割前表面(cutting front)的最佳角度α隨切割厚度變化的情況。
具體實施例方式
圖1是用于實施利用激光束3來切割不銹鋼工件10的激光切割方法的安裝原理圖，其中采用具有諧振器的激光源1或者由具有摻雜鐿的芯的石英纖維形成的激光束產生裝置2來產生激光束3。
激光源1用于產生激光束3，該激光束的波長為1微米至5微米，更準確地說為1.07微米。
光束3傳播通過光束傳送裝置4，例如由熔融石英制成的直徑為20微米至300微米的光纖，傳播至光束3和工件10之間的交互區11，也就是出現切口的區域。
在離開該纖維4時，激光束3具有特定的光學特性和1至8mm.mrad之間的品質因數(BPP)。
然后利用光學準直儀5對光束3進行準直，該光學準直儀配置有由涂敷的熔融石英制成的準直雙合透鏡，以限制離開纖維的光束的散度，以及使得激光束平行。
然后，通過涂敷的熔融石英透鏡6，將散度已經大大受到準直儀限制的平行光束3聚焦到將被切割的工件10上或工件10中，其中熔融石英透鏡6的焦距為80毫米至510毫米，優選為100毫米至250毫米。
在到達工件10之前，光束3軸向通過激光頭6，該激光頭配置有噴嘴7，該噴嘴具有軸向出孔8，而該軸向出孔面向將被切割的工件10，光束3和輔助氣體通過所述噴嘴。噴嘴的孔徑可以是0.5毫米至5毫米之間，優選為1毫米至3毫米之間。
激光頭6本身經氣體入口9被饋入輔助氣體，例如惰性氣體，諸如氮氣、氬氣、氦氣或是若干這些氣體的混合物，還可以為某些活性氣體，例如氧氣，甚至還可以是活性氣體/惰性氣體混合物。
被加壓的輔助氣體用于，在工件10沿希望切割路徑相對于激光頭6相對運動時，從該工件10中形成的切口12上去除熔融金屬。相反，當保持工件靜止而相對移動切割頭時，也是同樣的結論。
圖3示出在切口(厚度為e的材料)進行切割期間的結構，其中示出了在聚焦之后激光束的發散角θ、聚焦光束的直徑2Wo以及切割前表面的角度α。
光束品質因數或者BPP定義為發散角θ和其半徑Wo的乘積。
切割過程由在切割期間在材料中從激光束吸收的能量來進行控制。根據采用的激光束的波長，因此存在對于材料吸收能量而言最佳的角度。如果不是該最佳角度，則會反射以及/或者損失一部分能量。
圖3示出，在最佳切割條件下，切割前表面的角度α對應于將材料的整個厚度e暴露于直徑為2Wo的光束。
圖4示出切割前表面的最佳角度α隨切割厚度變化的情況。上部曲線通過利用4千瓦TEM01*模式的CO2激光器獲得，而下部曲線通過利用根據本發明的2千瓦鐿基纖維激光器獲得。兩條曲線不重合，因為10.6微米和1.07微米的最佳能量吸收角度存在差異，其中10.6微米是CO2激光器的波長，而1.07微米是鐿基纖維激光器的波長。
從這些曲線可以清楚明顯看出，小厚度的切割前表面的最佳角度大于較大厚度的切割前表面的最佳角度。將激光能量傳輸到該材料中的最大角度幾何地獲得，它是兩個角度之和，即α+θ。
因此，可以理解的是，當切割小厚度(數毫米)物體時，需要采用低光束發散角，也就是小BPP，這是因為光點直徑由采用的纖維直徑來進行設定，從而保持最佳能量吸收角度恒定。
從中還可以推導出，超過8mm.mrad的值之后，從光束到該材料的能量傳輸效率會降低。
因此，對于本發明而言，采用的激光束的品質因數優選為1至8mm.mrad，更優選為2至8mm.mrad。
實例為了說明本發明的該方法的有效性，利用包含放大介質的諧振器或者根據本發明方法的用于產生激光束的裝置來執行對不銹鋼工件進行切割的若干切割試驗，所述用于產生激光束的裝置由具有摻雜鐿的芯的石英光纖構成，這些試驗的結果在下面的實例中給出。
更準確地說，下面的實例中采用的激光源包括放大介質，該放大介質由二極管激勵的摻雜鐿的纖維構成，產生的激光束功率為2千瓦以及波長為1.07微米，該激光束在100微米涂敷的熔融石英光纖中傳播，并且該纖維具有的品質因數(BPP)為4mm.mrad。位于纖維的出口處的準直儀配置有焦距為55毫米的雙合透鏡。
為了根據將被切割的工件的厚度和采用的輔助氣體的氣壓和組成來確定利用本發明的該方法可以實現的速度范圍，對厚度為1.5毫米至8毫米的不銹鋼工件執行切割試驗。
采用的氣體是惰性氣體，即氮氣，并且，以根據采用的氣體而在8至25巴范圍內變化的氣壓，將采用的氣體噴射到其中光束和工件交互作用的交互區并通過激光切割噴嘴，所述激光切割噴嘴具有的孔的直徑根據實際情況在0.5至4毫米、通常在1至3毫米之間范圍內變化。被切割的物體厚度越大，則該噴嘴的直徑就必須越大。
采用焦距在127毫米至190.5毫米之間的聚焦透鏡來對激光束進行聚焦，其中該激光束通過包含二極管激勵的摻雜鐿的纖維的放大介質而產生、并且通過光學傳送裝置被傳送到切割頭的聚焦透鏡，該光學傳送裝置例如是100微米直徑的光纖。
更準確地說，對于將要切割的物體厚度小于等于4毫米的情況，采用焦距為127毫米的透鏡，而對于其它更大厚度而言，采用焦距為190.5毫米的透鏡。
利用從獲得的切割質量的角度看是令人滿意的利用15巴的氮氣氣壓獲得的結果在圖2中給出，圖2示出了獲得的速度(y軸上的點)隨將被切割的厚度(x軸上的點)的變化。
該圖示出，在2毫米厚的板上，在上述條件下，本發明方法使得可以實現16米/分鐘的速度。然而，該圖還示出，從邏輯上看，切割速度隨切割材料的厚度的增加而降低。
此外，應當強調的是，在檢查切割面之后，對于所有切割厚度，所獲得的切割在毛刺和條痕方面是非常令人滿意的。
然而，利用這里使用的激光功率在上述實驗條件下切割的最大厚度是8毫米。
因此，本發明的該方法用于不銹鋼切割時的切割速度和切割質量都是有效的。
權利要求
1.一種用于切割不銹鋼工件的激光切割方法，其中使用激光束產生裝置來熔化所述工件從而執行實際切割，其中所述激光束產生裝置包括至少一種含鐿纖維，用于產生激光束，其特征在于，所述激光束的品質因數在0.33至8mm.mrad之間。
2.根據權利要求1所述的方法，其特征在于，所述纖維由具有石英包層的摻雜鐿的芯形成。
3.根據權利要求1或2所述的方法，其特征在于，由所述鐿基纖維產生的所述激光束的波長在1至5微米之間，優選為在1.04至3微米之間。
4.根據權利要求1至3之一所述的方法，其特征在于，由所述鐿基纖維產生的激光束的波長在1.07至1.09微米之間，優選為1.07微米。
5.根據權利要求1至4之一所述的方法，其特征在于，所述激光束的功率在0.1至25千瓦之間，優選為在0.5至15千瓦之間。
6.根據權利要求1至5之一所述的方法，其特征在于，所述激光束是連續或者脈沖激光束，優選為連續激光束。
7.根據權利要求1至6之一所述的方法，其特征在于，所述將要切割的工件的厚度在0.25至30毫米之間，優選為在0.40至20毫米之間。
8.根據權利要求1至7之一所述的方法，其特征在于，所述切割速度在0.1至25米/分鐘之間，優選為在2至20米/分鐘之間。
9.根據權利要求1至8之一所述的方法，其特征在于，所述用于激光束的輔助氣體選自于氮氣、氦氣、氬氣及其混合物，此外，所述輔助氣體還包含選自于O2、CO2、H2和CH4的一種或多種附加化合物。
10.根據權利要求1至9之一所述的方法，其特征在于，所述激光束的品質因數在1至8mm.mrad之間，優選為大于2mm.mrad，更優選為大于3mm.mrad，并且/或者優選小于7mm.mrad，更優選為小于5mm.mrad。
全文摘要
一種用于切割不銹鋼工件的激光切割方法，使用包括具有摻雜鐿的芯的石英纖維的激光束產生裝置，用于產生激光束。優選，由鐿基纖維產生的激光束的波長在1.07至1.09微米之間，該激光束的品質因數在0.33至8mm.mrad之間，該激光束的功率在0.1至25千瓦之間。用于激光束的輔助氣體選自于氮氣、氦氣、氬氣及其混合物，此外，它還可選地包含選自于O
文檔編號B23K26/14GK1972040SQ200610146880
公開日2007年5月30日 申請日期2006年11月27日 優先權日2005年11月25日
發明者K·舒弗, H·馬扎奧伊, F·布里安德 申請人:喬治洛德方法研究和開發液化空氣有限公司, 法國液體空氣焊接公司