激光切割方法和装置的制作方法

专利名称：激光切割方法和装置的制作方法
本申请是申请日为1995年2月24日、申请号为95100810.2、标题为“激光切割方法和装置”的专利申请的分案申请。
本发明是关于一种在较厚的金属板材加工件上沿着所需要的开孔形状的边线，如圆形的、方形的或三角形等利用激光切割出此种孔形的方法和装置。激光切割在切割到加工件的终点即切割终点至与切割终点不远的预定距离上的一个点之间时要设定第二个激光切割条件。在加工件的被打孔的周边线上从离终点不远的预定距离上的那一个点开始直至切割结束(即切割到终点)，第二激光切割条件同第一激光切割条件是不同的。尤其是本发明涉及到从第一激光切割条件到第二激光切割条件之间的转换问题。
当需用激光对一块厚度为例如3.2mm以上的较厚的钢板作切割时，可能会产生一些问题，即当激光束沿着切割线走到终点前，也就是刚刚好返回到原来切割的起始前会发生故障。用目前使用的方法为解决或避免此种毛病是采用在接近切割终点时(注意切割终点也就是起始点)轻轻地停止切割，这样做会留下一个接缝。这种做法有一个缺点，这就是必须去掉这个接缝。为了克服这个缺点，提出如

图14和15所示之方法(参见日本专利公开出版号为HEI4-33788的专利文献)。
图15说明了沿着图14所示之路经如何控制每一段切割位置(a,b,c,d)的激光束输出条件参数，即激光输出、脉冲工作状态和切割条件参数，即切割速度和切割气体压力。
也就是说在图14和15所示之切割方法中，在转角半径较小的部位(如a到b段)将激光输出，脉冲工作周期和切割速度均设定得较小，这是因为在这些小转角部位切割时，在基板材料上立即会积聚大量的热量。而在沿着孔穴周边从b点一直到那个接近终点的点c为止可将激光输出、脉冲工作周期及切割速度设置成较大。进而，由于同样理由，在a至b段的切割时则激光输出、脉冲工作周期及切割速度也要重新设定成一个小的值。同时在接近终点时切割的气压也要减小(即在c至d段)，以防当激光束沿着周边线回到原来的起始点b，即在切割终点d时，会引起切割故障。
图16说明了按图14和15所示之以往技术对一块厚度为12mm的软钢材即SS400上切割出一个直径为30mm的孔的情况。在该切割过程中激光切割条件为先设定激光输出1,750W，脉冲峰值输出为2,800W，脉冲频率1,300Hz，工作周频为65％，切割速度1000mm/min，聚焦位置+1.5mm，切割气压0.7kg/cm2，这是切割周边线的第一部分设置的。对于接近切割终点的点到切割终点的这一部分就须用第二次设定。第二次设置激光切割条件包括激光输出500W，脉冲峰值输出为1,500W，脉冲频率为100Hz，工作周期为30％，切割速度100mm/min聚焦位置±0，切割气压为0.2kg/cm2。
由图16可见，虽然可以防止在激光束返回到切割终点位置d时所引起的切割故障，但是在周边线接近终点的那个C点的位置上由于激光切割条件发生变化而引起一大块碎片或缺口，造成材料上的极大的损失。
另外，在日本专利公开出版号为HEI4-339588和日本专利公开出版号为HEI3-210981的专利文献上发表的一种方法，它们一般是用干燥空气或氮气的切割气体以抑制在接近终点时的氧化反应。然而，这个方法也有缺点，即在激光切割条件发生变化的那点前后，也即气体类型改变的那点很容易产生缺口现象。
本发明的目的就在于提出一种解决上述问题的激光切割方法和装置，它可以在厚度为3.2mm以上的较厚的金属加工件上进行激光切割，切割可以沿着所需的图形的边缘线进行使得在加工件上切割出一个所需的图形且在接近切割终点时不产生缺口而具有相当高的质量。
本发明是一种利用激光在金属材料加工上切割所需的图形的激光切割方法，该方法利用在切割终点与同该切割终点接近的预定距离上的一个点之间作切割加工时设置一个第二激光切割条件，这个第二激光切割条件与在切割到同切割终点接近的预定距离上的那个点之前所设定的第一激光切割条件是不同的。其特点是，该第二激光切割条件中的聚焦位置与该第一激光切割条件中的聚焦位置是设置成相同的。这样在激光切割条件改变前后的切割槽之宽度不易改变因而在加工件上接近切割终点的地方不会产生缺口或碎片以达到高质量之切割。
本发明也是一种利用激光在金属材料加工件上切割出所需之图形的激光切割方法，该方法利用在切割终点与同该切割终点接近的预定距离上的一个点之间作切割加工时设置一个第二激光切割条件。这个第二激光切割条件与为在切割到同切割终点接近的一个预定距离上的那个点之前所设定的第一激光切割条件是不同的。其特点是，在该第二激光切割条件中脉冲峰值输出、切割气压和聚焦位置三者中至少有一个条件与在该第一激光切割条件中脉冲峰值输出、切割气压以及聚焦位置这三者中至少一个相对应的条件设置成是相同的。因而在激光切割条件改变前后的切割槽之宽度不易改变而在切割到加工件接近切割终点时不致产生缺口或碎片以达到高质量之切割。
本发明也是一个具有上述特征的激光切割方法，其特点是，在该第一激光切割条件在向该第二激光切割条件转换时，在第一激光切割条件中之激光输出、脉冲频率、工作周期和切割速度中至少有一个是按线性或阶梯式减少的，这样它们中至少有一个与在第二激光切割条件中之激光输出、脉冲频率、工作周期与切割速度中相应的一个相同，这样与以前所述的激光切割方法相比可以使激光切割条件转换得更为平滑，因而在激光切割条件发生转换的位置的前后切割槽的宽度更不易改变以致加工件不会在切割终点附近产生缺口和碎片而达到高质量的切割。
本发明还是具有上述特性这样一个激光切割方法，其特点是，当切割是从穿刺线2开始时，这根穿刺线2是由激光切割形成的半径为1mm(R)以上的弧且与加工孔穴相连的，那么在离开切割终点大约距离为4×R处将第一激光切割条件转换成第二激光切割条件，这样从该穿刺线开始的孔的切割就可以在最短的时间内完成。然而，在激光切割条件发生转变的位置前后的切割槽宽度不易改变，因而加工件在切割到接近切割终点时不会产生缺口或碎片以达到高质量的切割。
本发明还是一种包括上面所述除了一条半径为1mm以上弧的穿刺线外的，任何一项特性的激光切割方法，其特点是，当孔的切割是从穿刺线2开始，这根穿刺线是由激光切割形成的半径小于1mm的弧且与加工孔穴相连的，或者是从这样的穿刺线开始，这根穿刺线是由激光切割形成按某一预定的角度线性地与加工边线相连的，或者是从加工边线上的一个点开始时，则在加工到距离切割终点大约4mm时第一激光切割条件就转换成第二激光切割条件。这样从该穿刺线开始的切割或从加工边线上某一点开始的切割可以在最短的时间内完成，然而在激光切割条件发生改变位置的前后的切割槽的宽度不易改变因而也不会在切割终点附近发生缺口或碎片，以达到高质量的切割。
本发明还是一种包括以上任何一款特性的激光切割方法。其特点是，若激光切割要形成的孔形的最小处的尺寸(以下称最小孔径)小于等于该加工件本自的厚度时，则在该第二激光切割条件中之脉冲频率被设定成小于等于20Hz，同时在该第二激光切割条件中之切割速度应设置满足下列的方程式F≤W/T=W/(1/fp)=W·fp其中F=切割速度(mm/秒)W=由激光切割的孔穴的直径(mm)
T=脉冲持续时间(秒)fp=脉冲频率(Hz)因而，在由激光切割加工的孔形之最小尺寸在小于等于被加工件的板厚时，在切割终点附近所受到的高温可以被减到最低，进而，在激光切割条件发生改变的位置的前后部分之切割槽宽度也不易改变而不致在切割终点附近产生缺口或碎片达到了高质量的切割。
本发明是一种激光切割装置，其中包括根据切割路径信息当有一条由激光切割形成的半径为大于等于1mm(R)的且与加工周边线相连的弧型穿刺线时，在加工周边线上确定出一个与切割终点相距大约为4×R的点的装置，在这一点上将该第一激光切割条件转换成该第二激光切割条件，以及自动地将该第一激光切割条件和该第二激光切割条件相应地分配到有关已定的转换点上去的装置，因而就母须要一个程序员用手工去计算那些该分配第一激光切割条件和第二激光切割条件的点的座标以插入一个NC加工程序。
进一步还会明白本发明还是这样一种装置，它包括当有一条由激光切割形成的半径(R)小于1mm的且与加工件周边相连的弧形穿刺线时，当有一条由激光切形成的按某一预定的角度与加工件周边线线性相连的穿刺线时，当切割是从被加工孔穴周边线上的一点开始时，在加工周边线确定出一个与切割终点相距大约4mm的点的装置，这在一点上该第一激光切割条件将转换成第二激光切割条件，以及将该第一激光切割条件和该第二激光切割条件自动分配到已定的相关点的装置，以容易地生成切割程序实现上述的功能。
图1为一按本发明第一实施例说明的激光切线法框图。
图2是关于第一实施例之框图，说明由现有技术的缺点所引起的测试结果。
图3(a)至3(c)说明了切割槽之宽度对切割参数的影响。
图4则说明了按本发明的第一实施例的激光切割方法切割孔穴的结果。
图5是一个说明按本发明第三实施例的激光切割方法的框图。
图6是一个说明按本发明第三和第四实施例的几种板材厚度的最佳剩余距离的框图。
图7是一个说明按本发明第四实施例的激光切割方法的框图。
图8是一个说明按本发明第五实施例的激光切割方法之框图。
图9是说明按本发明第五实施例而进行的几种不同板材厚度的最佳佳剩余距离离选择。
图10(a)和10(b)则是说明按本发明的第六实施例的激光切割方法的框图。
图11是关于第六实施例之框图，说明了在脉冲频率改变时切割终点附近测量温度的结果。
图12(a)至12(d)是说明按本发明第七实施例的激光切割方法之框图。
图13是按本发明第九实施例的激光切割装置的运作流程图。
图14是说明现有技术的激光切割方法的框图。
图15(a)至15(d)是说明现有技术的激光切割方法框图。
图16是说明了使用传统方法作孔穴切割的结果。
实施例1本发明之第一个实施例可参见图1至图4加以说明，显而易见，图1说明了本实施例提供一条由穿刺点1延伸而得到的穿刺线2与将由激光切割而形成的孔穴周边线3按半径小于1mm的弧形连接起来。被切割孔是从上述穿刺线2开始按箭头4方向进行切割，当切割到b点时激光切割条件就作变换。图2是各种切割条件时进行激光切割的测试结果。图3则说明脉冲峰值输出，切割气压和聚焦位置对切割槽宽度的影响，以及图4则说明按本实施例的切割结果。
在本实施例中，要在加工件厚度为12mm的软钢板材即SS400上切割出一个直径为30mm的孔。
在图1中，先用激光束在被切割的孔内的穿刺点1上打一个孔将加工件打穿。然后激光就沿着穿刺线2开始切割一直切割到孔穴周边线上的a点。下面即可连续地比如按逆时针方向沿着周边线3进行切割一直切割到切割终点附近的一点b为止。此时，激光切割条件(以后就称为“第一激光切割条件”或简称为“第一条件”)是设置成激光输出1,750W，脉冲峰值输出2,800W，脉冲频率1,300Hz，工作周期为65％切割速度1,000mm/分，聚焦位置+1.5mm，以及切割气(氮气)压0.7kg/cm2。
接着，当到达b点后激光切割条件就被转成这样的激光切割条件(以后称“第二激光切割条件”或简称“第二条件”)它们包括激光输出500W，脉冲峰值输出2,800W，脉冲频率20Hz，工作周期20％，切割速度100mm/分，聚焦位置+1.5mm，以及切割气(氮气)在0.7kg/cm2。因而这样激光切割就可在加工件上一直到达切割的终点，即点c，它同点a是同一个点。
也就是说，加工件从终点附近的b点被切割到c(这点也就是a)这是周边3的切割点，其中第二条件的脉冲峰值输出，切割气压和聚焦位置，也就是激光切割从b点至c点时所加的条件，同激光切割从穿刺点1到切割终点附近的b点时所加的第一条件中的脉冲峰值输出，切割气压和聚焦位置分别设置成相同的。另外，第二条件中之激光输出、脉冲频率、工作周期以及切割速度的值分别都比第一条件中的激光输出、脉冲频率、工作周期以及切割速度的值设置得小。
容易知道，由于下列理由须将第二条件如此的设置如在传统方法所述的那样，若按图14和15所示的传统方法要在如图16所示之厚度为12mm像SS400那样的软钢材上切割出一个直径为30mm的孔(也就是说沿着切割周边主线使用下列切割条件激光输出1,750W，脉冲峰值输入2,800W，脉冲频率1,300Hz，工作周期65％，切割速度1000mm/分，聚焦位置+1.5mm，切割气压0.7kg/cm2；而在切割件的切割点附近时则使用下列切割条件激光输出500W，脉冲峰值输出1,500W，脉冲频率100Hz，工作周期30％，切割速度100mm/分。聚焦位置±0以及切割气压为0.2kg/cm2)，可以防止在激光束返回到切割终点时的d点上出现切割故障。但是，在接近切割终点的改变切割条件时的点c处(即在这点c上切割条件将被改变)会出现很大的裂口，对加工件造成严重的损坏。
由于缺口现象集中在激光切割条件发生变化的位置上，本发明人便推测在切割终点所发生的这种缺口现象主要可能是由来自于在激光切割条件发生变化点的前后位置上的切割槽的宽度的不一而引起的。
为证实该推断是正确的，也即要检查在激光切割条件变换位置c前后的切割槽之宽度的变化，一块厚度为12mm的软钢材(即SS400)在被切割以后可以作测量之用。在切割条件变换位置c之前用的激光切割条件A，而在切割条件变换位置C之后就用激光切割条件B。图2说明了该测量的结果。由图2可见，切割槽宽度是大受切割条件改变的影响的。尤其是在改变到激光切割条件B后，切割槽之宽度会从原来转换前使用的激光切割条件A时的约0.5mm明显地减小到现在的0.35mm。就是说明发明者的推测是正确的。
由于在传统方法上使用的加工件从b点开始被激光切割的激光切割条件中的脉冲峰值输出，切割气压和聚焦位置与从穿刺点1开始到接近切割终点的b点的激光切割的相应的激光切割条件是不同的，本发明人就注意到了与切割槽宽度的变化有关系的那几因素，脉冲峰值输出，切割气压和聚焦位置等。
图3很清楚地说明了脉冲峰值输出，切割气压和聚焦位置对切割槽宽度的影响。如图3所示，当脉冲输出的最大值，即脉冲峰值输出大时切割槽宽度也增大，而当该脉冲峰值输出变小时，该切割槽宽度也变小。再考虑切割气压，当压力增高则切割槽宽度变大，这是因为从背面切割下的熔化的物质被除去比较多了，同样压力降下就出现相反的结果。再者，若聚焦位置变大(聚焦位置Z＞0)则切割槽宽度就大，这是因为激光束从射入表面发生了散焦。同时如果聚位置变小(Z≈0)则切割槽宽度就变小，这是因激光束被紧密聚焦在射入表面的缘故。
为防止加工件在切割终止附近发生缺口，发明者就设想将在第二条件中的脉冲峰值输出、切割气压和聚焦位置设置成与第一条件中的脉冲峰值输出，切割气压和聚焦位置的值相同，这样可以使得在激光切割条件发生改变的位置前后的切割槽的宽度保持不变。
图4说明使用上述激光切割条件切割了一个直径为30mm的孔的结果。正如图4可见，在切割终点附近不再有缺口因而提高了加工件的切割质量。
上面虽然未说明但需指出的是在一个诸如SS400这种软钢材上切割一个直径为16mm,20mm和其它不同直径的圆孔以及其它各种例如三角形，方形或菱形等复杂形状的图形在同样所述的激光切割条件也不会在切割终点附近产生缺口。
实施例2下面参考图1和表1对第二个实施例作说明。
在实施例1中，第二条件中的脉冲峰值输出P，切割气压G和聚焦位置Z的值设置成与第一条件中的相应的值相同，即当从第一条件转换到第二条件时在激光切割条件中上述三个参数保持不变。
在实施例2中，当从第一条件转换到第二条件时，脉冲峰值输出P，切割气压G和聚焦位置Z中至少有一个保持不变，再来考虑激光切割的质量。
在实施例2中，从图1可见激光束在加工件的被切割孔中里面的一个穿刺点1穿过。而后，激光切割就沿着穿刺线2到圆孔的周边线3上的一点。然后再沿着圆孔的周边线3进行切割到接近切割终点的点b。此时，一直是应用第一条件的，穿刺是用下列激光切割条件激光输出1,750W，脉冲峰值输出2,800W，脉冲频率1,300Hz，工作周期65％，切割速度可1000mm/分，聚焦位置+1.5mm，切割气压(氮气)0.7kg/cm2。
接着，激光切割过程就从第一条件转换到其它各种不同的激光切割条件(以后称第二激光切割条件——或简称第二条件)转换是从孔周边线3接近于切割终点的点b开始的。然后按第二条件切割继续进行到切割终点c为止。
从b点到c点的激光切割条件(即第二条件)如下激光输出500W，脉冲频率200Hz，工作周期20％，切割速度100mm/分。然而脉冲峰值P，切割气压G和聚焦位置Z之值由表1所示。(表1的最后一项说明了与实施例1相对应之值)。P,G和Z三个值中任一个或者二个保持不变并对应于条件A(即第一条件与第二条件相同)，而其它非常数的条件对应条件B。其中变化是预定值的30％(如脉冲峰值输出P0:2,800W，切割气压G0:0.7kg/cm2，聚焦位置Z0:+1.5mm)。
另外，在表1中，考虑到切割宽度变化率d/do,do是在从a点切割b以及从b点到c时脉冲峰值输出P，切割气压G以及聚焦位置Z(即，脉冲峰值输出P:2,800W，切割气压G:0.7kg/cm2以及聚焦位置Z:+1.5mm)都保持不变时得到。而d则是表1中的非常数条件B的范围发生变化时得到的切割宽度的最大值。d/do指出了d相对于do的比。
在表1中，当d/d0≤1.4时，则0表示无质量问题，当d/do＞1.4时出现一个X表示存在质量问题。
表1
因而，如表1所示，在聚焦位置发生改变切割从a点到b点与从b点到c点是不同时值为X(d/d0＞1.4)而在聚焦位置切割从a点到b点与从b点到c点的情况并非不同时，则其值为0(d/d0≤1.4)。
最后当从脉冲峰值输出P，气压G和聚焦位置Z中至少是聚焦位置从a点到b点作切割与从b点到c点作切割时并非不同时，则在转换点(这里是b点)上的切割宽度的变化甚小，因而获得了好的结果。
实施例3本发明之第三个实施例可结合图5和图6来说明。从图5显而易见，它说明利用本实施例作激光切割的方法同时说明了从穿刺点1出发延长到穿刺线2形成了一条切割路径的孔穴切割过程，其中这条穿刺线2与激光要作切割的孔的周边线3通过一个半径为1mm以上的弧形线相连，该孔的切割是从上述的穿刺线2开始按箭头方向4进行的，激光切割条件在切割到6点转换。
在该实施例中是在一个软钢材的加工件上，如SS400上作直径为30mm的切割。
参照图5，如在第一实施例中那样，先用激光束在加工件的孔内的穿刺点1上穿过。然后沿着穿刺线2激光切割到周边线上的a点，再切割到孔穴周边线3上接近切割终点的b点。在这种情况时，激光切割条件(以后称“第一激光切割条件”——简称为第一条件)按如下设定激光输出1,750W，脉冲峰值输出2,800W，脉冲频率1,300Hz，工作周期65％，切割速度1,000mm/分，聚焦位置+1.5mm，以及切割气压(氮气)为0.7kg/cm2。
接着，所述之激光切割条件转换成这样的激光切割条件(以后称“第二激光切割条件”——简称第二条件)其中包括激光输出500W，脉冲峰值输出2,800W，脉冲频率20Hz，工作周期20％，切割速度100mm/分，聚焦位置+1.5mm以及切割气压(氮气)0.7kg/cm2，在切割从周边线3的切割终点附近一点b点到切割终点c点(=a点)。
特别是在该加工件在从接近切割终点的点b被切割到c点(=a点)或切割到周边线3的终点，利用第二条件中的脉冲峰值输出，切割气压和聚焦位置，或该加工件在从接近切割终点的b点切割到c点(=a点)或切割到周边线3的终点时将脉冲峰值输出，切割气压和聚焦位置的值都分别设置成同第一条件中的值相同，即加工件的切割在从所述之穿刺点1到接近切割终点的b点的激光切割条件。以及在第二条件中的激光输出、脉冲频率、工作周期以及切割速度分别设置成比第一条件中的激光输出、脉冲频率、工作周期以及切割速度的值要小。
除了那些同上述第一实施例相同的项目外在这个第三实施例中进行所述的激光切割时激光切割条件转换位置b从切割终点c开始移动了一段周边距离l，如图5所示的那样，其中要切割出一个直径为30mm圆孔的加工件(软钢材，如SS400)之厚度从3.2mm变到6mm，再变到9mm，再变到12mm。另外穿刺线2与周边线3上的点之间的半径R(mm)也要改变。
图6表示了所述切割之结果，显而易见，在图6中水平轴表示了穿刺线与周边线上点之间的半径R(mm)，而垂直轴则表示了由此得到的最佳剩余距离l(即是指地最短的孔穴切割时间内在这段距离上在激光切割条件变换位置的前后切割槽的宽度不会改变的剩余距离。)记号·表示加工件厚度为3.2mm,△表示为6mm,□表示为9mm以及·表示为12mm。
从图6可见，所求之结果乃是在区域R≥1mm时的最佳剩余距离(即是在最短的孔穴切割时间内，在这段距离上激光切割条件变换位置的前后，切割槽的宽度不会发生改变的剩余距离)是大约为1(mm)=4×R(mm)。
虽然未提到但也是容易明白的是，在下列条件时在切割终点附近不会发生缺口问题对于各种不同的厚度的板材在上述的激光切割条件下，即从穿刺点1延伸出来的穿刺线2提供一条通往被切割孔的通路，并且有一条半径大于等于1mm的与被切割孔的周边线3相连的弧，在被切割的材料是软质钢材如SS400上需要切割出直径为16mm,20mm和其它直径的圆，或是其它复杂图形如三角形，方形和菱形时，将最佳剩余距离设置成约为1(mm)=4×R(mm)即可。
实施例4结合图6和7，下面对本发明的第四实施例作介绍。容易明白图7说明按本实施例而进行的激光切割的方法，同时表示了在孔穴切割时有一条从穿刺点1延伸出来的穿刺线2，这条穿刺线是同需要作激光切割的孔的周边线3通过一条半径小于1mm的弧相连通的，或者是在孔穴切割时有一条没有一条从穿刺点1到周边线3相连的弧线的穿刺线2，孔穴切割是从所述的穿刺线2按箭头4的方向进行的，同时在b点时激光切割条件作变换。
在本实施例中，使用一块软质钢材料如SS400，在上面要切割出一个直径为30mm的孔。
参考图7，如在第一实施例中所见，加工件先用激光束在其圆孔内的穿刺点1上打孔然后激光沿着穿刺线2切割到周边线，再接着继续切割至周边线3的切割终点附近的一点b。此时，激光切割条件(下面称为“第一激光切割条件”——简称第一条件)设置成激光输出1,750W，脉冲峰值输出为2,800W，脉冲频率为1,300Hz，工作周期65％，切割速度1000mm/分，聚焦位置+1.5mm以及切割气(氮气)压0.7kg/cm2。
接着所述之激光切割条件改变成这样的激光切割条件(下面称“第二激光切割条件”——简称第二条件)即激光输出500W，脉冲峰值输出为2,800W，脉冲频率20Hz，工作周期50％，切割速度100mm/分，聚焦位置+1.5mm以及切割气(氮气)压0.7kg/cm2，在周边线3的切割终点附近的b点转换成这个条件，同时加工件从这点开始一直被切割到切割终点或c点(=a点)。
特别是在对该加工件从接近切割终点的b点切割到c点(=a点)或切割到周边线3上的切割终点时是使用第二条件中的脉冲峰值输出，切割气压和聚焦位置，或者是在加工件被切割时从接近切割终点的b点切割到c点(=a点)或切割到周边线3上的切割终点时所使用的激光切割条件中的脉冲峰值输出，切割气压和聚焦位置的值分别设置成与第一条件中相应的值相同，或者是在加工件被切割时从所述的穿刺点1切割到接近切割终点的b点时在所述的第二条件中所用之激光输出、脉冲频率、工作周期以及切割速度等的值都分别设置成小于在第一条件中相应的激光输出、脉冲频率、工作周期和切割速度的值。
除了同第一实施例中提到的相同的项外，在这个第四实施例中进行所述的激光切割时激光切割条件变换装置b从切割终点c如图7所示移动了一段距离1，其中要在(软质钢材如SS400的)加工件上切割出一个直径为30mm的圆孔，该加工件之厚度从3.2mm变到6mm，再变到9mm，再变到12mm，另外，穿刺线2与周边线3上的点之间的半径R(mm)小于1mm的弧提供了一条激光切割的通路，其中所述之R会改变。
图6说明了所述切割的结果。显而易见，在图6中水平轴代表穿刺线与周边线上的点之间的半径R(mm)，而垂直轴则代表了由此得到的最佳剩余距离1(即是在最短的孔穴切割时间内在这段距离在上激光切割条件变换装置的前后切割槽之宽度不会发生改变的剩余距离)。记号·表示板材厚度为3.2mm，△表示6mm，□表示9mm，°表示12mm。
从图6可见，得到的结果乃是在R＜1mm区域内的最佳剩余距离(即是在最短的孔穴切割时间内，在这段距离上激光切割条件变换位置的前后，切割槽的宽度不会发生改变的剩余距离)约为l(mm)=4(mm)。
虽然上面未提到但是值得注意的是在下列条件时在切割终点附近不会发生缺口问题对各种不同厚度的板材，在所述的激光切割条件下，在对穿刺线从穿刺点1延伸出来、并与激光切割形成的孔的周边线3相连且穿刺线2形成半径R小于1mm的弧线的圆孔切割中，或者在对具有切割线2与没有穿刺点1所形成的弧线的周边线3相连之切割通路的圆孔切割中，在被切割的材料是如SS400那样的软质钢材上需要切割出直径为16mm,20mm和其它直径的圆，或是其它如三角形，方形和菱形等复杂图形时，则将最佳剩余距离设置成约为l(mm)=4mm即可。
实施例5结合图8和9，下面对本发明的第五实施例作说明。显而易见，图8说明了按本第五实施例实现的激光切割方法，同时说明了在孔穴切割时有一条并非由所谓穿刺线提供的通路而是从孔穴周边线3上的一点开始的，该孔穴是从所述的穿刺点1(a点)开始按箭头4方向进行切割，同时在切割到b点时激光切割条件作变换。
在本实施例中，使用一块如SS400的软质钢材，在上面要切割出一个直径为30mm的圆孔。
参考图8，如在实施例1中所见，先用激光束在加工件的圆周边线3上穿刺点1上打孔，然后激光沿着周边线3切割到切割终点附近的b点，此时，激光切割条件(下称“第一激光切割条件”——简称为第一条件)设置成激光输出为1,750W，脉冲峰值输出为2,800W，脉冲频率为1,300Hz，工作周期为65％，切割速度为1000mm/分，聚焦位置+1.5mm以及切割气(氮气)压0.7kg/cm2。
接着所述之激光切割条件变成了这样的激光切割条件(下称“第二激光切割条件——简称第二条件)，在圆周边线3上接近切割终点的b点开始一直到加工件的切割终点或c点(=a点)为止应有这样的值激光输出500W，脉冲峰值输出2,800W，脉冲频率20Hz，工作周期20％，切割速度100mm/分，聚焦位置+1.5mm，以及切割气(氮气)压0.7kg/cm2。
特别是在对该加工中件从接近切割终点的b点开始切割到c点(=a点)或切割到周边线3上的切割终点时是使用第二条件中的脉冲峰值输出、切割气压和聚焦位置，或者是在加工件被切割时从接近切割终点的b点开始激光切割条件到c点(=a点)或切割到周边线3上的切割终点时所使用的激光切割条件中的脉冲峰值输出，切割气压和聚焦位置的值分别设置成与第一条件中相应之值相同，或者是在加工件板切割时从所述的穿刺点1切割到接近切割终点的b点时在所述的第二条件中所用之激光输出、脉冲频率、工作周期以及切割速度等的值分别设置成小于在第一条件中的相应的激光输出、脉冲频率、工作周期和切割速度的值。
除了同第一实施例中所提到的相同的项之外，在本第五实施例中进行所述的激光切割时，激光切割条件变换位置b如图8所示从切割终点c移动了一段距离l，其中要在(软质钢材如SS400的)加工件上切割出一个直径为30mm的圆孔。该加工件的厚度从3.2mm变化到60mm，再变到9mm，再变到12mm。
图9说明了所述切割之结果，显而易见，在图9中水平轴代表了板材的厚度，垂直轴代表由此得到的最佳剩余距离1(即是在最短的孔穴切割时间内，在这段距离上在激光切割条件变换位置的前后切割槽之宽度不会发生改变的剩余距离)，同时记号°表示在切割终点附近不发生缺口，记号△在切割终点附近发生缺口，以及记号X在切割终点附近发生了大缺口。
从图8可见，所得之结果乃是对无穿刺线的切割通路的孔穴的切割其最佳剩余距离(即是在最短的孔穴切割时间内，在这段距离上在激光切割条件变换位置的前后切割槽之宽度不发生变化的剩余距离)是约为1(mm)=4mm。
上面虽未提到，但值得注意的是对各种板材厚度在所述激光切割条件下，在无所谓穿刺线的切割通路且是从周边线3上的一点开始实施的切割当在如SS400那种软质钢材中切割出直径为16mm,20mm和其它直径的圆孔时或要切割如像三角形，方形及菱形等较为复杂的图形时如果将最佳剩余距离设置约为1(mm)=4mm，那么在切割终点附近不会发生缺口。
实施例6结合图10和11，下面对本发明的第六实施例作说明。显而易见，本第二实施例中要介绍的是需要切割的最小的孔径(当该孔为圆时则是指圆的直径，若要切割的孔是方形的则是指它的一边长，若要切割的孔是长方形的，则是指它短边的长)是小于等于加工件的厚度时的情况。
图10是说明了在厚度为12mm的如SS400的软质钢材上切割一个直径为10mm的即直径小于或等于加工件厚度的圆孔的例子，以在切割点终点附近的P点上测得的温度。注意到这里的激光切割条件如下激光输出1,750W，脉冲峰值输出2,800W，脉冲频率1,300Hz，工作周期65％，切割速度1000mm/分，聚焦位置+1.5mm以及切割气(氮气)压0.7kg/cm2。图10(a)说明了被切割孔的形状以及测量温度之位置。图10(b)则说明了温度测量之结果。在图10中可见从切割的起始点到完成对基板的穿孔即从0到a温度上升十分光滑，然后是从完成穿孔到沿着穿刺线切割到周边线，即是从a到b，由激光束靠近了温度测量点P，因此温度继续上升，然而，接着是从b至c至d，这时激光束又一次离开了测量点P随后再靠近测量点P，传到P点的温度几乎是十分稳定的，这样就使得温度再次平滑地上升。
接着，如所示的那样，在d-e区间内，温度又突然再次上升，这样就使得在d-e区间内的标有X的点上(此刻P点上之温度大约为500℃)产生一个很大的缺口现在所述之d-e区间内，由于激光束再次靠近侧量点同时由于基板材料在接近切刻终点的P点的热容量极低因而可以假设温度是极易大幅度升高的。
在此期间，选取一个离切割终点距离不足4mm的点作为d点，并且要在d点开始变换激光切割条件以防由于在e点时或在接下去过程中到达切割终点时或者是仍使用图10所示之所述的激光切割条件而在区间d-e上作切割时等种种原因造成的温度再次骤升至接近500℃而引起的缺口。图11则是说明了在脉冲频率条件发生改变以后在切割终点附近的P点测得的结果，这时的基本的脉冲输出条件也作了如下的改变激光输出为500W，脉冲峰值输出2,800W，工作周期20％，切割速度20mm/分，聚焦位置为+1.5mm，切割气(氮气)压0.7kg/cm2，(1)指出脉冲频率在150Hz时温度改变，(2)脉冲频率为70Hz时的改变，(3)在脉冲频率为20Hz时的改变，(4)在脉冲频率为5Hz时的改变。在图11中可见，当脉冲频率很大时在记号X处会产生一个缺口，这时在P点处温度大约在500℃左右，然而当频率在20Hz以下时就不会发生这种缺口现象而且切割口十分优良。
另外，由于切割和分离需要二个由二个相互邻近的脉冲切割出来的孔，从而由脉冲输出切割使其相互重叠在一起，所以，切割速度F必须满足表达式(1)以使能够切割和分离。
按下列的表示式可知，由于由激光束W打的孔的直径=0.42mm，而所述之切割的脉冲频率fp为20Hz，因而切刻速度F必须是小于等于8.4mm/秒，即大约为小于等于500mm/分F≤W/T=W/(1/fp)=W·fp(1)
其中F=切割速度(mm/秒)W=由激光束切割出的孔的直径(mm)T=脉冲持续时间(秒)fp=脉冲频率(Hz)如上所述，若所须孔穴的最小孔径是小于等于加工件之板材厚度时，那么在对加工件的接近于切割终点的剩斜距离时其切割速度采用大约小于等于500mm/秒，脉冲输出的脉冲频率采用小于等于20Hz等的脉切割条件时，就不难发现可以防止产生缺口现象，同时还能获得优良的切割边缘。
还要提及值得注意的是，若要在一块厚度为12mm的如SS400的软质钢板上切割出直径为8mm,9mm等直径的圆孔或其它如三角形、方形、菱形等复杂图形而其所需要的最小孔径(即被切割孔若是圆的话，则是指直径，若是正方形则是指其一边的长，若是长方形则是指其一短边之长度)是小于等于板材厚度的孔时，那么在加工件上切割到离周边线上的切割终点不远的剩余距离区内时采用如下的激光切割条件，即切割速度小于等于500mm/分，脉冲输出的脉冲频率为小于等于20Hz时，则在切割终点附近不会发生缺口。
实施例7在上面提到的从实施例1到6这六个例子中它们的特点是，在所述的第一条件中的那些激光输出，脉冲频率，工作周期和切割速度等条件当加工件被切割到离孔周边线上切割终点不远的预置距离上的点时突然变换到第二条件以切割从离孔周边线上切割终点不远的预置距离上的点到所述的切割终点之间的工件，图12所示的为让这些激光输出、脉冲频率、工作周期和切割速率等条件作平滑的所述的改变，而不是突然变化。
图12说明了按本发明第七实施例的切割方法，同时说明了如何使激光输出(a)、脉冲频率(b)、工作周期(c)以及切割速度(d)作阶梯形的递减。在切割加工件到离孔周边线上切割终点不远的一个预置距离上的点前所用的第一条件中的激光输出、脉冲频率、工作周期、以及切割速度(Ps,Hs,Ds,Vs)在第一条件向第二条件变换的那个时刻ta以阶梯形或线性的变化同时或分别地变换到在第二条件中应有的激光输出、脉冲频率、工作周期及切割速度值(PE,HE,DE,VE)。很清楚，在本实施例中，在第一条件下的激光输出、脉冲频率、工作周期以及切割速度(Ps,Hs,Ds,Vs)分别为1,750W,1,300Hz,65％以及1000mm/分，同时此刻将脉冲峰值输出，聚焦位置和切割气(氮气)压分别设置成2,800W,+1.5mm以及0.7kg/cm2，而进一步在第二条件中将激光输出、脉冲频率、工作周期以及切割速度(PE,HE,DE,VE)被分别设置成500W,20Hz,20％和100mm/分，同时此刻的脉冲峰值输出，聚焦位置和切割气(氮气)压分别还是2,800W,+1.5mm，以及0.7kg/cm2。
利用上述的在第一条件变成第二条件时，改变激光输出、脉冲频率、工作周期和切割速度之值，可以做到使得第一条件向第二条件平滑地过渡。
还要值得提出的是，如果是激光输出、脉冲频率、工作周期及切割速度中至少有一个条件是在第一条件转向第二条件时发生改变，那么从第一条件变为第二条件的变换也会是比较平滑的，这一点已经实验证实。
实施例8在上面的第三至第七个实施例中，第二条件中的脉冲峰值输出，切割气压和聚焦位置的值与在第一条件中的相应的值被设置成是相同的，如在第二实施例中所示，即使在第三至第七实施例中任一个只有第二条件中的聚焦位置这这一项保持同第一条件中的一样，同样在切割终点附近也几乎找不到一个缺口，这一点也已被实验所证实。
实施例9最后，参考图13所示介绍利用所述的实施例的切割方法进行具体激光切割控制的装置。
图13乃是一张流程图，它说明了激光切割控制装置实施每一个所述之实施例中描述的切割方法的过程。
本激光切割控制装置用NC处理程序等输入有关的如切割路径，是否存在穿刺线以及由穿刺点至周边线的穿刺线所确定的转角半径R之值等切割路径信息如下(输入NC处理程序)N1 G90N2 G92X0.Y0.
N3M98P9010 (穿刺命令)N4G01G41Y11.619 (穿刺线(直线))N5G03X-3.75Y14.524I-3 (转角R3mm)N6G03I3.75J-14.524 (切割终点C)
N7M121 (结束命令)N8M30 (结束码)装置对所输入的信息加以识别，先识别是否存在穿刺线(第1步)，穿刺线R(第2步)，终点座标(第3步)，再输入在起始点到与一点距离不远的点时需使用的第一条件的信息(第4步)。
接着，在第5步识别是否存在穿刺线，当识别出是不存在穿刺线时，则就在距已经识别出的切割终点C不足4mm处临时设置一点b(l=4mm)这点b就是作为改变激光条件的点(第12步、第8步)。
在第5步中，若识别出有一穿刺线，则就在第6步中确定该穿刺线之转角半径R是否为R≥1mm，若不是R≥1mm，则就在距离已被识别出来的终点C(l=4mm)的不足4mm处临时设置一点b，该点是激光条件转换的位置(第12步、第8步)。
若在第6步中测得穿刺线转换半径为R≥1mm，则就在距离已被识出来的终点c(l=4×R mm)的不足4×R mm处临时设置一点b，该点是激光条件转换的位置(第7步，第8步)。
下面第9步，是判定已识别的C点与上面临时设置的b点之间的距离是否是l=4mm，还是l=4×R mm，或者两者都不是。若距离为l=4mm或l=4×R mm的，则该临时点b就正式被设定为激光切割条件发生转换的点b，在第10步中完成。
若距离既非l=4mm也不是l=4×R mm，那么对临时点b在第13步中作调整使之成为l=4mm或者l=4×Rmm。且在第10步中要在处理程序中设置一个实际可用的b点。
最后，在(第11步)要设置一个从b点至切割终点时需用的第二条件并要送入处理程序中去。输入NC程序就转变成NC处理程序如下(转换的NC处理程序)N1G90N2G92X0.Y0.N3M98P9010(穿刺命令)N4M103 (第一激光切割条件)N5G01G41Y11.619 (穿刺线(直线))N6G03X-3.75Y14.524I-3(转角R3mm)N7G03X10.998Y10.2I3.75J-14.524 (转换点b)N8M102 (第二激光切割条件)N9G03I3.75J-14.524 (切割终点C)N10M121 (结束命令)N11 M30 (结束码)本发明已结合参考实施例作了说明，但并不仅限于上述实施例。
权利要求
1．一种在金属材料的加工件上用激光切割出所需形状之孔穴的方法，其特征在于，它包括下列步骤按第一激光切割条件把加工件切割到离孔穴周边线上的切割终点一段预定的周边距离的点上，按与第一激光切割条件设置成不同值的第二激光切割条件，对加工件从离孔穴周边线上的切割终点预定的周边距离的点切割到切割终点，所述第二激光切割条件中之聚焦位置设置成与所述第一激光切割条件中之相应的聚焦位置值相同。
2．如权利要求1所述的激光切割方法，其特征在于，孔穴的切割是从穿刺线开始的，所述的穿刺线是与激光切割的成形孔穴的周边线相连的而且形成一个半径R大于等于1mm的弧，所述之第一激光切割条件在离开孔穴周边线上切割终点的周边距离约为4×Rmm时转换成所述的第二激光切割条件。
3．按权利要求1所述的激光切割方法，其特征在于，孔穴切割是从一条穿刺线开始的，所述之穿刺线是一条与激光切割的成形孔穴的周边线相连的并且形成一半径小于1mm的弧，它以某种预定的角度与激光切割成形孔穴的周边线线性相连的，同时与该孔穴周边线上的一点相连，在离孔穴周边线上的切割终点的周边距离约4mm处则所述的第一激光切割条件转换成所述的第二激光切割条件。
4．一种激光切割装置，其特征在于，它包括一种根据切割路径信息识别出是否存在穿刺线的装置，该穿刺线是与激光切割成形孔的周边线相连而且形成一个半径R大于等于1mm的弧，一种在孔穴的周边线上确定一个与周边线上切割终点的周边距离不足4×R的点的装置，在这个确定的点上则所述的第一激光切割条件将转换成第二激光切割条件，以及一种自动地将所述的第一激光切割条件和第二切割条件分配到有关的已定的转换点上的装置。
5．一种激光切割装置，其特征在于，它包括第一个装置，以确定是否存在一条穿刺线，该穿刺线是与激光切割的成形孔的周边线相连，而且形成一个半径R小于1mm的弧，是否存在一条穿刺线，该穿刺线是以某种预定的角度与激光切割成形孔的周边线线性相连的，切割孔穴是否是从孔穴周边线上的一点开始的，第二个装置是用来当第一个装置能确定出下列情况之一时存在一条与激光切割的成形孔的周边线线相连，而且形成一个半径R小于1mm的弧的穿刺线时；存在一条以某种预定角度与激光切割成形孔的周边线线性相连的穿刺线时；切割孔穴是否是从孔穴周边线上的一点开始时；则检测出一个离开孔穴周边线上的切割终点的周边距离不足4mm的点来，在该点处所述的第一激光切割条件就转换成第二激光切割条件。
全文摘要
一种使用激光切割在金属材料加工件上切割出所需形状的孔穴的方法,为了避免在变换激光切割条件产生缺口现象,第二次设置的许多激光切割条件与第一次设置的激光切割条件是不同的。其特点是,第二激光切割条件中的聚焦位置设置得同第一激光切割条件中的聚焦位置的值相同。另外,第二激光切割条件中的其它一些条件也设置得同第一激光切割条件中的相应值相同。
文档编号B23K26/00GK1310073SQ0110837
公开日2001年8月29日 申请日期1995年2月24日 优先权日1994年2月24日
发明者吉安重宏, 金岡優 申请人:三菱电机株式会社