一种电磁场辅助厚板激光切割装置的制作方法

1.本发明涉及一种电磁场辅助厚板激光切割装置。


背景技术：

2.激光切割技术具有高精度、高经济效益、可控性强等优点，被广泛应用于切割工件中。在激光切割过程中，熔池经历快冷、快热的过程，同时由于板材厚度的增大，切割区极易形成裂纹等缺陷。针对上述激光加工中的问题，有学者提出外加电磁场辅助激光切割的方法，通过在熔池中施加所需的电磁场，进而在熔池中形成相应的洛伦兹力来调控熔池溶体的流动，降低切割过程中，热影响区中开裂缺陷以及减少挂渣。
3.在现有技术中，电磁场发生装置主要是由磁极和电容产生，又或者由绕磁线圈产生，所产生的磁场或电场基本为稳定状态，无法产生正弦电磁场效果。
4.在2019年7月29日公开的，公开号为“cn110293324a”，发明名称为“一种电磁场辅助激光切割方法”。该激光切割方法将电磁线圈固定在激光切割头上，随机光切割头移动，能较好的改善拐角处切割质量。
5.在2020年1月10公开的，公开号为“cn209919102u”，发明名称为“一种电磁场辅助激光焊接装置”。该方法基于该电磁力并采用激光系统控制喷气嘴来焊接厚板，从而保证了焊缝成型质量。
6.在2020年5月12日公开的，公开号为“cn111136271a”，发明名称为“一种碟片式磁场发生装置”。该方法采用可调磁极对激光加工零件的需要对磁场范围、方向、梯度、大小进行调控，进而实现对熔池对流行为进行控制，以改善激光加工零件综合力学性能。
7.所公开的单一磁场或电磁场辅助的激光制造装置所产生的磁场范围均是固定、不可调节的，对于不同尺寸大小的零件无法用同一套装置进行加工制造。仅能应用与小型工作台，未考虑到龙门式激光切割机的应用，且所产生磁场或电场均为稳定电磁场，无法做到随时间而自动变化。


技术实现要素：

8.为克服上述问题，本发明提供一种电磁场辅助厚板激光切割装置。
9.本发明采用的技术方案是：一种电磁场辅助厚板激光切割装置，包括滑动设置在龙门式切割机龙门架上的激光头，设定激光头沿龙门架的滑动方向为横向，垂直于横向的水平方向为纵向；
10.所述激光头的下方设有载物台，载物台上放置有工件；工件沿横向的两端对称设有电场发生装置，两个电场发生装置将工件夹紧固定；所述电场发生装置包括沿横向依次设置的压力传感器、气动装置、电极、弹簧和导电芯，其中导电芯采用导电材料制成，弹簧采用绝缘材料制成；气动装置为气缸，气缸的底座与压力传感器相连，气缸的输出轴端部与夹持盘连接；夹持盘内与气缸同轴设置有一通孔，气缸的输出轴端部且位于通孔内的位置连接有弹簧和电极，电极套设在弹簧内，弹簧的另一端与导电芯相连；电极与导电芯之间留有
距离，电极能在弹簧压缩后与导电芯接触，从而控制电场发生；导电芯外套设有套筒，套筒采用绝缘材料制成；夹持盘内设有限位台阶，套筒上沿周向设有多个与限位台阶相配合的楔形挡板，楔形挡板可弹出或压入套筒内，楔形挡板用于防止套筒被弹簧顶出夹持盘；
11.所述激光头沿横向的两侧对称设有纵向导轨，纵向导轨上滑动连接有磁场发生装置；磁场发生装置包括沿纵向设置的圆筒形外壳，外壳采用绝缘材料制成，外壳上设有与纵向导轨相配合的梯形悬挂滑块；外壳内沿纵向设有两个行星齿轮机构，两个行星齿轮机构正对设置；行星齿轮机构包括太阳轮、齿圈、行星架和支承在行星架上的四个行星齿轮；两个行星齿轮机构之间设有一个大线圈和四个小线圈，大线圈固定在大磁芯轴上，小线圈固定在小磁芯轴上；大磁芯轴的两端与对应的行星齿轮机构的太阳轮固定连接，小磁芯轴的两端与对应的行星齿轮机构的行星齿轮固定连接；其中一个行星齿轮机构的太阳轮与电机的输出轴相连；大线圈随太阳轮转动，小线圈随行星齿轮转动，大线圈、小线圈呈现相反方向旋转，从而产生正弦交流磁场；
12.所述电场发生装置(3)、磁场发生装置(2)分别与电源电连接。
13.进一步，所述弹簧为圆台式结构，弹簧靠近气动装置的部分螺距为10mm，圈数为20，直径为5mm；弹簧靠近导电芯的部分螺距为8，圈数为10，直径为5mm。
14.进一步，所述正弦交流磁场的磁场范围为5t～20t，正弦磁场差值在0.5t～1t范围内波动；行星齿轮机构的减速比为1:2。
15.进一步，所述电源的适应频率范围为0～100hz，波形为正弦波、方波或锯齿波。
16.进一步，所述激光头内同轴设置有保护气装置，保护气装置输出的保护气为氮气或空气，气压范围在0.5mpa～10mpa。
17.进一步，所述大线圈、小线圈采用铜线或铜管绕制而成。
18.本发明的有益效果是：
19.(1)采用大小线圈的相反旋转，控制板材处磁场的强弱变化，产生不同大小洛伦兹力，实现正弦同向磁场。
20.(2)采用气动式设计，针对不同大小板材，可变化套筒行程。
21.(3)由弹簧和电极组成的电极随动弹性接触零件控制电场发生与结束。
附图说明
22.图1是本发明的主视图；
23.图2a是本发明中电场发生装置的主视图；
24.图2b是本发明中大线圈的结构示意图；
25.图3a是本发明中磁场发生装置的主视图；
26.图3b是图3a中a处的局部放大图；
27.图4a是本发明中套筒的结构示意图。
28.图4b是本发明中套筒和夹持盘的装配示意图。
29.图5是本发明切割洛伦兹力的产生原理图；
30.图6是本发明的轴测图。
具体实施方式
31.下面将结合附图对本发明专利的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
32.在本发明的描述中，需要说明的是，如出现术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，如出现术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
33.在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，如出现术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
34.参照附图，一种电磁场辅助厚板激光切割装置，包括滑动设置在龙门式切割机龙门架上的激光头1，所述激光头1内同轴设置有保护气装置，保护气装置输出的保护气为氮气或空气，气压范围在0.5mpa～10mpa。设定激光头1沿龙门架的滑动方向为横向，垂直于横向的水平方向为纵向；
35.所述激光头1的下方设有载物台5，载物台5上放置有工件4；工件4沿横向的两端对称设有电场发生装置3，两个电场发生装置3将工件4夹紧固定；载物台5与电场发生装置3处于同一水平线，置于龙门切割机中央。
36.所述电场发生装置3包括沿横向依次设置的压力传感器302、气动装置301、电极307、弹簧303和导电芯305，其中导电芯305采用导电材料制成，弹簧303采用绝缘材料制成；气动装置301为气缸，气缸的底座与压力传感器302相连，压力传感器302内设有阈值，超过阈值气动装置301停止运动；气缸的输出轴端部与夹持盘308连接；夹持盘308内与气缸同轴设置有一通孔，气缸的输出轴端部且位于通孔内的位置连接有弹簧303和电极307，电极307套设在弹簧303内，弹簧303的另一端与导电芯305相连；电极307与导电芯305之间留有距离，电极307能在弹簧303压缩后与导电芯305接触，从而控制电场发生；导电芯305外套设有套筒306，套筒306采用绝缘材料制成；具体的，弹簧303为圆台式结构，弹簧303靠近气动装置301的部分螺距为10mm，圈数为20，直径为5mm；弹簧303靠近导电芯305的部分螺距为8，圈数为10，直径为5mm。导电芯305外周设有套筒306，套筒306采用绝缘材料制成；
37.夹持盘308内设有限位台阶309，套筒上沿周向设有多个与限位台阶309相配合的楔形挡板304；工件压着套筒使弹簧接触到导电芯的过程中，套筒向压力传感器302一侧移动，楔形挡板304限位台阶309挤压楔形挡板304，楔形挡板304被压入套筒内部，通过限位台阶309后，楔形挡板304弹出，与限位台阶309配合限位，用于防止套筒306被弹簧303顶出夹持盘308；
38.所述激光头1沿横向的两侧对称设有纵向导轨，纵向导轨上滑动连接有磁场发生装置2，磁场发生装置2距离激光头1的距离为1000mm；磁场发生装置2包括沿纵向设置的圆
筒形外壳201，外壳201采用绝缘材料制成，具有良好耐磨性，外壳201上设有与纵向导轨相配合的梯形悬挂滑块207；外壳201内沿纵向设有两个行星齿轮机构，两个行星齿轮机构正对设置；行星齿轮机构包括太阳轮202、齿圈204、行星架和支承在行星架上的四个行星齿轮203；两个行星齿轮机构之间设有一个大线圈206和四个小线圈208，大线圈206固定在大磁芯轴上，小线圈208固定在小磁芯轴上；大磁芯轴的两端与对应的行星齿轮机构的太阳轮202固定连接，小磁芯轴的两端与对应的行星齿轮机构的行星齿轮203固定连接；其中一个行星齿轮机构的太阳轮202与电机的输出轴相连；太阳轮202、行星齿轮203为不锈钢材质，具有良好耐磨性。
39.大线圈208、小线圈208采用铜线或铜管绕制而成。大线圈208随太阳轮202转动，小线圈208随行星齿轮203转动，大线圈208、小线圈208呈现相反方向旋转，从而产生正弦交流磁场；根据不同板厚，可调节磁场范围为5t～20t，正弦磁场差值在0.5t～1t范围内波动；行星齿轮机构的减速比为1:2。
40.所述电场发生装置3、磁场发生装置2分别与电源电连接，电源的适应频率范围为0～100hz，波形为正弦波、方波或锯齿波。
41.本发明使用方法为：
42.(1)将待加工零件放置载物台表面。
43.(2)开启电源，启动磁场发生装置。
44.(3)开启启动装置，根据压力传感器自动调节行程，直至夹紧工件，产生电场。
45.(4)选定合适激光工艺参数，开启激光器对工件进行切割。
46.(5)关闭激光器、电源，工件切割完成。
47.实施例1
48.参照附图1，本实例为常规板材切割实例(切割平面板材)，在本实例中，工件厚度选择5mm，首先将工件104放置载物台105上，打开电源，通入直流电，调节电流大小产生磁场为5t，调整旋转角速度为5rad/min，产生磁场，打开气动装置，通过压力传感器自动调节行程为1800mm。选定合适的激光工艺参数，开启激光器，通入同轴辅助气体。最后关闭激光器、电源，工件切割完成。
49.实施例2
50.参照附图1，本实例装置与实例1相同。本实例与实施例1的区别在于工件厚度为60mm，调节电流大小使得磁场为20t，齿轮旋转的角速度调整为10rad/min，通过压力传感器自动调节行程为500mm。
51.本发明通过调整电流大小，及旋转时结构设计，实现磁场大小的控制，调整感应器的阈值，适应切割工件大小，进而实现不同尺寸大小工件加工所需的电磁场辅助激光切割，达到提高切割全面质量、减少热影响区裂纹、减少挂渣量的目的。本发明具有灵活可调节、操作简便，加工工件范围广等特点。
52.本说明书实施例所述的内容仅仅是对发明构思的实现形式的列举，本发明的保护范围不应当被视为仅限于实施例所陈述的具体形式，本发明的保护范围也及于本领域技术人员根据本发明构思所能够想到的等同技术手段。