激光機械加工法和激光機器制造技術

一種激光加工，在作主加工前先沿著最終需主加工的軌跡發射激光，在此條件下獲得清除加工件表面的鍍鋅層等物質所需之能量密度。然后，向已經清除掉鋅的裸面區域發射激光，同時按照需作切割加工的切割條件僅僅改變能量密度便可實現切割加工。（*該技術在2015年保護過期，可自由使用*）

【技術實現步驟摘要】

本專利技術是關于一種激光機械加工的方法以及應用該方法的一種裝置，它利用激光對金屬加工件作切割和焊接之類的加工，本專利技術尤其涉及在經過預加工的加工件上完成實際的機械加工的方法及其裝置，以改善加工件的表面狀態。一般說來，在對諸如碳鋼、不銹鋼或鋁質材料作激光加工時，是將激光發射至加工件上且輔之以注入氣體。而對一些表面鍍有低熔點物質之加工件來說，在對其加工時這些低熔點物質就會揮發并侵入到加工件的加工區，這樣就降低了加工質量。從圖21至26是希望解決上述問題的傳統上的切割和焊接技術，在圖22至25以及箭頭101則是表明激光1的加工或切割方向。如圖21所示，在日本特許公開No.平4-333386中介紹的一種技術是克服上述缺陷的一種方法。它是在用激光加工鍍覆有低熔點物質的材料時加上一種輔助氣體。其目的在于抑制低熔點物質之揮發以提高加工質量。在圖21中可見激光從激光振蕩器(未示出)中發射出來，經透鏡2聚焦在加工件3a或一塊鍍鋅鐵皮上。該加工件3a之表面鍍有一層鍍鋅層3b。二只氣瓶4a和4b分別存有氧氣(O2)和氬氣(Ar)同時這二種氣體送入混合器6。在加工頭7的端頭裝有噴咀8，這樣注入的氧氬混合氣體可以通過噴咀8到達加工件3a上的加工點9。下面就來介紹一下上述設備的工作過程。激光1從激光振蕩器發生后經曲面鏡(未示出)到達加工頭7。然后，由透鏡2對激光1聚焦再由噴咀8射到加工件3a的鍍鋅層3b的加工點9。在鍍鋅層3b上的激光1的密度是根據加工件3a的種類，板材厚度及加工速度等不同而改變的。另外，氧氣和氬氣是由氣瓶4a和4b提供并在混合器6中加以混合。而混合氣體又送到了加工頭7里面的聚光鏡2的下面再沿著激光1從噴咀8射到鍍鋅層3b上。混合氣中之氧氣將鍍鋅鐵皮上的鋅氧化成氧化鋅或過氧化鋅，因此，鋅不再揮發，減少了濺沫也就減少了激光焊接時的氣泡。在日本特許公開No.平4-138888中介紹的技術是將激光分成二束，其中一束光將低熔點物質剝離開來而另一束再進行焊接，如圖23所示那樣。在圖23中，該裝置有一架激光振蕩器10和一塊部分反射器Mm及一塊全反射器Ms。從振蕩器10出來的激光1經過部分反射器Mm后分成二束，其中一束到加工件3a以除去如鍍鋅層3b之類的鍍覆物質。而由部分反射器Mm反射出來的另一束則送到了全反射器Ms且由全反射器Ms再反射至加工件3a進行焊接。因此，該裝置在按101方向移動時它同時在進行去除鍍覆物和焊接工件工作。由日本特許公開No.63-112088所介紹的方法也是在鍍鋅鐵板上進行焊接的方法。它有如圖24那樣將加工件表面的鋅層剝離的步驟，還有如圖25那樣進行焊接的步驟。如圖24所示，先將加工頭7放在正常位置的上面一點，這樣焦點位置也就在加工件3a的表面的上面了。另外，降低輸出功率，然后再將激光射到鍍鋅層3b上，為了剝離該層將激光按101方向移動在加工件3a上準備好一條裸面以備后用。接著，在圖25中所示那樣，再將焦點位置移近加工件3a的表面然后加大功率以完成焊接工作。然而，在使用混合氣體作為輔助氣的如圖21所示之激光加工時，若加工件表面之鋅鍍層的原度很厚時，焊接質量會降低。另外，在做切割加工時往往需要用高純度的氧作為輔助氣體，因此若在切割加工時也使用混合氣而不是高純氧的話則勢必降低切割質量。因而有必要對鍍鋅層很厚的鍍鋅鐵板的焊接提出一種更好的方法。圖26為一個剖面圖，說明了使用混合氣體為輔助氣在對鍍鋅層厚度為200μm的鍍鋅鐵板上作焊接時其焊點3e的情況。在圖中可見在焊點3e有氣泡3f。圖22是說明在用激光對鍍鋅鐵板作切割時發生質量問題的原因。參見圖22，對一鍍鋅鐵板加工件3a作切割在加工件3a上產生一切割槽3c，由于鋅的低熔點故那些未被氧化的鋅混在揮發物11中一起侵蝕到了切割槽3c中去了。如圖22所示之，在用該激光對鍍鋅鐵板作切割時，鍍鋅層3b揮發同時鋅揮發物進入到切割槽3c中去。同在切割槽3c中之氧的純度就降低，使得在加工件3a的切割面上發出大的缺口裂縫等而在背面有許多雜渣。因而在切割時需要防止鋅揮發物進入到切割槽3c內。如圖23所示的激光加工時，先用一終結激光將鍍鋅層3b去除，然后第二次激光對加工件3a作焊接，因此在未及由于剝離鍍層3b時產生的溫度降下就開始進行作為主工序的焊接了。而如果在主工序進行時加工部分仍然處于高溫狀態的話，由于在加工時還要不斷輸入熱量這樣就會在切割加工時引起自燃現象，而在焊接時發生接縫處的膨脹和結構上脆裂現象。如果將部分反射器Mm和全反射器Ms的位置關系固定起來，則在所加工的軌跡十分復雜時，作為預處理的激光剝離時走的軌跡與作為主加工工序時走的軌跡相互會不重合。而在這種情況下，如果硬是要采取一些結構上的措施以使這二條軌跡相互重合，雖也未必不可，但該裝置本身就會變得相當復雜、成本昂貴而失去實用意義。另外，使用部分反射器Mm和全反射器Ms的這種裝置也僅僅適用于線性加工。在圖24和25所示之技術中，由于在第一道工序中作為燃燒掉鍍鋅層的加工條件必須要降低功率和移動焦點，這樣就降低了這個速度。雖然這種方法可適用于那種鍍鋅材料，因為鋅的吸收作用強且熔點低，但它卻不適宜于那種鍍覆吸收作用弱而熔點高的材料。另外，這種方法對處理各種不同鍍覆材料的靈活性不夠。再者，在高速加工時，為了要恰到好處地燃燒掉必須去除的鍍覆材料，還必須根據各種不同的鍍覆材料精確地選取輸出功率、速度以及控制激光的能量密度。除此以外，在工廠生產的軋鋼過程中，大多數軟質鋼材都在其表面生成一層氧化膜。這層氧化膜稱為碾屑(mill scale)。在對有碾屑層較厚或有薄有厚的色斑層的軟質鋼材上作激光加工時會引起色散。即如果切割一塊表面有一層厚薄不一的氧化膜的軟質鋼材，則在該材料表面的激光吸收因素會發生變化。若吸收因素變化范圍甚廣則加工件的切割質量就要下降。同樣在焊接加工時，如果吸收因素改變隨之穿透深度也發生變化，這樣就不可能穩定加工。如果焊接部分(焊珠)被加工件表面之氧化膜所污染，那么焊接強度也就會降低。另外，若氧化膜的厚度超過一定厚度，那么在激光加工中由于熱量的沖擊會產生斷斷續續的裂痕，這樣在有些激光位置上有氧化膜而在另一些位置卻不存在氧化膜。因而，在切割表面上有厚度不一的氧化膜的軟質鋼材時，如上所述在該材料表面上的激光吸收因素就會有變化。若吸收因素發生了變化則加工件之切割質量就會下降。同樣在焊接加工時，若吸收因素不一，則穿透深度發生變化，因而也不可能進行穩定加工。再者，若軟質鋼材長時間放在高濕度的環境里還發生銹蝕。當激光切割到表面有銹蝕的地方會引起不正常的燃燒因而也降低了加工的質量。同樣當焊接到表面有銹蝕的地方在焊珠上會產生汽泡。也就是說一旦加工件表面生了銹則在生銹部分與未生銹部分之間的激光的吸收因素就會發生變化。若吸收因素發生了變化，則切割的工件質量將受影響。同樣在焊接時，若吸收因素發生了變化，穿透深度或寬度也會變化因而也不可能進行穩定的加工。加工件表面越不規則或越粗糙，則激光切割的加工件的質量就越次。表面越粗糙，就越容易引起激光吸收因素的變化。在有大的粗糙表面和吸收煙素的部位加工速度較高，而在有小粗糙表面和吸收因素的部位加工速度較低，這樣加工質量就不穩定。激光的發射方向必須與加工件表面垂直，否則在切割槽中的輔助氣體的本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種激光加工方法，其特征在于包括： 對加工件作預處理的預加工工序和對加工件沿著最終加工軌跡作加工的主加工工序； 該預加工工序包括將激光匯聚及聚焦至一高能密度，同時按預加工條件沿最終加工軌跡聚焦發射激光前端，由此獲得為預先清除加工件表面材料而需要的第一能量密度；以及 該主加工工序包括在主加工條件下將激光發射到加工件上已清除表面材料的那個區域，以獲得為加工加工件而需要的、與所述的第一能量密度不同的第二能量密度。

【技術特征摘要】
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【專利技術屬性】
技術研發人員：金岡優，
申請(專利權)人：三菱電機株式會社，
類型：發明
國別省市：JP[日本]