BRPI0519863B1

BRPI0519863B1 - processo e dispositivo para gerar um jato de líquido, dispositivo para otimizar a coerência de um jato de líquido e bocal de líquido para este dispositivo

Info

Publication number: BRPI0519863B1
Application number: BRPI0519863A
Authority: BR
Inventors: Spiegel Akos; Richerzhagen Bernold
Original assignee: Synova Sa
Priority date: 2004-11-10
Filing date: 2005-11-01
Publication date: 2020-01-21
Also published as: CH1833636H1; CN101107092B; WO2006050622A8; KR101289621B1; BRPI0519863A2; WO2006050622A1; IL182891A; US10016845B2; US20070278195A1; JP2013136100A; DE502005009984D1; EP1833636A1; RU2007121653A; EP1833636B1; IL182891A0; EP1657020A1; US20180304403A1; JP5882927B2; KR20070084092A; ATE474687T1

Abstract

processo e método para gerar um jato de líquido para o processamento de material e bocal de líquido para este dispositivo a presente invenção refere-se a um processo e a um dispositivo para gerar um jato de líquido (5) que é apropriado para guiar um raio laser (1o) incluído dentro dele de acordo com o princípio de um guia de ondas, para fins de processamento de uma peça a ser trabalhada (3), e que possui um bocal de líquido (1) para gerar o jato de líquido (5) e um bocal de saída de gás (23) disposto afastado do bocal de líquido (1) que forma um fluxo de gás (35) que cerca o jato de líquido (5) na face lateral. entre o bocal de líquido (1) e o bocal de saída de gás (23) é formado um espaço de retenção de gás. o jato de líquido (5) atravessa o bocal de saída de gás (23). o jato de líquido possui um diâmetro de preferencialmente 60 µm ou menos e o fluxo de gás (35) possui um diâmetro de 1 a 2 mm.

Description

A presente invenção refere-se a um processo para gerar um jato de líquido que é apropriado para guiar um raio laser incluso dentro dele de acordo com o princípio de um guia de ondas para fins de processamento de uma peça a ser trabalhada, sendo que o jato de líquido é gerado com a ajuda de um bocal de líquido e sendo que o jato de líquido na sua face lateral é cercado por uma corrente de gás. A presente invenção refere-se ainda a um dispositivo para a realização do processo e a um bocal de líquido para tal processo.

Estado da Técnica

O processamento de material através de raio laser estabeleceuse nos últimos anos em muitas áreas. Uma variação tecnicamente aprimorada disso é o corte com um raio-laser guiado por um jato de água (Patentes EP 0 762 947 1, WO 99/56907). O raio laser é incluído dentro de um jato de água fino a fim de, deste modo, ser levado para o ponto de processamento de material. Uma vez que o jato de água guia o raio laser de modo de um guia de ondas ótico, a energia dos raios permanece concentrada à seção transversal definida ao longo de um comprimento relativamente longo. Por maior que seja o comprimento de coerência do jato de água, isto é, por mais tarde que o jato de água seja fragmentado em gotículas, maior é a variabilidade da distância de trabalho do dispositivo.

A Patente JP 2000-334590 também descreve um dispositivo para o processamento a raio laser guiado por um jato de água. No caso sugere-se que o jato de água seja envolvido por um jato de gás (por exemplo, nitrogênio, argônio, oxigênio ou ar) cercando-se o bocal do jato de água por um bocal anelar para o gás.

Uma alternativa difundida para o processamento por raio laser é o corte com jato de água. Nisso, bocais muito finos claramente inferiores a 1 mm geram um jato de água com cuja energia cinética a peça a ser trabalhada

pode ser processada. Da Patente DE 101 13 475 A1 sabe-se que o comprimento de coerência do jato de água pode ser elevado, usando-se o jato de água em um espaço de trabalho com uma atmosfera controlada. O espaço de trabalho é dotado de baixa pressão ou é abastecido com um gás de lavagem, cuja densidade é inferior àquela de ar (especialmente de hidrogênio, hélio ou metano). O gás de lavagem sai de uma câmara disposta atrás do bocal do jato de água com um volume grande sobre a peça a ser trabalhada.

A tecnologia descrita na Patente US-A 4,047,580 baseia-se em considerações completamente diferentes. Esta se refere a um processo para retirar, penetrar ou fragmentar camadas de solo com um jato grande de alta velocidade. Para que o jato de água também em um líquido (por exemplo, abaixo da água) possa penetrar um trecho maior, ele é envolvido por um jato de gás que possui pelo menos a metade da velocidade do som. Para a geração do jato é usado um bocal duplo concêntrico. O jato de água sai de um bocal interno em forma de círculo e o jato de gás sai do bocal externo anelar. O jato de água quase que cria um espaço livre na área de trabalho cheia de água, de modo que o jato de água de trabalho não entre em turbulência no volume da água, e sim, pode espalhar-se dentro de um canal de ar sob água.

Os métodos até aqui conhecidos para o prolongamento do comprimento de coerência de um jato de água ou não são apropriados para a tecnologia de laser guiada por um jato de água, ou, especialmente no caso de jatos de líquido finos, não trazem resultados aproveitáveis.

Descrição da Presente Invenção

A presente invenção tem a tarefa de fornecer um processo pertencente à área técnica inicialmente mencionada que permite uma coerência do comprimento do jato do jato de líquido suficientemente grande, principalmente melhorada em comparação com o estado da técnica, também em casos de jatos de líquido muito finos. A presente invenção também tem a tarefa de fornecer um dispositivo para a execução do processo.

De acordo com a presente invenção, a solução consiste no fato de que o jato de líquido é conduzido através de um bocal de saída de gás que forma o fluxo de gás, disposta afastada do bocal de líquido. O jato de líquido não toca o bocal de saída de gás, e sim, passa através dela em vôo livre.

O bocal de líquido e o bocal de saída de gás, no eixo z (eixo do jato) não se encontram na mesma posição (como é o caso na Patente JP 2000-334590 inicialmente mencionada), e sim, estão deslocados uma em relação à outra em direção z. Primeiro, o bocal de líquido forma o jato de líquido (preferencialmente, muito fino), e depois o bocal de saída de gás forma o fluxo de gás. Esta disposição permite realizar o bocal de saída de gás de modo otimizado atendendo a exigências da técnica fluídica para uma boa geração do jato de gás. Diferentemente da disposição integrada de acordo com a JP 2000-334590, a saída do gás não precisa ser construída em torno de um bocal de líquido (e, por conseguinte, não precisam ser levadas em consideração as circunstâncias do bocal de líquido). Uma outra vantagem em comparação com a disposição integrada consiste no fato de que o bocal de líquido pode ser feito substituível. Isto significa, o bocal de líquido (tecnicamente difícil e, portanto, mais facilmente danificável) pode ser substituído, sem que ao mesmo tempo o bocal de saída de gás precise ser substituído.

O bocal de saída de gás de acordo com a presente invenção tipicamente é uma passagem com uma seção transversal em forma de círculo. O jato de água, essencialmente passa centralmente através da passagem. O jato de gás é formado diretamente ao jato de líquido. Não existem paredes separadoras entre o jato de líquido central e a saída ou o lugar da geração do jato de gás, como, por exemplo, na Patente JP 2000-334590 inicialmente mencionada. Turbulências não desejadas no fluxo de gás (especialmente entre o jato de líquido e a corrente de gás) podem ser minimizadas desse modo.

Depois de um bocal 1 que gera um jato, cada jato de líquido, conforme indica a figura 1, possui um comprimento de jato /_s estável. Esta área estável (coerente) é seguida por um Iü onde a camisa do jato começa a ser contraída. Esta área de contração é denominada de área de transição.

Depois da área de transição ocorre uma fragmentação do jato em gotículas separadas que através do comprimento da queda l_p se transformam em gotas levemente achatadas, aproximadamente esféricas. O comprimento do jato l_s estável é mais comprido no caso de um jato que termina livremente do que no caso de um jato que se choca contra a superfície da peça a ser trabalhada para fins de processamento de material.

Se for feito um processamento de material com um jato de líquido de alta pressão abrasivo, pode se trabalhar ainda na área de transição, eventualmente também ainda com um jato de líquido que se desfaz em gotículas. Porém, se o jato de líquido for usado como guia de jato, acoplando-se, por exemplo, o jato de um raio laser, a fim de se obter um corte frio ou uma remoção de material frio, conforme é descrito, por exemplo, na Patente WO 95/32834 e na Patente WO 99/56907, então o jato incluído dentro do jato de líquido começa a sair lateralmente para fora do jato de líquido. Este jato já desviado está perdido para o processamento de material.

Em um processamento por raio laser convencional, onde o raio laser é focado sobre a superfície a ser processada da peça a ser trabalhada, o ponto de foco precisa acompanhar a profundidade de um perfil de superfície (isto é, em direção ao eixo z). Em contrapartida, em um raio laser incluído em um jato de líquido, este ajuste de profundidade do bocal, no caso, pode ser dispensado, contanto que as diferenças de perfil sejam menores do que o comprimento do jato /_s estável (menos as dimensões de bocal). Para um processamento de material otimizado com um raio laser incluído em um jato de líquido deveria ser alcançado um comprimento do jato de líquido estável maior possível.

A fim de se obter um jato de líquido que sirva como condutor de jato para um raio laser com um comprimento do jato l_s estável maior possível, ao contrário do estado da técnica, primeiro é gerado o jato de líquido com o raio laser incluído e este jato de líquido é então conduzido através de um bocal de saída de gás. O bocal de saída de gás forma um jato de gás que envolve o jato de líquido. Tipicamente (porém não obrigatoriamente), o eixo de jato do jato de líquido (exceto uma tolerância) coincide com o eixo do bocal de saída de gás. Entre o bocal que gera o jato de líquido e o bocal de saída de gás é quase que formado um espaço de represa de gás. É característico para o bocal que ele signifique uma contração para o fluido que precisa fluir de uma primeira área (no caso, a área entre o bocal do jato de líquido e o bocal de saída de gás) através do bocal (no caso, o bocal de saída de gás) para uma segunda área (no caso, a área entre o bocal de saída de gás e a superfície do material).

Durante o processamento de material com um raio laser conduzido em um jato de líquido (por exemplo, o raio de um laser Nd: YAG com um comprimento de ondas de 1,06 pm), o jato de líquido possui tipicamente um diâmetro na área de 20 pm a 200 pm. O bocal de saída de gás tipicamente possui um diâmetro de 0,5 mm a 2 mm. Como valor de orientação deve valer: o diâmetro do canal de bocal do bocal de saída de gás deve ser mais ou menos dez vezes a vinte vezes o tamanho do diâmetro do canal do bocal de líquido. Isto, porém, não é nenhuma definição de dimensão obrigatória da presente invenção. De preferência, uma tolerância para a coincidência do eixo do bocal de saída de gás e do jato de líquido na área do bocal de saída de gás é de tal que o jato de líquido vá através do centro do bocal de saída de gás com uma tolerância de ±200 pm.

Ao contrário do estado da técnica conseguem-se comprimentos do jato estáveis quando, como explicado acima, primeiro for formado o jato de líquido com raio laser incluído, e somente depois de um caminho predeterminado (isto é, fluxo abaixo em relação ao bocal de líquido) for acrescido o gás de solicitação. No estado da técnica o gás de solicitação sempre é acrescido na proximidade direta para a formação do jato de líquido, sendo que as direções de saída do líquido do jato de líquido e aquela do gás de solicitação são selecionadas paralelamente uma à outra.

A presente invenção parte do fato de que a solicitação por gás deve ser de tal modo que no lugar da entrada do gás, dentro do possível, não deve haver nenhuma interferência do jato de líquido. Pois uma interferência no jato de líquido tem um efeito consideravelmente maior sobre um encurtamento do comprimento do jato do que um prolongamento alcançável

através das características do gás de solicitação.

De preferência, um gás de solicitação é de tal modo introduzido em um espaço oco de uma caixa que o fluxo de gás introduzido não atinge diretamente o jato de líquido, mas que todo o espaço oco pode ser preenchido com o gás de solicitação (isto é, o gás acumula-se), e que o gás de solicitação sai da caixa envolvendo o jato de líquido.

De preferência, o gás de solicitação é introduzido em um espaço interno da caixa. Na caixa é disposta, no lado oposto de uma saída executada como bocal de saída de gás o bocal de líquido. Como será explicado detalhadamente mais adiante, o jato de líquido gerado pelo bocal de líquido será imediatamente cercado pelo gás de solicitação.

Nem todo gás é igualmente bem apropriado para servir como gás de solicitação. A viscosidade do gás cinemática do gás de solicitação usado deve ser menor do que aquela do gás da atmosfera (= gás de ambiente no lugar do processamento). Contanto que não se trabalhe sob um gás de proteção, o ar é o gás atmosférico. Uma viscosidade de gás cinemática é uma viscosidade relacionada ao peso específico do gás. A viscosidade de gás cinemática de ar a 20°C e a uma pressão de 1 atm é de 151,1 · 10'³cm²/ segundo.

De acordo com o manual do American Institute of Physics, Second Edition, páginas 2 a 229 poderíam ser considerados, por exemplo, os seguintes gases, sendo que os valores indicados possuem a dimensão de 10'³ cm² / segundo:

Hidrogênio (H₂) * 1,059

Hélio (He) 1,179

Acetileno (C₂H₂) * 80,6

Amoníaco (NH₃) *138

Argônio (Ar) 134,3

Gás de bromo * (Br) 22,50 Isobutano (C₄H₁₀) * 31,0 n-butano (C4H10)* 35,1 Cloro (Cl₂) 150,6

Clorofórmio (CHCI₃) *^ψ 20,16

Ciano (C₂N₂) ⁺ 46,35

Etano (C₂H₆) * 72,9

Etileno (C₂H₄) * 85,84 10'³ cm² / segundo Brometo de hidrogênio * ^t(HBr) 54,79 Gás clorídrico (HCI) *^f 93,99 Hidrogênio iodrídico * (HJ) 34,42 Dióxido de carbono (CO₂) 80,9 Criptônio (Kr) 72, 44

Brometo de metila (CH₃Br) * 33,64 Cloreto de metila (CH₃CI) 50,97 Óxido de dihidrogênio *^ôí (N₂O) 150,9 Propano (C₃H₈) * 43,7

Gás de dióxido de enxofre (SO₂) *¹46,94

Xenônio (Xe) 42,69.

Os gases marcados com * são solúveis em água caso seja usado um jato de água como jato de líquido. Dependendo do uso, deve se ter cuidado. Os gases marcados com * são inflamáveis e os gases marcados com ^f são tóxicos ou prejudiciais à saúde; também em caso de uso destes gases é necessário cuidado. Gases sem uma das marcações acima, como por exemplo, hélio, argônio, dióxido de carbono, criptônio e xenônio podem ser usados sem medidas de precaução.

De preferência, o gás é introduzido a uma distância radial do eixo do jato de líquido em uma direção de corrente reta que é voltado para o lado oposto do jato de líquido. Com isso pode ser conseguido que por meio da solicitação com gás na medida do possível não haja nenhuma influência do jato de líquido no lugar da entrada de gás e sua vizinhança. Esta primeira direção do fluxo de gás é dimensionada de tal modo que o fluxo toca tangencialmente um círculo centralmente colocado ao redor do jato de líquido. Esta primeira direção será então redirecionada para uma segunda direção de fluxo que gira ao redor do jato de líquido. O abastecimento de gás pode agora ser feito em um único lugar. De preferência, porém, serão seleciona-

dos vários pontos de abastecimento igualmente distanciados entre si, e a primeira direção de fluxo de gás será feita sob o mesmo ângulo (direção tangencial) fazendo com que um efeito de reação sobre o jato de líquido em virtude de um fluxo amplamente homogêneo do gás introduzido seja reduzido. A partir do eixo do jato, respectivamente dois lugares de abastecimento vizinhos possuem o mesmo ângulo central.

Se o jato de líquido fluir verticalmente, conforme é praxe geral, a primeira direção de entrada de gás pode ser horizontal. A primeira direção de entrada de gás, porém, m também pode ser direcionada para cima ou para baixo. Para cima, seleciona-se um ângulo inferior a 30°, e para baixo, um ângulo inferior a 70°.

Conforme explicado acima, a primeira direção de fluxo de gás deve ser tangencialmente em um círculo que vai centralmente ao redor do jato de líquido e seu eixo de jato. Se este círculo ficar em um plano que é verticalmente atravessado pelo eixo do jato, a primeira direção do fluxo pode ser neste plano ou pode ser dirigida para cima (até +30°) ou para baixo (70°) em relação a este plano.

No lugar deste abastecimento de gás tangencial também pode ser selecionado um radial. O abastecimento de gás também pode ter uma direção difusa. Ao passo que em uma direção de abastecimento de gás dirigida (radial, isto é, dirigida para o eixo do jato de líquido, ou tangencial, isto é, torto em relação ao eixo do jato de líquido) uma certa direção já é aplicada ao gás (por exemplo, através de canais de abastecimento de gás de execução apropriada). Em caso de um abastecimento de gás difusa, em contrapartida, nenhuma direção determinada ou pelo menos nenhuma direção uniforme é dada ao gás.

O segundo fluxo de gás que gira em torno do jato de líquido, em seguida é desviado, de preferência, para um terceiro fluxo de gás que corresponde àquele do jato de líquido. O desvio acontece a partir de uma primeira fase de solicitação de gás mais ou menos calma para um fluxo de gás rotativo com um fluxo de gás acelerado em direção de fluxo do jato de líquido, sendo que também pode ser aumentada a velocidade de rotação. Tal entrada rotativa, sendo que este movimento rotativo para bastante rapidamente, produz um comprimento do jato de líquido /_s estável grande, como será explicado mais adiante.

Para se obter um invólucro de gás para um jato de líquido que produz um comprimento do jato de líquido /_s estável grande, usa-se uma caixa com uma parede perimetral. Na caixa estão dispostos um bocal de líquido e pelo menos uma entrada de gás. Além disso, há um bocal de saída de gás através do qual o jato de líquido pode ser conduzido de tal modo que um primeiro eixo do jato de líquido e um segundo eixo do gás que fluía através do bocal de saída de gás coincidem (isto é, exceto uma tolerância acima mencionada).

De preferência, uma entrada de gás é realizada, não como faz o estado da técnica, no lugar do bocal de líquido, e sim dispor atrás do bocal de líquido no sentido da técnica do fluxo. Mas, se o espaço de acumulo de gás for suficientemente grande, a entrada de gás também pode ser posicionada em um outro lugar (por exemplo, imediatamente após o bocal de líquido).

A caixa, de preferência, será executada como um cone duplo verticalmente ereto (isto é, alinhado paralelamente ao eixo do jato de líquido) com pontas de cone mutuamente opostas. Em uma das pontas do cone, na superior, é disposto o bocal de líquido e na ponta oposta, a inferior, o bocal de saída de gás. A entrada de gás encontrar-se-á preferencialmente na área do diâmetro maior do cone duplo. A parede que para baixo vai juntando-se em forma de funil produz uma velocidade de corrente que vai aumentando na corrente dirigida para baixo. Uma rotação do fluxo de gás inicial em virtude das entradas do gás tangenciais acaba bastante rapidamente já que o jato de água arrasta o gás devido à fricção. Este tipo de entrada de gás somente serve para uma solicitação por gás mais homogênea possível do jato de líquido e para evitar uma interferência no jato de água.

O espaço intermediário (isto é, o espaço de retenção de gás) formado entre o bocal de líquido e o bocal de saída de gás também pode ter uma configuração diferente. Ele pode ter, por exemplo, uma seção transversal essencialmente constante ao longo de todo o comprimento (cilindro) ou

pode ser assimétrico em direção z (em forma de cone ou de pirâmide). Ele também pode ser cúbico. Seu diâmetro máximo verticalmente ao eixo é de 10 vezes a 100 vezes, de preferência, mais ou menos 20 vezes o diâmetro do jato de líquido.

Da seguinte descrição detalhada e do conjunto das reivindicações são evidentes outras formas de execução vantajosas e combinações de características da presente invenção.

Breve Descrição dos Desenhos

Os desenhos usados para a ilustração do exemplo de execução mostram:

A figura 1 mostra uma ilustração esquematizada de uma variação de execução do dispositivo de acordo com a presente invenção.

A figura 2 mostra uma seção transversal através de uma ilustração ampliada de um canal de bocal de um bocal de líquido do dispositivo mostrado na figura 1.

A figura 3 mostra uma seção transversal do dispositivo mostrado na figura 1 ao longo da linha III - III.

A figura 4 mostra um comprimento de jato 4 estável de um jato de líquido no ar em percurso livre (curvas - . -. e —) e sob impacto em uma superfície (curva —).

A figura 5 mostra uma ilustração análoga à figura 4, sendo, porém, que o jato de líquido é solicitado por Helio, analogamente à presente invenção.

A figura 6 mostra uma seção transversal através de um dispositivo com abastecimento de gás radial.

A princípio, partes idênticas nas figuras levam referências idênticas.

Caminhos para a Execução da Presente Invenção

A forma de execução mostrada na figura 1 do dispositivo de acordo com a presente invenção para estabilizar um jato de líquido 5 gerado com um bocal de líquido 1 possui uma caixa 7 executada como um chamado nozzle. O bocal de líquido 1 é executado como um chamado orifício. O abas tecimento do líquido 9 para o jato de líquido 5, no presente caso, água, e o acoplamento de um raio laser 10 no jato de líquido 5 não será discutido aqui. Tal coisa é descrita detalhadamente na Patente WO 95/32834 e na Patente WO 99/56907 que aqui devem ser consideradas como incluídas nos presentes documentos (em inglês: inclusion by reference). No presente contexto basta constatar que existe um raio laser (não mostrado), que uma ótica apropriada pode acoplar o raio laser gerado pelo laser no jato de água (por exemplo, como é mostrado nos documentos inicialmente mencionados).

A figura 2 mostra em seção transversal uma ilustração ampliada de um canal de bocal 11 do bocal de líquido 1 executado como orifício para a geração do jato de líquido 5. O bocal de líquido 1 possui uma superfície 13 lisa e preferencialmente é feito de diamante ou de um outro material duro. Ela possui uma espessura de 0,5 a 2 mm e um diâmetro de, por exemplo, 3 mm, portanto, possui a forma de um pequeno bloco cilíndrico. Um raio r_K de uma borda de furo 15 como entrada para o canal de bocal 11 é selecionado o menor possível, para chegar o mais próximo possível a uma entrada de arestas vivas teórica. O raio r_K deve ser inferior a 10 pm e, no presente caso, é inferior a 2 pm. Devido a esta entrada de arestas vivas é gerado um jato de líquido com um comprimento de jato l_s estável já grande. Diâmetros típicos do canal de bocal 11 estão entre mais ou menos 20 pm a 200 pm.

A parte cilíndrica do canal de bocal 11 que segue a entrada de arestas vivas 15 é o mais curto possível e fica na faixa entre inferior a cinco vezes o diâmetro d do canal de bocal 11; no presente caso é três vezes menor. Devido a tal configuração, o fluxo do jato de líquido 5 se solta da parede interna do canal de bocal 17 já na entrada de arestas vivas 15. Um canal de bocal 11 comprido demais causaria turbulências de um gás entre a parede interna do canal de bocal 17 e o jato de líquido 5. As menores interferências que agem sobre o jato de líquido produzem uma ondulação (isto é, uma fragmentação ou degeneração do jato de líquido para se tornar uma área de jato ondulado Io em direção z) e assim um comprimento de jato utilizável reduzido (com o raio laser acoplado). A parte cilíndrica 17 da parede do canal de bocal é seguinte por uma área de parede cônica 19. Esta parte cônica 19 deve reduzir eventuais interações do jato de líquido com eventuais turbulências de gás. Esta parte cônica 19 como chanfradura deveria ter um ângulo entre 90° e 150°, de preferência, entre 130° e 140° com um eixo longitudinal do canal de bocal 11. No presente caso, a chanfradura 19 possui um ângulo com uma tolerância de fabricação de 135°.

Um bocal de líquido 1 ideal seria, portanto, um furo em uma parede com uma espessura de parede e = 0. Mas, tal bocal não resistiría à pressão de água de algumas atmosferas. Por esta razão, é preciso encontrar um compromisso entre uma resistência suficiente do bocal 1 e um comprimento do jato de líquido /_s estável. Por esta razão sugere o uso da chanfradura 19 acima mencionada.

A parede interna 20 da caixa 7 que segue o bocal de líquido 1 vai ampliando-se até um diâmetro interno 21 circular máximo e vai adelgaçando-se depois como parte da parede interna 24 de novo conicamente para se tornar um bocal de saída de gás 23. A caixa 7 é executada como cone duplo, sendo que em uma das pontas do cone é disposto o bocal de líquido 1 (orifício) e no lado oposto, isto é, em baixo, é disposto o bocal de saída de gás 23.

No local do diâmetro interno 21 máximo é disposta com a mesma distância radial r_s do jato de líquido 5 ou do eixo de jato, pelo menos uma entrada de gás para o gás de solicitação. No exemplo aqui mostrado existem quatro entradas de gás 25a a 25d. A respectiva entrada de gás é executada como tubo cilíndrico 26a a 26d. Cada um destes tubos 26a a 26d desemboca tangencialmente na parede interna 27 na área do diâmetro interno 21 máximo (isto é, na distância radial r_s). O fluxo de gás de cada um destes tubos 26a a 26d flui, portanto, em uma primeira parte do fluxo 29 tangencialmente (no presente exemplo não radialmente) contra a parede interna 27, e ao chocar-se contra a parede interna 27 é desviado dentro de um segundo canal de fluxo 31 perimetral com um componente de fluxo rotativo.

O bocal de saída de gás 23 é disposto de tal modo que é atravessado centralmente pelo jato de líquido 5 que guia o raio laser. Uma vez que uma saída de gás somente se torna possível através deste bocal de sa ida de gás 23, o fluxo do gás de solicitação é desviado para baixo em uma terceira parte de fluxo 33 através da fricção com o jato de líquido 5, contra o bocal de saída de gás 23, sob o aumento de um componente de fluxo dirigido para baixo. O jato de líquido 5 que sai da caixa 7 através do bocal de saída de gás 23 está agora amplamente protegido contra o ar ambiente 36 por meio de um fluxo de gás de solicitação 35 que se encontra ao redor da face lateral do jato de líquido. Uma rotação do fluxo inicial na área dos quatro bocais de entrada de gás 25a a 25d é cada vez mais sobreposto por meio do componente do fluxo dirigido para baixo e ainda dentro da caixa 7 é amplamente dominada por este.

Como mostra a figura 2, depois da entrada de arestas vivas 15, em sentido do fluxo, forma-se um espaço intermediário 37 entre a face lateral 39 do jato de líquido 5 e a parede interna do canal de bocal 17 cilíndrica. De acordo com o efeito de uma bomba de jato de água, conforme indicado pela seta 41, o gás de solicitação é puxado para dentro do espaço intermediário 37 e arrastado junto com o jato de líquido 5. Uma vez que somente pouco gás de solicitação penetra no espaço intermediário 37, reina aqui uma baixa pressão em uma atmosfera de gás de solicitação.

Resumindo, para a geração de um comprimento do jato de líquido l_s estável longo pode se dizer que (de acordo com o exemplo de execução acima explicado) • imediatamente após a formação do jato de líquido 5, este se encontra em uma área de baixa pressão, mas em uma atmosfera de gás de solicitação;

• o gás de solicitação em uma distância maior possível do jato de líquido é levado para o espaço de retenção de gás em um sentido de fluxo não dirigido a ele;

• ao gás de solicitação pode ser acrescido um componente de fluxo que gira ao redor do jato de líquido e um componente de fluxo em direção do fluxo do jato de líquido, sendo que ambos os componentes de fluxo são levados para fins de aceleração contra a face lateral do jato de líquido;

• o jato de líquido 5 somente sai para o ar livre depois de ter acontecido a solicitação com gás através do centro de um bocal de saída de gás 23;

• o canal do bocal de líquido é executado o mais curto possível em relação ao seu diâmetro;

• a entrada do canal do bocal de líquido é feita tendo o máximo possível de arestas vivas.

Cada uma destas características contribui para o prolongamento da área estável do comprimento do jato /_s. Porém, a maior atenção deverá ser dirigida para o fato de que > O jato de líquido é conduzido através de um bocal de saída de gás que forma um jato de solicitação, afastado do bocal de líquido, sendo que o eixo do jato de líquido e o eixo do jato de gás formado coincidem essencialmente (isto é, exceto uma tolerância);

> Que o gás de solicitação somente é acrescido depois de um caminho predeterminado, afastado do bocal de líquido, em sentido de fluxo.

Para a ilustração experimental da execução acima, o diagrama mostrado na figura 4 mostra o comprimento do jato /_s estável de um jato de água 5 gerado com um bocal 1, sendo que a seção transversal do canal de bocal do bocal de líquido 1 é de 30 pm. Na ordenada é indicada o comprimento de jato l_s estável, e na abscissa, a pressão de líquido do líquido imediatamente antes da entrada para dentro do canal de bocal 11. A curva de medição em linha pontilhada com os pontos de medição indica o respectivo comprimento de jato l_s estável máximo, e a curva de medição pontilhada com os pontos de medição índia o respectivo comprimento de jato /_s estável mínimo. (O comprimento de jato oscila no percurso de tempo entre o comprimento de jato indicado máximo e mínimo). A curva de medição em linhas e pontos e na curva de medição em linha pontilhada o jato de líquido possui uma saída livre, isto é, somente a uma distância de alguns centímetros no comprimento do jato /_s fragmentado em gotas o líquido que agora não é mais um jato se choca contra uma superfície. A terceira curva de medição, a inferior, contínua com os pontos de medição A representa o comprimento do jato de líquido estável de um jato de líquido que se choca contra uma superfície.

Se agora é feita uma solicitação do jato de líquido, por exemplo, com Hélio (cuja viscosidade de gás cinemática é menor do que ar) de acordo com o processo acima descrito, então resulta, como é mostrado na figura 5, para o comprimento de jato /_s estável máximo e mínimo (curva em pontos e linhas e pontilhada) um aumento na faixa de 5 mm, isto é, de 15 a 25 %, porém, para o comprimento de jato /_s estável grande do jato de líquido que se choca e, portanto, quer não termina livremente, um aumento aos saltos.

É claramente evidente que o jato de líquido sem o invólucro de jato de gás de acordo com a presente invenção somente forma um comprimento de jato de 3 a 5 mm com valores de pressão relativamente altos (a partir de cerca de 30 KPa (300 bar)) (figura 4). Com valores de pressão abaixo de 20 KPa (200 bar), o jato relativamente fino de 30 pm sofre interferências fortes devido ao impacto sobre uma superfície. Isto mostra que o jato de líquido sem a solicitação por gás de acordo com a presente invenção nem seria apropriado como guia de ondas para o processamento de material por meio de raio laser. Conforme mostra a figura 5, somente o fluxo de gás de acordo com a presente invenção dá ao jato a estabilidade necessária. Na verdade, também no jato de líquido envolvido por um jato de gás de acordo com a presente invenção pode ser constatada uma certa redução do comprimento do jato /_s estável quando entra em contato com uma superfície. Mas assim mesmo podem ser alcançados comprimentos de jato de 25 mm a 40 KPa (400 bar) e mais. Já com um pouco mais do que 10 KPa (100 bar) o jato de líquido recebe um comprimento de jato estável de 10 mm.

O bocal de saída de gás 23 que é centralmente atravessado pelo jato de líquido 5, como mostra a figura 1, pode estar disposto diretamente na extremidade da parede interna 24 que vai se juntando conicamente, mas também pode estar disposto na frente uma pequena parte de parede circular cilíndrica.

A entrada de gás, como mostra a figura 1, pode ocorrer em um plano que é atravessado verticalmente pelo jato de líquido 5. Os tubos de entrada de gás 26a a 26d também podem estar voltados para cima contra o bocal de líquido (orifício) 1 ou para baixo contra o bocal de saída de gás 23. Para cima o ângulo não deve exceder 30° e para baixo, o ângulo não deve exceder 70°.

O número das entradas de gás não é muito importante; porém, deve se atentar para que ocorra uma entrada uniforme a uma distância maior possível da face lateral do jato de líquido 5.

A entrada de gás tangencial acima descrita consagrou-se. Mas também podem ser usados outros ângulos de entrada. É necessário atentar para o fato de que o jato de líquido 5 não seja atingido diretamente e prejudicado.

A figura 6 mostra uma seção transversal através de uma forma de execução com uma entrada radial do gás de solicitação. A seguir, os termos em cima e em baixo (que correspondem à ilustração na figura 6) são usados no lugar de em direção ao lado de entrada ou em direção ao lado de saída. Um assento 51 possui no seu lado superior uma peça de conexão anelar 53 que forma uma espécie de funil para uma ótica (não mostrada) que traz o raio laser e o foca no canal de bocal do bocal de líquido 71. No assento 51 são previstos preferencialmente vários canais de saída 55 que vão diagonalmente para fora e para baixo que escoam o líquido que poderia acumular-se, por exemplo, em caso de uma avaria na peça de conexão anelar 53.

O assento 51 possui um grande espaço oco contínuo em forma de cilindro circular onde está inserida uma peça de funcionamento cilíndrica 57 vindo debaixo (de acordo com a ilustração na figura 6) como de fosse um tampão. O assento 51 cerca a peça de funcionamento cilíndrica 57 em forma de anel e a mantém em uma disposição coaxial. Em cima (isto é, em direção à peça de conexão anelar 53) a peça de funcionamento cilíndrica 57 possui uma abertura 59 que vai adelgaçando-se conicamente de cima para baixo. Na extremidade inferior da abertura cônica é formado um ressalto onde o elemento de janela 61 encosta-se ao seu lado superior. No lado inferior do elemento de janela 61 encontra-se uma peça de fecho 65. Entre o elemento de janela 61 e a peça de fecho 65 é previsto um espaço intermediário 63 fino, por exemplo, em forma de disco, que serve como linha de abastecimento de líquido. Visto em direção axial da peça funcional cilíndrica 57, o espaço intermediário 63 tem uma espessura de, por exemplo, 0,1 a 0,4 mm. Sua extensão lateral (diâmetro) pode estar na faixa de vários milímetros (por exemplo, 5 a 10 mm).

O líquido (por exemplo, água) é levado através de um canal anelar 69 que é formado no lado interno do assento 51, e em seguida através de uma (ou várias) linhas radiais 67 da peça funcional cilíndrica 57, até o espaço intermediário 63 com a pressão necessária (por exemplo, 40 KPa (400 bar)).

A peça de fecho 65 é inserida como um tampão vindo de baixo em um espaço interno cilíndrico da peça funcional cilíndrica 57. Portanto, o elemento de janela 61 é substituível quando a peça de fecho 65 é retirada.

A peça de fecho 65 possui no seu lado superior, voltado para o espaço intermediário 63, um entalhe onde é encaixado um bocal de líquido 71 (chamado orifício). O orifício possui um canal central axial que forma o jato de líquido fino que guia o raio laser segundo o princípio de um guia de ondas ótico. O canal possui um diâmetro que corresponde ao diâmetro do jato de líquido desejado, por exemplo, 30 a 60 micrômetros. O orifício possui um diâmetro e 2 a 4 mm e uma espessura de, por exemplo, 0,5 a 2 mm.

O bocal de líquido 71 é seguido por um espaço de retenção de gás que no presente exemplo consiste em um espaço superior 73 e de um espaço inferior 75. O espaço superior 73 vai ampliando-se sucessivamente de cima para baixo. Ele pode ampliar-se continuamente ou gradualmente em forma de cone. No presente exemplo de execução ele é composto por um primeiro segmento cilíndrico, depois por um primeiro segmento cônico 73a, depois por um subseqüente segundo segmento cilíndrico e, finalmente, por um segundo segmento cônico 73b. Ela vai ampliando-se deste modo de cima para baixo em três a cinco vezes o diâmetro. O objetivo é permitir a circulação o gás de solicitação que é trazido na extremidade inferior da peça de fecho 65, na medida do possível sem interferências do jato de líquido para cima, até a saída do canal de bocal.

No lado inferior da peça de fecho 65 é disposta uma peça de bocal de gás 77. Esta é retida pela peça de fecho 65 (por exemplo, aparafusado na respectiva rosca da peça de fecho 65). A peça de bocal de gás 77 possui um espaço oco que constitui o espaço inferior 75. Ele vai adelgaçando-se de cima para baixo conicamente e vai até o canal do bocal de saída de gás 79. O canal do bocal de saída de gás 79 tem um diâmetro de, por exemplo, 1 a 2 mm.

Lá onde os dois espaços parciais 73 e 75 se encontram formando o maior diâmetro, encontra a área de entrada de gás 83. Aqui, o gás de solicitação é introduzido através de canais de abastecimento de gás 81a, 81b em forma de estrela ou radiais (por exemplo, estão previstos seis destes canais de abastecimento de gás). É um lugar, onde há uma distância máxima (radial) do jato de líquido que vai pelo eixo da peça de fecho 65. Os canais de abastecimento de gás 81a, 81b estão formados, por exemplo, no lado superior da peça de bocal de gás 77 como reentrâncias. Eles são abastecidos através de um espaço anelar 85 que é formado entre a peça de fecho 65 e a peça funcional cilíndrica 57. O abastecimento de gás externo até o espaço anelar 85 não é mostrado aqui.

A peça funcional cilíndrica 57 possui na extremidade inferior um flange 87 que pode ser fixado com um anel de fixação 89 no lado frontal inferior do assento 51.

É lógico que a presente invenção não se restringe ao exemplo de execução mostrado. A divisão construtiva nos diversos elementos (assento, peça funcional, peça de fecho etc.) permite a desmontagem do módulo, por exemplo, e fim de substituir o orifício ou o elemento de janela. Uma vez que o líquido (por exemplo, a água) precisa ser trazido com uma pressão alta, são necessárias vedações entre as diversas peças em pontos apropriados. (Estas são desenhadas na figura 6, mas não descritas detalhadamente). A subdivisão do módulo pode ocorrer, por exemplo, em um outro ponto. O módulo não precisa ser desmontável a partir do lado inferior. O espaço de retenção de gás pode - em vez de ampliando-se e adelgaçando-se conicamente - também ser executado de modo cilíndrico com uma seção transversal essencialmente constante. O gás de solicitação pode ser introduzido, por exemplo, na extremidade superior de tal espaço de retenção de gás cilíndrico e muito bem também em sentido axial (não radial). A introdução axial pode ocorrer através de vários canais, de preferência, a uma grande distância do eixo do espaço de retenção (isto é, a uma grande distância do jato de 5 líquido).

O canal do bocal de saída de gás 79 constitui a saída de gás estreitada do espaço de retenção de gás. Em dependência da demanda pode ter uma determinada forma aerodinâmica, a fim de moldar o fluxo de gás. É vantajoso de fazer o jato de gás o mais fino possível (diâmetro pequeno). 10 Com um bocal de saída de gás na faixa de 0,5 a 2 mm pode ser gerado um fluxo de gás com o respectivo diâmetro. (Nisso é lógico que o fluxo de gás pode ter seu diâmetro alterado com uma distância de propagação crescente, por exemplo, porque o gás se perde ou é freado na borda externa). Um fluxo de gás fino tem também a vantagem que a quantidade de gás necessária 15 pode ser mantida pequena. Mas de jeito nenhum é impedido trabalhar com fluxos de gás de diâmetro maior (exemplo de execução 5 mm).

Resumindo cabe constatar que a presente invenção permite o trabalho com jatos de líquido muito finos e, por conseguinte, executar cortes muito finos ou processamentos de superfícies finos.

Claims

REIVINDICAÇÕES

1. Processo para gerar um jato de líquido (5) que é apropriado para guiar um raio laser (10) incluído dentro dele de acordo com o princípio de um guia de ondas, a fim de processar uma peça a ser trabalhada (3), sendo que o jato de líquido (5) é gerado com a ajuda de um bocal de líquido (1) e sendo que o jato de líquido (5) na sua face lateral é cercado por uma corrente de gás (35), caracterizado pelo fato de que o jato de líquido (5) passa através de um bocal de saída de gás (23, 79) disposto afastado do bocal de líquido (1) que forma o fluxo de gás (35).
2. Processo de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que é gerado um jato de líquido (5) com um diâmetro de 200 pm ou menos, especialmente de 60 pm ou menos, e que o jato de gás (35) possui um diâmetro de 0,5 a 2 mm.
3. Processo de acordo com uma das reivindicações 1 a 2, caracterizado pelo fato de que para o fluxo de gás é usado um gás com uma viscosidade de gás cinemática que é menor do que aquela de um gás atmosférico ambiente.
4. Processo de acordo com uma das reivindicações 1 a 4, caracterizado pelo fato de que o gás de solicitação entra em uma primeira área de fluxo sem entrar em contato com o jato de líquido, e em uma segunda área de fluxo que segue a primeira área de fluxo é desviado de modo a fluir em torno do jato de líquido (5), sendo que a transição da primeira para a segunda área de fluxo ocorre a uma distância radial predeterminada do jato de líquido e que, de preferência, o gás de solicitação é trazido para a geração da primeira área de fluxo em vários lugares que preferencialmente possuem ângulos centrais idênticos a partir do eixo do líquido.
5. Processo de acordo com a reivindicação 5, caracterizado pelo fato de que em uma terceira área de fluxo, uma direção de fluxo contra o bocal de saída de gás (23) é imposto ao gás de solicitação, sendo que de preferência, esta orientação ocorre de tal modo que na terceira área de fluxo resulta um fluxo de gás de solicitação que acelera em direção de fluxo do jato de líquido (5).
6. Dispositivo para gerar um jato de líquido (5) que é apropriado para guiar um raio laser (10) incluído dentro dele de acordo com o princípio de um guia de ondas para fins de processamento de uma peça a ser trabalhada (3), com um bocal de líquido (1) para gerar o jato de líquido (5) e com elementos para cercar na face lateral o jato de líquido (5) com uma corrente de gás (35), caracterizado pelo fato de que os meios para cercar na face lateral o jato de líquido (5) compreendem um bocal de saída de gás (23, 79) disposto afastado do bocal de líquido (1) que forma o fluxo de gás (35) através do qual pode ser conduzido o jato de líquido (5).
7. Dispositivo de acordo com a reivindicação 6, caracterizado pelo fato de que entre o bocal de líquido (1, 71) e o bocal de saída de gás (23, 79) é previsto um espaço de retenção de gás (73, 75).
8. Dispositivo de acordo com a reivindicação 6 ou 7, caracterizado pelo fato de que o bocal de líquido (1, 71) forma uma passagem em forma de círculo através da qual pode passar o jato de líquido (5) junto com o fluxo de gás (35).
9. Dispositivo de acordo com uma das reivindicações 6 a 8, caracterizado pelo fato de que um eixo de jato conjugado ao bocal de líquido (1, 71) e um eixo conjugado ao bocal de saída de gás (35) essencialmente coincidem.
10. Dispositivo de acordo com uma das reivindicações 6 a 9, caracterizado pelo fato de que o bocal de líquido possui um diâmetro na faixa de 20 pm a 200 pm, e o bocal de saída de gás possui um diâmetro na faixa de 0,5 mm a 2 mm.
11. Dispositivo de acordo com uma das reivindicações 6 a 10, caracterizado pelo fato de que o bocal de saída de gás possui um diâmetro interno que é essencialmente dez a vinte vezes o tamanho de um diâmetro interno do bocal de líquido (1).
12. Dispositivo (7) para otimizar a coerência de um jato de líquido (5) gerado por um bocal de líquido (1) como guia de jato para o processamento de uma peça a ser trabalhada (3), especialmente de acordo com a reivindicação 6, caracterizado por uma caixa (7) com uma parede perimetral (20, 24) que abriga o bocal de líquido (1) e com pelo menos uma entrada de gás (25a a 25d) para o gás de solicitação, sendo que a entrada de gás do bocal de líquido (1) é disposto atrás, visto em sentido do fluxo.
13. Dispositivo (7) de acordo com a reivindicação 12, caracterizado pelo fato de que pelo menos uma entrada de gás (25a a 25d) define uma direção de entrada do fluxo para dentro da caixa (7) para o gás de solicitação, que a parede na área da pelo menos uma entrada de gás (25a a 25d) possui uma seção transversal circular, e que a direção de entrada, preferencialmente tangencial, entra em contato com esta parede sem influenciar o jato de líquido diretamente.
14. Dispositivo (7) de acordo com uma das reivindicações 12 ou 13, caracterizado pelo fato de que a caixa (7) é executada como um cone duplo, sendo que em uma das pontas do cone é disposto o bocal de líquido (I) , e a outra ponta do cone possui o bocal de saída de gás (23), e que a pelo menos uma entrada de gás (25a a 25d) está disposta, de preferência, na proximidade imediata do maior diâmetro do cone duplo.
15. Bocal de líquido (1) para um dispositivo (7) de acordo com uma das reivindicações 6 a 14, com um canal de bocal (11) que gera um jato de líquido (5), caracterizado por uma passagem de arestas vivas (15) de uma superfície de bocal (13) em uma entrada de bocal para o canal de bocal (II) , sendo que a passagem (15) de arestas vivas possui um raio inferior a 10 micrômetros, de preferência, inferior a 2 micrômetros.
16. Bocal de líquido (1) de acordo com a reivindicação 15, caracterizado pelo fato de que o canal de bocal (11) possui um comprimento (e) que é inferior a cinco vezes, de preferência, três vezes o diâmetro (d) do canal de bocal.
17. Bocal de líquido (1) de acordo com a reivindicação 15 ou 16, caracterizado pelo fato de que o comprimento (e) do canal de bocal (11) e a espessura do bocal de líquido (1) são selecionados justamente com a espessura tal que o bocal (1) resiste precisamente à pressão de entrada do líquido que incide sobre ele, sendo que para o reforço de estabilidade mecânica a partir de uma parede interna do canal de bocal (17) na saída do canal de bocal é formada uma chanfradura (19) que vai em forma de cone para fora do lado inferior do bocal, e a chanfradura (19) é formada sob um ângulo entre 90° e 150°, de preferência, um ângulo entre 130° e 140°, em relação ao um eixo longitudinal do canal de bocal (11).