CN102066039A - 用于减少在激光束穿刺到工件中时熔渣的附着的方法及激光加工头 - Google Patents

用于减少在激光束穿刺到工件中时熔渣的附着的方法及激光加工头 Download PDF

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Abstract

本发明涉及用于减少在激光束(3)穿刺到工件(5)中时熔渣(10)的附着的方法，其中至少一个第一附加气流(9a)以相对于激光束方向(Z)的第一角度(α1)指向工件(5)且在穿刺部位(4)的第一侧(A)和/或在该穿刺部位(4)本身处碰上工件(5)，以将熔渣(10)从穿刺部位(4)吹走。至少一个第二附加气流(9b，9b’，9b”)以相对于激光束方向(Z)的第二角度(α2)指向工件(5)且在穿刺部位(4)的与第一侧(A)相对置的第二侧(B)上与穿刺部位(4)间隔开地碰上工件(5)，第二附加气流(9b，9b’，9b”)关于垂直于激光束方向(Z)的平面(X，Y)以相对于第一附加气流(9a)的角度定向，以在被第一附加气流(9a)吹走的熔渣(10)与工件(11)之间产生气垫(11)。本发明还涉及用于执行该方法的激光加工头(1)。

Description

用于减少在激光束穿刺到工件中时熔渣的附着的方法及激光加工头
技术领域
本发明涉及一种用于减少在激光束穿刺到工件中时熔渣的附着的方法，在该方法中，至少一个第一附加气流以相对于激光束方向的第一角度指向该工件并且在一穿刺部位的第一侧和/或在该穿刺部位本身处碰上该工件，以将熔渣从穿刺部位吹走，以及涉及一种用于执行该方法的激光加工头，包括：激光切割喷嘴，在穿刺期间激光束和切割气流通过该激光切割喷嘴的喷嘴开口被指向工件上的穿刺部位；和至少一个第一气体喷嘴，所述第一气体喷嘴设置在激光切割喷嘴的第一侧并且以相对于激光束轴线的第一角度定向，以产生第一附加气流，该第一附加气流在穿刺部位的第一侧和/或在穿刺部位本身处碰上所述工件，以将熔渣从穿刺部位吹走。
背景技术
对于激光切割而言，在穿刺到厚板中时会在穿刺孔周围产生熔渣隆块，这些熔渣隆块的尺寸随着板厚的变大而显著地增加。尤其是在加工具有在30mm以上材料厚度的板时会产生显著的熔渣隆块。这些熔渣隆块尤其是在要切割内部几何形状的情况下及在构件小的情况下起干扰作用。此外，激光加工头的距离传感装置将这些隆块作为干扰轮廓识别并且调节激光加工头远离工件，这导致工艺技术方面的大量问题。为了避免这些问题，必须减少在工件上附着的熔渣隆块。
为此目的，例如由JP 10225787A已知，除穿过激光切割喷嘴流出的切割气体外，使一附加气流倾斜地指向穿刺部位，以将飞溅物和熔化的材料从穿刺部位吹走。但是在实践中表明，在穿刺到厚板中时，尽管存在附加气流也出现显著的熔渣隆块。
由DE 10138867 A1、JP 8141764 A和JP 2002292484 A已知在激光材料加工中使用多个几乎指向相同方向的附加气体喷嘴。但是，这些布置在其效果上与在JP 10225787 A中所述的具有仅一个附加气体喷嘴的布置没有本质区别。
由EP 0969947 B1和US 6494965 B1已知，除了相对于激光束方向倾斜地定向的第一气体喷嘴，在穿刺部位的相对侧上设置同样相对于激光束方向倾斜地定向的第二气体喷嘴。倾斜地指向工件的第二附加气流在这里基本上与第一附加气流逆平行地延伸并且用于制动由第一附加气流从穿刺部位吹走的灰尘或飞溅物以及限制这些灰尘或飞溅物的扩散，从而可以使它们被抽吸装置输送走。然而，这些布置不适合减少在穿刺时的熔渣附着，因为它们同样会导致熔渣在穿刺孔附近的隆起。
由JP 2001205472A还公开一种具有三个喷嘴的布置，其中一个喷嘴倾斜地指向加工喷嘴，第二喷嘴倾斜地指向工件并且第三喷嘴垂直地指向工件，这些喷嘴用于保护加工喷嘴、用于吹走熔渣以及用于压下飞溅物。然而这样的布置同样不能防止熔渣在穿刺孔附近的附着。
发明内容
与此相比，本发明的任务是，抑制在以激光束进行穿刺时熔渣在工件上的附着，并且减少自我形成的隆块的尺寸。
该任务根据本发明通过开头所述类型的方法解决，在该方法中，至少一个第二附加气流以相对于激光束方向的第二角度指向工件并且在穿刺部位的与第一侧相对置的第二侧上与穿刺部位间隔开地碰上工件，其中，第二附加气流关于垂直于激光束方向的平面以一相对于第一附加气流的角度、即不与第一附加气流平行或逆平行地定向，以便在被第一附加气流吹走的熔渣与工件之间产生气垫。第二附加气流优选以相对于第一附加气流的、在30°至135°之间的、特别优选在45°至100°之间的角度定向。也就是说，特别优选的是，第二附加气流不具有或者仅具有在第一附加气流的方向上指向的小流动分量，从而可靠地避免了熔渣在穿刺孔附近的隆起。
第一附加气流引起快速地排出熔液和熔渣并且由此使穿刺过程容易。然而，在使用仅一个附加气流时是有问题的，即：从穿刺孔中被冲刷出的热熔液接着直接在工件上重新凝固并且与该工件连接。通过相对于第一附加气流横贯地，即倾斜或者说横向地定向的第二附加气流将熔液从工件抬升并且因此防止了熔液与工件之间的连接。附加地，熔渣通过第二气流被冷却和转向，这导致熔渣在稍后遇到工件时不再具有足够的能量来熔化工件材料并且由此附着在工件上。因此，仅产生在后续的分割加工中不起干扰作用的熔渣珠。
在一种有利的变型中，第二附加气流具有基本上矩形的横截面形状，以在工件上产生平的气垫。在工件上产生平的、尽可能宽的气垫是有利的，以便防止熔渣过度地从工件抬升并且在可能时附着到将激光束会聚到穿刺部位上的激光加工头的底侧上。
优选地，在穿刺中使尤其含有氧的切割气流指向激光束的穿刺部位。对于穿刺过程即便在板厚较大的情况下也有利的是，作为穿刺气体(切割气体)使用氧，因为氧给穿刺过程提供了附加的能量。
在一种优选的变型中，第三附加气流在第二附加气流上方优选垂直于激光束方向延伸，以使被吹走的熔渣保持远离在第三附加气流上方定位的激光加工头。第三附加气流，其可以例如构造为面状的气帘和/或可以围绕设置在激光加工头上的切割气体喷嘴延伸，用于防止被第一附加气流吹走的熔渣在激光加工头的底侧上积聚。因此，通过这三个附加气流的组合可以保证在穿刺过程中受控地且确定地排走熔渣。
第二附加气流以有利的方式含有不可燃烧的气体或流体，优选压缩空气、氮或用于产生气-水雾状物的气-水混合物。该第一和/或第三附加气流优选含有氮或压缩空气。与切割气流不同，这些附加气流应当在穿刺过程中不与工件材料发生化学反应。对于当前用途在使用压缩空气时，第二附加气流的典型压力范围为约4巴，在使用氧作为切割气体时，切割气流典型地具有约3巴的压力。
优选地，第一角度在110°至160°之间选择和/或第二角度在110°至150°之间、尤其是在115°至130°之间选择。通过适当地确定第一角度，能够特别有效地将熔渣从穿刺部位运走。第二角度在这里必须这样地选择，使得第二附加气流不过于陡直地碰上工件，以防止在产生气垫的部位上出现相反的效应，即熔渣被压低到工件上。
本发明的另一个方面在开头所述类型的激光加工头中实现，该激光加工头还包括：至少一个第二气体喷嘴，第二气体喷嘴设置在激光切割喷嘴的与第一侧相对置的第二侧上并且以相对于激光束方向的第二角度定向，以产生第二附加气流，该第二附加气流在穿刺部位的与第一侧相对置的第二侧上与穿刺部位间隔开地碰上工件，其中，第二附加气流关于垂直于激光束方向的平面以相对于第一附加气流的一个角度、即不与第一附加气流平行或逆平行地定向，以在被第一附加气流吹走的熔渣与工件之间产生气垫。第二气体喷嘴在这里如上所述地用于产生第二附加气流，该第二附加气流相对于第一附加气流横向地延伸，以防止熔渣在工件上的附着。第一气体喷嘴和第二气体喷嘴在这里优选这样地定向，使得第一和第二附加气流关于垂直于激光束方向的平面夹合一个在30°至135°之间、尤其是在45°至100°之间的角度。
在一种有利的实施方式中，第二气体喷嘴为了产生具有基本上矩形的横截面形状的第二附加气流而具有隙缝状的喷嘴开口，以在工件上面产生平的气垫。显然，也可以使用具有其它出口几何形状、例如圆形或椭圆形几何形状的气体喷嘴，尤其是在为了产生尽可能宽的气垫而使用多个第二气体喷嘴时。
在一种特别有利的实施方式中，激光加工头具有第三气体喷嘴，用于产生优选垂直于激光束方向定向的第三附加气流，该第三附加气流在第二附加气流上方延伸，以使被吹走的熔渣保持远离激光加工头。以这种方式可以有效地防止被由第二附加气流产生的气垫抬升的熔渣粘到激光加工头的底侧上。附加地或者作为第三附加气流的变换，也可以在激光加工头的底侧上设置凸缘状的、例如截锥式的飞溅物防护装置。
在一种有利的实施方式中，第一角度在110°至160°之间和/或第二角度在110°至150°之间、优选在115°至130°之间。在这些角度下，可以保证在穿刺工艺期间将熔渣确定地且受控地排走。
在一种有利的实施方式中，激光加工头具有至少两个相邻设置的、平行定向的第二气体喷嘴，用于在工件上面产生宽的且平的气垫。
在一种特别优选的实施方式中，第二气体喷嘴的喷嘴开口被设置成与激光切割喷嘴的喷嘴轴线相距一个在10mm至20mm之间的距离。第二气体喷嘴的喷嘴开口在这里典型地不在第一附加气流的区域中，而是与该第一附加气流错开地设置，使得横向地延伸的第二附加气流可以在第一附加气流的整个宽度上延伸。
本发明的其它优点由说明书和附图给出。以上所述的和尚待进一步说明的特征同样可以单独地或多个任意组合地使用。示出和说明的实施方式不应理解为穷尽性的列举，更确切地说具有用于解释本发明的示例性的特征。
附图说明
附图为：
图1a、1b以在X或Y方向上的观察方向示出根据本发明的激光加工头的实施方式的两个示意性视图，和
图2a-e示出第一和第二附加气流及所属的用于在工件中穿刺的气体喷嘴的示意性视图。
具体实施方式
图1a、b分别以沿着XYZ坐标系的X轴或Y轴的侧视图示出激光加工头1。该激光加工头1具有激光切割喷嘴2，激光束3穿过该激光切割喷嘴的喷嘴开口2a射出，该激光束在工件5上产生穿刺部位4(穿刺孔)。该激光切割喷嘴2还与激光加工头1的一个填充有切割气体、尤其是氧的压力室6连接，以便使切割气流7穿过喷嘴开口2a指向穿刺部位4。
第一气体喷嘴8a设置在激光加工头1上在激光切割喷嘴2的第一侧A与穿刺部位4相距约40mm，以产生第一附加气流9a，该第一附加气流在穿刺部位4的第一侧A碰上工件5，以将熔渣10从穿刺部位4吹走。该第一附加气流9a或者说气体喷嘴8a在这里以关于激光束轴线Z的第一角度α1定向，该第一角度典型地位于110°至160°之间的区间内，以尽可能有效地将熔渣10从穿刺部位4吹走。
为了防止被第一附加气流9a从穿刺孔或者说穿刺部位4冲刷出的熔渣10在激光切割喷嘴2的相对侧B上重新凝固在工件5上并且与该工件连接，在激光加工头1上设有第二气体喷嘴8b，该第二气体喷嘴产生第二附加气流9b，该第二附加气流与穿刺部位4间隔约20mm地出现在工件5上。如在图2a中更好地看到，在该图中示出了垂直于激光束方向Z的XY平面，第二附加气流9b在XY平面上的投影中相对于第一附加气流9b横向地或者说垂直地定向。第二气体喷嘴8b在这里与穿刺部位4的中心具有约15mm或者更大的距离，该穿刺部位对应于喷嘴开口2a的中心。第二附加气流9b如在图1a中所示关于激光束方向Z以约120°的第二角度α2延伸。该第二角度α2足够平，由此第二附加气流9b在工件5与被第一附加气流9a吹走的熔渣10之间产生气垫11。为了构成气垫11，第二附加气流9b应当关于激光束方向Z以一角度范围延伸，该角度范围典型地位于约110°至150°之间、尤其是在115°至130°之间。
为了防止被第二附加气流9b从工件5提升的熔渣10到达激光加工头1的底侧并且粘到该底侧上，一第三气体喷嘴8c在激光切割喷嘴2的第二侧B设置在激光加工头1上，以产生第三附加气流9c。与第一和第二附加气流9a、9b不同，第三附加气流9c不指向工件5，而是垂直于激光束方向Z在第二附加气流9b上方并且围绕激光切割喷嘴2延伸，以保护激光加工头1免受熔渣10影响。因此，通过这三个附加气流9a-c的组合保证了将熔渣10从穿刺部位5受控地且确定地排出。
第一附加气流9a可以含有氮和/或压缩空气，第二和第三附加气流9b、9c典型地含有不可燃烧的气体，通常同样含有压缩空气或氮。如果使用压缩空气，则该压缩空气在当前应用中典型地具有4巴量级的压力。第二附加气流9b也可以具有流体成分，例如其方式是在不可燃烧的气体中混入水，以构成气-水雾状物，该气-水雾状物在熔渣10上施加附加的、冷却的效应，以将该熔渣转变成球状的熔珠，该熔珠在稍后的分割工艺中不起干扰作用。
气垫11应当构造成平的和尽可能宽的。为此目的，第二气体喷嘴8b可以具有隙缝状的喷嘴开口12，该喷嘴开口在图1b中示出并且定位在工件5上方约10mm的高度h上。当然，为了产生尽可能宽的气垫11，也可以与第二气体喷嘴8b相邻地设置一个另外的第二气体喷嘴8b’，该另外的第二气体喷嘴与该第二气体喷嘴平行地定向，以产生一个另外的第二附加气流9b’，如在图2b中所示。该另外的第二附加气流9b’在这里在工件5上与第一附加气流9结合。
此外显然的是，该第二附加气流9b或者说这些第二附加气流9b、9b’不必一定垂直于第一附加气流9a定向，更确切地说这些第二附加气流9b、9b’可以相对于第一附加气流9a以在约30°至约135°之间的角度α3定向，如在图2c、d中示例性地借助约80°的角度示出。已经被证实特别有利的是以90°或更小的角度定向，即以这样的角度定向，第二附加气流9b、9b’在所述角度下不具有向着第一附加气流9a定向的流动分量。
如在图2e中看到的那样，在使用多个第二附加气流时，这些第二附加气流不必一定平行定向。也可能的是，一个另外的第二气体喷嘴8b”设置在激光加工头1上，该另外的第二气体喷嘴产生一个另外的第二附加气流9b”，该另外的第二附加气流在正的Y方向上具有与图2d的第二附加气流9b、9b’相反定向的流动分量。
综上所述，通过使用产生气垫11的第二附加气流9b、9b’、9b”可以明显地减少穿刺部位4旁边的熔渣隆块，并且接在穿刺工序后面的切割加工可以在穿刺之后借助所述两个或三个附加气流9a、9b、9b’、9b”、9c即便对于小的部件内部几何形状也毫无问题地被执行。

Claims (15)

1.用于减少在激光束(3)穿刺到工件(5)中时熔渣(10)的附着的方法，在该方法中，至少一个第一附加气流(9a)以相对于激光束方向(Z)的第一角度(α1)指向所述工件(5)并且在一穿刺部位(4)的第一侧(A)和/或在该穿刺部位(4)本身处碰上所述工件(5)，以将熔渣(10)从所述穿刺部位(4)吹走，
其特征在于，
至少一个第二附加气流(9b，9b’，9b”)以相对于所述激光束方向(Z)的第二角度(α2)指向所述工件(5)并且在所述穿刺部位(4)的与所述第一侧(A)相对置的第二侧(B)上与所述穿刺部位(4)间隔开地碰上所述工件(5)，其中，所述第二附加气流(9b，9b’，9b”)关于垂直于所述激光束方向(Z)的平面(X，Y)以相对于所述第一附加气流(9a)的一角度(α3)定向，以在被所述第一附加气流(9a)吹走的熔渣(10)与所述工件(5)之间产生气垫(11)。
2.根据权利要求1的方法，其中，所述第二附加气流(9b，9b’，9b”)以相对于所述第一附加气流(9a)的在30°至135°之间的、尤其是在45°至100°之间的角度(α3)定向。
3.根据权利要求1或2的方法，其中，所述第二附加气流(9b，9b’，9b”)具有基本上矩形的横截面形状，以在所述工件(5)上产生平的气垫(11)。
4.根据以上权利要求之一的方法，其中，优选含有氧的切割气流(7)指向所述激光束(3)的穿刺部位(4)。
5.根据以上权利要求之一的方法，其中，第三附加气流(9c)在所述第二附加气流(9b，9b’，9b”)上方优选垂直于所述激光束方向(Z)延伸，以使被吹走的熔渣(10)保持远离在所述第三附加气流(9c)上方定位的激光加工头(1)。
6.根据以上权利要求之一的方法，其中，所述第二附加气流(9b，9b’，9b”)含有不可燃烧的气体或流体，优选压缩空气、氮或气-水混合物。
7.根据以上权利要求之一的方法，其中，所述第一和/或第三附加气流(9a，9c)含有氮或压缩空气。
8.根据以上权利要求之一的方法，其中，所述第一角度(α1)在110°至160°之间选择和/或所述第二角度(α2)在110°至150°之间、优选在115°至130°之间选择。
9.用于执行根据以上权利要求之一的方法的激光加工头(1)，包括：
激光切割喷嘴(2)，在穿刺期间激光束(3)和切割气流(7)穿过该激光切割喷嘴的喷嘴开口(2a)指向工件(5)上的穿刺部位(4)，
至少一个第一气体喷嘴(8a)，所述第一气体喷嘴设置在所述激光切割喷嘴(2)的第一侧(A)并且以相对于激光束轴线(Z)的第一角度(α1)定向，以产生第一附加气流(9a)，该第一附加气流在所述穿刺部位(4)的第一侧(A)和/或在所述穿刺部位(4)本身处碰上所述工件(5)，以将熔渣(10)从所述穿刺部位(4)吹走，
其特征在于，
设有至少一个第二气体喷嘴(8b，8b’，8b”)，所述第二气体喷嘴设置在所述激光切割喷嘴(2)的与所述第一侧(A)相对置的第二侧(B)并且以相对于所述激光束方向(Z)的第二角度(α2)定向，以产生第二附加气流(9b，9b’，9b”)，该第二附加气流在所述穿刺部位(4)的与所述第一侧(A)相对置的第二侧(B)上与所述穿刺部位(4)间隔开地碰上所述工件(5)，其中，所述第二附加气流(9b，9b’，9b”)关于垂直于所述激光束方向(Z)的平面(X，Y)以相对于所述第一附加气流(9a)的一角度(α3)定向，以在被所述第一附加气流(9a)吹走的熔渣(10)与所述工件(5)之间产生气垫(11)。
10.根据权利要求9的激光加工头，其中，所述第一气体喷嘴(8a)和所述第二气体喷嘴(8b，8b’，8b”)这样地定向，使得所述第一附加气流(9a)和所述第二附加气流(9b，9b’，9b”)关于垂直于所述激光束方向(Z)的平面(X，Y)夹合一个在30°至135°之间、优选在45°至100°之间的角度(α3)。
11.根据权利要求9或10的激光加工头，其中，所述第二气体喷嘴(8b)具有隙缝状的喷嘴开口(12)以产生具有基本上矩形的横截面形状的第二附加气流(9b)。
12.根据权利要求9至11之一的激光加工头，其中，设有至少一个第三气体喷嘴(8c)，用于产生优选垂直于所述激光束方向(Z)定向的第三附加气流(9c)，所述第三附加气流在所述第二附加气流(9b)上方延伸，以使被吹走的熔渣(10)保持远离所述激光加工头(1)。
13.根据权利要求9至12之一的激光加工头，其中，所述第一角度(α1)在110°至160°之间和/或所述第二角度(α2)在110°至150°之间、优选在115°至130°之间。
14.根据权利要求9至13之一的激光加工头，其中，设有至少两个相邻设置的、平行定向的第二气体喷嘴(9b，9b’)。
15.根据权利要求9至14之一的激光加工头，其中，所述第二气体喷嘴(9b)的喷嘴开口(12)被设置成与所述激光切割喷嘴(2)的喷嘴开口(2a)具有一个在10mm至20mm之间的距离(d)。
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