CN102256738A - 用于加工板的激光加工喷嘴 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及用于加工板、特别是用于切割厚度大于8mm的不锈钢板的激光加工喷嘴(17a)，包括：用于加工气体和激光射束的供应室(24)以及沿着喷嘴纵轴线(23)连接在所述供应室(24)上的相对于所述供应室(24)变窄的嘴部区域(25)。在所述供应室(24)与所述嘴部区域(25)之间形成有用于使加工气体涡旋的台阶(26)以及相对于所述嘴部区域(25)扩宽的开口区域(28)沿着所述喷嘴纵轴线(23)连接在所述嘴部区域(25)上。

Description

用于加工板的激光加工喷嘴
技术领域
本发明涉及一种用于加工板、特别是用于切割厚度大于8mm的不锈钢板的激光加工喷嘴，包括：用于加工气体的供应室和激光射束以及沿着喷嘴纵轴线连接在所述供应室上的相对于所述供应室变窄的嘴部区域。
背景技术
在激光加工、特别是在激光切割板时，在加工过程中将加工气体或切割气体通过激光加工喷嘴供应到加工部位上。所述切割气体在此在机械方面支持切割过程：在加工部位上方在切割时形成压力垫，所述压力垫使得在切割过程中产生的熔体和熔渣从切口中排出。
目前通常使用下述激光加工喷嘴，其具有供应室，所述供应室具有用于激光射束和加工气体的锥形内轮廓。所述供应室的锥形内轮廓过渡为圆柱形的嘴部区域，该嘴部区域的直径等于供应室的面向所述嘴部区域侧上的内轮廓的直径。对于不同的板厚度使用不同的喷嘴直径，其中，经验定律是：板越厚则喷嘴直径越大。较大的喷嘴直径导致较高的质量流，所述较高的质量流是必须的，因为需要将更多材料从切口中排出。
如果材料在加工时仅仅熔融而不燃烧的话(所谓的“熔割”)，则在喷嘴直径大时切割头压力室中的气体压力必须具有最小水平(＞15…25bar)，由此使得加工部位上压力垫中的压力这样地高，使得能够将熔体可靠地排出。
除了上述标准喷嘴之外，公开了大量用于专门目的的喷嘴，例如在US6423928中描述了例如用于激光器支持的燃烧切割的拉法尔喷嘴或用于切割硅锭的喷嘴，它们在面向工件的一侧具有锥形的开口区域。
通过本申请人的WO 2007 059787公开了一种喷嘴，其具有作为供应区域的内锥体、圆柱形的嘴部区域和连接在嘴部区域上的面向工件的空心室，该空心室具有用于产生紊流的边缘。那里所述的喷嘴适合于切割厚度大于8mm的不锈钢板。在空心室中产生压力垫，所述压力垫使得中央切割气体射束稳定。结果是这导致切割气体射束更好地贴靠在熔体前部上并且由此使熔体连续地排出。明显的是切割棱边的粗糙度明显降低。
但是已经表明，所述喷嘴的优点只有当喷嘴与板之间以小间距(0.3mm＜d＜0.5mm)工作时才能利用。如果所述间距太大，则压力垫太小，以致不足以实现期望的气体动态效果并且将熔体排出。
金属的激光加工喷嘴通常与激光加工机的其余部分(并且从而也与工件：通常是金属板)电绝缘，例如其方式是，所述激光加工喷嘴借助于介电材料、特别是陶瓷固定在激光加工机上。借助于间距调节装置的传感器持久地测量所述系统“喷嘴-板”的电容量。根据电容量的增大可以推断出间距减小。但是在小于0.4mm的间距范围内，公知的间距调节装置不再与公知的激光加工喷嘴足够令人满意地相互作用。所述间距调节装置的传感器求得测量值，所述测量值由间距调节装置评估为激光加工喷嘴与工件的碰撞。此外，所述间距在小值时比例如在1.0mm的情况下被显著更敏感地调节。如果现在导致电磁场的小干扰(例如通过气体等离子体引起)则这导致间距的立即改变。由此明显干扰所述过程的气体动态：熔体排出变差并且可导致切口的撕裂或者导致碰撞通知。因此恰恰在所述间距范围内强制地需要激光加工喷嘴的小的易受干扰性。
发明内容
本发明的任务是，在过程稳定性方面改善用于加工板、特别是用于切割厚度大于8mm的不锈钢板的激光加工喷嘴。
根据本发明，所述任务通过本文开头所述类型的激光加工喷嘴解决，该激光加工喷嘴此外包括：在所述供应室与所述嘴部区域之间形成的用于使加工气体涡旋的台阶以及沿着所述喷嘴纵轴线连接在所述嘴部区域上的相对于所述嘴部区域扩宽的用于排出加工气体的开口区域。
所述开口区域的敞开的内轮廓大致形成流动剖面，所述流动剖面在WO2007 059787的喷嘴中在层流与紊流之间的界线上出现并且由此预给出加工部位上的公认有利的流动状况。在供应室中，在供应室与嘴部区域之间的台阶上出现涡流，所述涡流用作压力垫并且可以缓冲压力的小改变(所述压力小改变在喷嘴间距改变时出现)。通过这种方式提供了一种用于加工板的激光加工喷嘴，所述激光加工喷嘴即使在激光加工喷嘴与板之间的间距小于0.8mm或0.5mm的情况下也能过程可靠地使用。典型的方式是，在此供应室、嘴部区域和开口区域径向对称地并且相对于喷嘴纵轴线同轴地设置。
供应室与嘴部区域之间的台阶可以在一个垂直于喷嘴纵轴线的平面内延伸，但是也可以的是，所述台阶与喷嘴纵轴线夹成大于或小于90°的角度，所述角度例如可以在约80°与100°之间。所述台阶也不必非得是平坦面，必要时也可以具有曲率，特别是所述台阶的外边缘可以在一个倒圆的角部上过渡为所述供应室的周面。重要的是，通过所述台阶在所述激光加工喷嘴的内轮廓中产生不连续部，所述不连续部引起加工气体的涡旋。
在一个实施方式中，覆盖所述台阶的横截面至少是所述嘴部区域的横截面的四倍。所述台阶的横截面在此定义为这样的面，所述面在一个垂直于喷嘴纵轴线的平面中覆盖所述台阶(包括嘴部区域在内)。实验表明，所述台阶的横截面与所述嘴部区域的横截面相比应比较大并且特别是应多于嘴部区域横截面的四倍、必要时甚至多于八倍。如果以径向对称的内轮廓为出发点，则所述台阶的外直径特别是应至少为所述圆柱形嘴部区域直径的两倍并且通常不超过该直径的四倍。
在一个实施方式中，所述开口区域的直接连接在所述嘴部区域上的优选锥形成形的第一区段具有第一开口角度，该第一开口角度在20°与80°之间，优选在25°与35°之间。实验表明，喷嘴轮廓应在开口区域的直接连接在嘴部区域上的区段中以一个角度打开，该角度比在具有可比较的尺寸的拉法尔喷嘴的情况下大，在拉法尔喷嘴中开口角度典型的方式是不大于10°。当喷嘴轮廓具有至少一个锥形成形的区段时，所述激光加工喷嘴可以特别简单地制造。
在一个有利的实施方式中，在所述第一区段上连接着一个优选锥形成形的第二区段，该第二区段具有较大的第二开口角度，该第二开口角度在100°与160°之间，优选在135°与145°之间。在加工侧期望的流动状况已经可以通过两个特别是锥形的区段以良好的近似模仿。可以理解的是，在开口区域中也可以形成多于两个锥形的区段，所述区段的开口角度随着与嘴部区域的间距的增加而越来越大。在这种情况下，所述开口角度可以从第一锥形区段中的开口角度起(该开口角度通常大于20°)与在只有两个区段的情况不同地从一个区段至另一个区段慢慢上升。
已经表明，有利的是，在所述第一区段与第二区段或必要时另外的区段之间分别形成一个倒圆部，以便获得这些区段之间的连续过渡并且从而反作用于排出的气流的涡旋形成。可以理解的是，在激光加工喷嘴的排出开口的区域中，在锥形成形的区域上可连接一个圆柱形的区域，所述圆柱形的区域在喷嘴纵向方向上具有小的长度，最后一个锥形成形的区段必要时不连续地、即无倒圆部地过渡为所述圆柱形的区域。
在另一实施方式中，所述开口区域的内轮廓的开口角度随着与嘴部区域间距的增大而特别是连续地增大。所述开口角度的增大可以如上所述地沿着两个或更多锥形区段进行。如果锥形区段的数量选择得非常大，则可借助于所述锥形区段对于所述开口区域的内轮廓的半径近似一个预给定的函数。可以理解的是，所述内轮廓的半径也可以直接与优选连续的、单调递增的数学函数相适配。
在另一实施方式中，所述激光加工喷嘴的在所述开口区域上形成的排出开口的直径至少是所述开口区域沿着喷嘴纵轴线的长度的两倍。实验表明，对于加工气体的排出来说，排出开口的直径选择得比开口区域的长度相对大是特别有利的。
在另一实施方式中，所述供应室和所述嘴部区域相对于喷嘴纵轴线同轴地设置以及优选圆柱形地构成。如果不仅将供应室而且将嘴部区域构造为圆柱形，则所述台阶形成所述圆柱形的供应室的基面，所述圆柱形的嘴部区域的周面连接在该基面上。典型的方式是，所述嘴部区域构造为圆柱形，而供应室可以构造为圆柱形或必要时也可以构造为其他形状例如矩形或正方形。在所述供应室上形成的台阶必要时也可以相对于喷嘴纵轴线不是成角度地延伸，而是必要时是锥形的面，其中，喷嘴纵轴线与台阶之间的角度应在约80°与约100°之间。只要确保在所述台阶上形成加工气体的涡旋，则也可考虑所述台阶的弯曲的延伸走向。
从说明书和附图中得出本发明的其它优点。前面所述的以及还进一步提出的特征也可以单个地或者成多个任意组合地使用。所示出的和描述的实施方式不应被理解为穷举，而是对于描述本发明具有示例性特性。
附图说明
附图示出：
图1激光切割机的示意图；
图2a，b具有一个透镜(图2a)和具有两个镜子(图2b)的激光加工头的示意图；
图3是本发明的激光加工喷嘴的一个实施方式的示意图，所述激光加工喷嘴具有一开口区域，所述开口区域具有唯一一个锥形区段；
图4是激光加工喷嘴的一个实施方式的示意图，所述激光加工喷嘴具有一开口区域，所述开口区域具有两个锥形区段；
图5是类似于图4的视图，在两个锥形区段之间具有倒圆部；
图6是激光加工喷嘴的一个实施方式的示意图，所述激光加工喷嘴具有一开口区域，所述开口区域具有连续上升的开口角度。
具体实施方式
图1示出用于进行激光切割的激光切割机1，具有激光共振器2、激光加工头4和工件支座5。可采用CO2激光器或固体激光器特别是圆盘激光器、二极管激光器或纤维激光器作为激光共振器2，这要视对于由激光共振器2产生的激光射束6在波长、最大射束质量等方面要求何种功率特征而定。
由激光共振器2产生的激光射束6借助于射束导向装置3例如借助于转向镜3a引导并且按照加工任务成形。射束导向装置3在所述激光切割机1运行期间被完全屏蔽，一方面是出于安全原因，另一方面是为了避免污染。
激光加工头4形成所述射束导向装置3的终端，在该激光加工头中，激光射束6聚焦到加工部位7上以及垂直于工件8(例如厚度大于8mm的不锈钢薄板)的表面8a定向以熔融该工件8的材料。
为了进行激光切割，用激光射束6首先穿入到工件8中，也就是说，工件8在一个部位上被点状地熔融或氧化并且在此形成的熔体被吹出。然后，激光射束6在工件8上运动，从而形成连续的切割缝9，所述激光射束6沿着所述切割缝将工件8切割开。
通过在激光加工头4中添加加工气体不仅可支持所述穿入而且可支持所述激光切割。可采用氧、氮、压力空气和/或专用气体作为切割气体10，所述气体在机械方面(通过切割气体的压力使熔体从切口中排出)并且必要时在化学方面(通过支持燃烧)支持切割过程。最终使用哪种气体取决于需切割何种材料和对工件提出的质量要求。在切割时产生的颗粒和气体可借助于抽吸装置11从抽吸室12中吸出。中央控制单元13用于所述加工过程的自动控制，特别是用于将激光切割头4自动定位在加工部位7上以及用于调节激光射束6的射束参数(例如激光器功率)和机器上的加工参数(例如气体类型、气体压力、喷嘴间距…)。
在图2a中示出图1中激光切割头4的呈透镜-切割头4a形式的第一实施例。所述透镜-切割头4a具有配置给射束导向装置3的壳体区域14a和配置给激光加工的壳体区域14b，这些壳体区域通过中间壁15气密地彼此隔开。在所述中间壁15中集成一个聚焦透镜16。配置给射束导向装置的壳体区域14a被用纯气体冲洗并且由此被保护免受周围环境的污物颗粒(例如切割烟雾)和不期望的气态污物。相反，配置给激光加工的壳体区域14b被加载加工气体10、典型的是氮或氧，以便在机械方面并且必要时在化学方面支持该加工。在配置给激光加工的壳体区域14b中在加工期间存在多Bar的压力。激光射束6和切割气体10通过激光加工喷嘴17a引导至工件8上，后面会结合图3详细描述所述激光加工喷嘴。
图2b示出图1的激光切割头4，其呈镜子切割头4b的形式。该激光加工头也具有配置给射束导向装置3的第一壳体部分14a，该第一壳体部分通过光阑18与配置给激光加工的第二壳体部分14b隔开。通过第一壳体部分14a中的聚焦抛物线曲面镜19在所述光阑18的区域中形成中间焦点。设置在第二壳体部分14b中的椭圆曲面镜20将所述激光射束6聚焦到工件8上的加工部位7上的聚焦点上。
第一壳体部分14a被用低过压的纯气体冲洗，第二壳体部分14不再具有气体冲洗。为了能够用所述镜子切割头4b进行激光切割，借助于环状间隙喷嘴17b实施切割气体10的压力升，所述环状间隙喷嘴在图4中详细示出并且在后面详细描述其结构。因为这种结构类型的喷嘴可具有回流，所以通过光阑18与环状间隙喷嘴17b之间足够大的开口21负责排流可能性。所述开口21被这样确定尺寸，使得在第二壳体部分14b中不会出现大于射束导向装置中的压力的静压力，以避免泄漏流的方向逆转到射束导向装置3中。
不仅透镜-切割头4a的激光加工喷嘴17a而且镜子-切割头4b激光加工喷嘴17b都被以典型的方式相对于激光加工机1并且从而相对于工件8电绝缘(例如通过陶瓷形式的电介质)。借助于未示出的间距调节装置的传感器可以永久地测量所述系统“喷嘴-(金属薄)板”的电容量并且根据电容量的增大可以推断间距的减小，以便在激光加工过程中获得尽可能精确的间距测量。下面借助于图3至6描述激光加工喷嘴17a-d，所述激光加工喷嘴即使在小于0.8mm的间距时也适合于在工件8上过程可靠地进行切割加工。
图3示出用于图2a的透镜-切割头4a的激光加工喷嘴17a。该激光加工喷嘴17a具有与喷嘴纵轴线23基本上旋转对称的喷嘴头22，该喷嘴头沿着所述喷嘴纵轴线23首先具有用于激光射束(参见图2a)以及用于加工气体10的圆柱形的供应室24，在所述供应室上连接着一个圆柱形的嘴部区域25。所述圆柱形的供应室24和嘴部区域25与喷嘴纵轴线23同轴地设置。所述圆柱形的供应室24具有约8mm的直径d1，所述圆柱形的嘴部区域25具有约2.8mm的直径d2。所述供应室24与所述嘴部区域25之间的过渡部上形成一个台阶26，所述台阶的横截面积(包括嘴部区域25的横截面积在内)1/4π(d1)2大于嘴部区域25的横截面积1/4π(d2)2的四倍。所述台阶26用于使加工气体10涡旋，也就是说，在供应室24中在所述台阶26上邻近层流区域出现紊流区域，所述紊流区域在图3中作为涡旋27示出。所述涡旋27用作压力垫块并且能够缓冲压力的小改变，所述压力的小改变可在激光加工喷嘴17a与工件8的间距改变时出现。
在背离供应室24的侧上，一开口区域28沿着喷嘴纵轴线23连接在所述圆柱形的嘴部区域25上，所述开口区域相对于所述嘴部区域在径向上扩宽并且由唯一一个锥形的区段28a构成，所述锥形的区段具有约75°的开口角度α。在所述开口区域28的背离嘴部区域25的侧上形成激光加工喷嘴17a的排出开口30，所述排出开口的直径d3基本上等于所述圆柱形的供应室24的直径。所述开口区域28的长度L为约3mm，也就是说，所述排出开口30的约8mm的直径d3大于其两倍。所述开口区域28的径向扩宽的内轮廓28a大致形成流动剖面，所述流动剖面在按照WO 2007 059787的喷嘴中在层流与紊流之间的界线上形成并且由此在加工部位上预给出公认有利的流动状况。
图4示出激光加工喷嘴17b，其与图3中所示激光加工喷嘴17a的区别是，开口区域28具有两个锥形的区段28a、28b，第一区段具有约30°的第一开口角度α，连接在第一区段上的第二区段具有开口角度β，该开口角度大于第一开口角度α并且在本例中为约140°。借助于所述两个区段28a、28b可以在加工部位7上以良好的近似获得期望的流动状况。所述激光加工喷嘴17b此外具有环状间隙31，该环状间隙用于将加工气体10供入到供应室24中。在图2b所示的镜子切割头4b的情况下需要加工气体10直接在喷嘴体22上的这种供应，因为如上所述，在这种情况下在激光加工喷嘴17b上进行压力升。
图5示出激光加工喷嘴17c的简化的实施例，其中，在第一与第二锥形区段28a与28b之间插入一个倒圆部28c，以便在两个锥形区段28a、28b之间获得连续的过渡并且从而避免紊流。在所述第二锥形区段28b上连接着一个圆柱形区段28d，所述圆柱形区段在喷嘴纵轴线23的方向上具有约0.5mm长度并且在该圆柱形区段上形成有排出开口30。
最后，图6示出激光加工喷嘴17d，在该激光加工喷嘴的情况下，开口区域28基本上具有喇叭的形状。紧邻嘴部区域25的开口角度α约为20°，该开口角度在此随着与嘴部区域25间距的增大而连续增大。可以理解的是，在这种情况下所述开口区域28如图5中那样通过圆柱形的区段终止，在该圆柱形的区段上形成有排出开口30，其中，在这种情况下通往圆柱形区段的过渡也无需连续地进行。
在图3至6中所示的所有激光加工喷嘴17a-d的情况下，开口区域28的第一区段28a具有大于20°的开口角度α，也就是说，开口区域28大于具有可比较的嘴部直径d2的拉法尔喷嘴的开口角度。在图3至6中，尽管台阶26在一个垂直于喷嘴纵轴线23的平面中示出，但所述台阶26也可以与该平面夹成不等于90°、典型地在70°与110°之间的角度，也就是说，所述台阶26可以朝喷嘴纵轴线23或背离该喷嘴纵轴线倾斜，重要的是，该台阶产生加工气体10的涡旋。
也可以理解的是，为了在图2b的镜子-切割头4b上使用，不仅图4中所示的激光加工喷嘴17b，而且图3、5和6中的其余激光加工喷嘴17a、17c、17d可以设有环状间隙31。在上述所有情况下，激光加工喷嘴17a-d能够过程稳定地用于切割厚度大于8mm的不锈钢板。

Claims (8)

1.用于加工板(8)、特别是用于切割厚度大于8mm的不锈钢板的激光加工喷嘴(17a-d)，包括：用于加工气体(10)的供应室(24)和激光射束(6)以及沿着喷嘴纵轴线(23)连接在所述供应室(24)上的相对于所述供应室(24)变窄的嘴部区域(25)，其特征在于，设有在所述供应室(24)与所述嘴部区域(25)之间形成的用于使加工气体(10)涡旋的台阶(26)以及沿着所述喷嘴纵轴线(23)连接在所述嘴部区域(25)上的相对于所述嘴部区域(25)扩宽的开口区域(28)。
2.根据权利要求1的激光加工喷嘴，其中，覆盖所述台阶(26)的横截面积至少是所述嘴部区域(25)的横截面积的四倍。
3.根据权利要求1或2的激光加工喷嘴，其中，所述开口区域(28)的直接连接在所述嘴部区域(25)上的优选锥形成形的第一区段(28a)具有第一开口角度(α)，该第一开口角度在20°与80°之间，优选在25°与35°之间。
4.根据权利要求3的激光加工喷嘴，其中，所述开口区域(28)的连接在所述第一区段(28a)上的优选锥形成形的第二区段(28b)具有第二开口角度(β)，该第二开口角度在100°与160°之间，优选在135°与145°之间。
5.根据权利要求4的激光加工喷嘴，其中，在所述第一区段(28a)与所述第二区段(28b)之间形成倒圆部(28c)。
6.根据上述权利要求中任一项的激光加工喷嘴，其中，所述开口区域(28)的开口角度(α)随着与嘴部区域(25)间距的增大而特别是连续地增大。
7.根据上述权利要求中任一项的激光加工喷嘴，其中，所述激光加工喷嘴(17a-d)的在所述开口区域(28)上形成的排出开口(30)的直径(d3)至少是所述开口区域(28)沿着喷嘴纵轴线(23)的长度(L)的两倍。
8.根据上述权利要求中任一项的激光加工喷嘴，其中，所述供应室(24)和所述嘴部区域(25)相对于喷嘴纵轴线(23)同轴地设置以及优选圆柱形地构成。
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