CN106041318B - 用于切割由板状材料构成的金属工件的方法和装置 - Google Patents

用于切割由板状材料构成的金属工件的方法和装置 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种用于以激光燃烧切割过程从板状材料(7)切割金属工件(16)的方法，其中，带有氧气过程气体射流(22)的激光射线(6)通过加工头(4)上的切割喷嘴(20)对准并刺入板状材料(7)上的加工地点(B)，使带有氧气过程气体射流(22)的激光射线(6)在板状材料(7)上运动，形成连贯的切割缝隙(9)并使工件(16)在形成剩余格栅(8)的情况下从板状材料(7)分离出，在切割过程期间至少暂时将与氧气过程气体(10)不同的外来气体(14)输入给加工地点(B)，并且输入外来气体的持续时间期间在切割缝隙(9)中形成熔渣，熔渣留在切割缝隙(9)中并至少部分地封闭切割缝隙，使得切割出的工件(16)保持在剩余格栅(8)中。本发明还涉及一种用于实施该方法的激光切割机。

Description

用于切割由板状材料构成的金属工件的方法和装置
技术领域
本发明涉及一种用于以激光燃烧切割过程来切割由板状材料构成的金属工件的方法，其中，带有氧气过程气体射流的激光射线通过激光切割机的加工头上的切割喷嘴对准工件上的加工地点并且刺入，并且使带有氧气过程气体射流的该激光射线在工件上运动，使得形成贯通的切割缝隙，并且在形成剩余格栅的情况下将工件由板状材料中切割出来。本发明还涉及一种适用于实施所述方法的激光切割机。
背景技术
对于板状材料在本申请的意义上也理解为具有比宽度大的延伸尺度的三维成型材料，在激光切割板状材料时，切割出来的部分会由于其几何形状或者由于工件支座的支撑不够而倾翻。这导致增大了加工头的碰撞风险以及降低了切割结束时的切割质量并且使切割后的板状材料、即至少一个工件和所形成的剩余格栅的自动卸料变得困难。
为了避免切割后的工件在剩余格栅中倾翻，已知的是，不完全结束轮廓的切割，而是留出一个桥接条(所谓微连接)，该桥接条使工件与剩余格栅连接。替换地，可以事后借助短的激光脉冲再焊接切割缝隙(所谓微焊)。通常在将板状材料从激光切割机卸料之后，微连接或微焊在分开过程步骤中被分离开。这可以通过手工折断、振动或者也可以通过新的激光切割过程来实现。这些方法的缺点在于，至少在机械地分离微连接或微焊时在切割棱边上留下了可见的痕迹。
因此，在WO2010097761A1中替换地提出，通过加入胶粘剂将切割出的工件固定在剩余格栅中，因为接下来可以将胶粘剂更容易地并且无残留地去除。此外，例如由JPH03138027A公开，切割出的工件借助胶带保持在剩余格栅中。
由DE4131650C2公开了一种用于线材侵蚀的方法，其中，通过有针对性地影响侵蚀参数这样改变侵蚀过程，使得引入在侵蚀间隙中引起沉积的物理化学过程。该沉积可以这样产生：使得沉积物将切割后的工件保持在剩余格栅中。在此，沉积物来自于侵蚀线材的线材材料。
发明内容
本发明的目的在于，提供一种用于激光燃烧切割的简单方法，以阻止切割出的工件在剩余格栅(剩余工件)中倾翻。
本发明所基于的目的通过一种方法实现，在该方法中，在切割过程期间，有针对性地至少暂时将与过程气体氧气不同的外来气体输送给加工地点，并且在输入外来气体的持续时间期间在切割缝隙中形成熔渣，这些熔渣至少部分地留在切割缝隙中并且封闭该切割缝隙，由此将切割出的工件保持在剩余格栅(剩余工件)中。通过根据本发明的方法，既不需要微连接，也不需要微焊，用于将切割出的工件在不倾翻的情况下固定至剩余格栅。这具有的优点是，切割出的工件可轻易松脱地保持在剩余格栅中并且可以仅用小的力作用即可从剩余格栅松脱。因此，在将工件从剩余格栅分离后在工件的切割棱边上不留下附着物印记或残留物。根据本发明认识到，与迄今的向激光燃烧切割引入尽可能高纯度的氧气的做法相反，通过将外来气体混合到过程气体中，可以有针对性地为了在切割缝隙中形成熔渣而影响过程地点或者说加工地点上的氧化条件，使得形成的熔渣留在切割缝隙中并且使断割出的工件保持在剩余格栅中。通过残留的熔渣至少部分地填充切割缝隙，构成至少一个桥接条，通过所述桥接条使工件无倾翻地保持在剩余格栅上。
优选，这样选择或适配加工参数(主要为气压、外来气体量和激光功率)：使得从激光射线在切割缝隙中从优选板状的材料出来的射出侧开始并且仅在切割缝隙的部分高度上延伸地形成由熔渣构成的桥接条。也就是说，加工参数的选择使得仅在切割棱边的下部区域中产生熔渣。由此，以后的工件折断更容易并且在切割棱边上不留下可见的印迹，因为切割棱边上的典型氧化层在切割棱边的下部区域中最厚并且最容易松脱。
优选，在加工头移动运动以产生切割缝隙期间，通过输入外来气体的持续时间来确定在切割缝隙中由熔渣形成的桥接条的长度。由此可以根据板材料的厚度和/或工件的大小来确定桥接条的长度，以确保切割后的工件在剩余格栅中的充分固定，使得能够简单地从加工机卸料。优选，外来气体的输入在预定时间间隔内进行或者持续地进行。由此可以确定由熔渣构成的桥接条的长度。在此，在切割薄的工件时与在切割较大厚度的工件时相比以更短的持续时间进行外来气体的混入并且仅形成短小的熔渣桥接条。在较小厚度的小工件中一个单个的残留物桥接条就可以足够。在较厚的工件中产生更多或更长的残留物桥接条，以施加更大的保持力。
在激光燃烧切割时，与激光射线平行或者同轴地通过加工头上的切割喷嘴输出过程气体射流。使用高纯度的氧气作为过程气体，以形成过程气体射流。外来气体的输入导致有针对性地污染过程气体射流，由此改变过程地点上的氧化条件并引起熔渣形成。优选使用氮气、氮-氧混合气(例如压缩空气)、氢气或惰性气体作为外来气体。通过选择外来气体也可以影响熔渣的强度，使得将工件可靠地保持在剩余格栅上并且同时确保在工件从剩余格栅脱模之后使熔渣无残留地去除。
优选，输入的外来气体的含量少于输入的过程气体的百分之三、优选少于百分之一。极小的外来气体良已足够促进熔渣形成。为了尽可能无残留地去除熔渣，外来气体含量选择得非常小。随着外来气体含量升高，熔渣的强度升高并且由此工件在剩余格栅中的保持力也升高，从而能够通过计量外来气体来控制保持力。因此，随着工件厚度增大而增大外来空气的配给量。
此外，外来气体优选通过加工头上的切割喷嘴或者通过对准加工地点的外来气体喷嘴来输入。由此可以在不影响激光燃烧切割的过程参数并且不影响激光射线输入的情况下通过过程空气射流来改变过程地点上的氧化条件。
此外，优选通过作用于剩余格栅或至少一个切割出的工件上的机械应力使由熔渣构成的桥接条松脱。由脆性的熔渣形成的桥接条在机械应力下容易剥落，从而没有附加物印迹残留在工件上。因而可以将剩余格栅与至少一个切割出的工件一起从激光切割机的工件支座或者从卸料站取出，然后才通过振动或者手工折断使桥接条松脱。
附图说明
本发明以及进一步的有利实施方式和实施方式的扩展方案在下面根据附图中所示实例来详细地描述和说明。可从说明书和附图中得出的特征根据本发明可以各自单独地或者多个任意组合地应用。附图示出：
图1激光加工机的示意图，
图2通过本发明方法用板状材料制成的工件的示意图，该工件通过由熔渣构成的桥接条保持在剩余格栅中，
图3沿着图2中线II-II的示意性剖视图，
图4带有切割出的工件的剩余格栅在脱模时的示意性视图和
图5对准加工地点的、具有外来气体的加工头的示意性放大细节图。
具体实施方式
图1作为激光切割机1的实例示出用于激光燃烧切割的CO2激光切割机，该CO2激光切割机具有CO2激光源、加工头4和工件支座5。由激光源2或者存在于激光源2中的谐振器产生的激光射线6借助于射束引导装置3被从(未示出的)转向镜引导到加工头4，并且在加工头中聚焦以及借助于在图1中同样未以图示出的反射镜垂直于板状材料7的表面8a定向。激光射线6的射束轴线(光轴)垂直于板状材料7的表面8a延伸。激光射线与氧气过程气体射流22一起在过程地点B上作用于板状材料7。替换地，激光切割机1可以具有固体激光器作为激光源，该固体激光器的射线借助于光导线缆被引导到激光加工头。
为了对板状材料7进行激光燃烧切割，用激光射线6在输入作为过程气体10的氧气的情况下首先刺入，也就是说，使板状材料7在一个部位上点状熔化并且通过放热反应而氧化。接着使激光射线6在板状材料7上运动，从而产生连贯的切割缝隙9，在该切割缝隙上激光射线6切断板状材料，由此在剩余格栅8中产生至少一个切割出的工件16(图2)。所述刺入以及所述激光燃烧切割都在作为过程气体的氧气的作用下进行。过程气体射流22相对于激光射线6平行地或同轴地被输入。为了激光燃烧切割，通常输入尽可能高纯度的、具有0.4bar至5bar气压的氧气作为过程气体。
在刺入并且激光燃烧切割期间产生的颗粒和气体可以借助于抽吸装置11从抽吸室12吸走。
激光切割机1的操控通过机器控制装置21进行，其中，机器控制装置21控制刺入过程并且承担激光切割机1的用于形成切割缝隙9的其它控制任务。机器控制装置21与激光器控制装置2a处于信号技术上的连接中，该激光器控制装置典型地集成在激光源2中。
在产生切割缝隙9期间，至少暂时地将外来气体14输入给过程气体氧气。例如可以通过通到加工头4的单独的输入管路15将外来气体14输入给加工头4的切割喷嘴20。氮气、氢气、氮-氧混合气(例如压缩空气)或者惰性气体如氦气或氩气可以作为外来气体被输入。
通过至少暂时输入外来气体14给过程气体10，加工地点B上的氧化条件发生改变，由此在切割缝隙9中实现有针对性的熔渣形成。过程气体的小的污染物导致对切割质量的不良影响，该不良影响以切割缝隙9之中和之下的熔渣形成的形式表现。熔渣形成此时被利用，以便在切割缝隙9内部形成由在切割缝隙9中积聚的熔渣构成的一个或多个桥接条18。熔渣在切割缝隙9中不仅附着在剩余格栅8上而且附着在切割后的工件上，由此构成桥接条18。通过桥接条18使工件16保持在剩余格栅8中。
沿着切割缝隙9延伸的桥接条18的长度通过向过程气体输入外来气体的持续时间来确定。由此可以例如沿着切割缝隙9形成多个桥接条18，这些桥接条的长度和/或间距可以通过外来气体的输入持续时间来确定。桥接条18的数量以及长度与切割缝隙9的宽度、板状材料7的厚度和待切割工件的尺寸和几何形状有关，以确保用于切割出的工件16定位在剩余格栅8内所需的保持力。通过由熔渣构成桥接条18，可以相对于剩余格栅8防止松动地接收切割出的工件16，以阻止工件16在切割过程期间或者在卸料期间从剩余格栅8倾翻。
在图3中示出沿着图2中的线II-II的示意性剖面图。由此得知切割缝隙9中的至少一个桥接条18的优选构型。桥接条18仅部分地在切割缝隙9的高度上或者说在特别是板状的材料7的厚度上延伸。通过用激光射线6和/或氧气过程气体射流12和/或外来气体14选择和调整加工参数，熔渣可以从激光射线6从材料7出来的射出侧起在切割缝隙9中生长。也就是说，桥接条18从被切割的材料7的下切割棱边26向上朝向材料7的上切割棱边27的方向生长。在此，由熔渣构成的桥接条18可以优选仅部分地在切割缝隙9的高度上延伸，由此，在将切割后的工件16从剩余格栅8脱模时桥接条18更容易松脱。
在向加工地点B输入外来气体期间，用于激光燃烧切割的其余过程参数例如切割速度、激光功率等可以有利地保持不变。
为了将切割后的工件16从剩余格栅8脱模，例如以机械应力作用于剩余格栅8和/或工件16上就足够了，由此，如在图4中所示，桥接条18剥落并且从切割缝隙9脱离。但至少桥接条18被破坏，使得能够接下来简单地从剩余格栅8取走切割出的工件16。
图5中示出用于将外来气体14输入给过程气体射流22的一个替换实施方式。在加工头4上设置一个附加的外来气体喷嘴24，通过该外来气体喷嘴将外来气体射流23输送到加工地点B上，以改变加工地点B上的氧化条件。外来气体射流23相对于激光射线6的射线方向Z成一个不等于0°或180°的角度α地倾斜输入。机器控制装置21激活外来气体喷嘴24并且还操控压力，外来气体射流23以该压力流向加工地点B。

Claims (12)

1.用于在激光切割机(1)中通过激光燃烧切割过程从材料(7)切割金属工件(16)的方法，
其中，使带有氧气过程气体射流(22)的激光射线(6)通过加工头(4)上的切割喷嘴(20)对准并刺入板状材料(7)上的加工地点(B)，
其中，使带有氧气过程气体射流(22)的激光射线(6)在板状材料(7)上运动，从而形成连贯的切割缝隙(9)并且在形成剩余格栅(8)的情况下从所述板状材料(7)分割出工件(16)，其特征在于，
在切割过程期间至少暂时地将与氧气过程气体(10)不同的外来气体(14)输入给所述加工地点(B)，并且
在输入所述外来气体(14)的持续时间期间在所述切割缝隙(9)中形成熔渣，所述熔渣留在所述切割缝隙(9)中并且至少部分地封闭该切割缝隙，从而将切割出的所述工件(16)保持在所述剩余格栅(8)中。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，使用于操控激光射线(6)、氧气过程气体射流(22)和/或外来气体(14)的加工参数适配于要切割的材料(7)，使得从激光射线(6)在切割缝隙(9)中从要切割的材料(7)出来的射出侧开始并仅在所述切割缝隙(9)的部分高度上延伸地形成由熔渣组成的桥接条(18)。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在所述加工头(4)移动运动期间，通过向所述加工地点(B)输入外来气体的持续时间来确定在所述切割缝隙(9)中由熔渣形成的桥接条(18)的长度，所述桥接条用于将切割出的工件(16)固定在剩余格栅(8)中。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，将所述外来气体(14)在预定时间间隔内或者持续地输入给所述加工地点(B)。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的方法，其特征在于，输入氮气、氮-氧混合气、氢气或惰性气体作为外来气体(14)。
6.根据权利要求1至4中任一项所述的方法，其特征在于，给由所述过程气体(10)形成的过程气体射流(22)输入体积含量低于3％的外来气体(14)。
7.根据权利要求1至4中任一项所述的方法，其特征在于，所述外来气体(14)通过所述加工头(4)上的切割喷嘴(20)或者通过对准所述加工地点(B)的外来气体射流(23)从外来气体喷嘴(24)输入。
8.根据权利要求1至4中任一项所述的方法，其特征在于，在从板状材料(7)切割所述工件(16)后，将所述剩余格栅(8)连同通过熔渣保持在所述剩余格栅(8)中的工件(16)一起从所述激光切割机(1)取出。
9.根据权利要求1至4中任一项所述的方法，其特征在于，通过作用于所述剩余格栅(8)上或所切割出的工件(16)上的机械应力使由熔渣形成的至少一个桥接条(18)松脱。
10.根据权利要求1至4中任一项所述的方法，其特征在于，所述材料是板状的。
11.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所输入的外来气体的体积含量低于1％。
12.激光切割机(1)，用于利用根据前述权利要求中任一项所述的方法从材料(7)切割金属工件(16)，其中，所述激光切割机(1)构造用于，使激光射线(6)和氧气过程气体射流(22)通过布置在加工头(4)上的切割喷嘴(20)对准所述板状的材料(7)上的加工地点(B)，其特征在于，
所述激光切割机(1)具有用于将与氧气过程气体(10)不同的外来气体(14)输入给所述加工地点(B)的装置(15，24)和
控制装置(21)，所述控制装置控制所述外来气体(14)的输入持续时间和量，使得在切割缝隙(9)中形成熔渣，所述熔渣留在切割缝隙(9)中并且至少部分地封闭该切割缝隙，使得切割出的工件(16)被保持在剩余格栅(8)中。
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