CN106457484B - 具有内部可移动元件和低相对电容率套筒的用于激光切割的喷嘴 - Google Patents

Abstract

本申请涉及一种激光切割喷嘴，该激光切割喷嘴包括：喷嘴本体(1)，该喷嘴本体包括轴向延伸穿过所述喷嘴本体(1)的第一轴向凹陷、用于将辅助气体(23)供应至所述第一轴向凹陷的进口、以及位于所述喷嘴本体(1)的前表面(1a)处的第一出口；以及被安排在该喷嘴本体(1)的第一轴向凹陷中的可移动元件(2)，其中所述可移动元件(2)包括形成裙围的前部分(2a)和轴向通路(5)，该轴向通路具有在所述形成裙围的前部分(2a)处的第二出口(6)，其中该喷嘴本体(1)和该可移动元件(2)由导电材料制成。该喷嘴本体(1)由绕该可移动元件(2)安排的至少一个第一部分(11)、以及根据该辅助气体在该第一轴向凹陷中的流动方向而将自身定位在所述第一部分(11)上方的一个第二部分(12)制成，其中该喷嘴本体(1)进一步包括适合于且被设计成用于将该第二部分(12)附接到该第一部分(11)上的第一附接装置(7，8)，并且分隔套筒(14)被安排在该第一部分(11)与该可移动元件(2)之间，其中所述分隔套筒(14)由具有小于8的相对电容率的电绝缘材料制成。本申请还涉及一种包括此喷嘴的聚焦头部和激光切割设备。

Description

具有内部可移动元件和低相对电容率套筒的用于激光切割的 喷嘴

本发明涉及一种具有内部可移动元件的可用于激光切割的激光喷嘴，该内部可移动元件包括裙围从而能够将气体集中在切口中，该喷嘴在工业规模上提供了改善的使用并且能够保护聚焦头部不受所述喷嘴可能遭遇的碰撞的影响。

激光束切割必须使用一般由铜制成的喷嘴，该喷嘴的作用是引导气体并且允许激光束从中穿过。

这些喷嘴对于在0.6与2mm(包括)之间的工作距离典型地具有在0.5与3mm(包括)之间的出口孔口直径。

为了能够进行切割，必须在聚焦头部中使用一般为几巴的高压，以便能够使气体进入切口从而驱逐出熔融金属。

现在，所使用的大量气体(典型地在50％与90％之间)对切割工艺、即对于熔融金属的驱逐没有作用，因为气体在切口之外。

这些气体损失实际上是由喷嘴孔口的流动截面与焦斑的大小之间的巨大差异造成的。例如，具有的出口孔口直径等于1.5mm的喷嘴的流动截面比穿过喷嘴的激光束所造成的焦斑的截面大了25倍。

现在，如果使用比例不足的气体，则出现切割缺陷，特别是粘连的毛刺和/或氧化痕迹。

通过减小喷嘴的孔口直径来尝试解决这个问题并不理想，因为这具有激光束撞击喷嘴内部并将其损坏的风险，这进而使切割品质和/或性能降级。

此外还有多个文件提出了尝试使气体进入切口中的各种解决方案，例如EP-A-1669159、JP-A-62006790、JP-A-61037393、JP-A-63108992、JP-A-63040695和US-A-4,031,351。

现在，这些解决方案均不是真正理想的，因为它们的架构通常实施起来是复杂的，它们与工业使用不兼容，和/或它们的功效有限。

具体地，文件US-A-4,031,351披露了一种包括可移动元件的激光切割喷嘴，该可移动元件的末端被弹簧压靠在有待切割的部件的表面上以促进切割气体注入切口中。这个解决方案的主要缺点是，该弹簧在板的方向上施加的力与切割气体的压力相结合，导致该可移动元件对有待切割的板施加高的力。这导致了该板变形、刮花、或甚至带走的风险，该板一般是简单地放在工业切割机器的工作台上。

为了解决这点，文件WO-A-2012/156608提出了一种具有可移动元件的激光喷嘴，该可移动元件被适配成由于气体压力的作用而在喷嘴本体中并且沿有待切割的板的表面的方向轴向地移动，直到它与这个板相接触。该喷嘴进一步包括弹性元件，该弹性元件对该可移动元件沿倾向于使其背离该板移动的方向施加弹性返回力。相应地，当切断气体时，该可移动元件可以被撤回至其闲置位置并且因此裙围可以进入喷嘴本体中。

然而，这个解决方案还是产生了某些问题。

首先，这个喷嘴的设计在使其几何形状与各种市售的聚焦头部以及各种有待切割的厚度相适配的方面留下极小的自由度。

现在，本发明的发明人已经展示了，切割典型地小于3mm的小厚度必须要使得辅助气体喷出孔口具有的直径大于用根据WO-A-2012/156608的喷嘴可实现的最大直径。事实上，在喷嘴本体中机加工出的用于将可移动元件接纳在其中的这个轴向壳体的最大直径是由连接至聚焦头部上的喷嘴上部的直径决定的。由于这点，可移动元件的出口孔口仅能在某个程度上扩大，典型地扩大至2mm，这并不能够在小厚度上实现令人满意的切割性能。

此外，工业激光切割机器以及相关联的聚焦头部以本身已知的方式采用了电容性距离传感器系统，以便使聚集头在有待切割的板上方以恒定距离移动。

现在，最新的电容性传感器系统证明并不能够检测在板表面上方延伸的横向障碍物。这样的障碍物可能是例如已经被切开的、仍堵塞在板中且相对于其表面以一定角度定位的部分的产物。从板的边缘开始的切割也可能产生台阶或不平整性，即板的不同部分之间的高度差异，因为在切割过程中出现了板的一些部分的变形或降低。

这在喷嘴本体的高度处导致了碰撞风险，这可能损坏喷嘴并使其操作降级到使之完全断裂或恶化的程度。最成问题的方面在于，喷嘴本体中的碰撞还可能在聚焦头部连接至喷嘴上的高度处损坏该聚焦头部并且导致聚焦头部在其支撑件上移动，这造成了激光束的不对准。于是必须要干预聚焦头部并使之重新对准，这损害了切割机器的生产力。

文件JP-A-2011-177727披露了一种以两件式形成的喷嘴本体，以用于避免在与障碍物碰撞的事件中损坏聚焦头部。

然而，这并没有解决根据WO-A-2012/156608的喷嘴在工业使用的背景下遇到的这些问题中的某些问题。

因此，电容性距离传感器系统采用电容效应来检测形成电容器的两个导电元件之间的距离的小变化。这两个导电元件相隔的距离是通过测量该电容器的电容来确定的，该电容尤其取决于将其分隔的介质的介电常数。

在装配有一般由导电材料例如铜形成的常规激光喷嘴的切割机器中，电容性传感器测量板与喷嘴的面向该板的平坦表面之间的电容。该电容性传感器电连接至控制聚焦头部移动的这些装置上，从而在所测量的电容变化的事件中在高度上调整该聚焦头部的位置、或者在喷嘴与板之间接触的事件中停止该聚焦头部的移动。

这个电容性传感器系统使得能够通过将激光束的聚焦点相对于板的表面维持在恒定位置而确保在切割品质和速度方面的恒定切割性能。它还使得有可能在板上存在障碍物时触发该机器的停止。

因此本质上不干扰其操作。

现在，在WO-A-2012/156608中描述的激光喷嘴是难以与这种系统兼容的。

实际上，该喷嘴的可移动元件形成了与有待切割的板相接触的裙围。为了保证其对于切割过程所释放的热量以及对于飞溅的熔融金属的耐受性，该可移动元件一般是由导电材料例如金属(铜、黄铜等)形成的。然而，接着这个导电的可移动元件与板相接触、即与后者处于相同的电势，并且与喷嘴本体的内壁相接触，该内壁本身也是一般由导电材料形成的。因此必须将该电容性传感器停用来保护切割机器不出故障。

允许该机器的电容性传感器起作用的一种解决方案将是使用由电绝缘材料形成的可移动元件。然而，这个解决方案不是理想的，因为电绝缘材料一般对于切割过程所释放的高水平热量、熔融金属的飞溅、和/或热冲击不是高度耐受性的。

于是所面临的问题是减轻以上提及的这些缺点中的一些或全部，尤其是通过提出一种在工业规模上坚固性、使用寿命和用途与这些现有解决方案相比被极大改善的并且不干扰或与现有技术相比较少地干扰装配在工业切割机器上的电容性距离传感器系统的操作的激光喷嘴。

根据本发明的解决方案是一种激光切割喷嘴，该激光切割喷嘴包括：喷嘴本体，该喷嘴本体包括轴向延伸穿过所述喷嘴本体的第一轴向壳体、用于将辅助气体供应至所述第一轴向壳体的进口、以及位于所述喷嘴本体的前表面处的第一出口；以及

-被安排在该喷嘴本体的第一轴向壳体中的可移动元件，所述可移动元件包括形成裙围的前部分以及轴向通路，该轴向通路具有在所述形成裙围的前部分中的第二出口孔口；

该喷嘴本体和该可移动元件是由导电材料制成的；

其特征在于

-该喷嘴本体是由绕该可移动元件安排的至少一个第一部分、以及根据该辅助气体在该第一轴向壳体中的流动方向而自身在所述第一部分上方定位置的一个第二部分制成的；该喷嘴本体进一步包括被适配和设计成用于将该第二部分附接到该第一部分上的第一附接装置，并且

-分隔套筒被安排在该第一部分与该可移动元件之间，并且所述分隔套筒是由具有小于8的相对电容率的电绝缘材料制成的。

适当时，根据本发明的喷嘴可以具有以下技术特征中的一项或多项：

-该分隔套筒是由具有小于6的相对电容率的电绝缘材料形成的。

-该分隔套筒是由电绝缘的陶瓷材料(例如Al₂O₃、AlN、ZrO₂或Al₂TiO₅类型)、聚合物材料(例如聚醚醚酮(PEEK)或)、电绝缘陶瓷或派热克斯玻璃(Pyrex)形成的。

-该分隔套筒是由选自下组的材料形成的：陶瓷泡沫例如氧化铝泡沫或多孔氧化铝、玻璃陶瓷例如或技术陶瓷例如氮化硼、莫来石、皂石、堇青石。

-该陶瓷材料是氮化硼。

-该分隔套筒包括第二轴向壳体，该第二轴向壳体包括位于所述分隔套筒的正面的高度处的第三出口孔口，该可移动元件被安排在所述第二轴向壳体中并且当该前部分从该第一轴向壳体中伸出时，所述第三出口孔口在该可移动元件的轴向通路的所述第二出口孔口上方进行排放。

-该第一附接装置延伸穿过该喷嘴本体的第一和第二部分的至少一部分并且在与该第一轴向壳体的轴线总体上平行的方向上延伸。

-该喷嘴本体的该第二部分包括被适配和设计成用于将所述第二部分固定至激光聚焦头部上的第二附接装置。

-该第一和第二附接装置被适配和设计成用于将该喷嘴本体的该第二部分以比固定至该第一部分上更牢固的方式固定至该激光聚焦头部上，从而使得在该喷嘴本体的该第一部分的碰撞事件中，该喷嘴本体在该喷嘴本体的该第一部分与该第二部分之间实质性地变形或断裂。

-该可移动元件被适配和设计成用于在该第一轴向壳体中沿该第一出口孔口的方向平移移动，直到该前部分从所述第一轴向壳体中伸出穿过该第一出口孔口。

-该可移动元件被适配成用于受该第一轴向壳体中的并且施加在该可移动元件上的气体压力的作用而在该第一轴向壳体中沿该第一出口孔口的方向平移移动。

-该喷嘴进一步包括在该第一轴向壳体中位于该喷嘴本体与该可移动元件之间的弹性元件，所述弹性元件对该可移动元件施加弹性返回力而倾向于抵抗在该第一轴向壳体中沿该第一出口孔口的方向的平移移动。

-该可移动元件被适配成在多个位置之间移动，该多个位置包括：

-闲置位置，其中该可移动元件的前部分被完全或几乎完全撤回到该轴向壳体中，以及

-工作位置，其中该可移动元件的前部分的裙围完全或几乎完全穿过该第一出口孔口伸出到该轴向壳体之外。

-在该喷嘴本体与该可移动元件之间存在至少一个密封元件，例如一个或多个O形环。

-所述至少一个密封元件被安排在该可移动元件的外部周壁中的外周凹槽中。

-该可移动元件的轴向通路具有锥形、截头锥形或会聚/发散形状的轮廓。

-该喷嘴本体有利地由金属例如钢、青铜、耐火钢、铜、黄铜，或一种导电陶瓷材料制成。

-该可移动元件有利地由金属例如钢、青铜、耐火钢、铜、黄铜，或一种导电陶瓷材料制成。该可移动元件优选地是由在板上引起有限摩擦从而限制该板磨损的导电材料制成。该可移动元件有利地是由含有铅的青铜合金形成的。

本发明还涉及一种包括至少一个聚焦光学件的激光聚焦头部，该聚焦光学件是例如一个或多个透镜或反射镜，尤其是聚焦透镜和准直透镜，其特征在于该激光聚焦头部进一步包括根据本发明的激光切割喷嘴。

此外，本发明还涉及一种激光设备，该激光设备包括激光发生器、激光聚焦头部、以及连接至所述激光发生器和所述激光聚焦头部的激光束传输装置，其特征在于该激光聚焦头部是根据本发明的激光聚焦头部。

激光源或发生器优选地是CO₂、YAG、光纤或盘型，优选地光纤或盘型，尤其是带有镱光纤的激光源。

根据另一方面，本发明还涉及一种切割金属部件的方法，该方法使用了激光束以及根据本发明的喷嘴、激光聚焦头部或设备。

现在借助于以下参考附图进行的说明，将更好地理解本发明，在附图中：

-图1A是常规激光切割设备的聚焦头部的简图，

-图1B是示出激光光斑大小相对于喷嘴孔口大小的简图，

-图2是根据本发明一个实施例的喷嘴的本体的图解截面视图，在其中没有安排可移动元件，

-图3是根据本发明一个实施例的喷嘴的图解截面视图，并且

-图4A和4B示出了在可移动元件处于两个不同位置时根据本发明的喷嘴。

图1A表示出了常规激光切割设备的聚焦头部20，常规激光喷嘴21固定至该聚焦头部上，聚焦的激光束和辅助气体(箭头23)穿过该激光喷嘴，该辅助气体是用来驱逐由该光束从光束22在有待切割的金属部件30(例如钢或不锈钢板)中形成的切口31熔融出的金属。

该辅助气体可以是活性气体，例如氧气、空气、CO₂、氢气，或是惰性气体，例如氩气、氮气、氦气，或是这些活性和/或惰性气体的混合物。该气体的组成尤其根据有待切割的部件的性质进行选择。

撞击在该部件上的光束将其金属熔化，熔化的金属将被该辅助气体压力从部件下方驱逐走。

图1B清楚地示出了相对于光束22的焦斑的大小S2而言喷嘴21的孔口24的流动截面S1。可以看到，截面S1比光束22的焦斑的大小S2大得多，这在常规喷嘴中导致辅助气体的高消耗，而其中仅小比例是用来从切口31中驱逐出熔融金属。

为了大大减小气体消耗以及切割所需的压力，在文件WO-A-2012/156608中提出了一种被适配和设计成用激光束、使用较低气体流速和/或较低气体压力进行切割的激光喷嘴，这是归因于特定的喷嘴构造使得能够迫使更大比例的气体进入切口31中并有效地从其中驱逐出熔融金属。

根据WO-A-2012/156608，该激光喷嘴包括喷嘴本体1，该喷嘴本体与被安排在喷嘴的本体1内部且可移动的可移动元件2合作。

然而，这个激光喷嘴的构造并不理想，原因已经提到过。

为了解决这点，并且如图2和3所示，本发明提出了一种激光喷嘴，该激光喷嘴包括可移动元件2和本体1，该本体是至少由绕可移动元件2安排的第一部分11以及沿辅助气体的流动方向(箭头23)定位在所述第一部分11上方的第二部分12形成的。该喷嘴本体1进一步包括被适配和设计成用于将该第二部分12附接到该第一部分11上的第一附接装置7、8。

事实上，当组装该喷嘴时，首先将可移动元件2安排在第一部分11内部。接着将第二部分12叠置且附接至喷嘴本体1的第一部分11上。因此能够固定其几何形状适合于喷嘴本体1必须固定至其上的聚焦头部的一种第二部分12，并且增大第一部分11内部用来容纳该可移动元件2的体积。

接着能够扩大可移动元件2的轴向通路5和出口孔口6，并且出口孔口6的直径可以典型地上至10mm并且优选地是6mm。这使得能够扩大切割的气体覆盖率并且防止切口表面的氧化现象，氧化现象是在小厚度板上实现的高切割速度(典型地对于小于3mm的厚度是从3至30m/min)下、尤其当使用氮气作为辅助气体23来切割不锈钢时出现的。

此外，根据本发明的喷嘴使得能够保护聚焦头部免于板上的可能障碍物的有害影响。事实上，如果在板的表面上存在障碍物，则基本上在喷嘴本体1的第一部分11的高度处、位于板的正上方处发生碰撞。使得喷嘴本体1由多个组装在一起的部件构造而成而不是一件式的，在第一部分11相对于第二部分12的移动和/或可能破坏第一部分11与第二部分12之间的连接方面提供了某种灵活性。在碰撞事件中，这使得能够将第二部分12相对于聚焦头部和/或聚焦头部相对于其支撑件进行移动的风险最小化。

喷嘴本体1有利地是圆形部件，第一轴向壳体3完全穿过其中，该第一轴向壳体具有从本体1的背面1b延伸到本体1的正面1a的轴线AA。

第一轴向壳体3开放到喷嘴本体1的正面1a以及背面1b上。背面1b包括进口孔口9，并且正面1a包括喷嘴本体1的第一出口孔口4，该第一进口孔口9和第一出口孔口4是与轴线AA共轴的。

这个第一轴向壳体3事实上是由延伸穿过该第二部分12的第二部分3b以及延伸穿过第一部分11的第一部分3a形成的凹陷。第一和第二部分3a、3b优选是圆柱形形状，第一部分3a包括朝第一壳体3的中心径向伸出的第一内部肩台19a，所述第一内部肩台19a是由在第一出口孔口4的高度处第一轴向壳体3的截面上的限制部所形成的。第一内部肩台19a优选是在所述第一轴向壳体3的底部的高度处。

该喷嘴进一步包括被插在喷嘴本体1的第一壳体3中的、优选与本体1共轴的可移动元件2，如图3中可见。可移动元件2包括前部分2a以及轴向通路5，该前部分形成了圆柱形的、即管状形状的裙围，该轴向通路具有在所述形成裙围的前部分2a的高度处进行排放的第二出口孔口6。

轴向通路5具有锥形的内部轮廓、以及圆柱形或非圆柱形的出口通道，该通道是会聚/发散类型(即，拉伐尔喷嘴)或任何其他适当几何形状的截头锥形的。

在本发明的背景下，可移动元件(2)是由导电材料制成的。事实上，该可移动元件的位置紧邻切割区域并且这种类型的材料提供了对于高温和冲击(可移动元件在板上的碰撞)和/或热冲击(接通和切断激光)的较高耐受性。例如，可移动元件2可以是由钢、硬化钢、碳、复合材料等制成的。

优先选择在板上引起有限摩擦从而限制板磨损的导电材料，即不粗糙的或不是非常粗糙的材料。

该可移动元件2有利地是由含有铅的青铜合金形成的。事实上，这种材料提供了以下优点：具有良好的摩擦特性、在高负载下良好的耐磨损性、以及良好的耐腐蚀性。其在困难的润滑条件的使用是特别有利的，因为其具有自润滑特性。这大大地减小或甚至消除了当可移动元件与板表面相接触时刮花或带走该板的风险。

应注意的是，在本发明的背景下，电绝缘材料或介电材料是指不导电的、即阻碍电流在两个导电元件之间通过的材料。相反，导电材料含有众多可以通过电磁场的作用容易地移动的电荷载体。

喷嘴本体(1)是由导电材料制成的。换言之，喷嘴本体1的第一和第二部分11、12是由导电材料制成的。这种材料可以是金属，例如钢、青铜、耐火钢、铜或黄铜，或者是导电陶瓷材料。

对喷嘴本体1的第一和第二部分11、12使用导电材料是有利的，因为这允许使用电容性传感器系统。事实上，在使用中，喷嘴本体1是安装在聚焦头部20的、包括本身已知的电容性传感器系统的那端处。这个系统使用电容效应来检测形成电容器的两个导电元件之间的距离的小变化。这两个导电元件相隔的距离是通过测量这个电容器的电容来确定的，该电容尤其取决于将其分隔的材料的介电常数。

常规激光喷嘴一般是由导电材料例如铜制成的。当该喷嘴被安装在聚焦头部的末端处时，它电连接至电容性传感器系统上。其结果是，该电容性传感器能够测量板与喷嘴的面向该板的平面表面之间的电容。该电容性传感器自身电连接至控制该聚焦头部20的移动的这些装置上从而在所测量的电容变化的事件中调整该聚焦头部的高度位置。

当根据本发明的激光喷嘴被组装到聚焦头部上时，该导电材料喷嘴本体1因此可以电连接至该聚焦头部所装备的电容性传感器系统。这种电连接有利地是通过本体1的第二部分12的至少一部分与头部20的由导电材料制成且形成了电容性传感器系统的一部分的一个部件之间的接触而产生的。

当该导电的可移动元件2与板接触时，它与后者处于相同的电势。

因此，根据本发明的喷嘴包括在第一部分11与可移动元件2之间并且由导电材料形成的分隔套筒14。

这使得能够避免造成该电容性传感器的故障或干扰其操作。

事实上，该电容性传感器于是测量喷嘴本体1的正面1a与有待切割的部件30的上表面之间的一个或多个电容值。基于这些值，该传感器使得能够将鼻锥与板之间的距离调整为恒定的或准恒定的值，典型地在0.1与5mm之间、优选在0.5与2mm之间，并且能够校正板的平坦性方面的缺陷。

在本发明的背景下，使用了由具有低的电容率的材料形成的分隔套筒14。

事实上，在标准的激光喷嘴、即没有可移动元件的激光喷嘴的情况下，是在面向彼此的两个平面表面(即在喷嘴本体的正面与有待切割的部件的上表面)之间测量电容。在此情况下，用下式给出电容C(单位是pF/m)：

其中ε₀是真空的电容率、等于8.85pF/m，ε_r是将喷嘴本体的正面与有待切割的部件的上表面分隔的材料的相对电容率、在空气的情况下具有为1.004的值，S是面向有待切割的板的喷嘴面积(用m²表示)，并且d是喷嘴本体正面与有待切割的部件的上表面之间的距离(用m表示)。

在根据本发明的带有可移动元件的激光喷嘴的情况下，该电容性传感器系统事实上执行两种类型的电容测量。在该可移动元件与板的上表面接触之前，该传感器在两个平面表面、即在喷嘴本体的正面与有待切割的部件的上表面之间执行第一测量。这个测量是参考测量，使得能够将喷嘴本体1相对于有待切割的部件维持在所需高度处。一旦可移动元件2与该部件相接触来执行适当的切割操作，该部件就与该板处于相同的电势下。该传感器于是除了该第一电容测量之外还执行对总电容的测量，这是通过在可移动元件2的外表面与该本体的第一部分11的内表面之间进行多次测量来得到的。事实上，这些表面之间的距离根据所关注的沿着喷嘴的轴线AA的位置而改变。

在沿着喷嘴的轴线AA的给定点处，电容C(单位是pF/m)用下式表示：

其中r₂是第一轴向壳体3的半径，r₁是可移动元件2在所关注的点处的半径(参见图3)，并且1是在其上第一轴向壳体3和可移动元件2具有对应的半径r₂和r₁的沿着轴线AA的距离(用m表示)。

现在，本发明的发明人已经示出了，使用由具有低的相对电容率的材料形成的分隔套筒14使得有可能通过减小除了第一或参考测量之外还进行的总电容测量所造成的干扰而改善电容性传感器的稳定性。因此在切割过程中能够将喷嘴本体1的位置保留在非常接近或甚至等于开始切割之前的参考高度的高度下。

具有低的相对电容率的材料是指相对电容率小于8、优选地小于6的材料。

在分隔套筒14的周壁上的任一点处的厚度有利地是至少0.5mm、优选地至少1mm、并且有利地在0.5与10mm(包括)之间、优选地在1与3mm(包括)之间。

有利地还将选择对于在100℃至2000℃的量级上、典型地在500℃与1500℃之间的温度具有耐受性的材料。

根据一个具体实施例，分隔套筒14的外部尺寸被选择成在喷嘴本体1的第一部分11与可移动元件2之间留下空隙。这个填充有空气的空隙使得能够甚至进一步减小总电容测量对喷嘴本体1的高度位置的稳定性的有害影响。

分隔套筒14优选地是由选自下组的材料制成的：陶瓷泡沫例如氧化铝泡沫或多孔氧化铝、玻璃陶瓷例如或技术陶瓷例如氮化硼、莫来石、皂石、或堇青石。下表1示出了上述材料的相对电容率的值的范围，这些范围可以根据所选的材料的等级以及所使用的制作工艺的类型而改变。

使用陶瓷材料例如氮化硼是特别有利的，因为其对高温和热冲击以及磨损的耐受性高。具体地氮化硼提供了优异的可机械加工性。

表1

该分隔套筒14有利地包括第二轴向壳体15，该第二轴向壳体包括位于所述分隔套筒14的正面14a中的第三出口孔口16，该可移动元件2被安排在所述第二轴向壳体15中并且当该前部分2a伸出到该第一轴向壳体3之外时，所述第三出口孔口16在该可移动元件2的轴向通路5的所述第二出口孔口6上方进行排放。该第二轴向壳体15有利地包括第二内部肩台19b，该第二内部肩台朝所述第二壳体15的中心径向地伸出并且优选地位于所述第二壳体15的远端处。

可移动元件2的周壁有利地包括在外表面上的第一抵接部18。该第一抵接部10优选地具有环形形状并且绕可移动元件2的周界的全部或一部分延伸。取决于喷嘴是否包括中间套筒14，第一抵接部18被安排成面向喷嘴本体1的第一肩台19a或是套筒14的第二肩台19b。

如在图2和3中图解所示，第一附接装置7、8使得能够将喷嘴本体1的第二部分12附接至第一部分11上，该第一附接装置有利地延伸穿过喷嘴本体1的第一和第二部分的至少一部分并且沿着与第一轴向壳体3的轴线AA总体上平行的方向延伸。这种安排使得有可能减小喷嘴本体1的总大小并且此外在第一部分11遭受严重冲击的事件中促进第一部分11与第二部分12之间明确地断裂。

第一附接装置7、8可以有可能使得喷嘴本体1的第一部分11可移除地或不可移除地附接至第二部分12上。

根据本发明的优选实施例，第一附接装置7、8包括至少部分地穿过了喷嘴本体1的第一和第二部分11、12的至少一个第一螺纹孔洞、以及被成形为有待拧入所述第一螺纹孔洞中的螺纹圆柱形部分(未示出)。图2和3展示了第一附接装置7、8包括两个沿对角线相反的螺纹孔洞的实施例。

根据变体实施例，第一附接装置7、8包括用于将第一部分11附接至第二部分12上的夹紧、或卡扣联接或卷边装置。

该喷嘴本体1的第二部分12优选地包括被适配和设计成用于将所述第二部分12附接至激光聚焦头部20上的第二附接装置10。

如图3所示，第二部分12因此可以包括管状形状的端部分，所述端部分包括在所述端部分的外表面上的第一螺纹10、或在所述端部分的内表面上的第一螺纹10。该内部或外部螺纹10被成形为有待拧入激光聚焦头部20(未示出)的相移第二内螺纹或第二外螺纹上。

该第一附接装置7、8和该第二附接装置10有利地被适配和设计成用于将该喷嘴本体1的该第二部分12以比附接至该第一部分11上更牢固的方式附接至该激光聚焦头部20上，从而使得在该喷嘴本体1的该第一部分11上的碰撞事件中，该喷嘴本体1在该喷嘴本体1的该第一部分11与该第二部分12之间实质性地变形或断裂。这将在聚焦头部20的高度处出现断裂或变形的风险最小化，这避免了在切割设备层级的长的维护操作。

根据一个具体实施例，对第二部分12附接到聚焦头部20上的附接牢固度与第二部分12附接到第一部分11上的附接牢固度相比的这种控制可以通过对第一附接装置7、8和第二附接装置10的内或外螺纹的直径和/或螺距确定大小来获得。第一附接装置7、8和第二附接装置10也可以是快速作用附接装置，特别是扣上或夹紧、卷边或卡扣联接型附接装置。

当使用该喷嘴时，激光束22和辅助气体23穿过可移动元件2的轴向通路5并且经由第二出口孔口6离开从而在形成裙围的前部分2a上排放。

该可移动元件2有利地是沿着轴线AA在该第一轴向壳体3中沿该第一出口孔口4的方向可平移移动的，直到该前部分2a穿过该第一出口孔口4伸出到所述第一轴向壳体3之外。

可移动元件2优选地是被施加在所述可移动元件2上的辅助气体23的压力所移动，该压力倾向于将其沿有待切割的部件30的方向推动。

可移动元件2沿轴线AA的平移移动将致使该裙围朝有待切割的板的上表面30移动，并且它们将彼此接触，如图4B所示。因此该气体被该裙围引导并集中在激光光斑的高度处、并且因此在切口的高度处，这将大大增强其驱逐激光束22所熔融的金属的效率。

弹性元件17例如弹簧被有利地安排在第一轴向壳体3中位于喷嘴本体1与可移动元件2之间、或在第二轴向壳体15中位于分隔套筒14与可移动元件2之间。更准确地说，该弹性元件对该可移动元件2沿倾向于使其背离有待切割的部件30移动的方向施加弹性返回力。在切割结束时，当切断气体并且气体压力停止施加在可移动元件2上，该可移动元件因此可以返回到其闲置位置并且该裙围再次进入第一壳体3中。根据在第一轴向壳体3中是否存在套筒，该弹性元件17有利地被安排在喷嘴本体1的第一抵接部18与第一肩台19a或套筒14的第二肩台19b之间。

弹性元件17因此使得有可能限制在刺穿板的阶段(一般在切割阶段之前)过程中裙围磨损的现象。事实上，刺穿更经常是用典型地小于4巴的低的气体压力进行。该弹性元件接着施加足够的返回力来使裙围完全或几乎完全返回到第一壳体3中，这样使得它受到保护而免于刺穿产生的熔融金属的飞溅。

此外，弹性元件17在没有切割气体或光束的情况下利于切割头在板上方小距离处快速移动，因为气体压力然后停止施加在可移动元件上并且裙围重新进入第一壳体3中。仅有裙围升高，并且不必将支撑着喷嘴的聚焦头部升高。

弹性元件1还使得能够在有待切割的部件通过切割气体的作用而在该部件的方向上移动时限制可移动元件2对有待切割的部件施加的压力。更准确地说，弹性元件8的返回力有利地被确定成保持该可移动元件2与有待切割的部件相接触、同时限制所述元件对板施加的压力，从而最小化或甚至消除从其上切割该部件的这个板的变形、将板表面刮花、以及带走该板的所有风险。

适当时，可移动元件2可以包括具有圆柱形形状、即沿着轴线AA具有恒定外直径的前部分2a、或被成形为越过不平坦或障碍物而在裙围6上没有碰撞或具有大大减小的碰撞的末端部分。

该前部分2a有利地包括外直径在第二出口孔口12的方向上逐渐减小的末端部分。其结果是，该前部分2a被成形为促进其越过板表面上存在的隆起区域或障碍物。碰撞被更好地吸收，因为该末端部分的外直径的逐渐减小有利于在裙围6遇到不平坦或局部障碍物时使裙围6朝壳体5升高。

末端部分是指该前部分2a的位于所述前部分的末端处的、即面向有待切割的板的上表面的一部分。

可选地将至少一个密封元件(例如弹性体密封件)安排在喷嘴本体1与可移动元件2之间或分隔套筒14与可移动元件2之间，具体为一个或多个O形环，这使得能够在喷嘴本体1或分隔套筒14与可移动插入件2之间提供密封。所述密封元件优选地被安排在该可移动元件2的外部周壁中的外周凹槽中。

事实上，根据本发明的喷嘴的可移动元件2能够在至少包括以下这些位置的多个位置之间移动：

-工作位置，其中前部分2a经由第一出口孔口4从喷嘴本体1的第一轴向壳体3中完全或几乎完全地伸出、并且与有待切割的部件30相接触，如图4A所示，以及

-闲置位置，其中前部分2a是完全或几乎完全位于喷嘴本体1的第一轴向壳体3内部，如图4B所示。

当然，可移动元件2可以占据该前部分2a仅从喷嘴本体1的第一轴向壳体3中部分地伸出的多个中间位置。这些中间位置尤其可以随着气体对可移动元件2施加的压力而变。

为了展示根据本发明的喷嘴与标准喷嘴(即，没有可移动元件的常规喷嘴)相比的功效、并且因此展示归因于使用安装在可移动元件上的裙围而迫使气体进入切口中的功效，已经使用切割设备用CO₂激光器产生被给送至包括聚焦光学件(即，透镜)的激光聚焦头部的激光束来进行了对比试验。

实例1

适当时，该激光聚焦头部装备有：

.具有1.8mm直径的出口孔口的标准喷嘴，或

.根据图3的具有两件式本体的喷嘴、由钢制成的圆柱形可移动裙围、以及该裙围的锥形轮廓的轴向通路，该轴向通路具有1.8mm直径的圆柱形出口通道。

在这个试验过程中，电容性传感器的参数被设定成用于将鼻锥的正面与有待切割的板的上表面之间的距离调整为1mm。

所用的辅助气体是氮气。

有待切割的板是由5mm厚的304L不锈钢制成的。

激光束具有4kW的功率并且切割速度为2.6m/min。

所获得的结果展示了：

-利用该标准喷嘴，14巴的气体压力不足以获得高品质切口。事实上，在14巴时，切口边缘包括大量粘连的毛刺。这表明熔融金属的驱逐较差，因为气体对有待驱逐的熔融金属的作用不足。为了消除这些毛刺，16巴的压力是必须的。

-利用本发明的喷嘴，在1与5巴之间的范围进行的试验产生了良好品质的切口，即切割边缘没有粘连的毛刺。该喷嘴的裙围使得能够将气体引导到切口中并有效地驱逐熔融金属。

实例2

适当时，该激光聚焦头部装备有：

.具有1.5mm直径的出口孔口的标准喷嘴(A)，

.根据文件WO-A-2012/156608的具有一件式本体的喷嘴(B)、钢制圆柱形可移动裙围、和该裙围的锥形轮廓轴向通路，该轴向通路具有2mm直径的圆柱形出口通道，或

.根据图3的具有两件式本体的喷嘴(C)、钢制圆柱形可移动裙围、以及该裙围的锥形轮廓的轴向通路，该轴向通路具有6mm直径的圆柱形出口通道。

在这个试验过程中，电容性传感器的参数被设定成用于将鼻锥的正面与有待切割的板的上面之间的距离调整为1mm。

所用的辅助气体是氮气。

有待切割的板是由2mm厚的304L不锈钢制成的。

激光束具有4kW的功率。

下表列出了在实例2的条件下用以上指出的三种类型的喷嘴A、B、C获得的在切割速度、所用的辅助气体压力、以及切割面上毛刺和/或氧化痕迹的存在或不存在方面的切割结果。

这些试验展示了根据本发明的喷嘴C的功效，与标准喷嘴相比其使得能够大大减小要使用的气体压力，除此外所有条件均相同，并且因此还减小了气体的消耗。此外，根据本发明的喷嘴C使得能够扩大辅助气体的出口孔口的直径，这在小厚度上使得能够提高切割速度而不产生切割面的氧化现象，这对于具有可移动裙围的现有技术喷嘴B来说是不可能的。

表2

Claims (15)

1.一种激光切割喷嘴，包括：

-喷嘴本体(1)，该喷嘴本体包括轴向延伸穿过所述喷嘴本体(1)的第一轴向壳体(3)、用于将辅助气体(23)供应至所述第一轴向壳体(3)的进口(9)、以及位于所述喷嘴本体(1)的前表面(1a)处的第一出口孔口(4)，以及

-被安排在该喷嘴本体(1)的该第一轴向壳体(3)中的可移动元件(2)，其中所述可移动元件包括形成裙围的前部分(2a)以及轴向通路(5)，该轴向通路具有在所述形成裙围的前部分(2a)中的第二出口孔口(6)，

其中该喷嘴本体(1)和该可移动元件(2)由导电材料制成，

其特征在于

-该喷嘴本体(1)由绕该可移动元件(2)安排的至少一个第一部分(11)、以及根据该辅助气体(23)在该第一轴向壳体(3)中的流动方向而将自身定位在所述第一部分(11)上方的一个第二部分(12)制成，其中该喷嘴本体(1)进一步包括被适配和设计成用于将该第二部分(12)附接到该第一部分(11)上的第一附接装置(7，8)，并且

-分隔套筒(14)被安排在该第一部分(11)与该可移动元件(2)之间，并且所述分隔套筒(14)由具有小于8的相对电容率的电绝缘材料制成,

该分隔套筒(14)包括第二轴向壳体(15)，该第二轴向壳体包括位于所述分隔套筒(14)的正面(14a)中的第三出口孔口(16)，该可移动元件(2)被安排在所述第二轴向壳体(15)中，并且当该前部分(2a)从该第一轴向壳体(3)中伸出时，所述第三出口孔口(16)在该可移动元件(2)的该轴向通路(5)的所述第二出口孔口(6)上方进行排放。

2.如权利要求1所述的激光切割喷嘴，其特征在于，所述分隔套筒(14)由具有小于6的相对电容率的电绝缘材料形成。

3.如权利要求1或2所述的激光切割喷嘴，其特征在于，该分隔套筒(14)由陶瓷材料形成。

4.如权利要求3所述的激光切割喷嘴，其特征在于，该陶瓷材料是氮化硼。

5.如权利要求1或2所述的激光切割喷嘴，其特征在于，该可移动元件(2)由含有铅的黄铜合金形成。

6.如权利要求1或2所述的激光切割喷嘴，其特征在于，该第一附接装置(7，8)延伸穿过该喷嘴本体(1)的该第一和第二部分(11，12)的至少一部分并且在与该第一轴向壳体(3)的轴线总体上平行的方向上延伸。

7.如权利要求1或2所述的激光切割喷嘴，其特征在于，该喷嘴本体(1)的该第二部分(12)包括被适配和设计成用于将所述第二部分(12)固定至激光聚焦头部(20)上的第二附接装置(10)。

8.如权利要求7所述的激光切割喷嘴，其特征在于，该第一附接装置(7，8)和该第二附接装置(10)被适配和设计成用于将该喷嘴本体(1)的该第二部分(12)以比固定至该第一部分(11)上更牢固的方式固定至该激光聚焦头部(20)上，从而使得在该喷嘴本体(1)的该第一部分(11)的碰撞事件中，该喷嘴本体(1)在该喷嘴本体(1)的该第一部分(11)与该第二部分(12)之间实质性地变形或断裂。

9.如权利要求1或2所述的激光切割喷嘴，其特征在于，该可移动元件(2)被适配和设计成用于在该第一轴向壳体(3)中沿该第一出口孔口(4)的方向平移移动，直到该前部分(2a)从所述第一轴向壳体(3)中穿过该第一出口孔口(4)伸出。

10.如权利要求1或2所述的激光切割喷嘴，其特征在于，该可移动元件(2)被适配成用于受在该第一轴向壳体(3)中并且施加在该可移动元件(2)上的气体压力的作用而在该第一轴向壳体(3)中沿该第一出口孔口(4)的方向平移移动。

11.如权利要求1或2所述的激光切割喷嘴，其特征在于，该激光切割喷嘴进一步包括在该第一轴向壳体(3)中位于该喷嘴本体(1)与该可移动元件(2)之间的弹性元件(17)，所述弹性元件(17)对该可移动元件(2)施加弹性返回力而倾向于抵抗在该第一轴向壳体(3)中沿该第一出口孔口(4)的方向的平移移动。

12.如权利要求1或2所述的激光切割喷嘴，其特征在于，该可移动元件(2)被适配成在多个位置之间移动，该多个位置包括：

-闲置位置，其中该可移动元件(2)的前部分(2a)被完全或几乎完全撤回到该第一轴向壳体(3)中，以及

-工作位置，其中该可移动元件(2)的前部分(2a)的裙围完全或几乎完全穿过该第一出口孔口(4)伸出到该第一轴向壳体(3)之外。

13.一种包括至少一个聚焦光学件的激光聚焦头部(20)，其特征在于，该激光聚焦头部进一步包括如权利要求1-12中任一项所述的激光切割喷嘴。

14.一种激光设备，包括激光发生器、激光聚焦头部、以及连接至所述激光发生器和所述激光聚焦头部上的激光束传输装置，其特征在于该激光聚焦头部是如权利要求13所述的。

15.一种使用激光束来切割金属部件(30)的方法，其中使用根据权利要求1至12中任一项所述的激光切割喷嘴，使用根据权利要求13所述的激光聚焦头部，或者使用根据权利要求14所述的激光设备。