CN107206547A - 切割气体喷嘴和以用于调整流动特性的可移动套筒实施的激光切割方法 - Google Patents

切割气体喷嘴和以用于调整流动特性的可移动套筒实施的激光切割方法 Download PDF

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Abstract

一种用于激光加工头(2)的切割气体喷嘴(1)，具有内喷嘴(6)用于构造核心流(7)以及具有环绕内喷嘴(6)的环状间隙喷嘴(8)用于构造环状流(9)，在该切割气体喷嘴中，根据本发明在环状间隙喷嘴(8)的环状间隙(11)中，一套筒(10)可在后和前末端位置之间轴向移动地受引导，该套筒至少在前位置超过内喷嘴(6)伸出并且该套筒在所述两个位置中将环状间隙喷嘴(8)的喷嘴横截面(25)不同程度地释放。

Description

切割气体喷嘴和以用于调整流动特性的可移动套筒实施的激 光切割方法
技术领域
本发明涉及一种用于激光加工头的切割气体喷嘴，其具有用于构造核心流的内喷嘴以及具有环绕内喷嘴的环状间隙喷嘴，用于构造环状流，还涉及一种用于以气体加载的切割气体喷嘴来激光切割工件的方法。
背景技术
这种切割气体喷嘴例如由JPH10216978A或由DE 198 53 735 C1已知。
对于借助激光射束切割不同材料厚度的不同材料而言(结构钢，不锈钢，铝等)需要不同的切割气体喷嘴，它们具有不同的外轮廓或内轮廓、不同地成型的喷嘴开口和不同的喷嘴直径。
为了减小需要更换喷嘴的次数以及频率，由JPH10216978A已知一种用于激光加工头的切割气体喷嘴，其通过内喷嘴将切割气体并通过环绕内喷嘴的环状间隙喷嘴将辅助气转向到过程部位上。环状间隙喷嘴可借助螺纹相对于内喷嘴轴向向前以及往回推动，以改变环状间隙喷嘴的喷嘴开口(喷嘴横截面)并从而影响辅助气的气体流动。
由DE 198 53 735 C1已知一种激光加工头，其中，具有内喷嘴和环状间隙喷嘴的切割气体喷嘴布置在可移动地受引导的空心活塞中。在激光加工头的运行中，在工件表面和空心活塞的端面之间构成一气垫。借助气体压力可调整工件表面与空心活塞的端面之间的间隙大小，其中，内喷嘴和环状间隙喷嘴可被加载以不同的压力。
发明内容
本发明的任务在于，改进开口提到的类型的切割气体喷嘴，使得核心流和环状流的流动关系在切割过程期间可在不需要改变气体压力的情况下改变或者说调节，以及提供一种用于以这种切割气体喷嘴进行激光切割的方法。
根据本发明，该任务以下述方式解决，在环状间隙喷嘴的环状间隙中，套筒可在后位置和前位置之间沿轴向移动地被引导，该套筒至少在前位置中超过内喷嘴伸出并且该套筒在所述两个位置中将环状间隙喷嘴的喷嘴横截面不同程度地释放，尤其是在其一个(后或前)位置中将环状间隙喷嘴很大程度上或完全封闭而在其另一个(后或前)位置中将环状间隙喷嘴释放。
根据本发明，可通过套筒在环状间隙内移动来将切割气体喷嘴的流动机械特性从单孔喷嘴(单通道喷嘴)的特性朝分流喷嘴(多通道喷嘴)的特性转变，在单孔喷嘴的情况下切割气体仅由内喷嘴流出而在分流喷嘴的情况下切割气体既由内喷嘴也由环状间隙喷嘴流出。单孔喷嘴主要用于加工薄板材和刺入，而分流喷嘴主要有利于加工厚板材。通过根据本发明的切割气体喷嘴因而可切割不同厚度的工件并且尤其是也可实现不同的加工方法。根据本发明的切割气体喷嘴的灵活性使得能在使用者以及在备用件库存方面减小迄今所需的切割喷嘴的变型多样性。还可减小机器在更换喷嘴期间的非生产性停止时间。
内喷嘴和环状间隙喷嘴构造在喷嘴体中并且可或者具有相互独立的气体接头，或者在内喷嘴的喷嘴孔和环状间隙喷嘴的环状间隙经由喷嘴体的至少一个连接孔相互连接的情况下具有共同的气体接头。在后一种情况下，有利地，内喷嘴的喷嘴孔与气体接头连接而环状间隙经由连接孔连接到所述喷嘴孔上。
特别优选，在套筒的后位置中在套筒的后端面和喷嘴体之间留有环状室，该环状室尤其是经由存在于喷嘴体和套筒之间的引导间隙与外部环境连接，其中，所述至少一个连接开口构造为延伸直至环状室中的开口。通过在每个套筒位置中都存在的环状室和与环状室相连的开口而可能的是，通过有目的地选择气体压力将套筒由前移位置吸到直至其后末端位置。
在另一实施方式中，内喷嘴的喷嘴孔和环状间隙喷嘴的环状间隙并不通过开口相互连接，其中，存在于套筒的后端面和喷嘴体之间的环状室尤其是经由喷嘴体和套筒之间存在的引导间隙与外部环境连接。通过由内喷嘴流出的切割气体的文丘里效应抽吸外部环境中的空气(氧气)，所述空气在套筒内与氮气切割气体射束以有利的方式混合。
有利地可通过套筒的结构构型，有目的地调整套筒对工件表面的挤压力。如果套筒的、切割气体压力沿向前方向作用于其上的表面部分大于套筒的、尤其是在套筒坐置在工件表面上的情况下切割气体压力沿返回方向作用于其上的表面部分，则切割气体压力原则上引起套筒对工件表面的挤压力。替代地，套筒的、切割气体压力沿向前方向作用于其上的表面部分可以等于或(稍)小于套筒的、在套筒坐置在工件表面上的情况下切割气体压力沿返回方向作用在其上的表面部分。在该情况下通过切割气体压力作用于套筒上的升力和挤压力与绝对气体压力水平无关地保持平衡或产生小的升力，使得套筒在理想情况下无磨损地但尽管如此始终面贴靠地在平坦的工件表面上滑动或在套筒的端面与工件表面之间产生最小间隙，使得套筒在工件表面上方悬浮。套筒的后一种构型特别有利于无刮痕的切割加工。
特别有利地，环状间隙的内壁通过内喷嘴的尤其呈锥形的外侧构成。还有利的是，套筒在环状间隙的外壁上可移动地受引导。
在一种实施方式中，套筒在其一个(末端)位置中封闭环状间隙喷嘴，其中，在环状间隙中布置有阀座，套筒在其封闭环状间隙喷嘴的位置中贴靠在该阀座上。
在该实施方式的第一扩展方案中，阀座在套筒的后(末端)位置关闭并且在套筒的前(末端)位置打开。阀座例如可通过环状间隙的锥形壁区段或环状凸肩构成。阀座布置在环状间隙的内壁上，但在环状凸肩的情况下也可构成在环状间隙的底上。所述锥形壁区段沿套筒的向前方向变细。
在该实施方式的第二扩展方案中，阀座在套筒的前(末端)位置关闭而在套筒的后(末端)位置打开。阀座例如可通过环状间隙的锥形壁区段或环状凸肩构成，其中，套筒具有将阀座沿返回方向钩住的密封面。所述锥形壁区段沿套筒的返回方向变细。
套筒的与阀座共同起作用的密封面可一体地成型在套筒上或通过独立的密封环构成。在后一种情况下，套筒和密封环由不同的材料制成，即例如套筒由陶瓷制成而密封环由金属制成，由此减小套筒的制造成本并且密封环与一体的陶瓷套筒相比具有更精确的密封面。
特别优选，套筒在环状间隙中具有以下侧缝隙地受支承(“浮动地”)，使得套筒在环状间隙内能倾摆例如±5°地受支承。通过该方式，切割气体喷嘴可通过倾摆对工件表面的不平整性作出反应，而不会受机械损伤或失去与平坦但稍微倾摆的板材表面的形锁合接触。有利地，套筒可具有外部环绕的、尖的或凸球形的对中凸缘，该对中凸缘在环状间隙的外壁上可移动地受引导并且可倾摆地受支承。替代地或附加地，环状间隙的外壁可沿向前方向和/或套筒外侧沿返回方向尤其是锥形地变细，以使得套筒在环状间隙内能倾摆约±5°。
为了在工件表面中的例如由于切下的工件部分的倾摆而出现的小台阶上没有损伤地来回滑动，套筒的前端面优选在内侧和/或在外侧具有起始斜角，例如呈45°倒角的形式。
特别优选，套筒由陶瓷(例如氧化铝)制成，因为陶瓷在高频技术上足够中性或者说不导电，使得根据本发明的切割气体喷嘴可通过激光加工头的电容间距传感装置如传统的分流喷嘴(没有集成的套筒的喷嘴)那样进行处理。此外，陶瓷的高熔点和高的抗磨强度确保套筒的足够长的寿命。但取代陶瓷，所述套筒也可由同类地耐温且不导电的材料或能抵抗直至至少100℃的温度的塑料制成。在后一种情况下，滑动特性、强度和直至至少100℃的耐温性(持续工作温度)是重要的。在干燥的钢上的运动的摩擦系数应小于0.3。此外，在106Hz情况下的相对介电常数应低于3。满足这些要求的材料例如有聚四氟乙烯。
优选，套筒在其前端面中具有至少一个、优选多个倾斜于径向地延伸的槽或在其套筒壁中具有至少一个、优选多个倾斜于径向地延伸的孔。通过槽和孔的倾斜的或者说螺旋形的取向，流出的切割气体的动量将转矩施加到套筒上，由此套筒被置于旋转中。替代地，套筒也可在其套筒壁中在外侧具有至少一个、优选多个倾斜于轴向地延伸的槽，使得套筒通过于外部沿套筒轴向流动的空气或于外部沿套筒流动的过程气或者说保护气被置于旋转中。通过旋转的套筒例如可消除工件表面的污物以及通过套筒壁中的至少一个、优选多个孔或槽有目的地引起位于套筒下方的过程区内的气体压力的改变。
根据本发明的切割气体喷嘴可有利地例如用于氮气高压激光切割多层板材堆垛、尤其是薄板材(结构钢，不锈钢，铝)。在套筒内形成的气垫引起对工件堆垛的挤压力，该挤压力在切割过程期间防止各个工件的散开。套筒下方的气垫将面式作用的挤压力施加到板材堆垛上，使得在激光射束的区域中(与由于空间上窄地限制的气体射束而造成的限于局部地施加的挤压力不同)，没有力矩作用于板材表面上，并且不产生限于局部的下降以及各个板材的隆起。因而，切割气体以及熔液都不会侵入到被堆垛的各个工件之间的空隙中。无间隙地堆垛的单切割棱边则如一个共同的、均匀的切割棱边那样作用于切割气体射束，使得可在被堆垛的所有工件上实现程度一样的、无毛刺的切割棱边质量。基于通过套筒引起的、切割气体更好地导入到切割间隙中，能借助与标准切割气体喷嘴相比以系数3至5变小的切割气体压力进行切割。切割间隙中的、会导致堆垛的各个工件相互裂开缝的静态气体压力同样以系数3至5小于在使用传统喷嘴时的该静态气体压力，使得板材堆垛由于切割间隙中的切割气体压力而散开的可能性减小。
本发明也涉及一种用于以上面描述的被加载以气体的切割气体喷嘴来激光切割工件的方法，其中，激光射束通过内喷嘴对准工件，其中，套筒机械地通过与工件表面的接触或气动地移动到工作位置中。
在一种方法变型中，套筒通过切割气体气压沿向前方向前移并且通过切割气体喷嘴的不同程度的下降朝工件回移。
套筒向后的回移(即缩回到喷嘴体中)通过前套筒端面与工件表面的接触引起：通过切割气体喷嘴或者说承载切割气体喷嘴的激光加工头的朝工件表面方向的竖直运动将套筒压向工件并且以该方式使套筒在环状间隙内向后移动。产生通过内喷嘴的核心流和通过环状间隙的环流之间的、可通过激光加工头(并从而切割气体喷嘴)和工件表面之间的间距控制的比例。即例如在刺入和切割之间交换的情况下或在运行切割过程期间，切割气体喷嘴的流动机械特性可以受NC控制地通过激光加工头到工件表面的竖直间距从单通道喷嘴特性转变为多通道喷嘴特性。当套筒坐置在工件表面上时，套筒可在工件表面上滑动，并且在套筒和工件表面之间构成(近似)气密的封闭空腔，该空腔附加地改善切割气体到切割缝隙中的耦入。防止切割气体在板材表面上从侧面流出，并且减小切割气体消耗。
套筒向前前移受压力控制地借助作用于套筒的切割气体进行。如果后套筒端面例如构型得显著地大于前套筒端面，则切割气体的作用于套筒的前或后端面上的压力的比例引起向前的合力并从而在套筒坐置在工件表面上的情况下引起作用于工件的挤压力。
在另一方法变型中，在切割气体喷嘴中，所述至少一个连接开口与喷嘴体和套筒的后端面之间的环状通道相连，其中，当切割气体压力超过边界值时，套筒沿向前方向前移，并且，当切割气体压力低于边界值时，套筒沿返回方向回移。
在又一方法变型中，在切割气体喷嘴中，内喷嘴的喷嘴孔和环状间隙喷嘴的环状间隙不相互连接，其中，在释放环状间隙喷嘴的喷嘴横截面的情况下环境空气通过核心流被吸入到环状室中，环境空气然后与核心流一起由切割气体喷嘴排出。
本发明的主题的其他优点和有利构型由说明书、权利要求书和附图得到。前面提到的还之后还会举出的特征可自身单独使用或在多个的情况下以任意组合使用。示出的和描述的实施方式不应理解为穷举而是具有用于解释本发明的示例性特征。
附图说明
附图示出：
图1a，1b根据本发明的第一切割气体喷嘴，具有环状间隙喷嘴，该环状间隙喷嘴在图1a中在其关闭末端位置中而在图1b中在其打开末端位置中示出；
图2a，2b根据本发明的第二切割气体喷嘴，具有环状间隙喷嘴，该环状间隙喷嘴在图2a中在其关闭末端位置中而在图2b中在其打开末端位置中示出；
图3a，3b根据本发明的第三切割气体喷嘴，具有环状间隙喷嘴，环状间隙喷嘴在图3a中在其关闭末端位置中而在图3b中在其打开末端位置中示出；
图4a，4b根据本发明的第四切割气体喷嘴，具有环状间隙喷嘴，环状间隙喷嘴在图4a中在其一个末端位置中而在图4b中在其另一个末端位置中示出；
图5a-5d图1至4所示的套筒的不同的变型，前套筒端侧的俯视图(图5a)，横剖图(图5b，5d)，立体侧视图(图5c)。
在后面的附图描述中相同的或者说功能相同的构件使用一致的附图标记。
具体实施方式
在图1a，1b和2a，2b中示出的切割气体喷嘴1，1′布置在激光加工头2上并且用于将切割气体对准借助激光射束3加工的工件4(例如板材)。这种切割气体喷嘴1，1'能够例如用在如在DE 10 2013 210 844 B3中公开的那种激光加工机上。
切割气体喷嘴1，1′分别包括一个喷嘴体5，其具有内喷嘴6，用于构造核心流7，并且具有环绕内喷嘴6的环状间隙喷嘴8，用于构造环状流9；以及包括超过内喷嘴6伸出的、构造为阀套筒的套筒10，该套筒在环状间隙喷嘴8的环状间隙11中可在两个位置之间轴向移动地受引导并且该套筒至少在一个位置中超过内喷嘴6伸出。优选构型为陶瓷套筒的阀套筒10在其中一个位置中封闭环状间隙喷嘴8的喷嘴横截面25并且在另一个位置中释放环状间隙喷嘴8的喷嘴横截面25。阀套筒10在环状间隙11的外壁12上可移动地受引导。在环状间隙11的内壁13上构造有阀座14，该内壁通过内喷嘴6的外侧构成，阀套筒10在其封闭环状间隙喷嘴8的末端位置中贴靠在阀座上。内喷嘴6经由其中央喷嘴孔15连接到供气部(未示出)上。环状间隙11经由一个或多个连接开口16连接到喷嘴孔15上。激光射束3穿过内喷嘴6的喷嘴出口100对准工件4。
阀套筒10构造有公差窄的、在外部环绕的对中凸缘17，该对中凸缘在环状间隙11的外壁12上可移动并且最大程度上密封地受引导。环状间隙11的外壁12和向外尖的或凸球形的对中凸缘17之间的机械缝隙使得阀套筒10在环状间隙11之内能倾摆约±5°。通过该方式可在阀套筒10在工件4上运动时补偿工件表面的不平整性。为了能够没有损伤地在工件表面中的例如由于切下的工件部分的倾摆造成的小台阶上来回滑动，阀套筒10的前端面在内侧和外侧分别具有环绕的起始斜角18a，18b，它们呈倒角的形式，所述倒角具有30°至60°之间的倒角角度，尤其是具有45°的倒角角度。
在图1a，1b中示出的切割气体喷嘴1中，喷嘴体5包括：拧紧到激光加工头2中的主体5a(例如由铜制成)，该主体具有可选地拧紧的或与主体5a一体地构造的内喷嘴6和环状间隙喷嘴8；以及在外部拧紧到主体5a上的防脱螺母5b(例如由铜制成)，该防脱螺母具有径向向内伸出到环状间隙11中的防脱边缘19。防脱边缘19将阀套筒10防丢地保持在环状间隙11中并且构成末端止挡，阀套筒10以其对中凸缘17在其前末端位置中贴靠在该末端止挡上。阀座14通过环状间隙11的沿阀套筒10的向前方向20锥形变细的内壁13构成并且与阀套筒10一起构成环状间隙阀。
在阀套筒10的图1a所示的后末端位置中(内喷嘴6到工件4的间距A为约：0至1mm)，阀套筒10坐置在工件4上并且以其套筒孔的内棱边密封地贴靠在阀座14上，由此将环状间隙阀并从而将环状间隙喷嘴8的喷嘴横截面25封闭。由激光加工头2流入到切割气体喷嘴1中的切割气体仅可通过内喷嘴6的中央喷嘴出口100作为核心流7流出。这种单孔喷嘴(单通道喷嘴)例如在加工薄板材时是符合预期的。
当将阀套筒10由其后末端位置向前移动时，阀套筒从阀座14抬起，并且环状间隙阀打开。在此随着阀套筒10的逐渐前移，在阀套筒10和内壁13之间形成逐渐增大的间隙，即逐渐变宽的喷嘴开口25，使得切割气体的越来越多的份额不再通过内喷嘴6的喷嘴出口100流出，而是经由连接开口16流到环状间隙11中并且从那里通过环状间隙喷嘴8作为环状流9流出。切割气体既从内喷嘴6也从环状间隙喷嘴8流出的这种分流喷嘴(多通道喷嘴)主要在切割厚工件时是符合预期的。在图1b中示出在前末端位置中的阀套筒10，其中，内喷嘴6到工件4的间距A以至少阀套筒10在其两个末端位置之间的移动位移大于在后末端位置时的该间距。
阀套筒10的后端面21由于对中凸缘17而显著地大于由部分面18a构成的前端面，使得喷嘴内部和周围环境之间的压差引起阀套筒10沿向前方向20前移并且在阀套筒10已坐置在工件表面上的情况下引起阀套筒10作用到工件表面上的挤压力，该挤压力与切割气体压力成比例。通过阀套筒10的与压力成比例的气动弹动可靠地防止阀套筒10从工件表面抬起。阀套筒10沿返回方向22的回移通过切割气体喷嘴1朝工件4的不同程度的下降来实现，由此阀套筒10坐置在工件表面上并且沿返回方向22回移。
在图2a，2b所示的切割气体喷嘴1′的情况下，喷嘴体5包括能拧紧到激光加工头2中的外喷嘴体5a(例如由铜制成)，该外喷嘴体构成环状间隙11的外壁12，以及包括拧紧、压入或粘接到外喷嘴体5a中的内喷嘴体5b(例如由铜制成)，该内喷嘴体具有内喷嘴6并且该内喷嘴体的外侧构成环状间隙11的内壁13。阀座14通过内壁13的沿返回方向22锥形缩窄的前壁区段24构成并且与阀套筒10的成型为凸肩的内轮廓或与密封环23共同起作用，该密封环固定在阀套筒10的后端侧上并且在向前方向20上钩住阀座14。密封环23或者说阀套筒10的凸肩将阀套筒10防丢地保持在环状间隙11中。阀座14与阀套筒10一起构成环状间隙阀，
在阀套筒10的图2a所示的前末端位置中，阀套筒10与工件4隔开间距并且以密封环23密封地贴靠在阀座14上，由此环状间隙阀并从而环状间隙喷嘴8的喷嘴横截面25被封闭。由激光加工头2流入到切割气体喷嘴1′中的切割气体仅可通过内喷嘴6的中央喷嘴出口100作为核心流7流出。当激光加工头2并从而内喷嘴6与工件表面具有大的间距时，这种单孔喷嘴(单通道喷嘴)在激光射束3刺入到工件4中或在加工薄板材时是符合预期的。
当阀套筒10从其前末端位置通过加工头2朝工件表面4的下降而沿返回方向22回移到图2b所示的位置中时，阀套筒从阀座14抬起，并且环状间隙阀打开，使得切割气体也经由连接开口16流到环状间隙11中并且从那里通过环状间隙喷嘴8的喷嘴横截面25作为环状流9流出。切割气体既从内喷嘴6的喷嘴出口100也从环状间隙喷嘴8流出的这种分流喷嘴(多通道喷嘴)主要在切割厚工件时是符合预期的。在图2b中示出与工件4贴靠的阀套筒10，其中，内喷嘴6到工件4的间距A比在坐置的喷嘴的前末端位置中的该间距小，所小的值为阀套筒10的移动位移。
阀套筒10在示出的示例中这样构造，使得：在运行中与绝对气体压力水平无关地，通过切割气体压力作用于阀套筒10上的升力和挤压力刚好平衡，使得阀套筒10很大程度上无摩擦地，但是尽管如此持续面贴靠地在(平坦的)工件表面上滑动。这以下述方式实现，阀套筒10的、切割气体压力沿向前方向20作用于其上的表面部分与阀套筒10的、切割气体压力沿返回方向22作用于其上的表面部分一样大。在示出的示例中，通过阀套筒10和密封环21构成的后端面与通过内起始斜角18a构成的前端面(在投影中)一样大，该前端面在阀套筒10坐置在工件4上的情况下被切割气体压力加载。阀套筒10沿向前方向20的前移在阀套筒10不坐置在工件4上的情况下通过切割气体压力实现。阀套筒10沿返回方向22的回移通过切割气体喷嘴1朝工件4的不同程度的下降实现，由此阀套筒10坐置到工件表面上并且沿返回方向22回移。通过面积比例的有目的的改变可与当前气体压力无关地实现阀套筒10在工件4上方的限定的悬浮状态，以例如使得能够无刮痕地进行切割加工。
当在刺入之后由熔渣和凝固的金属飞溅物构成的沉积物粘附在工件表面上时，则必须在激光射束3的从刺入孔至真正的切割轮廓的起点的路线上克服一区域，该区域由于工件表面的污染而不适合于将阀套筒10在那里齐平地坐置到工件4上。在刺入位置和真正的切割轮廓之间的这种过渡区域中(称为“预切割”)，NC控制地转换喷嘴特性的可能性同样起作用：在预切割的区域中，单孔喷嘴(单通道喷嘴)的喷嘴特性更有利于稳定的切割过程，而在到达真正的构件轮廓的情况下，当对于切割厚工件更有利时可转换到分流(多通道)特性。
切割气体喷嘴1'在以大间距刺入时具有与传统单孔喷嘴(单通道喷嘴)相同的特性。因此对于刺入过程参数不需要附加的数据求取。通过刺入时仅可通过内喷嘴6的中央开口100射出的紧凑气体射束，可尽可能地保护切割气体喷嘴1′不受由飞溅物或烟造成的污染。对从刺入孔飞出的金属飞溅物的飞行轨迹和冷却特性进行尽可能好地影响，从而实现尽可能无飞溅物的刺入。
切割气体喷嘴1，1′和工件表面之间的区域在切割气体喷嘴1，1′坐置的情况下的近似气密的封闭
-使并不侵入到切割间隙中(有效过程)而是水平地经由板材表面从过程区流出(损失过程)的气体量最小化，
-由此使要从机器方面提供的最大切割气体压力或者说所需的最大切割气体流量最小化，
-使通过切割气体喷嘴1，1′生成的噪声排放最小化，
-通过将切割气体更好地耦入到切割间隙中在给定的机器方面的最大气体压力的情况下能够切割更厚的板材，并且
-防止切割气体(例如高纯氧气)被吸入到切割间隙中的环境空气有害地混杂。
在进行的切割运行中，阀套筒10在喷嘴体5中的“浮动的”倾摆支承允许
-喷嘴-板材间距A的NC控制的变化，并从而允许
-阀套筒10内的流动分布的有目的的改变，并从而允许
-切割气体喷嘴1，1′灵活地既用作传统的单孔喷嘴(单通道喷嘴)也用作消耗最小化的分流喷嘴(多通道喷嘴)，
-自动补偿不平坦的工件表面，而不改变切割气体动态性，从而也不改变切割结果。
取代示出的锥形，阀座14也可构成为平坦的环状凸肩，尤其是构成在环状间隙11的底上。
图3a，3b所示的切割气体喷嘴1″与图2的切割气体喷嘴1′的不同在于，内喷嘴6的喷嘴孔15和环状间隙喷嘴8的环状间隙11不相互连接，即不存在连接孔，并且在阀套筒10的后端面21和喷嘴体5之间存在的环状室26经由喷嘴体5和阀套筒10之间存在的引导间隙27与外部环境连接。因而有目的地取消在切割气体喷嘴1，1′的情况下希望的、阀套筒10的外直径或者说其对中凸缘17相对于环境大气的密封。
后套筒端面和前套筒端面之间的比例选择成：在切割运行中作用于阀套筒10的气体压力与所用的切割气体压力无关地引起阀套筒10的限定的悬浮状态，使得：通过前套筒端面和工件表面之间的能以限定和可重复的方式调整的间隙，足够多的损失气流从阀套筒10逸出。
替代于此，也可通过有目的地将气体流出通道置于套筒端面中或通过有目的地将气体流出孔置于套筒的柱形部分中实现足够多的损失气流。
如果切割气体喷嘴1″从其图3a所示的关闭的阀位置出发以越来越小的、内喷嘴到工件4的间距A运行，则阀套筒10从阀座14抬起并且环状间隙阀逐渐打开(图3b)。通过从内喷嘴6流出的切割气体的文丘里效应，(越来越多的)空气(并从而氧气)28经由引导间隙27从环境作为环状流9被抽吸，所述空气在阀套筒10之内与氮气-切割气体射束混合。与内喷嘴到工件4的间距A无关地，通过该方式可通过周围环境中的氧气来有目的地调整用作切割气体的氮气流中的异种气体份额。即切割气体喷嘴1″用作可调整的气体混合喷嘴。通过正确地选择内喷嘴到工件4的间距A，能够可重复地并且可调整地将产生的、切割气体中的氧气份额适配于当前切割过程的需求(例如根据激光功率、板材厚度、辊压表面-表面特性)。
借助这种可调整的气体混合喷嘴，例如可在以CO2激光射束切割铝时，通过将约0.5％至2％的氧气从周围环境受控地添加到高纯的氮气切割气体射束中来提高过程效率和稳定性。由于存在小百分比的氧气，在切割过程中提高了吸收度并且降低了熔液粘度。
如果不应该进行环境空气的添加，则必须将内喷嘴到工件4的间距A增大到以下程度，使得阀套筒10坐置在锥形的阀座14上并从将环状间隙11封闭(图3a)。通过该方式使得能以最小的由于环境大气造成的污染实现高纯切割气体射束到切割间隙中的耦入。这例如有利于无氧化物的构件的切割。
在未示出的另一变型中，气体喷嘴可替代地实施成，使得内喷嘴6的喷嘴孔15和环状间隙喷嘴8的环状间隙11不相互连接，即不存在连接孔，并且在阀套筒10的后端面21和喷嘴体5之间存在的环状室26不与外部环境连接。在该变型中，气体喷嘴始终用作单通道喷嘴。流动情况的变化不能以这种气体喷嘴实现，但切割气体到切割间隙中的耦入或者说保护气在焊接时的作用被改善。
图4a，4b所示的切割气体喷嘴1″′与图2的切割气体喷嘴1′的不同在于，连接开口16构造为轴向长形孔，该长形孔在套筒10的后末端位置(图4a)中直至前末端位置(图4b)中将内喷嘴6的喷嘴孔15和环状间隙喷嘴8的环状间隙11相互连接，并且在套筒10的后末端位置中在套筒10的后端面21和喷嘴体5之间余留有环状室26，该环状室经由在喷嘴体5和套筒10之间存在的引导间隙27与外部环境连接。通过连接孔16和通过在各个套筒位置中都存在的环状室26而可能的是：通过有目的地选择气体压力将套筒10由前移位置沿返回方向22吸到直至其后末端位置。套筒10的后末端位置或者通过后套筒端面贴靠在内喷嘴6的锥形外侧上限定或者通过前套筒边缘18c贴靠在喷嘴体5上限定。
与切割气体喷嘴1，1′，1″不同，切割气体喷嘴1′″的套筒10不具有向外尖或凸球形的对中凸缘，而是环状间隙11的通过喷嘴体5的主体5a的内壁形成的外壁12沿向前方向20锥形缩窄，以使得套筒10在环状间隙11之内能倾摆约±5°。替代地或附加地，套筒壁也可于外侧沿返回方向22尤其是锥形地缩窄。
切割气体喷嘴1′″在此按下述方式工作；
在开启切割气体流的情况下，首先在环状室26中或者说套筒10的后端面21上产生负压，套筒通过该负压被吸入到喷嘴体5中直至后末端位置，即使当套筒10不与工件表面接触时也是如此。如果切割气体的气体压力保持小于通过套筒10的重量预给定的边界压力(例如3bar)，则套筒10保持吸入。该状态可用于在以下情况下保护套筒10不受损伤或污染：例如在刺入时、在使用喷嘴来雕刻或刻画工件时、或在通过洗刷来清洁喷嘴时，即尤其是在以下方法的情况下，在这些方法中在喷嘴到工件4的间距大的情况下工作，但尽管如此套筒10在喷嘴体5中应留在后末端位置中。
如果气体压力增大超过边界压力，则切割气体越来越紊乱地流过内喷嘴6和套筒10之间的环状间隙8，由此切割气体的向前指向的力作用同样增大，使得通过切割气体将套筒10沿向前方向20挤压。
在切割工件4时设定该状态，使得套筒10接触工件表面。这有效地防止切割气体从侧面流出并防止环境空气吸入到切割间隙中。通过该方式减小气体消耗并且在切割间隙中获得精确限定的气体组成，由此显著地改善所获的切割棱边的质量。
为了在切割运行之后重新吸入套筒10，首先必须将喷嘴体5的入口15处的气体压力减小到近似0bar或完全关断。重新将气体压力增大到稍小于边界压力则引起：由于重力而位于其在喷嘴体5的突出部101上的前末端位置中的套筒10被吸入到其后末端位置中。在低于边界压力的恒定气体压力的情况下，套筒10持久地停留在其在喷嘴体5中的后末端位置中。
取代图3和4所示，经由引导间隙27，外部环境中的空气也可经由喷嘴体5中的孔(未示出)被抽吸，所述孔将环状室26与外部环境连接。
在图5a-5d中示出套筒10的不同的改型。
如果套筒10在其前端面29具有多个、在这里例如两个倾斜于径向或螺旋形地延伸的槽30(图5a)或在其柱形的套筒壁31中具有多个、在这里例如两个倾斜于径向地延伸的孔32(图5b)，则套筒10通过在槽30或孔32中从内向外流动的切割气体而被置于旋转中。槽30可很窄且平地实施，使得仅少量的切割气体通过槽30流出到环境中。通过槽30和孔32的倾斜的或者说螺旋形的取向，流动的切割气体的动量将转矩施加到阀套筒10上，阀套筒由此被置于旋转中。替代地，在柱形的套筒壁31中在外侧也可存在多个倾斜于轴向地延伸的槽33(图5c)，使得阀套筒10通过沿轴向在引导间隙27中流动的空气28或者说过程气或保护气被置于旋转中。附加于引起旋转的结构，阀套筒10可在其柱形套筒壁31中具有一个或多个细孔34。
套筒10的旋转可按下述方式有利地使用：
当套筒10由高抗磨材料例如氧化物陶瓷(AI2O3)制成时，套筒10可通过其前端面29如在车床或铣床中那样以一定的程度通过动量传递去除工件表面的污物。当套筒10与工件表面持续机械接触时(套筒10旋转)，则可去除面污物，例如油层或氧化层、颜料残余或粘接剂残余、烟迹、金属珠等。但由于直接的机械接触，陶瓷套筒10可能在工件表面上留下刮痕。通过套筒10的旋转还减小套筒10和工件表面之间的静摩擦和由于局部变热造成的套筒10磨损。
如果套筒10在其端面29中具有几何结构例如槽30(图5a)或在套筒壁31中具有几何结构例如孔32，34(图5b，d)——通过所述几何结构可使少量的过程气限于局部地由套筒10的内室流出到环境中——，则套筒10的旋转使得能够改变位于套筒10下方的过程区(工件4上)中的过程气压力。这种有目的地产生的压力波动例如在激光切割时对产生的、工件4的切割棱边产生有利影响。
取代由陶瓷制成，套筒10也可由塑料制成，所述塑料不必像陶瓷那样耐温。塑料的更好的滑动特性具有以下优点，在套筒10在工件上运动的情况下减少或甚至完全避免在工件表面上形成刮痕。

Claims (26)

1.一种用于激光加工头(2)的切割气体喷嘴(1；1′；1″；1″′)，具有：
-内喷嘴(6)，用于构造核心流(7)，
-和环绕该内喷嘴(6)的环状间隙喷嘴(8)，用于构造环状流(9)，
其特征在于，
在所述环状间隙喷嘴(8)的环状间隙(11)中，套筒(10)以能在后位置和前位置之间沿轴向移动的方式受引导，
所述套筒至少在所述前位置中超过所述内喷嘴(6)伸出，并且，
所述套筒在这两个位置中将所述环状间隙喷嘴(8)的喷嘴横截面(25)不同程度地释放。
2.根据权利要求1所述的切割气体喷嘴，其特征在于，所述套筒(10)在其一个位置中将所述环状间隙喷嘴(8)至少很大程度上、尤其是完全封闭而在其另一个位置中将所述环状间隙喷嘴(8)释放。
3.根据权利要求1或2所述的切割气体喷嘴，其特征在于，
所述内喷嘴(6)和所述环状间隙喷嘴(8)构造在喷嘴体(5)中，并且
所述内喷嘴(6)的喷嘴孔(15)和所述环状间隙喷嘴(8)的环状间隙(11)经由至少一个连接开口(16)相互连接。
4.根据权利要求3所述的切割气体喷嘴，其特征在于，
在所述套筒(10)的后位置中在所述套筒(10)的后端面(21)和所述喷嘴体(5)之间留有环状室(26)，该环状室尤其是经由存在于喷嘴体(5)和套筒(10)之间的引导间隙(27)与外部环境连接，并且
所述至少一个连接开口(16)构造为延伸直至所述环状室(26)中的开口。
5.根据权利要求1或2所述的切割气体喷嘴，其特征在于，
所述内喷嘴(6)和所述环状间隙喷嘴(8)构造在喷嘴体(5)中，其中，所述内喷嘴(6)的喷嘴孔(15)和所述环状间隙喷嘴(8)的环状间隙(11)不相互连接，并且
存在于所述套筒(10)的后端面(21)和所述喷嘴体(5)之间的环状室(26)尤其是经由存在于喷嘴体(5)和套筒(10)之间的引导间隙(27)与外部环境连接。
6.根据前述权利要求之一所述的切割气体喷嘴，其特征在于，所述套筒(10)的、切割气体压力沿向前方向(20)作用于其上的表面部分大于所述套筒(10)的、切割气体压力沿返回方向(22)作用于其上的表面部分。
7.根据权利要求1至5之一所述的切割气体喷嘴，其特征在于，所述套筒(10)的、切割气体压力沿向前方向(20)作用于其上的表面部分等于或小于所述套筒(10)的、切割气体压力沿返回方向(22)作用于其上的表面部分。
8.根据前述权利要求之一所述的切割气体喷嘴，其特征在于，所述环状间隙(11)的内壁(13)通过所述内喷嘴(6)的外侧构成。
9.根据前述权利要求之一所述的切割气体喷嘴，其特征在于，所述套筒(10)在所述环状间隙(11)的外壁(12)上可移动地受引导。
10.根据前述权利要求之一所述的切割气体喷嘴，其特征在于，在所述环状间隙(11)中布置有阀座(14)，所述套筒(10)在其将所述环状间隙喷嘴(8)封闭的位置中贴靠在所述阀座上。
11.根据权利要求10所述的切割气体喷嘴，其特征在于，所述阀座(14)在所述套筒(10)的后位置中关闭而在所述套筒(10)的前位置中打开。
12.根据权利要求11所述的切割气体喷嘴，其特征在于，所述阀座(14)通过所述环状间隙(11)的锥形壁区段或环状凸肩构成。
13.根据权利要求10所述的切割气体喷嘴，其特征在于，所述阀座(14)在所述套筒(10)的前位置中关闭而在所述套筒(10)的后位置中打开。
14.根据权利要求13所述的切割气体喷嘴，其特征在于，
所述阀座(14)通过所述环状间隙(11)的锥形壁区段(24)或环状凸肩构成，并且
所述套筒(10)具有钩住所述阀座(14)的密封面。
15.根据权利要求10至14之一所述的切割气体喷嘴，其特征在于，所述套筒(10)的与所述阀座(14)共同起作用的密封面通过独立的密封环(23)构成。
16.根据前述权利要求之一所述的切割气体喷嘴，其特征在于，所述套筒(10)以可倾摆的方式支承在所述环状间隙(11)中。
17.根据权利要求16所述的切割气体喷嘴，其特征在于，所述套筒(10)具有在外部环绕的、尖的或凸球形的对中凸缘(17)，该对中凸缘在所述环状间隙(11)的外壁(12)上可移动地受引导并且可倾摆地受支承。
18.根据前述权利要求之一所述的切割气体喷嘴，其特征在于，所述套筒(10)的前端面在内侧和/或外侧具有起始斜角(18a，18b)。
19.根据前述权利要求之一所述的切割气体喷嘴，其特征在于，所述套筒(10)由陶瓷或由同类地耐温且不导电的材料或由耐直至至少100℃的温度的塑料制成。
20.根据前述权利要求之一所述的切割气体喷嘴，其特征在于，所述套筒(10)在其前端面(29)中具有至少一个、优选多个倾斜于径向地延伸的槽(30)或在其套筒壁(31)中具有至少一个、优选多个倾斜于径向地延伸的孔(32)。
21.根据前述权利要求之一所述的切割气体喷嘴，其特征在于，所述套筒(10)在其套筒壁(31)中在外侧具有至少一个、优选多个倾斜于轴向地延伸的槽(33)。
22.根据前述权利要求之一所述的切割气体喷嘴，其特征在于，所述套筒(10)在其套筒壁(31)中具有至少一个、优选多个孔(34)。
23.一种用于以被气体加载的切割气体喷嘴(1；1′；1″；1′″)激光切割工件(4)的方法，所述切割气体喷嘴是根据前述权利要求之一所述的切割气体喷嘴，其中，使激光射束(3)穿过所述内喷嘴(6)指向所述工件(4)并且使所述套筒(10)机械地或气动地移动到工作位置中。
24.根据权利要求23所述的方法，其特征在于，
通过切割气体压力将所述套筒(10)沿向前方向(20)前移，并且
通过所述切割气体喷嘴(1)朝所述工件(4)不同程度地下降将所述套筒沿返回方向(22)回移。
25.根据权利要求23所述的方法，其以根据权利要求4所述的切割气体喷嘴(1″′)来实施，其特征在于，当切割气体压力高于边界值时，所述套筒(10)沿向前方向(20)前移，并且当切割气体压力低于该边界值时，所述套筒沿返回方向(22)回移。
26.根据权利要求23所述的方法，其以根据权利要求5所述的切割气体喷嘴(1″)实施，其特征在于，在释放所述环状间隙喷嘴(8)的喷嘴横截面(25)的情况下，环境空气通过核心流(7)被抽吸到所述环状室(26)中，该环境空气然后与所述核心流(7)一起由所述切割气体喷嘴(1″)排出。
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