CN109789513A - 用于激光加工设备的具有收敛区段和发散区段的激光切割喷嘴；具有这种喷嘴的激光加工设备；用于运行这种激光加工设备的方法 - Google Patents

用于激光加工设备的具有收敛区段和发散区段的激光切割喷嘴；具有这种喷嘴的激光加工设备；用于运行这种激光加工设备的方法 Download PDF

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Abstract

本发明说明了一种用于激光加工设备(20)的激光切割喷嘴(1)，所述激光切割喷嘴具有在喷嘴入口(4)和喷嘴出口(5)之间沿着通道纵轴线(6)延伸的、用于激光束和切割气体的通道(2)。所述通道(2)具有收敛区段(8)和发散区段(9)。在整个发散区段(9)中，所述通道(2)的壁相对于所述通道纵轴线(6)构成最大为5°的倾斜角度。此外，所述发散区段(9)的长度(LD)小于所述狭窄部位(10)的直径(dmin)的5倍。此外，本发明说明了一种具有这种激光切割喷嘴(1)的激光加工设备和一种用于运行这种激光加工设备的方法。

Description

用于激光加工设备的具有收敛区段和发散区段的激光切割喷 嘴；具有这种喷嘴的激光加工设备；用于运行这种激光加工设 备的方法
技术领域
本发明涉及一种用于激光加工设备的激光切割喷嘴，所述激光切割喷嘴具有在喷嘴入口和喷嘴出口之间沿着通道纵轴线延伸的、用于激光束和切割气体的通道，其中，所述通道朝其出口的方向在直至所述通道的狭窄部位的收敛区段中连续地收敛到小于在收敛区段入口处的横截面面积的40％，其中，所述通道从狭窄部位出发在直至所述通道的出口的发散区段中连续地发散到超过在所述狭窄部位处的横截面面积的130％。
此外，本发明涉及一种具有这种激光切割喷嘴的激光加工设备和用于运行所述激光加工设备的方法。
背景技术
现代激光加工设备通常能够在高加工速度的情况下提供无缺陷的切割结果。然而，这些设备在加工复杂的三维工件时会达到极限。例如，由于不利的空间布局不能足够恒定地保持或不能足够精确地调整确定切割过程的参数，如喷嘴-工件间距、激光喷嘴的位态等。因此，可能在工件的角落中或角部上进行切割工作时出现质量下降，例如导致更多地出现划痕或(微)毛刺。此外，随着加工速度的提高和喷嘴到工件间距的减小，构件碰撞的风险增加，例如由于与预给定形状偏离的工件。
由文献已知，从喷嘴喷出的切割气体射束的特性对切割结果的质量具有决定性的影响。由于该原因，已经提出了用于气体射束成型的、具有内轮廓或通道的喷嘴，所述喷嘴不同于具有简单锥形通道的喷嘴而设有锥形-柱形的、锥形-发散的通道或通常设有收敛-发散的通道。例如参考H.C.Man等人在材料加工技术杂志，第63期(1997)，第217-222页的专业文章“用于高气压激光切割的超音速喷嘴的设计与特性分析”。
例如由US 6423928已知具有收敛-发散通道的开头所述类型的激光切割喷嘴。从柱形狭窄部位区段出发，已知的喷嘴在出口区域中具有明显的锥形横截面扩宽部。此外，由这些条件决定地，所述喷嘴在面向工件的端部上仅具有非常窄的端面，因此，喷嘴对于电容式间距调节的灵敏度仅适用于小加工间距。
发明内容
本发明的任务是，提供一种激光切割喷嘴，该激光切割喷嘴能够实现具有更好切割结果的三维激光切割加工。
该任务通过具有权利要求1特征的激光切割喷嘴来解决。
在本发明的意义上，收敛-发散通道的壁在整个发散区段中具有相对于通道纵轴线最大为5°的倾斜角度，并且发散区段的长度小于狭窄部位直径的5倍。
优选地，通道壁相对于通道纵轴线的平均倾斜角度在发散区段中小于4.0°。在喷嘴的特别优选的构造形式中，该倾斜角度甚至小于3.0°或小于2.0°。然而，平均倾斜角度尤其大于1.0°。
由于在发散区段中倾斜角度被限制到最大5°，确保喷出的气体射束在整个发散区段上的有效造型。防止气流在边缘侧的“脱离”或“撕裂”，所述“脱离”或“撕裂”引起气流的不希望的非均匀性。尽管最大倾斜角度相对小，但发散区段不大于狭窄部位直径的5倍。出乎意料地表明，发散区段的该长度对于有效的气体射束造型是足够的。尤其，即使发散区段的长度小于狭窄部位直径的4倍或3倍也是足够的。然而优选地，为了确保足够的效果，发散区段应至少大于狭窄部位直径的2倍。
所述通道的根据本发明的造型导致在大的间距上、尤其在1.5至6mm范围的间距上在离开喷嘴之后的气流中、即尤其在工件表面上加工期间和在切割缝隙中的气流中实现恒定的流体动力学条件。在此，根据本发明的造型导致，切割气体至少达到音速并且在长的有效距离上保持该音速。喷嘴尤其这样地成型，使得切割气体在狭窄部位处已经达到音速，并且随后在喷嘴的发散部分中加速到超音速。
在本发明的优选实施例的情况下，壁的平均倾斜角度在收敛区段中大于5°。由于更大的倾斜角度，收敛区段可以构造得更短，使得喷嘴整体上更紧凑地构造。特别地，发散区段有利地具有大于收敛区段长度的1.4倍和/或小于收敛区段长度的1.7倍的长度。
优选地，壁的平均倾斜角度在收敛区段中甚至大于7°。然而，为了避免对气流产生不希望的影响，该平均倾斜角度尤其小于15°、优选甚至小于13°。
在一个优选的发明变型中，收敛区段在狭窄部位处直接过渡到发散区段中。由于收敛区段和发散区段直接地连续，所希望的提高流速(优选达到超音速)的效果特别明显。在收敛区段和发散区段之间尤其不设置具有显著长度的柱形狭窄部位区段。
在该意义上，一个优选的实施例也是有利的，在该实施例中，收敛区段在狭窄部位处无棱边地和/或逐渐地过渡到发散区段中。即在从收敛区段到发散区段的过渡部处，壁的倾斜角度不发生突然变化。避免例如形成可能对气流产生不希望的影响的不利棱边。
总体上，优选一种喷嘴的构造形式，在该构造形式中，壁沿着整个通道具有连续的、无棱边的走势。
在一个特别优选的实施例的情况下，收敛区段至少区段地具有相对于通道纵轴线弯曲的壁，该弯曲的壁优选具有在4至8mm之间的曲率半径。
替代地或补充地，发散区段至少区段地具有相对于通道纵轴线弯曲的壁，该弯曲的壁优选具有在20至30mm之间的曲率半径。
为了确保限定的进入流，喷嘴的一个优选变型附加地具有进入区段，该进入区段在进入侧上布置在收敛区段之前。优选地，进入区段是柱形的。
为了确保与切割方向无关的切割特性，进入区段和/或发散区段和/或收敛区段优选具有圆形横截面。
仅通过柱形的进入区段、收敛区段和发散区段构成通道，通过这种方式得到尽可能紧凑构造的喷嘴。在这方面也优选一个实施例，在该实施中，喷嘴是单孔喷嘴。
为了在与喷嘴出口几毫米的间距处也形成均匀的气流，已经证明多种不同的结构措施是特别有利的。因此，出口的横截面面积应小于入口的横截面面积。优选地，所述出口的横截面面积大于入口横截面面积的15％和/或小于入口横截面面积的75％。优选地，狭窄部位的横截面面积大于入口横截面面积的20％和/或小于入口横截面面积的40％。出口的横截面面积大于狭窄部位横截面面积的140％、优选大于180％和/或小于狭窄部位横截面面积的250％、优选小于220％。
尤其，对于构件、优选金属成型件的三维激光切割加工而言，具有以下直径尺寸的喷嘴构造形式是有利的。优选地，出口的直径在1.8至3.5mm之间，狭窄部位的直径在1.3至3.0mm之间和/或入口的直径在4.0至5.0mm之间。
在一个优选的实施例的情况下，收敛区段具有在3.5至4.5mm之间的长度，发散区段具有在5.0至7.0mm之间的长度和/或进入区段具有在1.0至1.5mm之间的长度。
激光切割喷嘴的外轮廓主要在两个方面起到特别的作用。一方面，激光切割喷嘴对于在三维工件加工中使用应构造得尽可能小，以便在非常狭窄的空间条件下也可以确保无碰撞的加工。此外，激光切割喷嘴优选与电容式喷嘴-工件间距调节装置一起使用。外轮廓、尤其靠近工件的喷嘴表面对用于间距调节的电容测量信号的效力具有决定性的影响。因此，在下面阐述的实施例在喷嘴与电容式间距调节装置一起使用方面具有特别的优点。
优选地，喷嘴的在出口侧的外径在3.0至4.6mm之间。此外，在出口侧的锥形外周面具有在4.0至5.0mm之间的长度和/或具有相对于通道纵轴线在20°至30°之间的倾斜角度。
一个特别优选的实施例在结构上是有利的，在该实施例中，喷嘴沿纵向方向大致在狭窄部位的高度上具有最大外周。
喷嘴的在出口侧的锥形外周面在具有最大喷嘴外径的区域中过渡到优选设有滚花部的柱形外周面中，通过这种方式得到操作技术上的优点。
为了将喷嘴固定到激光加工设备的加工头上，在入口侧在喷嘴的外周面上引入外螺纹。替代地，固定装置可以任意不同地构型，例如借助环形张紧元件。
在制造技术上并且对于与电容式间距调节装置一起使用而言有利的是，喷嘴具有由金属、优选铜制成的一体式基体，其中，该基体至少构成通道的发散区段。特别地，喷嘴由金属、优选铜一体式地制造。
同样，对于与电容式间距调节装置一起使用而言有利的是，具有垂直于通道纵轴线延伸的、围绕出口的端面的喷嘴构造类型。在实践中经证明构造具有0.3至0.7mm宽度的、环形地围绕出口的端面是可靠的。通过该构造实现足够大的响应特性，所述响应特性使得对于在2mm以上范围内的大工作间距、尤其直至6mm范围内的工作间距(端面到工件的间距)也能够实现间距调节。通过具有更大工作间距的加工提高了过程安全性，由此也能够在超过10m/min、尤其甚至在30至50m/min的进给速度范围内的高速情况下执行无故障的加工。
同样，具有上下文中所说明的激光切割喷嘴的激光加工设备也视为本发明的内容。尤其，在喷嘴与喷嘴-工件间距的电容式间距调节装置一起使用时得到根据本发明的喷嘴构造的优点，所述电容式间距调节装置为了调节而确定喷嘴和工件之间的电容。优选地，该设备具有配备有激光切割喷嘴的、用于三维的激光切割加工的加工头。
优选地，该设备具有CO2激光器或固体激光器、尤其盘式激光器作为激光源，所述激光源具有至少2kW的最大功率。替代地，也可以使用光纤激光器和二极管激光器。
为了保证激光束不会由于过大的发散角度而触及喷嘴的内壁，在一个优选实施例中，借助所述设备的激光源能够产生具有≤8mm*mrad、优选≤4mm*mrad、更优选≤2mm*mrad的射束参数乘积的激光束。
此外，在使用上下文中所说明的激光切割喷嘴的情况下运行激光加工设备的方法视为本发明的内容。尤其借助所述喷嘴执行三维激光切割加工，其中，给激光切割喷嘴供应具有在8至23bar之间压力的切割气体，并且至少暂时地在喷嘴与工件表面的间距在3至6mm之间的间距范围内时切割具有1至4mm的工件厚度的金属成型件。
通常以90°的到工件表面上的射束入射角进行切割。然而小轮廓，例如仅能借助为切割头斜置所设置的摆动轴来切割，而不使用平移轴，此时可以在直至30°的斜置下切割轮廓。
优选地，使用氮气和/或压缩空气作为切割气体。
附图说明
本发明的其它构型是从属权利要求的主题以及在下面所说明的本发明的实施例。此外，根据实施例参照附图详细地阐述本发明。在细节中示出了：
图1激光切割喷嘴的中心剖视图，
图2根据图1的激光切割喷嘴的侧视图，和
图3激光加工设备，该激光加工设备具有根据图1的用于三维工件加工的激光切割喷嘴。
具体实施方式
图1示出用于激光加工设备的激光切割喷嘴1的剖视图。喷嘴1是由铜一体式制造的单孔喷嘴。从图1中得到沿着喷嘴纵轴线3的中心纵截面。喷嘴1基本上构造为相对于纵轴线2的旋转对称体。
喷嘴1具有用于激光束和切割气体的中心通道2，所述中心通道沿着通道纵轴线6从喷嘴入口4延伸至喷嘴出口5。通道纵轴线6与喷嘴纵轴线3重合。
通道2由柱形的进入区段7、连续收敛的收敛区段8和发散区段9构成。通道2在其总长度Lges上、即在所有区段7,8,9上具有圆形横截面。收敛区段8连续且无棱边地并且逐渐地在狭窄部位10处过渡到发散区段9中。
为了形成在直至6mm的大间距范围内具有对于激光熔化切割而言均匀且有利的条件的喷出气流，通道2在所示的实施例中如下成型。
通道2在进入区段7处具有4.4mm的直径dE。在狭窄部位处，直径dmin为1.6mm。出口dMI具有1.94mm的直径。因此，在狭窄部位10处的横截面面积11小于在收敛区段8的入口13处的横截面面积12(相当于在整个进入区段上的横截面面积，因为该进入区段是柱形的)的40％。特别地，狭窄部位横截面12仅为在收敛区段8的入口13处的横截面面积12的13％。直至出口5，通道2再次连续地扩宽到超过在狭窄部位处的横截面面积11的130％、特别地扩宽到其147％。出口5的横截面面积14仅为在通道2的入口4处的横截面面积12的19％。
为了避免在边缘区域中的流动“撕裂”，通道2的壁在整个发散区段9中相对于通道纵轴线6具有最大为5°的倾斜角度。在发散区段9中，通道的壁相对于通道纵轴线6的平均倾斜角度αD为1.5°。相反地，在收敛区段8中，通道的壁相对于通道纵轴线6的平均倾斜角度αK明显更大，为12°。
进入区段7具有1.3mm的长度LE，收敛区段8具有4.0mm的长度LK，发散区段9具有6.5mm的长度LD。因此，通道2的总长度Lges为11.8mm。发散区段9的长度LD约为收敛区段8的长度LK的1.63倍。
此外，决定性的是，发散区段9的长度LD小于狭窄部位10的直径dmin的5倍。特别地，长度LD是狭窄部位直径dmin的4.1倍。
收敛区段8以及发散区段9不是严格地构造为锥形。壁相对于通道纵轴线6至少区段地弯曲(收敛区段8：曲率半径例如为6mm；发散区段9：曲率半径例如为26mm)。
喷嘴1的在出口侧的外径dMA为3.15mm。垂直于通道纵轴线6延伸的、环形地围绕出口5的端面15具有0.605mm的宽度。通过该宽度实现对于电容式间距调节而言足够大的响应特性，所述响应特性也能够实现在直至6mm范围内的间距调节。通过具有更大工作间距的加工提高了过程安全性，由此也能够在10-50m/min范围内的高进给速度情况下执行无故障的加工。
图2以侧视图示出激光切割喷嘴1，借助图2阐述喷嘴1的外轮廓的其它细节。
在出口侧的端面15上邻接有锥形外周面16，该锥形外周面具有4.5mm的长度LKON和相对于通道纵轴线6为28°的倾斜角度αKON。大致在狭窄部位10的高度上，锥形外周面16过渡到柱形外周面17中，该柱形外周面具有8.0mm的最大外径dmax。柱形外周面17设有滚花部18，所述滚花部在操作时、例如在将喷嘴1旋入到加工头的喷嘴接收部中时用作抓握元件。在入口侧在喷嘴1的外周面上引入外螺纹19，借助该外螺纹，喷嘴例如可以被旋入到激光加工设备的加工头的喷嘴接收部中。
根据图1的激光切割喷嘴1构成用于三维激光切割加工金属成型件的激光切割喷嘴1的一个优选的示例。通道2的造型在工件表面上和切割缝隙中导致与间距无关地恒定的流体动力学条件。外轮廓的造型特点在于对于喷嘴-工件间距的电容式间距调节的有利特性。
在表1中与根据图1的喷嘴1的相应参数一起列出激光切割喷嘴的其它优选实施例的参数，其中，所有示例喷嘴至少在总长度Lges、在入口侧的内径(dE)和外径、进入区段/收敛区段和发散区段7,8,9的长度LE,LK,LD、最大外径dmax以及锥形外周面16的长度LKON方面相一致。
表1：激光切割喷嘴的多个实施例的参数。
示例1相应于根据图1的喷嘴。
在图3中示出具有根据前述示例之一的激光切割喷嘴1的激光加工设备20。激光加工设备20具有配备有激光切割喷嘴1的、用于三维激光切割加工的加工头21。未详细示出的二极管激光器、CO2激光器或固体激光器、尤其盘式激光器用作激光源，所述激光源优选具有至少2kW的最大功率。
设备21具有喷嘴-工件间距的电容间距调节装置。
借助设备21例如实现借助喷嘴1的三维激光切割加工，在该喷嘴的情况下，供应具有在8至23bar之间压力的切割气体(例如氮气或氩气)。至少暂时地在喷嘴1与工件表面的间距在3至6mm之间的间距范围内的情况下切割具有1至4mm的工件厚度的金属成型件22。
例如，在使用具有5kW功率的激光源的情况下以50m/min速度切割板材厚度为1mm的结构钢和不锈钢。

Claims (25)

1.一种用于激光加工设备(20)的激光切割喷嘴(1)，所述激光切割喷嘴具有在喷嘴入口(4)和喷嘴出口(5)之间沿着通道纵轴线(6)延伸的、用于激光束和切割气体的通道(2)，其中，所述通道(2)朝该通道的出口(5)方向在直至所述通道(2)的狭窄部位(10)的收敛区段(8)中连续地收敛到小于在所述收敛区段(8)的入口(13)处的横截面面积(12)的40％，其中，所述通道(2)从所述狭窄部位(10)出发在直至所述通道(2)的出口(5)的发散区段(9)中连续地发散到超过在所述狭窄部位(10)处的横截面面积(11)的130％，其特征在于，在整个发散区段(9)中，所述通道(2)的壁相对于所述通道纵轴线(6)具有最大为5°的倾斜角度，并且所述发散区段(9)的长度(LD)小于所述狭窄部位(10)的直径(dmin)的5倍。
2.根据权利要求1所述的激光切割喷嘴(1)，其特征在于，所述通道(2)的壁相对于所述通道纵轴线(6)的平均倾斜角度(αK)在所述收敛区段(8)中大于5°、优选大于7°和/或小于15°、优选小于13°。
3.根据前述权利要求中任一项所述的激光切割喷嘴(1)，其特征在于，所述通道(2)的壁相对于所述通道纵轴线(6)的平均倾斜角度(αD)在所述发散区段(9)中小于4.0°、优选小于3.0°、更优选小于2.0°和/或大于1.0°。
4.根据前述权利要求中任一项所述的激光切割喷嘴(1)，其特征在于，所述收敛区段(8)在所述狭窄部位(10)处直接过渡到所述发散区段(9)中。
5.根据前述权利要求中任一项所述的激光切割喷嘴(1)，其特征在于，所述收敛区段(8)在所述狭窄部位(10)处无棱边地过渡到所述发散区段(9)中。
6.根据前述权利要求中任一项所述的激光切割喷嘴(1)，其特征在于，所述通道(2)附加地具有尤其柱形的进入区段(7)，所述进入区段在入口侧上布置在所述发散区段(9)之前。
7.根据前述权利要求中任一项所述的激光切割喷嘴(1)，其特征在于，所述发散区段(9)比所述收敛区段(8)更长、优选具有大于所述收敛区段(8)的长度(LK)的1.4倍和/或小于所述收敛区段的长度的1.7倍的长度(LD)。
8.根据前述权利要求中任一项所述的激光切割喷嘴(1)，其特征在于，所述发散区段(9)的长度(LD)小于所述狭窄部位(10)的直径(dmin)的4倍、优选小于3倍和/或大于所述狭窄部位(10)的直径(dmin)的2倍。
9.根据前述权利要求中任一项所述的激光切割喷嘴(1)，其特征在于，所述出口(5)的横截面面积(14)大于所述狭窄部位(10)的横截面面积(11)的140％、优选大于180％和/或小于所述狭窄部位的横截面面积的250％、优选小于220％。
10.根据前述权利要求中任一项所述的激光切割喷嘴(1)，其特征在于，所述收敛区段(8)至少区段地具有相对于所述通道纵轴线(6)弯曲的壁，所述弯曲的壁优选具有在4至8mm之间的曲率半径。
11.根据前述权利要求中任一项所述的激光切割喷嘴(1)，其特征在于，所述发散区段(9)至少区段地具有相对于所述通道纵轴线(6)弯曲的壁，所述弯曲的壁优选具有在20至30mm之间的曲率半径。
12.根据前述权利要求中任一项所述的激光切割喷嘴(1)，其特征在于，所述出口(5)的直径(dMI)在1.8至3.5mm之间。
13.根据前述权利要求中任一项所述的激光切割喷嘴(1)，其特征在于，所述狭窄部位(10)的直径(dmin)在1.3至3.0mm之间。
14.根据前述权利要求中任一项所述的激光切割喷嘴(1)，其特征在于，所述收敛区段(8)的长度(LK)在3.5至4.5mm之间。
15.根据前述权利要求中任一项所述的激光切割喷嘴(1)，其特征在于，所述发散区段(9)的长度(LD)在5.0至7.0mm之间。
16.根据前述权利要求中任一项所述的激光切割喷嘴(1)，其特征在于，所述喷嘴(1)在出口侧的外径(dMA)在3.0至5mm之间。
17.根据前述权利要求中任一项所述的激光切割喷嘴(1)，其特征在于，所述喷嘴(1)在出口侧具有锥形外周面(16)，所述锥形外周面具有在4.0至5.0mm之间的长度(LKON)并且优选具有相对于所述通道纵轴线(6)在20°至30°之间的倾斜角度(αKON)。
18.根据前述权利要求中任一项所述的激光切割喷嘴(1)，其特征在于，所述喷嘴由金属、优选铜一体式地制造。
19.根据前述权利要求中任一项所述的激光切割喷嘴(1)，其特征在于，所述喷嘴(1)具有尤其垂直于所述通道纵轴线(6)延伸的端面(15)，所述端面环形地围绕所述出口(5)并且具有0.3至0.7mm的宽度。
20.一种激光加工设备(20)，所述激光加工设备具有根据前述权利要求中任一项所述的激光切割喷嘴(1)。
21.根据权利要求20所述的激光加工设备(20)，其特征在于，所述设备具有喷嘴-工件间距的电容间距调节装置，所述电容式间距调节装置为了进行调节而确定喷嘴(1)和工件(22)之间的电容。
22.根据权利要求20或21所述的激光加工设备(20)，其特征在于，所述设备(20)具有配备有所述激光切割喷嘴(1)的、用于三维激光切割加工的加工头(21)。
23.根据权利要求20至22中任一项所述的激光加工设备(20)，其特征在于，所述设备(1)具有二极管激光器、CO2激光器或固体激光器、尤其盘式激光器作为激光源，优选地，所述激光源具有至少2kW的最大功率。
24.根据权利要求20至23中任一项所述的激光加工设备(20)，其特征在于，借助所述设备(1)的激光源能够产生具有≤8mm*mrad、优选≤4mm*mrad、更优选≤2mm*mrad的射束参数乘积的激光束。
25.一种用于运行根据权利要求20至24中任一项所述的激光加工设备(1)的方法，其特征在于，借助所述喷嘴(1)执行三维激光切割加工，在所述三维激光切割加工时，给所述喷嘴(1)在入口侧供应具有在8至23bar之间压力的切割气体，并且至少暂时地在所述喷嘴(1)与工件表面的间距在2至6mm之间的间距范围内的情况下切割具有1至4mm的工件厚度的金属成型件(22)。
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