CN113439004A - 气体导引装置、激光切割头和激光切割机 - Google Patents

气体导引装置、激光切割头和激光切割机 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种用于具有喷嘴(19)的激光切割头(10)的气体导引装置(11、11a、11b、11c)，该气体导引装置(11、11a、11b、11c)具有中心流动轴线(S)，包括基部部件，该基部部件具有共中心地围绕流动轴线(S)的压力室(24)，该压力室构造成用于接收气流(20a、20b、20c)，其中，基部部件具有从压力室沿流动轴线(S)的方向延伸的至少四个气体导管(26a、26b、26c)，并且其中，压力室(24)和气体导管(26a、26b、26c)的横截面的尺寸设计为使得气体在离开气体导管时具有最大流速。

Description

气体导引装置、激光切割头和激光切割机
本发明涉及用于激光切割头的气体导引装置、激光切割头以及具有激光切割头的激光切割机。特别地，本发明涉及根据权利要求1所述的气体导引装置、根据权利要求13所述的激光切割头以及根据权利要求14所述的激光切割机。
机床用于使用工具制造和加工工件。作为机床，例如在这里考虑激光加工机，特别是激光切割机。另外，激光加工机还可用于雕刻、构造、焊接、热处理以及例如表面层硬化和涂覆，以及用于诸如快速原型制作或选择性烧结之类的批量制造过程。
在激光加工机中提供有用于供给切割气体的切割气体供给装置。切割气体供给装置具有用于连接到气源的一个或更多个外部连接件，以及在内部用于引导和分配切割气体的多个通道或切口。切割气体支持火焰切割(以氧气为切割气体)期间的燃烧过程，并且支持熔融切割期间熔渣的流出。
切割质量尤其取决于气流。这样，气流中的湍流或涡流会在切割刃处产生扰动。
本发明的目的是避免现有技术的缺点并提供一种改进的气体导引装置。另一目的是提供改进的激光切割头或改进的激光切割机。
这些目的分别通过根据权利要求1的气体导引装置、根据权利要求13的激光切割头以及根据权利要求14的激光加工机来实现。
根据本发明的用于具有喷嘴的激光切割头的气体导引装置具有中心流动轴线，该气体导引装置包括基部部件，该基部部件具有共中心地围绕流动轴线的压力室，该压力室被构造为用于接收气流，其中，基部部件具有至少四个气体导管，这些气体导管沿流动轴线的方向从压力室延伸，并且其中，压力室和气体导管的横截面的尺寸被设计成使得气体在离开气体导管时具有最大流速。
根据本发明的气体导引装置具有连续横截面优化的气体或流体路径。这具有优化气体或流体流态的优点，在气体或流体流态中避免了湍流或涡流。以这种方式，气体或流体在离开导引装置进入激光束所延伸到的喷嘴内部时达到其最大流速。在前进过程中，气体或流体的速度可以通过气体导引装置持续地增加。为清楚起见，下文中将使用“气体”一词；其他流体也被包括在内。压力室可以形成为环并且与气体导管结合用于在流动轴线的方向上偏转气流。气体导管可以被看作是一个通道，例如，具有长型形式的用于引导气体或流体流的限定空间。
流态优化的优点是气流损失最小化，这意味着更多的能量可用于切割过程。另外，可以提高切割质量和/或提高切割速度。
可以设置成，在压力室与至少一个气体入口之间设置至少两个气流通道，其中，所述至少两个气流通道切向地和/或径向地通入压力室。分成多个、优选地总共四到八个的气流通道允许气流更准确地分布到压力室中。气流通道可以包括界定的空间或由该界定的空间组成，该界定的空间具有用于引导气体或流体流的长型形式。
还可以设置成，在所述至少两个气流通道之间设置气体传导元件。气体传导元件可以例如具有布置在两个气流通道之间的稍端或边缘，以便将气流引导至气流通道。根据气流通道的数目，可以设置多个气体传导元件。气体传导元件可以限定通道的一部分。此外，气体传导元件可以分隔通道。气体传导元件可以将气体入口分成气流通道。
可以设置成，所述至少两个气流通道的横截面、气体入口的横截面、压力室的横截面和气体导管的横截面的尺寸设计成使得气体在离开气体导管时具有最大流速。在现有气流通道的情况下，这些部件也在横截面方面得到优化，以实现优化的气体引导。
还可以设置成，压力室具有连续的凹部、包括连接到均衡端口的区域的两个凹部、或四个相互分离的凹部。压力室的划分或细分可以进一步优化气体导引装置。当气体流入压力室时，该流动必须分流成两个方向。如果将气体从两侧引入压力室，则两股气流相遇时会发生扰动。如果这种相遇发生在压力室内，则影响会更小。因此，该区域中应该存在隔板或腹板。该支撑几何结构意味着湍流更少。
可以设置成，至少两个气流通道通向每个凹部。这种布置支持气体从气流通道以干扰减少的方式流入室中。
还可以设置成，提供至少四到二十四个、优选地二十二个气体导管。已经表明，该数目的气体导管使整个气流的分布能够被优化。可以提供更多数目的气体导管。
可以设置成，气体导管围绕流动轴线共中心地布置。已经表明，气体导管的这种布置使气流的分布能够被优化。如果压力室被分成多个凹部或区域，这例如可以通过位于所述多个凹部或区域之间的腹板来实现，则可以维持该共中心的布置。
还可以设置成，共中心的周向的均衡通道与气体导管相邻。可以具有共中心的环段形状的该均衡通道是气体导管的出口通向的地方。气体导管的各个流相应地在均衡通道中汇合，因此它们被合并，从而使整体流更平静。
可以设置成，气体导管和/或均衡通道分别具有流出端口，其中，均衡通道的远离流动轴线和/或流出端口的外轮廓相对于流动轴线以减小的角度延伸。该减小的角度允许建立附壁效应，这有利于导流，因为气流基本上沿着均衡通道的轮廓或沿着气体导管的轮廓被更远地拉动。
可以设置成，所述至少两个气流通道的横截面、压力室的横截面、气体导管和均衡通道的横截面，或者压力室、气体导管的横截面和均衡通道的横截面的尺寸被设计为使得气体在离开均衡通道时在流出端口的区域中具有最大流速。在现有均衡通道和/或现有气体入口的情况下，这些通道和入口也可以在横截面方面被优化以实现优化的气体引导。
还可以设置成，气体导引装置具有上部部件和下部部件，其中，压力室、气体导管和/或均衡通道形成在上部部件与下部部件之间。这种构造使制造简单，其中例如压力室和气体导管可以被铣削出。替代性地，可以提供一件式构造，将可以例如使用增材制造或快速原型制作对其进行生产。
根据本发明的用于激光切割机的激光切割头包括如上所述的激光供给装置、喷嘴和气体导引装置。在其他方面，适用同样的如上所述的优点和改型。
根据本发明的激光切割机包括如上所述的激光切割头和/或如上所述的气体导引装置。适用同样的如上所述的优点和改型。
通过从属权利要求中提到的其余特征，本发明的进一步优选实施方式将变得明显。
除非在个别情况下另有说明，否则本申请中提到的本发明的各种实施方式可以有利地彼此组合。
下面将参照附图在示例性实施方式中解释本发明。在附图中：
图1示出了具有气体导引装置的激光切割头的剖视图，
图2示出了根据第一实施方式的气体导引装置的另一剖视图，
图3示出了根据第二实施方式的气体导引装置的剖视图，
图4示出了气体导引装置的剖视图，
图5示出了图4的放大细节，以及
图6是具有激光切割头的激光切割机的示意性立体图。
图1示出了具有气体导引装置11的激光切割头10的剖视图。这种激光切割头10用在例如激光切割机中。
激光切割头10具有带有内部14的基部本体12，内部14被设计为洁净室。例如光纤激光器的激光源16附接到基部本体12的外侧并产生指向内部14的激光束18。替代性地，附图标记16可以表示联接构件，通过该联接构件，外部激光源的激光束出射。联接构件可以是例如具有端盖的光纤插头。
激光束18经由光纤套管13进入内部14。激光束18进一步延伸到诸如反射镜之类的偏转元件15。经偏转的激光束18穿过透镜17。最后，激光束18穿过基部本体12离开内部14。然后激光束18进入气体导引装置11，在那里激光束18遇到气流20。激光束18穿过喷嘴或喷嘴电极19离开气体导引装置11并因此离开激光切割头10。
此处的气体导引装置11由多个部件组成，包括至少一个上部部件21、一个或多个气体入口23a和23b、至少一个压力室24和至少一个下部部件22。通过改变上部部件21和下部部件22的几何形状以及气体入口23a和23b的位置和数目，可以针对切割加工积极地影响气流20。可分为多个凹部或区域的压力室24可由上部部件21和下部部件22形成。
气体导引装置11相对于流动轴线S轴对称和/或旋转对称。流动轴线S对应于激光束18的在下部区域中的光轴并且指示气流的在喷嘴电极19的方向上的中心轴线。两个气体入口23a和23b关于流动轴线S共中心地布置。在气体导引装置11中，最初在气体入口23a和23b中是径向的气流被偏转为轴向气流。
图2示出了根据第一示例性实施方式的气体导引装置11a的剖视图。该剖视图垂直于图1的剖视图，因此该流动轴线是纸平面的表面法线。
这里，上部部件21a和下部部件22a以及气流通道25a和25b被成形为使得流动通过气体入口23c和23d的气流20a不会正面撞击表面，而是以流态优化的方式流入压力室中或流入压力室的至少两个区域或凹部24a和24b中。气流20a可以在压力室中平静下来，确保更少的涡流。气体经由至少四个气体导管26a——在所示示例中为十个气体导管26a——和至少一个均衡通道27a以向下定向的方式沿着壁被引导到喷嘴19。均衡通道27a围绕流动轴线共中心地形成。
图3示出了根据第二示例性实施方式的气体导引装置11b的剖视图。此处，上部部件21b和下部部件22b以及气流通道25c和25d被成形为使得流动通过气体入口23e和23f的气流20b不会正面撞击表面，而是以流态优化的方式流入在该例子中为4个的压力室24c、24d、24e和24f，在所述压力室中，气流20b能够平静下来，从而确保更少的涡流。气流通道25c和25d在此分别包括四个子通道，在这些子通道之间设置有呈分流器形式的气体传导元件。气体经由至少四个气体导管26b——在所示示例中为八个气体导管26b——和至少一个均衡通道27b以向下定向的方式沿着壁被引导到喷嘴19。多个气体导管26b因此敞开或合并到均衡通道27b中。
图4示出了根据第一示例性实施方式和第二示例性实施方式的气体导引装置11c的剖视图，气体导引装置11c具有上部部件21c和下部部件22c。
图5示出了图4的区域X的放大细节。参照图5描述从压力室24g经由气体导管26c流入均衡通道27c的气流20c的功能。以此方式引导，气流20c沿着下部部件的壁流向喷嘴19。
气流20c首先经由多个气体入口(此处未示出)被引导到压力室24g中。该供给装置可以垂直，即径向，或基本上垂直于流动轴线S延伸。气体入口也可以以一定角度延伸到压力室24g中。气流20c从压力室24g开始延伸到气体导管26c中。提供有至少四个气体导管，示出了其中一个气体导管26c。
各气体导管可以分别形成在两个肋之间。各肋和各气体导管首先沿径向方向延伸，然后朝向喷嘴或朝向工件沿越来越轴向的方向延伸。
气体导管26c然后合并到均衡通道27c中，该均衡通道27c围绕流动轴线S共中心地形成。均衡通道27c在其沿流动方向的下边缘处包括流出端口28。气体导管26c和均衡通道27c或其远离流动轴线S的外轮廓以相对于流动轴线S的变化的、优选地连续地变化的角度延伸。相对于流动轴线S的角度在流动方向上减小，即从上到下减小。换言之，该角度变得越来越浅。这种设计不会导致相对于流动轴线S产生扭转。如果不存在均衡通道，则每个气体导管都具有相应的流出端口。流出端口28在径向外侧以凸出的方式形成以用于气流20c。
均衡通道27c或流出端口28的这种设计导致形成有利于流动引导的附壁效应，因为气流20c基本上被沿着均衡通道27c的轮廓或沿着气体导管26c的轮廓更远地拉动。
所述至少两个气流通道25a、25b、25c、25d的横截面、连接部和气体入口23a和23b的各自的横截面以及压力室24、气体导管26a、26b的横截面以及均衡通道27c的横截面的尺寸设计成使得分别来自均衡通道27c和气体导管26a、26b的气体或气流20d在流出端口28处具有最大流速。
横截面不是单独地、例如针对每个气体导管地考虑的，而是作为一个整体、即针对所有气体导管进行考虑的。因此，气体导管的横截面是通过将气体导管的数目乘以各自的单独横截面而导出的。最小的横截面在流出端口28的区域中。
图6示出了具有激光切割头10的激光切割机200的示意性立体图。激光切割头10布置在可移动桥202上，使得它可以至少沿x方向和y方向移动。激光源204产生激光并将激光经由光纤馈送到激光切割头10。工件208，例如板材，被激光束切割。
这里介绍的气体导引装置11，或配备有气体导引装置11的激光切割头10，或配备有激光切割头10的激光切割机200，使得能够获得流态机械优化的气流，因此可以减少气体消耗，并提高切割质量和/或切割速度。

Claims (14)

1.一种用于具有喷嘴(19)的激光切割头(10)的气体导引装置，所述气体导引装置具有中心流动轴线(S)，所述气体导引装置包括
基部部件，所述基部部件具有共中心地围绕所述流动轴线(S)的压力室(24)，所述压力室(24)被构造为用于接收气流(20a、20b、20c)，
其中，所述基部部件具有至少四个气体导管(26a、26b、26c)，所述气体导管(26a、26b、26c)沿所述流动轴线(S)的方向从所述压力室(24)延伸，并且
其中，所述压力室(24)和所述气体导管(26a、26b、26c)的横截面的尺寸设计成使得气体在离开所述气体导管(26a、26b、26c)时具有最大流速。
2.根据权利要求1所述的气体导引装置，其特征在于，所述压力室(24)与至少一个气体入口(23a、23b、23c、23d、23e、23f)之间设置有至少两个气流通道(25a、25b、25c、25d)，其中，所述至少两个气流通道(25a、25b、25c、25d)切向地和/或径向地通入所述压力室(24)。
3.根据权利要求2所述的气体导引装置，其特征在于，在所述至少两个气流通道(25a、25b、25c、25d)之间设有气体传导元件。
4.根据权利要求2或3所述的气体导引装置，其特征在于，所述至少两个气流通道(25ac、25b、25c、25df)的横截面、所述气体入口(23a、23b、23c、23d、23e、23f)的横截面、所述压力室(24)的横截面和所述气体导管(26a、26b、26c)的横截面的尺寸设计成使得气体在离开所述气体导管(26a、26b、26c)时具有最大流速。
5.根据前述权利要求中任一项所述的气体导引装置，其特征在于，所述压力室(24)包括连续的凹部、包括与均衡端口连接的区域的两个凹部(24a、24b)、或四个相互分离的凹部(24a、24b)。
6.根据权利要求5和2至4中任一项所述的气体导引装置，其特征在于，至少两个气流通道(25a、25b、25c、25d)通入每个凹部。
7.根据前述权利要求中任一项所述的气体导引装置，其特征在于，设置了至少四到二十四个、优选地二十二个气体导管(26a、26b、26c)。
8.根据前述权利要求中任一项所述的气体导引装置，其特征在于，所述气体导管(26a、26b、26c)围绕所述流动轴线(S)共中心地布置。
9.根据前述权利要求中任一项所述的气体导引装置，其特征在于，共中心地周向的均衡通道(27a、27b、27c)邻接所述气体导管(26a、26b)。
10.根据前述权利要求中任一项所述的气体导引装置，其特征在于，所述气体导管(26a、26b、26c)和/或所述均衡通道(27a、27b、27c)均具有流出端口(28)，其中，所述均衡通道(27a、27b、27c)的远离所述流动轴线(S)和/或所述流出端口(28)的外轮廓相对于所述流动轴线(S)以减小的角度延伸。
11.根据权利要求9或10所述的气体导引装置，其特征在于，所述至少两个气流通道(25a、25b、25c、25d)的横截面、所述压力室(24)的横截面、所述气体导管(26a、26b、26c)的横截面和所述均衡通道(27c)的横截面，或者所述压力室(24)、所述气体导管(26a、26b、26c)的横截面和所述均衡通道(27c)的横截面的尺寸设计成使得气体在所述流出端口(28)区域中具有最大流速。
12.根据前述权利要求中任一项所述的气体导引装置，其特征在于，所述气体导引装置(11、11a、11b、11c)具有上部部件(21、21a、21b、21c)和下部部件(22、22a、22b)，其中，所述压力室(24)、所述气体导管(26a、26b)和/或所述均衡通道(27a、27b、27c)形成在所述上部部件(21、21a、21b、21c)与所述下部部件(22、22a、22b、21c)之间。
13.一种用于激光切割机(200)的激光切割头，其特征在于，设置有激光供给装置(16)、喷嘴(19)和根据权利要求1至12中任一项所述的气体导引装置(11、11a、11b、11c)。
14.一种激光切割机，具有根据权利要求13所述的激光切割头(10)和/或根据权利要求1至12中任一项所述的气体导引装置(11、11a、11b、11c)。
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