CN116209540A - 用于激光切割的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于激光熔化切割优选地厚度D为至少1mm的尤其是板状工件(2)的方法，其中，借助收敛的切割喷嘴(1)将激光束(3)和具有切割气体压力的切割气体(24)、尤其是氮气对准工件表面(9)，其中，激光功率为至少6kW，其特征在于，切割喷嘴(1)具有工件侧的喷嘴端面(8)，在切割期间，所述喷嘴端面与工件表面之间的距离A为2mm至8mm，切割喷嘴(1)具有喷嘴通道(5)，该喷嘴通道在工件侧的喷嘴端面(8)处具有1.5mm至4mm的直径dD，并且切割气体的压力在从切割喷嘴(1)射出之前为15bar至30bar。由此可以实现高生产率，而同时降低碰撞风险，即更高过程安全性。

Description

用于激光切割的方法
技术领域
本发明涉及一种用于激光熔化切割工件、尤其是板状工件的方法，其中，借助收敛的切割喷嘴将激光束以及具有切割气体压力的切割气体、尤其是氮气对准工件表面，并且其中，激光功率为至少6kW。
背景技术
在激光熔化切割时，为了形成切缝，工件的材料被熔化并且以液体的形式借助切割气体从切缝中吹出。工件可以是尤其金属的和/或导电的板材。在激光熔化切割时，激光束和工件沿(通常变化的)切割方向相对彼此运动，其中，与切割方向相反地在工件中形成切缝。
从喷嘴射出的切割气体射束的特性可能对切缝的质量有影响。因此，已知通过喷嘴的形状和切割气体压力影响切割气体射束。
由DE 102016215019 A1已知一种用于利用收敛的喷嘴进行熔化切割的方法，在该方法中，切割气体具有最大10bar的切割气体压力，喷嘴具有至少7mm的开口直径，并且在该方法中，喷嘴端面与工件表面之间的距离≤0.5mm，以便使切割气体消耗最小化。借助该方法实现高的切割速度，同时良好的切割棱边质量。然而，该切割过程非常容易导致喷嘴与倾斜的工件部分发生碰撞，尤其由于喷嘴与工件表面之间的小的距离。
在WO 2018068853 A1中描述了一种利用拉瓦尔喷嘴(Laval-Düse)的激光切割方法，在该方法中，借助8bar至23bar之间的切割气体压力以及在喷嘴与工件表面之间的距离为3mm至6mm之间的情况下对厚度为1mm至4mm的工件进行切割。由于拉瓦尔喷嘴的大尺寸，该切割过程也具有提高的碰撞风险。
发明内容
本发明的任务是，提出一种激光熔化切割方法，所述方法能够实现高生产率，同时降低碰撞风险，即更高的过程安全性。
根据本发明，该任务通过根据专利权利要求1所述的方法来解决。
根据本发明，切割喷嘴具有工件侧的喷嘴端面，在切割期间、优选在整个切割过程期间(即也在关断激光的阶段期间，例如在急速刺入(fliegendes Einstechen)的范畴内)，所述喷嘴端面与工件表面之间的距离A为2mm至8mm、尤其具有4mm至8mm之间的值。此外，根据一个示例，喷嘴端面与工件表面之间的距离A可以在3mm至4mm之间。此外，根据本发明，切割喷嘴具有喷嘴通道，该喷嘴通道在工件侧的喷嘴端面处具有1.5mm至4mm、尤其2mm至3.3mm、优选2mm至2.7mm或3mm至3.3mm的直径dD。喷嘴端面是喷嘴的在切割过程期间对准工件的端面。根据本发明，使用在从切割喷嘴射出之前的压力为15bar至30bar的切割气体。例如，切割气体压力在从切割喷嘴射出之前可以在22bar至24bar之间。
在根据本发明的方法中，使用收敛的喷嘴，即，喷嘴具有沿流动方向变细的喷嘴通道。因此，出口横截面(喷嘴在工件侧的喷嘴端面处的直径)同时也是喷嘴通道的最小横截面。由于小的喷嘴通道横截面以及喷嘴通道的形状，可以在根据本发明的方法中使用紧凑的喷嘴，这又导致小的干扰轮廓和因此降低的碰撞风险。
同时，根据本发明，工艺距离(工件侧的喷嘴端面与工件表面之间的距离)相对较大地选择(2mm-8mm)。由此进一步降低碰撞风险。此外，确保了尽管喷嘴通道的横截面小，但切缝也被气体充分覆盖。
根据本发明的工艺距离通过使用相应大的切割气体压力(15bar至30bar)来补偿。
总体上在根据本发明的方法中产生非常小的切割喷嘴的干扰轮廓和小的碰撞风险，使得提高过程安全性。根据本发明的方法使得即使在大的工件的情况下也能够以高的切割速度(在切割期间切割喷嘴相对于工件的进给速度)执行熔化切割方法。
根据本发明的方法的优选变型：
在一个优选的变型中，在整个切割过程期间保持喷嘴端面与工件表面之间的距离。因此，可以省去在切割过程期间的距离调整，这进一步提高了整个过程的生产率。
在根据本发明方法的一个特别变型中，作为切割喷嘴使用单通道喷嘴或环形缝隙喷嘴(Ringspaltdüse)。由此可以减少干扰轮廓并且减少气体消耗。
优选地，切割气体在从切割喷嘴射出之前的压力大于18bar、尤其为至少20bar。在一个特别变型中，切割气体压力为至少24bar。
在一个特别优选的变型中，切割喷嘴相对于工件至少短暂地以至少60m/min的切割速度运动。在此，在切割(即将激光束对准工件)期间的最大进给速度称为切割速度。
在一个特别变型中，激光的焦点位置选择为，使得该焦点位置位于工件表面上或位于面向切割喷嘴的工件半部中、尤其在板材上侧下方0.2mm至1.5mm之间。在该焦点位置区域内能够达到最高切割速度。
优选地，在切割期间，激光功率为至少10kW。由于在根据本发明的方法中使用高激光功率，所以能够加工厚工件。即可以特别有利地在工件厚度D为至少4mm的工件上执行根据本发明的方法。
根据本发明的方法的一个特别优选的变型设置，在切割喷嘴相对于工件运动(急速刺入)期间，激光束在至少一个刺入部位处刺入到工件表面中。这样的工艺变型主要在应切割成排布置的、具有直线的轮廓区段的多个小工件部分的情况下使用。在此，使具有切割喷嘴的激光切割头线形地在工件上方运动(或反之亦可)，并且接通和关断(具有切割参数的)激光束，使得在切割喷嘴与工件之间发生相对运动即(“急速”)期间进行刺入。
然而，在工件具有大于4mm的厚度的情况下，利用在10kW与20kW之间的激光功率进行急速刺入也不能具有良好质量，因为在期望的切割速度下不能实现整洁的刺穿和切割起始。该问题可以通过在其它工艺参数保持不变时减小在刺入部位处的进给速度来解决。因此，根据本发明方法的一个特别变型设置，进给速度在刺入部位处减小到刺入速度，优选减小了切割速度的10％-90％。
优选地，进给速度在小于2mm、优选地小于0.5mm的路径长度上减小到刺入速度，使得在刺入部位处达到刺入速度。因此，(沿前进方向)在刺入部位之前最大2mm处开始减小进给速度。以这种方式确保了，一方面以可行的加速度执行速度减小，并且另一方面不必忍受过多的时间损失。在关断激光的情况下减小进给速度。
优选地，在激光束刺入到工件表面中之后，保持刺入速度几毫秒，然后，将进给速度又提高到切割速度。
附图说明
本发明的另外的优点从说明书和附图得出。同样，根据本发明，上述特征和还进一步呈现的特征可以分别单独地使用或以多个任意组合使用。所示出和所描述的实施例不应被理解为穷举，而是具有用于概述本发明的示例性的特性。
图1示出在激光熔化切割时切割喷嘴和板状工件的纵截面，
图2示出急速加工过的工件，该工件具有多个切出的轮廓区段，
图3示出在急速刺入时在刺入部位附近的进给速度和激光功率随时间的变化。
图4示出用于执行根据本发明的激光熔化切割方法的激光切割机。
在下面的附图说明中，对于相同或功能相同的构件使用相同的附图标记。
具体实施方式
图1示出收敛的切割喷嘴1，该收敛的切割喷嘴用于借助激光束3和切割气体24(参见图4)来激光具有切割厚度D的板状金属工件2(板材)。切割喷嘴1包括喷嘴通道5，该喷嘴通道在工件侧的喷嘴端面8处具有1.5mm至4mm的相对较小的直径dD。切割气体24和激光束3两者一起从切割喷嘴1的喷嘴通道5射出。激光束3具有沿着XYZ坐标系的负Z方向延伸的射束方向6。在当前情况下，激光切割过程是使用氮气作为切割气体24的熔化切割过程。
根据本发明，工件侧的喷嘴端面8与面向切割喷嘴1的工件表面9之间的距离A为至少2mm、优选地至少4mm、尤其高达8mm。根据本发明，激光束3的焦点位置F沿射束方向6在工件2的厚度D内位于工件2的面面切割喷嘴1的上半部中或位于工件表面9上(未示出)。换言之，激光束3的焦点位置F沿射束方向6在工件2中位于小于工件2的厚度D的一半(即D/2)的深度处。
切割喷嘴1沿切割方向7以切割速度在工件2上方运动，该切割方向与XYZ坐标系的X方向相对应，以便在工件2中产生切缝4。
图2示出工件2，该工件具有多个成排布置的直线的轮廓区段11(正方形棱边)。为了熔化切割这样的轮廓，在每个轮廓区段11的开始处，激光束3在刺入部位10处刺入到工件表面9中。为此，激光束3在各轮廓区段11的刺入部位10处接通、沿着轮廓区段11运动并且在轮廓区段11的末端关断。
当该过程应急速进行，即切割喷嘴1在刺入部位10处不停留，在厚的工件2的情况下有利的是，切割喷嘴1的进给速度(沿切割方向)在刺入部位10之前减小。为此，具有切割喷嘴1的激光切割头在工件2上方连续地线形运动，其中，进给速度在刺入部位10之前减小并且在刺入部位10之后重新提高。
图3示出在急速刺入时对于调设进给速度和相应的激光功率的可能的流程。切割速度vC在激光功率为10kW时可以例如为14.5m/min并且在激光功率为20kW时例如为25m/min。在以接通的激光束3和作为进给速度的切割速度vC在t0至t1的时间段中对第一轮廓区段11进行切割I之后，为了随后对切割喷嘴1进行定位II，首先保持切割喷嘴1的切割速度vC(t1至t2的时间段)。在下一个刺入部位10之前不久，在t2至t3的时间段内将切割喷嘴的进给速度减小到刺入速度vP。在使用10kW的激光功率切割工件厚度为5mm的结构钢时，刺入速度可以例如为约5m/min，并且在使用20kW的激光功率切割时，刺入速度可以例如为约10m/min。在此，时间点t2优选地选择为，使得开始减小进给速度的部位(切割喷嘴1在时间点t2的位置)与下一个刺入部位之间的距离为至多2mm、优选地至多0.5mm。在时间点t3，切割喷嘴1以刺入速度vP到达刺入部位并且再次接通激光束用于刺入到工件2中。刺入过程III在t3至t5的时间段内发生。在刺入过程III期间，刺入速度vP优选地应尽可能短地保持(t3至t4的时间段)。此后，在t4至t6的时间段内将切割喷嘴1的进给速度再次提高到切割速度vC。在时间点t5，刺入过程III结束，即激光束已经穿过整个厚度刺入到工件中。在时间点t6，再次达到切割速度vC，并且可以以切割速度vC完成切割轮廓区段11。优选地线性地减低和提高进给速度。
图4示出适用于执行上述激光熔化切割方法的激光切割机20。
激光切割机20例如具有固态激光器或二极管激光器作为激光束发生器21。激光切割机20还具有可移动的(激光)切割头22和工件支架23，切割喷嘴1与所述切割头一起移动，工件2布置在所述工件支架上。在激光束发生器21中产生激光束3，该激光束从激光束发生器21被引导至切割头22。激光束3借助布置在切割头22中的聚焦光学器件对准工件2。
此外，激光切割机20被供给以切割气体24(在这里是氮气)。为了执行上述根据本发明的激光熔化切割方法，将氮气作为切割气体24供应给切割头22的切割喷嘴1，具体而言在约15-30bar的过压下(在切割气体24从切割喷嘴1射出之前)。
此外，激光切割机20包括机器控制装置25，该机器控制装置被编程为，使切割头22连同其切割喷嘴1一起根据切割轮廓相对于静止的工件2移动。机器控制装置25也控制激光束发生器21的功率，在上述熔化切割过程时，该功率大于6kW，尤其大于10kW。以这种方式，例如在工件厚度为1.5mm、功率为6kW的情况下，切割速度(前进)可以达到60m/min或甚至更高，其中，切割速度随着激光功率增大而提高。
附图标记列表
1 切割喷嘴
2 工件
3 激光束
4 切缝
5 喷嘴通道
6 激光束的射束方向
7 切割方向
8 喷嘴端面
9 工件表面
10 刺入部位
11 轮廓区段
20 激光切割机
21 激光束发生器
22 切割头
23 工件支架
24 切割气体
25 机器控制装置
F 焦点位置
D 工件厚度
A 距离
dF 激光束直径
dD 喷嘴通道直径

Claims (12)

1.一种用于激光熔化切割工件(2)、尤其是板状工件(2)的方法，
其中，借助收敛的切割喷嘴(1)将激光束(3)以及具有切割气体压力的切割气体(24)、尤其是氮气对准工件表面(9)，
其中，激光功率为至少6kW，
其特征在于，
所述切割喷嘴(1)具有工件侧的喷嘴端面(8)，在切割期间，所述喷嘴端面与所述工件表面之间的距离A为2mm至8mm、尤其4mm至8mm，
所述切割喷嘴(1)具有喷嘴通道(5)，该喷嘴通道在所述工件侧的喷嘴端面(8)处具有1.5mm至4mm的直径dD，和
使用在从所述切割喷嘴(1)射出之前为15bar至30bar的切割气体压力。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在整个切割过程期间保持所述喷嘴端面(8)与所述工件表面(9)之间的距离A。
3.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，作为切割喷嘴(1)使用单通道喷嘴或环形缝隙喷嘴。
4.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，所述切割气体在从所述切割喷嘴(1)射出之前的压力为大于18bar。
5.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，所述切割喷嘴(1)相对于所述工件(2)至少短暂地以至少60m/min的切割速度运动。
6.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，所述激光束(3)的焦点位置F位于所述工件表面(9)上或位于面向所述切割喷嘴(1)的工件半部中、尤其在所述工件上侧下方0.2mm至1.5mm之间。
7.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，在切割期间，激光功率为至少10kW。
8.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，在具有至少4mm的工件厚度D的工件上执行所述方法。
9.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，在所述切割喷嘴(1)和所述工件(2)相对彼此运动期间，所述激光束(3)在至少一个刺入部位(10)处刺入到所述工件表面(9)中。
10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，进给速度在所述刺入部位(10)处减小到刺入速度、优选地减小了切割速度的10％-90％。
11.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，所述进给速度在小于2mm、优选地小于0.5mm的路径长度上减小到所述刺入速度，使得在所述刺入部位(10)处达到所述刺入速度。
12.根据权利要求10或11所述的方法，其特征在于，在所述激光束(3)刺入到所述工件表面(9)中之后，保持所述刺入速度几毫秒，然后将所述进给速度又提高到所述切割速度。
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