CN116529019A - 内部具有肋部的激光加工喷嘴和具有这种喷嘴的激光切割机器 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种激光切割机器，该激光切割机器具有相对于工件移动的切割头，以用于在工件中进行受控切割。切割头包括激光加工喷嘴(20)和气体供应机构，并且切割头配备成当工件由支承件支承时从激光加工喷嘴(20)向工件上喷射气体射流。激光加工喷嘴(20)具有导流部段，该导流部段设置有特别地可以沿轴向方向延伸的多个肋部(25)，即肋部(25)平行于流体流过喷嘴(20)的方向。肋部(25)使流体流过喷嘴(20)更加层流化。
Description
技术领域
本发明属于工件的激光切割领域。
背景技术
在金属工件的激光切割中，定向激光束相对于金属工件移动，以在激光束入射到工件上的位置处局部熔化金属材料。这就产生了激光切割。现代激光切割机器也将气体射流导引到激光束的入射位置。气体射流可以有助于熔融金属材料的移除(“吹送”)，以及/或者如果其包含分子氧，则可参与化学反应(“燃烧”)。移除和适用的情况下的化学反应两者都有助于产生良好的切割切口。
激光切割机器的性能取决于不同方面。激光束和气体射流两者都属于影响性能的基本性质。因此，存在涉及用于优化切割性能的激光束和气体射流的性质的大量的出版物和大量的专利文献。特别地，已经存在许多用于改进和调整激光束的方法。到目前为止，气体射流的优化已经产生了在喷嘴出口处提供套筒的方法，该套筒将气体射流导引到工件上。如WO2018/177804A1中所教导的，套筒可以由耐磨材料制成，并且可以与工件直接接触，以便局部限制气体射流，并且从而防止不期望的侧向流动和气体损失，并且在切口中产生层流。然而，这种方法具有严重的缺点，即在工件具有显著特征或不平坦的情况下，可能会出现损坏或者工件可能会移位。此外，所需的耐磨套筒价格昂贵。
US5,609,781涉及一种用于反应切割的激光切割机器的加工头。该头具有特殊的喷嘴，外部气流和内部气流在喷嘴中汇合，并被引导到激光束的入射位置。目的是获得更高的速度波动，并且因此获得更高的氧气湍流。在一些实施方式中，内部气流受到扭曲成螺旋形状并安装在内表面上的多个静态翼的影响。这些静态翼的目的是进一步增强湍流。它们的特性尺寸、尤其是高度是毫米量级的。
US2012/0037604公开了一种具有加工头的激光束加工设备，该加工头具有保护透镜免受材料残留物的影响的气体冷却保护玻璃。切割头承载切割气体的部分具有水平凹槽、即横向于纵向气流的水平凹槽，水平凹槽具有使材料残留物被多次反射使得它们不太可能到达保护玻璃的效果。此外，公开了一些所谓的辅助气体通道，辅助气体通道的功能是扩大辅助气体的喷嘴开口面积。这些纵向喷嘴结构处于喷嘴开口直径的数量级，即毫米的数量级，并且不旨在抑制气体湍流。
US5,122,632涉及一种激光等离子涂覆机器。该机器包括下述装置：通过该装置将所需的粉末与保护气体一起吹到待涂覆的工件上。其中的流绕轴线旋转。在变型中，通过竖向导引肋使流平行于嘴部，以使孔口前面的涡流减速。这些结构不旨在抑制气体湍流并且是毫米量级的。
发明内容
本发明的一个目的是提供一种激光切割机器，其克服了现有技术切割机器的缺点，并且提高了气流的效率，而没有现有技术方法的缺点。
这个目的通过如权利要求中所限定的激光切割机器和激光加工喷嘴来实现。
激光切割机器具有切割头和工件支承件，例如工件放置在其上的工作台。切割头和工件支承件能够相对于彼此移动，即，机器配备成用于引起切割头与工件支承件之间的相对运动。在许多实施方式中，工件支承件相对于机器框架是固定的，并且切割头是可移动的，但是还可能的是，切割头静止不动而工件支承件移动，或者切割头和工件支承件都相对于机器框架移动。为了在工件中进行受控切割，发射激光束并将其引导到工件上。切割头包括激光加工喷嘴和气体供应机构，并且配备成当工件由支承件支承时从激光加工喷嘴向工件上喷射气体射流。如上文解释的，切割气体的气体射流有助于切割过程。
激光加工喷嘴具有设置有多个肋部的导流部段。肋部可以沿轴向方向延伸，即肋部平行于流体流过喷嘴的方向。
根据定义，肋部是平行于流动方向的小的肋，高度小于1mm。此外，对于肋部，肋部之间的间距与肋部的高度成一定关系。因此，肋部对于技术人员来说是一个合适的术语。因此，本专利申请中使用的术语“肋部”不包括技术术语“肋部”固有的几何形状和最大尺寸之外的“肋”。
肋部平行于通过喷嘴导流部段的流动方向的事实也意味着肋部轴向延伸，并且因此是直的。
根据现有技术(旨在使湍流最大化的US5,609,781是一个例外)，气体射流喷嘴孔口的内壁被制成尽可能平滑，以使流动(看起来)尽可能平滑。为了避免气体损失和尽可能有效地将气流联接到切口中，现有技术要求喷嘴出口孔口与工件表面之间的距离尽可能小，这具有上述增加碰撞风险的缺点。相反，本发明提出在孔口中使用肋部。
肋部的效果本身在其他领域是已知的。例如，具有肋部的结构已经被提出用于飞机的外表面或用于其他应用，其中移动车辆的空气动力学阻力或水阻力将被减小。肋部的灵感来自鲨鱼皮肤的结构。尽管人们会直觉地认为光滑的表面对于实现平滑的流动是理想的，但这是不正确的。众所周知并且已得到经验证实的是，肋部——平行于气体(或液体)流动的方向的小的肋——阻止气体(或液体)切向流动，并且由此使流动更加层流化。
本发明的发明人已经发现，肋部在出现在喷射气流(气体射流)的喷嘴的孔口中的条件下是有用的。例如，喷嘴的最窄区域——通常是最下游区域，靠近喷嘴的出口孔口——的壁设有肋部。可选地，其他气体传导区域也可以包括肋部。
特别地，喷嘴出口可以是筒形喷嘴部分，其在构成喷嘴出口孔口的下游端部(在大多数构型中为下部端部)处具有嘴部。在这种情况下，除了肋部之外，该筒形部分的内壁可以具有圆形筒状件形状。不同于圆形的其它横截面、例如稍微椭圆形对于筒形横截面部分是可能的，并且不被本文中使用的术语“筒形”的定义所排除。导流部段的尺寸(即导流部段的(平均)直径)可以在0.025mm与10mm之间的范围内，有利地在0.6mm与8mm之间，例如在0.8mm与6mm之间。除了导流部段的尺寸之外或者作为导流部段的尺寸的替代方案，这些尺寸可以是喷嘴的出口孔口的尺寸。
肋部尤其可以延伸远至出口孔口。
肋部可以例如沿着构成导流部段的整个筒形部分延伸。作为进一步的选择，肋部也可以进一步延伸到上游方向，即，例如延伸到布置在筒形部分上游的锥形部分。
肋部可以沿着导流部段的轴向长度不间断地延伸。根据替代方案，肋部可以是交错的。然后，各个肋部的轴向长度可以小于包括肋部的部段的轴向长度。
在激光切割装置中，从喷嘴喷射到切割侧的切割气体的气体射流的层流具有尽可能小的切向流分量，这具有若干有利的性质：
首先，与现有技术相比，它允许以更少的损失将气体联接至切口中。
第二，切割处的气流也不会那么湍急。这对产生的切割质量有积极的影响，尤其是通过最小化粗糙度和毛刺而对产生的切割质量有积极的影响。
第三，与现有技术相比，可以使用较低的高压来实现将气体联接至切口中的相同效率。较低的压力可以对层状有额外的积极影响。
第四，如果反应气体(比如氧气)用作切割气体，层流确保氧化气体以受控方式被带到切割中的期望位置。这确保了额外的能量沉积。此外，这也有助于提高切割质量，再次减少粗糙度和毛刺。
肋部的尺寸、形状和分布可以取决于环境，比如流体(气体/液体；如果适用的话，气体成分)的性质、导流部段和出口孔口的直径、喷射速度等。
更具体地，模拟示出理想的肋部结构主要取决于流速和流体粘度，并且还取决于流过的部件的尺寸。作为一种趋势，肋部结构与雷诺数成比例。
理想的尺寸、形状和分布可以通过实验和/或合适的模拟来确定。合适的形状尤其包括具有相对尖锐边缘的肋部，即，肋部的横截面朝向内部终止于不同的梢部。例如，横截面可以是三角形的。
肋部的布置可以使得所得到的横截面不同于锯齿结构。而是，在肋部之间可以存在延伸的无肋部的壁部分，使得相邻肋部之间的间距大于肋部的宽度，并且例如也大于肋部的高度(径向延伸)。特别地，间距可以是肋部的宽度的至少1.5倍或至少两倍，使得无肋部表面部分在相邻的肋部之间。
特别地，肋部之间的间距可以达到肋部高度的约1.5倍至5倍，例如2倍至3倍之间，其中，肋部间距在20μm与500μm或300μm之间、例如在30μm与150μm之间，并且肋部高度在5μm与250μm之间、例如在10μm或15μm与50μm之间是理想的。因此，在相邻肋部之间出现的凹槽的纵横比(深度在最高处的深度与该位置处的(周向)宽度之间的比率)明显小于1，例如小于1.5，使得可以存在在肋部之间遇到小阻力的层流，这种小阻力层流在深凹槽中是不可能的。
肋部的高度可以沿着其轴向延伸部的至少一部分基本恒定、例如沿着其轴向延伸部的至少50％基本恒定，在实施方式中甚至沿着其整个轴向延伸部基本恒定。
在本文中，通常流体流向工件的方向(在大多数情况下，与切割束作用于工件的方向相同)被表示为“上游”，而相反的方向为“下游”。通常，这种构型是这样的，工件放在工作台上，并且切割束从上方作用。那么，“上游”侧是上侧，并且“下游”侧是下侧。流动轴线是喷嘴中的流动轴线，并且诸如“轴向”和“径向”的方向指的是该流动轴线。
附图说明
在下文中，参照附图更详细地描述本发明的实施方式。附图是示意性的并非按比例绘制。在附图中，相同的附图标记表示相同或相似的部件。附图示出：
图1：激光切割机器；
图2激光切割机器的切割头；
图3包括肋部的喷嘴的一部分；
图4喷嘴出口的内表面的细节；以及
图5和图6替代性的喷嘴的部分。
具体实施方式
图1示出了激光切割机器200的示例。该机器包括激光辐射源204、辐射导引件206(纤维或纤维束)、激光切割头100和激光头移动机构。工件208由工作台(未示出)支承。头移动机构包括桥接件202，激光切割头100能够相对于桥接件202在x方向上移动(参见所描绘的坐标系)，并且桥接件202本身能够相对于工作台和工件208在y方向上移动，例如在一对轨道上移动。工件208可以是由通过激光头发射的激光束切割的金属板。
图2示出了激光头100的示例。激光头在其最下游端部(在所描绘的取向上的下端端部，其中激光从工件208上方作用)处包括激光加工喷嘴20。激光辐射和气流均从该端部发射。激光加工喷嘴20用于喷射切割气体的气流。
图3示意性地示出了这种激光加工喷嘴20的最下游部分的细节。激光加工喷嘴20限定了来自喷嘴入口19和喷嘴出口孔口30的流动通道，气体通过该流动通道沿黑色箭头的轴向方向D流动。在喷嘴出口孔口30附近的导流部段21中，激光加工喷嘴的内部包括从内壁22径向向内突出的多个肋部25。肋部25平行于轴线10延伸，并且因此平行于气流方向。肋部25延伸远至出口孔口30，即远至具有肋部25的筒形部分的嘴部。
在所描绘的构型中，肋部25仅沿着筒形部分延伸，该筒形部分然后构成导流部段21。然而，肋部25可以进一步延伸，并且至少沿着相邻的锥形部分23的下部部分延伸。在具有非筒形内壁的部段中，肋部平行于流动方向D的(可选的，但在许多实施方式中是优选的)条件意味着肋部在纵向方向上沿着内壁延伸(例如，对于每个肋部，可以存在延伸穿过肋部和流动轴线的平面)。
图4再次示意性地描绘了喷嘴出口的内表面22的细节，即激光加工喷嘴的导流部段中的内表面的细节，(为了说明的目的，该表面被图示为平坦的；实际上，表面将是弯曲的以围绕流动轴线10延伸)。肋部25相对较小，其高度b通常在10μm与50μm之间，宽度w例如在其高度的0.4倍与2倍之间，并且间距a通常在30μm与150μm之间。朝向径向内侧(图4中的上侧)的肋部25终止于相对尖锐的边缘27。肋部被定形状并彼此间隔开，使得无肋部表面部段26在相互相邻的肋部25之间延伸。
类似于图3，图5描绘了替代性激光加工喷嘴20的最外面部分。在紧邻喷嘴出口孔口30并在其紧上游延伸的导流部段21中，激光加工喷嘴的内部也包括肋部。肋部布置在两个较长肋部区域41中，并且在两个较长肋部区域之间是短的交错肋部区域42。
图6示出了仅具有交错肋部42的另一变型，即交错肋部的区域沿着导流部段21的整个长度延伸。
通常，根据气体的性质(化学成分)和流动，可以基于计算和/或实验来优化肋部25的布置以及肋部的尺寸。
为了制造包括肋部25的喷嘴导流部段21的内表面，存在不同的选择。第一种选择是蚀刻。蚀刻工艺具有能够制造具有几乎任何复杂性的结构的优点，包括如例如图5和图6中所示类型的结构。在蚀刻工艺中，蚀刻剂用于以目标方式移除表面上待移除的结构。这种蚀刻工艺可以用于制造箔片。既可以直接制造具有带肋部的合适表面结构的箔片，也可以制造其阴模(即，在肋部所在的位置处具有对应形状的凹槽)，还可以通过从阴模进行铸造来制造所需的箔片。然后，这种箔片将被放入软管状的装置中，并且然后附接至喷嘴出口的内部。作为蚀刻工艺的替代方案，也可以使用(微)轧制工艺或压花工艺来制造合适的箔片或直接制造用于制造喷嘴/喷嘴出口的工件。机械加工或机械加工与化学加工比如蚀刻的组合也是可能的。
作为另一替代方案，可以使用由来自Fraunhofer-Institut fürFertigungstechnik(弗劳恩霍夫制造技术研究所)与Angewandte MaterialforschungIFAM(应用材料研究IFAM)的Stenzel等人开发的专门用于肋部的涂漆工艺。该工艺基于对漆进行UV固化，该漆涂覆物体，同时通过携带肋部结构的阴模的UV透明基质(硅树脂模具)使物体定形状成包括肋部。
Claims (15)
1.一种激光切割机器(200)，包括切割头(100)、激光源(204)和工件支承件，所述机器配备成用于引起所述切割头(100)与所述工件支承件之间的相对运动并且配备成用于从所述切割头(100)发射激光切割束以用于在由所述支承件支承的工件(208)中进行受控切割，所述切割头包括激光加工喷嘴(20)和气体供应机构并且配备成将气体射流从所述激光加工喷嘴(20)喷射到由所述工件支承件支承的所述工件上，其中，所述激光加工喷嘴(20)包括具有内壁(22)的导流部段(21)，其特征在于，所述导流部段(21)包括从所述内壁(22)突出的多个肋部(25)。
2.根据权利要求1所述的激光切割机器，其中，所述肋部(25)平行于流体流过所述导流部段(21)的方向(D)延伸。
3.根据权利要求1或2所述的激光切割机器，其中，所述喷嘴(20)具有喷嘴出口孔口(30)，所述气体射流从所述喷嘴通过所述喷嘴出口孔口(30)发射，并且其中，所述导流部段(21)延伸至所述激光加工喷嘴出口孔口(30)。
4.根据前述权利要求中的任一项所述的激光切割机器，其中，所述导流部段(21)构成所述激光加工喷嘴(20)的最窄区域。
5.根据前述权利要求中的任一项所述的激光切割机器，其中，所述肋部(25)沿着所述导流部段(21)的整个轴向长度延伸。
6.根据前述权利要求中的任一项所述的激光切割机器，其中，所述肋部(25)布置在区域(41、42)中，不同区域之间的所述肋部(25)相对于彼此交错。
7.根据前述权利要求中的任一项所述的激光切割机器，其中，所述肋部(25)具有面向内的边缘(27)。
8.根据权利要求7所述的激光切割机器，其中，所述肋部(25)的横截面为三角形。
9.根据前述权利要求中的任一项所述的激光切割机器，其中，所述内壁(22)包括在相邻的肋部(25)之间的无肋部部分(26)。
10.根据前述权利要求中的任一项所述的激光切割机器，其中，相邻的肋部(25)之间的间距(a)大于所述肋部的高度(b)。
11.根据前述权利要求中的任一项所述的激光切割机器，其中，所述肋部(25)的高度(b)在10μm与250μm之间。
12.一种用于根据前述权利要求中的任一项所述的机器的激光加工喷嘴(20)，所述激光加工喷嘴(20)包括在喷嘴入口(19)与喷嘴出口孔口(30)之间延伸的流动通道，流体从所述喷嘴出口孔口喷射，所述激光加工喷嘴(20)包括所述流动通道的导流部段(21)，所述导流部段(21)具有内壁(22)，其特征在于，所述导流部段(21)包括从所述内壁(22)突出的多个肋部(25)。
13.根据权利要求12所述的激光加工喷嘴，其中，所述肋部(25)平行于流体流过所述导流部段(21)的方向(D)延伸。
14.根据权利要求12或13所述的激光加工喷嘴，其中，所述导流部段(21)的所述内壁(22)具有圆形筒状件的形状。
15.根据权利要求12至14中的任一项所述的激光加工喷嘴，其中，所述导流部段的平均直径在0.6mm与8mm之间。
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