DE10161583A1

DE10161583A1 - Process for oxy-fuel cutting

Info

Publication number: DE10161583A1
Application number: DE10161583A
Authority: DE
Inventors: Hermann Mair; Wolfang Danzer
Original assignee: Linde GmbH
Current assignee: Linde GmbH
Priority date: 2001-12-14
Filing date: 2001-12-14
Publication date: 2003-06-26
Also published as: FR2833505A1; FR2833505B3

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum autogenen Brennschneiden. Durch das erfindungsgemäße Erwärmen des zum Schneiden anstehenden Werkstoffs unter Einwirkung von Laserstrahlung wird die Schneidgeschwindigkeit und die Schnittqualität erhöht.The invention relates to a method for oxyacetylene cutting. The cutting speed and the cutting quality are increased by the inventive heating of the material to be cut under the influence of laser radiation.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum autogenen Brennschneiden. The invention relates to a method for oxyacetylene cutting.

Im Fertigungsprozess der metallverarbeitenden Industrie sind die thermischen Schneidverfahren Laserschneiden, Plasmaschneiden und autogenes Brennschneiden eine Grundlage für die wirtschaftliche Fertigung. Sie eignen sich zur Vorbereitung von Schweißkanten, zum Ausschneiden komplizierter Bauteilgeometrien oder zum Schneiden von Rohren und Profilen. Allen thermischen Schneidverfahren ist eine punktförmige Energieeinbringung und ein hochenergetischer Schneidstrahl gemeinsam. In the manufacturing process of the metalworking industry, the thermal ones Cutting processes Laser cutting, plasma cutting and oxy-fuel cutting a basis for economical production. They are suitable for the preparation of Welding edges, for cutting out complex component geometries or for Cutting pipes and profiles. All thermal cutting processes are one punctiform energy input and a high-energy cutting beam together.

Beim Laserstrahlschneiden erwärmt sich der Werkstoff auf die für den Schneidprozess notwendige Temperatur durch Absorption der Laserstrahlung. Beim Laserstrahlbrennschneiden verbrennt das Material im Schneidsauerstoffstrahl. Dabei erzeugt die exotherme Reaktion des Schneidsauerstoffes mit dem zu schneidenden Werkstoff einen Teil der notwendigen Energie und ermöglicht dadurch hohe Schneidgeschwindigkeiten bei relativ geringer Laserleistung. Die häufigste Anwendung hierfür ist das Verarbeiten unlegierter und niedriglegierter Stähle. Es werden Schneidgeschwindigkeiten von über 10 m/min erreicht. Die Schneidgeschwindigkeit nimmt mit zunehmender Blechdicke jedoch stark ab und für Bleche mit einer Dicke von über 10 mm werden nur noch Schneidgeschwindigkeiten von unterhalb 1 m/min erreicht. With laser beam cutting, the material heats up for the cutting process necessary temperature through absorption of the laser radiation. At the Laser beam flame cutting burns the material in the cutting oxygen beam. The exothermic reaction of the cutting oxygen with the material to be cut part of the necessary energy and thereby enables high Cutting speeds with relatively low laser power. The most common application for this is the processing of unalloyed and low-alloy steels. It will Cutting speeds of over 10 m / min reached. The cutting speed increases increasing sheet thickness, however, strongly and for sheets with a thickness of over 10 mm only cutting speeds of less than 1 m / min can be achieved.

Das Plasmaschneiden wurde ursprünglich für das thermische Trennen nicht brennschneidgeeigneter metallischer Werkstoffe entwickelt, wie z. B. CrNi-Stähle, Kupfer und Aluminium und wird nun auch vermehrt zum Schneiden unlegierter Stähle bei dünneren Blechdicken eingesetzt. Der Plasmaschneidstrahl entsteht durch ein plasmabildendes Trägergas, das im Lichtbogen stark eingeschnürt, ionisiert und dissozüert wird. Der Plasmaschneidstrahl ist von hoher Temperatur und erwärmt durch Rekombination, Konvektion und Strahlung das Werkstück und verdampft das Material in der Schnittfuge. Es werden hohe Schneidgeschwindigkeiten von bis zu 10 m/min erreicht. Mit zunehmender Blechdicke nimmt die Schneidgeschwindigkeit stark ab, aber selbst bei Blechdicken von 10 mm werden noch Schneidgeschwindigkeiten von 3 m/min erreicht. Plasma cutting was not originally used for thermal cutting flame-cutting suitable metallic materials developed such. B. CrNi steels, copper and Aluminum and is now increasingly being used to cut unalloyed steels thinner sheet thicknesses used. The plasma cutting beam is created by a plasma-forming carrier gas, which is constricted, ionized and dissociated in the arc becomes. The plasma cutting beam is of high temperature and heated by Recombination, convection and radiation the workpiece and evaporates the material in the kerf. There are high cutting speeds of up to 10 m / min reached. The cutting speed decreases sharply with increasing sheet thickness, but even with sheet thicknesses of 10 mm, cutting speeds of 3 m / min reached.

Das autogene Brennschneiden ist das am häufigsten eingesetzte thermische Schneidverfahren. Es können Werkstückdicken von 3 bis 3000 mm geschnitten werden. Die Schneidgeschwindigkeit liegt dabei unter 1 m/min. Die Schneidleistung des Brennschneidverfahrens wird von der Schneiddüsenart und dem verwendeten Brenngas bestimmt. Mit Acetylen, dem Brenngas mit höchster Flammtemperatur und Zündgeschwindigkeit, kann in Verbindung mit Hochleistungsschneiddüsen am schnellsten geschnitten werden. Aufgrund der einfachen Handhabung und des verhältnismäßig geringen Energiebedarfs ist das autogene Brennschneiden in der stahlerzeugenden und stahlverarbeitenden Industrie im Einsatz. Es eignet sich für un- und niedriglegierte Stähle. Oxyacetylene cutting is the most frequently used thermal Cutting process. Workpiece thicknesses from 3 to 3000 mm can be cut. The The cutting speed is less than 1 m / min. The cutting performance of the The flame cutting process depends on the type of cutting nozzle and the fuel gas used certainly. With acetylene, the fuel gas with the highest flame temperature and Ignition speed, can be fastest in combination with high-performance cutting nozzles get cut. Because of the ease of use and the proportionate Oxyacetylene cutting in steelmaking is low in energy requirements and steel processing industry in use. It is suitable for unalloyed and low-alloyed Steels.

Beim autogenen Brennschneiden stammt ein Großteil der für das Verfahren notwendigen Energie aus der Verbrennung des Eisens in der Schnittfuge. Dazu ist es notwendig, die Zündtemperatur des zu schneidenden Werkstoffes zu erreichen. Dies gilt sowohl beim Anschneiden als auch beim fortlaufenden Schneidvorgang. Wenn der Werkstoff auf Zündtemperatur erwärmt ist, verbrennt er im reinen Sauerstoffstrahl und bildet eine dünnflüssige Schlacke. Die Zündtemperatur muss deshalb unter der Schmelztemperatur liegen. Da eine gewisse Zeit erforderlich ist, die Zündtemperatur des zu schneidenden Werkstoffs beim Anschneiden und beim fortlaufenden Schneidgang zu erreichen, ist die Schneidgeschwindigkeit durch diese Zeit dominiert. Die Erwärmung auf Zündtemperatur erfolgt dabei mit einer Heizflamme. Als Brenngas dient Propan, Erdgas oder Acetylen. Bei dünnen Blechen beträgt der Anteil der Wärme aus der Heizflamme etwa 30%, bei dickeren Blechen etwa 10%. Die restliche Energie, die für den autogenen Brennschneidprozess notwendig ist, wird durch die exotherme Reaktion des Sauerstoffs mit dem Stahl erzeugt. Um nun die Zeit bis zum Erreichen des Zündpunkts zu verkürzen, wird der Werkstoff oftmals zusätzlich mit einer weiteren Flamme vorgewärmt. In oxyacetylene cutting, a large part comes from the process necessary energy from the combustion of the iron in the kerf. It is for that necessary to reach the ignition temperature of the material to be cut. This applies to both cutting and continuous cutting. If the Material heated to ignition temperature, it burns in a pure oxygen jet and forms a thin slag. The ignition temperature must therefore be below the Melting temperature. Since a certain time is required, the ignition temperature of the material to be cut when cutting and when cutting To achieve cutting speed, the cutting speed is dominated by this time. The Heating to ignition temperature takes place with a heating flame. Serves as fuel gas Propane, natural gas or acetylene. In the case of thin sheets, the amount of heat is off the heating flame about 30%, for thicker sheets about 10%. The remaining energy that is necessary for the oxyacetylene cutting process due to the exothermic Reaction of oxygen with the steel generated. Now the time to reach To shorten the ignition point, the material is often combined with another Preheated flame.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum autogenen Brennschneiden anzugeben, welches eine besonders hohe Schneidgeschwindigkeit ermöglicht. The present invention has for its object a method for autogenous Flame cutting to indicate which has a particularly high cutting speed allows.

Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, dass das zu schneidende Material an der zu schneidenden Stelle unter Einwirkung eines Laserstrahls auf einige hundert °C bis hin zur Zündtemperatur erwärmt wird. Durch den erfindungsgemäßen Einsatz der Laserstrahlung wird das Erwärmen des Werkstücks optimiert. Die bessere, da im Vergleich zur Flamme gezieltere Wärmeeinbringung des Laserstrahls erhöht die Schneidgeschwindigkeit sowohl während des fortlaufenden Schneidens als auch beim Beginn des Schneidens, da die Zündtemperatur des zu schneidenden Werkstoffes schneller erreicht wird. Des weiteren ist der Verzug der Werkstücke durch die verbesserte Wärmezufuhr deutlich geringer. Das erfindungsgemäße Verfahren erhöht die Schnittgeschwindigkeit und hebt damit die Produktivität an und fördert folglich die Wirtschaftlichkeit. Dies ist besonders wichtig bei Schräg- und Dreiphasenschnitten. Eine hohe Schneidgeschwindigkeit ist mit dem erfindungsgemäßen Verfahren auch für stark verschmutzte, verzunderte und geprimerte Bleche zu erreichen. Darüber hinaus verbessert das erfindungsgemäße Verfahren die Schnittqualität. This object is achieved in that the material to be cut on the cutting point under the influence of a laser beam up to a few hundred ° C is heated to the ignition temperature. By using the Laser radiation optimizes the heating of the workpiece. The better, as compared more targeted heat input of the laser beam to the flame increases the Cutting speed both during continuous cutting and at the beginning cutting because the ignition temperature of the material to be cut is faster is achieved. Furthermore, the warpage of the workpieces is improved Heat input significantly lower. The method according to the invention increases the Cutting speed and thus increases productivity and consequently promotes Economics. This is particularly important for bevel and three-phase cuts. A high Cutting speed is also strong with the method according to the invention to reach dirty, scaled and primed sheets. Furthermore the method according to the invention improves the cut quality.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird das zu schneidende Material auf Temperaturen erwärmt, die bei mindestens 300°C, bevorzugt bei mindestens 400°C, besonders bevorzugt bei mindestens 600°C liegen. In an advantageous embodiment of the invention, the material to be cut heated to temperatures at at least 300 ° C, preferably at least 400 ° C, particularly preferably at least 600 ° C.

Mit besonderem Vorteil wird das zu schneidende Material auf maximal 1200°C, bevorzugt auf maximal 1000°C, besonders bevorzugt auf maximal 800°C erwärmt. The material to be cut is particularly advantageously heated to a maximum of 1200 ° C. preferably heated to a maximum of 1000 ° C, particularly preferably to a maximum of 800 ° C.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung wird der Laserstrahl so auf die zu schneidende Stelle eingestellt, dass er dem Schneidgasstrahl voraus läuft. In an advantageous embodiment, the laser beam is directed onto the one to be cut Set that it runs ahead of the cutting gas jet.

In einer anderen vorteilhaften Ausgestaltung wird der Laserstrahl zentrisch zum Scheidgasstrahl angeordnet. In another advantageous embodiment, the laser beam becomes centric Separating gas jet arranged.

Alternativ dazu wird der Laserstrahl ringförmig um den Schneidgasstrahl angeordnet. Alternatively, the laser beam is arranged in a ring around the cutting gas jet.

Zum Erwärmen des Werkstücks an der zu schneidenden Stelle kann jedoch auch eine Kombination der vorgenannten Ausgestaltungen verwendet werden. Dazu werden zwei oder mehrere Ausgestaltungen aus den Anordnungen voraus laufend, zentrisch oder ringförmig miteinander kombiniert. However, one can also be used to heat the workpiece at the point to be cut Combination of the aforementioned configurations can be used. This will be two or several configurations from the arrangements in advance, centrically or combined in a ring.

In einer besonders vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung wird für die Laserstrahlung ein Diodenlaser verwendet. In a particularly advantageous development of the invention, the Laser radiation uses a diode laser.

Das Erwärmen des Werkstoffs wird mit besonderen Vorteilen mit Laserstrahl kombiniert mit einer Heizflamme durchgeführt. Durch die Kombination von Laserstrahl und Heizflamme ist das Erwärmen sehr schnell und die Zündtemperatur wird innerhalb kürzester Zeit erreicht. Damit kann mit dem Schneidvorgang nach dem Einstechen sehr schnell begonnen werden und auch der Schneidvorgang selbst kann mit sehr hoher Geschwindigkeit vorangetrieben werden. Wird hingegen ausschließlich ein Laserstrahl zum Erwärmen des Materials benutzt, bildet sich eine sehr schmale und geradlinige Schneidfuge aus, da der erwärmte Bereich bei Verwendung eines Laserstrahls genauer definiert ist als bei Verwendung einer Flamme. Heating the material has special advantages with a laser beam combined with a heating flame. By the combination of laser beam and heating flame, the heating is very fast and the ignition temperature will be within reached in a very short time. This allows you to start cutting after piercing can be started very quickly and the cutting process itself can be done with very be driven at high speed. However, will only be a Laser beam used to heat the material forms a very narrow and straight kerf because the heated area when using a Laser beam is more precisely defined than when using a flame.

Dabei werden jedoch nicht nur Temperaturen von wenigen Hundert °C erreicht, wie beim konventionellen Vorwärmen mittels einer zusätzlichen Flamme, sondern das Material erreicht Temperaturen bis hin zur Zündtemperatur. However, not only temperatures of a few hundred ° C are reached, such as with conventional preheating using an additional flame, but that Material reaches temperatures up to the ignition temperature.

Erfindungsgemäß findet das oben beschriebene Verfahren beim Unterwasserschneiden Einsatz. Das erfindungsgemäße Erwärmen des zu schneidenden Materials auf Zündtemperatur mittels Laserstrahlung eignet sich insbesondere für das Schneiden unter Wasser. According to the invention, the method described above takes place in Underwater cutting use. The inventive heating of the material to be cut at ignition temperature by means of laser radiation is particularly suitable for cutting under water.

Im folgendem soll die Erfindung anhand zweier schematisch dargestellten Beispiele näher erläutert werden: In the following, the invention is to be illustrated using two schematically illustrated examples are explained in more detail:

In Fig. 1 ist ein Anwendungsfall mit 8 mm-Blechen gezeigt. Ein vorlaufender Diodenlaserstrahl mit einer Leistung von mehr als 1000 W erwärmt das Werkstück an der zu schneidenden Stelle auf Temperaturen nahe dem Zündpunkt. Fig. 1 umfasst dabei eine konventionelle Schneiddüse 1 mit einem Schneidgasstrom 2, welche auf ein Werkstück 3 an die zum Schneiden anstehende Stelle gerichtet ist. Ein Laserstrahl 4 wird an die zu schneidende Stelle gelenkt und stammt aus einem Diodenlaser, der - in Schneidrichtung r gesehen - vor der Schneiddüse angebracht ist und welcher mit der Schneiddüse einen spitzen Winkel einschließt. Mit dieser erfindungsgemäßen Anordnung konnte die Schneidgeschwindigkeit um 20% erhöht werden. In Fig. 1, an application with 8 mm-sheets is shown. A leading diode laser beam with a power of more than 1000 W heats the workpiece at the point to be cut to temperatures near the ignition point. Fig. 1 in this case comprises a conventional cutting nozzle 1 with a cutting gas stream 2, which is directed onto a workpiece 3 to the pending for cutting point. A laser beam 4 is directed to the point to be cut and comes from a diode laser, which - seen in the cutting direction r - is attached in front of the cutting nozzle and which forms an acute angle with the cutting nozzle. With this arrangement according to the invention, the cutting speed could be increased by 20%.

In Fig. 2 ist ein weiterer Anwendungsfall dargestellt. Hier wurde eine Kombination aus Heizflamme und vorlaufendem Diodenlaserstrahl mit einer Leistung von 1000 W zum Vorwärmen verwendet. Fig. 2 zeigt eine konventionelle Schneiddüse 1 mit einem Schneidgasstrom 2, welche auf ein Werkstück 3 an die zum Schneiden anstehende Stelle gerichtet ist. Der Schneidgasstrom ist von einer Heizgasflamme 4 umgeben. Ein Laserstrahl 5 wird an die Stelle der Heizflamme gelenkt und umgibt den Schneidgasstrahl ringförmig. Der Laserstrahl stammt aus einem Diodenlaser und schließt mit der Schneiddüse einen spitzen Winkel ein. Another application is shown in FIG . Here a combination of heating flame and leading diode laser beam with a power of 1000 W was used for preheating. Fig. 2 shows a conventional cutting nozzle 1 with a cutting gas stream 2, which is directed onto a workpiece 3 to the pending for cutting point. The cutting gas stream is surrounded by a heating gas flame 4 . A laser beam 5 is directed to the location of the heating flame and surrounds the cutting gas beam in a ring. The laser beam comes from a diode laser and forms an acute angle with the cutting nozzle.

Mit vorliegender Erfindung wird eine deutliche Leistungssteigerung beim autogenen Brennschneiden erzielt, womit ein konkurrenzfähiges Verfahren gegenüber dem Laserstrahlschneiden und dem Plasmaschneiden vorliegt. With the present invention there is a significant increase in performance in autogenous Flame cutting achieved, which is a competitive process compared to the Laser beam cutting and plasma cutting is available.

Claims

1. A method for oxy-fuel cutting, in which a cutting gas jet is directed onto the material to be cut, characterized in that the material to be cut is heated under the action of a laser beam to a few hundred ° C. up to the ignition temperature.

2. The method according to claim 1, characterized in that the to be cut Material at at least 300 ° C, preferably at least 400 ° C, particularly preferably heated to at least 600 ° C.

3. The method according to claim 1 or 2, characterized in that the cutting material to a maximum of 1200 ° C, preferably to a maximum of 1000 ° C, is particularly preferably heated to a maximum of 800 ° C.

4. The method according to any one of claims 1 to 3, characterized in that the Laser beam at the point to be cut leading the cutting gas jet is set.

5. The method according to any one of claims 1 to 3, characterized in that the Laser beam is arranged centrally to the cutting gas jet.

6. The method according to any one of claims 1 to 3, characterized in that the Laser beam is arranged in a ring around the cutting gas jet.

7. The method according to any one of claims 1 to 6, characterized in that for the laser radiation a diode laser is used.

8. The method according to any one of claims 1 to 7, characterized in that the Laser beam combined with a heating gas flame to heat the workpiece is used.

9. Application of the method according to one or more of claims 1 to 7 when cutting underwater.