DE102007031929A1 - Heat process to cut metal or non-metals with a beam alternating between maximum and minimum in the presence of mechanical oscillation - Google Patents
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Abstract
Description
[Bezeichnung der Erfindung][Description of the invention]
Verfahren zum thermischen Trennen von Werkstoffen mit einem Schneidstrahl, insbesondere Elektronenstrahl.method for the thermal separation of materials with a cutting jet, in particular electron beam.
[Beschreibung][Description]
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum thermischen Trennen von Metallen und Nichtmetallen mit einem Schneidstrahl. Der Schneidstrahl kann ein Brenngas-Sauerstoffstrahl, Plasmastrahl, Laserstrahl oder Elektronenstahl sein.The The invention relates to a method for the thermal separation of metals and non-metals with a cutting jet. The cutting jet can a fuel gas oxygen jet, plasma jet, laser beam or electron beam be.
[Stand der Technik][State of the art]
Es sind verschiedene thermische Trennverfahren mit Schneidstrahl bekannt. Bei diesen Verfahren wird der Werkstoff durch den heißen Schneidstrahl örtlich geschmolzen und das geschmolzene Material durch den Gasdruck weggeblasen. Mit dem Gas wird beim herkömmlichen Brennschneiden das Material gleichzeitig oxydiert, so dass Schlacke mit geringer Festigkeit entsteht. Entlang der behandelten Schneid- oder Trennfuge verbleiben zumindest an den Kanten Schlackereste. Auch aus anderen Gründen ist die Oberfläche der geschnittenen Werkstoffseiten unregelmäßig und muss häufig nachträglich mechanisch geglättet werden.It Various thermal cutting methods with cutting jet are known. In these processes, the material becomes hot Cutting jet locally melted and the molten material blown away by the gas pressure. With the gas becomes conventional Flame the material at the same time oxidized, leaving slag produced with low strength. Along the treated cutting or parting line remain at least at the edges Schlackereste. Also for other reasons, the surface of the cut material pages irregular and often has to be subsequently mechanically smoothed become.
Zum
sicheren Trennen des Werkstoffes und Ausblasen der Schlacke ist
eine gewisse Fugenbreite erforderlich. Wofür entsprechende
Gasmengen bzw. Energie notwendig sind. Eine höhere Schneidstrahltemperatur
und ein höherer Gasdruck ermöglicht schmalere
Schnittfugen. Der erforderliche Schlackeabfluss muss aber gewährleistet
sein. Um den Abtransport der Schlacke zu fördern ist es
aus der
Die Anwendung von Ultraschall ist auch für Schweißverfahren bekannt. Hierbei wird Ultraschall mit sogenannten Sonotroden auf die aneinandergepressten, zu verschweißenden Teile übertragen. Durch die Grenzflächenreibung an den Werkstoffen entsteht Wärme und der Werkstoff schmilzt. Durch den Anpressdruck werden die Teile dann verschweißt. Anwendungsgebiet ist das Verschweißen von Kunststoff.The Application of ultrasound is also for welding process known. In this case, ultrasound with so-called sonotrodes transfer the pressed together parts to be welded. By The boundary surface friction on the materials creates heat and the material melts. Due to the contact pressure, the parts then welded. Field of application is the welding of Plastic.
[Aufgabe der Erfindung]OBJECT OF THE INVENTION
Aufgabe der Erfindung ist es, ein thermisches Schneidverfahren zu schaffen, dass eine minimale Trennfuge bis fugenlosen Trennbereich und damit verbunden einen verringerten bis keinen Schlackeaustrag besitzt. Mit diesem Verfahren soll dadurch der Energieverbrauch gesenkt, die Oberfläche der Fugenkante und die Schnittgenauigkeit verbessert und die Verschmutzung durch ausgeworfene Schlacke vermindert werden.task the invention is to provide a thermal cutting method that a minimum parting line to jointless separation area and thus connected has a reduced to no slag discharge. This method is intended to reduce energy consumption, the surface of the joint edge and the cutting accuracy improved and reduced pollution by ejected slag become.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe entsprechend den Merkmalen des Anspruchs eins gelöst.According to the invention solved the task according to the features of claim one.
Danach wird bei einem thermischen Trennverfahren mit Schneidstrahl im Schnittbereich kurzzeitig eine maximale Temperaturdifferenz zwischen Schneidstrahl und Werkstoff erzeugt, so dass dort eine örtlich begrenzte hohe innere Materialspannung bewirkt wird, und mindestens im Schnittbereich des Schneidstrahls einseitig oder beidseitig der Schnittlinie in den Werkstoff mechanische Schwingungen eingebracht werden, um eine Trennfuge, Materialrisse oder eine Zone verringerter Festigkeit zu erzeugen. Bei einer nach dem Schnitt noch verbleibenden Restbindungskraft im Schnittbereich des Werkstoffes wird diese durch mechanische Einwirkung aufgehoben.After that becomes in a thermal cutting process with cutting jet in the cutting area briefly a maximum temperature difference between cutting jet and material produced so that there is a localized high internal material tension is effected, and at least in the cutting area of the cutting beam on one side or both sides of the cutting line in the material mechanical vibrations are introduced to a Parting line, material cracks or a zone of reduced strength to create. At a residual binding force remaining after the cut In the intersection of the material, this is due to mechanical action canceled.
Das Verfahren beruht auf der Erkenntnis, dass in vielen Werkstoffen bei kurzzeitigen örtlich begrenzten Erhitzungen starke innere Spannungen entstehen. Das führt z. B. beim Elektronenstrahlschweißen von Metall zu Brüchen an den Korngrenzen, was die Festigkeit der Schweißnaht vermindert. Gemäß dem erfinderischen Grundgedanken werden bei der Erhitzung mit einem Schneidstrahl durch die zusätzlich eingebrachten mechanischen Schwingungen die Spannungen verstärkt, so dass es zu Materialrissen im Schnittbereich kommt.The Method is based on the realization that in many materials strong for short-term localized heating internal tensions arise. This leads z. B. in electron beam welding from metal to fractures at the grain boundaries, giving the strength the weld reduces. According to the inventive principles are when heated with a Cutting beam through the additionally introduced mechanical Vibrations intensify the stresses, causing material cracks in the material Cutting area is coming.
Wird der Werkstoff angeschmolzen, bzw. entsteht durch die Oxydation Schlacke, verhindern die mechanischen Schwingungen beim Abkühlen ein Wiederverbinden dieses Materials. Es entsteht somit eine schmale Zone mit sehr geringer Festigkeit, bzw. eine sehr schmale Trennfuge, aus der kaum Schlacke ausgeworfen wird.Becomes the material is melted, or is formed by the oxidation slag, prevent mechanical vibrations during cooling a reconnection of this material. It thus creates a narrow Zone with very low strength, or a very narrow parting line, from the barely slag is ejected.
Die zu erzeugende schmale Erhitzungs- und Schmelzzone ermöglichen nicht nur schmale Schneidfugen, sondern auch einen geringeren Energieverbrauch. Durch die erzeugte Rissstruktur im Korngrößenbereich wirkt die Schnittoberfläche glatt.The allow to be generated narrow heating and melting zone not only narrow kerfs, but also lower energy consumption. Due to the generated crack structure in the particle size range the cut surface looks smooth.
Vorteilhafte Ausgestaltungen des Verfahrens zu den verwendeten Schwingungen und deren Einbringung in den Werkstoff sind in den Ansprüchen 2 bis 6 enthalten. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform nach Anspruch 2 liegen die mechanischen Schwingungen im Ultraschallbereich und Frequenz und Amplitude werden in Abhängigkeit vom zu trennenden Werkstoffmaterial und der Werkstoffstruktur verändert.Advantageous embodiments of the method to the vibrations used and their introduction into the material are contained in the claims 2 to 6. According to a preferred Ausfüh According to claim 2, the mechanical vibrations in the ultrasonic range and frequency and amplitude are changed depending on the material to be separated material and the material structure.
Nach Anspruch 3 werden Schwingungen mit einer Frequenz von 1 kHz bis 50 kHz verwendet.To Claim 3 are oscillations with a frequency of 1 kHz 50 kHz used.
Nach Anspruch 4 werden die Schwingungen von einem Konverter über ein Amplitudentransformationsstück und eine Sonotrode direkt auf den Werkstoff geleitet.To Claim 4, the vibrations from a converter over an amplitude transformation piece and a sonotrode directly directed to the material.
Gemäß einer bevorzugten Ausführung nach Anspruch 6 weichen bei beidseitig der Schnittlinie erfolgender Einbringung mechanischer Schwingungen in den Werkstoff die Frequenz und/oder Amplitude für die Seiten voneinander ab. Dadurch wird die Rissbildung wesentlich verstärkt.According to one preferred embodiment according to claim 6 soft on both sides the intersection of the introduction of mechanical vibrations in the material the frequency and / or amplitude for the sides from each other. This significantly increases cracking.
Vorteilhafte Ausgestaltungen des Verfahrens zur Verstärkung der Temperaturdifferenzen sind in den Ansprüchen 7 bis 9 enthalten.advantageous Embodiments of the method for increasing the temperature differences are included in claims 7 to 9.
Nach einer bevorzugten Ausführung nach Anspruch 7 wird zur Erzielung einer großen kurzzeitigen Temperaturdifferenz eine hohe Schneidgeschwindigkeit und ein möglichst schmaler Schneidstrahl eingesetzt.To A preferred embodiment according to claim 7 is to achieve a large short-term temperature difference a high Cutting speed and the narrowest possible cutting beam used.
Nach Anspruch 8 wird zur Erzielung einer großen kurzzeitigen Temperaturdifferenz der zu trennende Werkstoff gekühlt.To Claim 8 is to achieve a large short-term Temperature difference of the material to be separated cooled.
In einer bevorzugten Ausführungsform nach Anspruch 10 wird die Intensität und/oder Schnittgeschwindigkeit des Schneidstrahls in Abhängigkeit von den Werkstoffeigenschaften und der Werkstoffdicke so eingestellt, dass der Schneidstrahl noch durch die gesamte Werkstoffdicke dringt, aber wenig bis kein geschmolzenes Material auswirft, bzw. keine Schnittfuge erzeugt.In A preferred embodiment according to claim 10 the intensity and / or cutting speed of the cutting jet depending on the material properties and the Material thickness adjusted so that the cutting jet still through the entire material thickness penetrates, but little to no molten Material ejects or no kerf generated.
Der Auswurf von geschmolzenem Material, bzw. Schlacke wird sehr stark eingeschränkt. Beim Elektronen- und Laserstrahlschneiden kann der Auswurf ganz verhindert werden. Damit wird Energie für die Erzeugung einer Schneidfuge eingespart, der Materialverlust durch die Schnittfuge verringert und die Verschmutzung durch die ausgeworfene Schlacke vermieden.Of the Expulsion of molten material or slag becomes very strong limited. In electron and laser beam cutting the ejection can be completely prevented. This will be energy for the Production of a kerf saved, the loss of material through the kerf decreases and the pollution from the ejected Avoided slag.
Die herkömmliche Schnittfuge wird hier durch eine durchgehende schmale Zone mit starker Rissbildung ersetzt. Sind noch verbleibenden Bindungskräfte in der Zone vorhanden, erfolgt die vollständige Werkstofftrennung durch zusätzliche mechanische Einwirkungen.The conventional kerf is here by a continuous replaced narrow zone with severe cracking. Are still remaining Binding forces in the zone exists, the complete takes place Material separation through additional mechanical effects.
Dafür wird gemäß Anspruch 11 vorgeschlagen, die durch den Schnitt erzeugten zwei Werkstoffbereiche durch gegenseitiges Verkanten voneinander zu trennen.Therefore is proposed according to claim 11, by The cut created two material areas by mutual Tilt separate from each other.
[Beispiele][Examples]
Nachfolgend soll das Verfahren einem Beispiel erläutert werden.following Let the method be explained by way of example.
Eine zu durchschneidende Blechplatte von 10 mm Dicke wird auf eine Ablage für eine Schneidbrennvorrichtung so abgelegt, dass die Schnittlinie nicht über einer Abstützung liegt. Möglich ist auch eine Variante, bei der die Abstützungen um den Schneidstrahl jeweils kurzzeitig abgesenkt werden.A to be cut through sheet metal plate of 10 mm thickness is placed on a shelf for a cutting torch so stored that the Cutting line is not above a support. Also possible is a variant in which the supports each time the cutting jet is lowered for a short time.
Ein bekannter Schneidbrenner ist beidseitig der Schneiddüse mit je einer Sonotrode verbunden. Diese sind elastisch unter Vorspannung befestigt. Dadurch werden die Sonotroden in Arbeitstellung beidseitig neben der Schnittlinie auf das Blech gepresst. Die Sonotroden sind mit einem Schallwandler verbunden und erzeugen eine Frequenz von 30 kHz.One known cutting torch is on both sides of the cutting nozzle each connected to a sonotrode. These are elastic under bias attached. As a result, the sonotrodes in working position on both sides pressed next to the cutting line on the sheet. The sonotrodes are connected to a transducer and generate a frequency of 30 kHz.
Wird der Schneidbrenner mit dem Schneidstrahl über das Blech geführt, übertragen die mitgeführten Sonotroden gleichzeitig Ultraschallschwingungen auf die Blechplatte im Schnittbereich.Becomes the cutting torch with the cutting jet over the sheet guided, transferred the entrained Sonotrodes simultaneously ultrasonic vibrations on the sheet metal plate in the cutting area.
Durch die Einwirkung des schmalen Schneidstrahls entsteht eine enge geschmolzene Zone und Schlackeschicht im Blech. Die eingeleiteten Ultraschallschwingungen verhindern ein festes Wiederverbinden des Werkstoffes während der Abkühlungsphase. So entsteht eine sehr schmale, senkrechte Trennschicht bis Trennfuge mit geringem Schlackeanteil. An dieser Trennschicht kann die Blechplatte, z. B. durch einseitiges Anheben, leicht abgetrennt werden.By the action of the narrow cutting jet creates a narrow molten zone and slag layer in the sheet metal. The initiated ultrasonic vibrations prevent a firm reconnection of the material during the cooling phase. This creates a very narrow, vertical Separating layer to parting line with low slag content. At this Separating layer, the metal plate, z. B. by one-sided lifting, be easily separated.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturCited patent literature
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Claims (11)
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