DE1814375C

DE1814375C - Method and device for cutting bodies, in particular for flame cutting ferrous metals

Info

Publication number: DE1814375C
Authority: DE
Inventors: Frank William Coombe Hill Kingston Surrey Lunau (Großbritannien)
Original assignee: British Oxigen Ltd
Current assignee: BOC Group Ltd
Publication date: 1971-07-15

Description

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Die Erfindung· betrilTt ein Verfahren zum Schneiden von Körpern, insbesondere zum Brennschneiden elsenartiger Metalle, bei welchem über die Endfläche eines in dem betreuenden Körper zu bildenden bzw. zu verlängernden Einschnittes ein Strömungsmittelslruhl geleitet und die Temperatur des zu schneidenden Körpers mittels eines Strahlungsenergiebllndels auf einen Wert erhöht wird, bei welchem eine exotherme Reaktion des Körpers mit dem Strömungsmittelstrahl eintritt, Ferner betrifft die Erfindung eine Einrichtung zur Durchführung eines solchen Verfahrens. The invention relates to a method of cutting of bodies, in particular for flame cutting of elsenic metals, in which over the end face an incision to be formed or to be lengthened in the caring body a fluid cooler and the temperature of the body to be cut by means of a radiant energy bundle is increased to a value at which an exothermic Reaction of the body with the fluid jet occurs. Furthermore, the invention relates to a Facility for carrying out such a procedure.

Bei einem derartigen, in der Zeitschrift »Engineering« vom 25. August 1967 auf Seite 292 beschriebenen bekannten Verfahren wird ein Laserstrahl innerhalb eines ihn koaxial umgebenden Schneidsauerstoffmantels im wesentlichen senkrecht zu der Schnittrichtung auf das betreffende Werkstück gerichtet und hierdurch dieses Werkstück auf eine Temperatur erhitzt, bei welcher zwischen dem ao Schneidsauerstoff und dem Werkstück eine exotherme Reaktion auftritt.In the case of such a device, described on page 292 of the August 25, 1967, magazine "Engineering" known method is a laser beam within a cutting oxygen jacket surrounding it coaxially directed essentially perpendicular to the cutting direction on the workpiece in question and thereby heated this workpiece to a temperature at which between the ao Cutting oxygen and the workpiece an exothermic reaction occurs.

In seiner Wirkung entspricht dieses »Laserverfahren« im wesentlichen dem allgemein bekannten Verfahren zum Brennschneiden von Werkzeugstahl, bei as welchem die Oberfläche des zu schneidenden Werkstückes mittels einer Brenngasflamme erhitzt wird, worauf ein Sauerstoffstrahl auf die erhitzte Fläche geleitet wird, so daß eine exotherme Reaktion mit dem Metall ausgelöst wird. Hierbei entsteht eine flüssige Mischung aus Eisenoxyd und Eisen, welche durch den Sauerstoffstrahl weggeblasen wird, so daß ein Loch durch das zu schneidende Werkstück hindurch entsteht. Die Vorwärmflamme und der Sauerstoffstrahl werden über die Oberfläche des Werk-Stückes hinweggeführt, so daß sich das gebildete Loch zu einem Einschnitt verlängert, wodurch schließlich das Werkstück gewünschtenfalls in zwei Teile geteilt wird. Die Vorwärmflamme muß praktisch die sich bildende Schlacke überhitzen, damit diese leicht abfließen kann und der Schnitt mit vernünftiger Geschwindigkeit vorrückt.In terms of its effect, this "laser process" essentially corresponds to the generally known process for flame cutting of tool steel, in which the surface of the workpiece to be cut is heated by means of a fuel gas flame, whereupon an oxygen jet is applied to the heated surface is passed so that an exothermic reaction with the metal is triggered. This creates a liquid mixture of iron oxide and iron, which is blown away by the oxygen jet, so that a hole is created through the workpiece to be cut. The preheating flame and the oxygen jet are carried away over the surface of the work piece, so that the formed Hole lengthened to an incision, eventually splitting the workpiece in two if desired Parts is shared. The preheating flame must practically overheat the slag that is being formed so that this can flow away easily and the cut advances at a reasonable speed.

Die bekannten Verfahren genügen jedoch hinsichtlich des Wirkungsgrades und der möglirhen Arbeitsgeschwindigkeit nicht Jen gewünschten Anforde- rungen.However, the known methods do not meet the desired requirements with regard to the degree of efficiency and the possible working speed. struggles.

Durch die Erfindung soll die Aufgabe gelöst werden, den Wirkungsgrad und die Geschwindigkeit von Schneid- bzw. Brennschneidverfahren zu verbessern.The invention aims to solve the problem, the efficiency and the speed of To improve cutting or flame cutting processes.

Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung, ausgehend von dem eingangs erwähnten bekannten Stand der Technik, dadurch gelöst, daß das Strahlungsenergiebündel gegen die freiliegende b2:w. jeweils freigelegte Endfläche des Einschnittes gerichtet und in seiner Energiedichte so eingestellt wird, daß es die Temperatur der Endfläche auf den zur Auslösung der exothermen Reaktion erforderlichen Wert erhöht.This object is achieved according to the invention on the basis of what is known at the outset Prior art, achieved in that the radiation energy bundle against the exposed b2: w. respectively exposed end face of the incision is directed and adjusted in its energy density so that it the temperature of the end face to the value required to initiate the exothermic reaction elevated.

Gemäß der Erfindung kann beim Schneiden von Metallen als Strömungsmittelstrahl in an sich bekannter Weise ein im wesentlichen reiner Sauerstoffstrom verwendet werden.According to the invention, when cutting metals as a fluid jet in per se known Manner, a substantially pure stream of oxygen can be used.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird das Strahlungsenergiebündel mittels eines Lasers erzeugt.According to a preferred embodiment of the invention, the radiation energy bundle is by means of generated by a laser.

Weitere zweckmäßige Ausführungen der Erfindung bilden Gegenstand der anliegenden Ansprüche.Further expedient embodiments of the invention form the subject of the appended claims.

Gemäß der Erfindung wird also mittels des StrahlungsenorgiebUndels der Endfläche des zu bildenden bzw zu verlängernden Einschnittes und den flüssigen Verbrennungsprodukten wUhrend ihrer Verbrennung unmittelbar Warme zugeführt, wUhrend bei den bekannten Verfahren für die Wärmeleitung von der Werkstückoberfläche zum Grund des Einschnittes stets eine Zeitverzögerung auftritt, so daß gemäß der Erfindung bei gleicher Strahlleistung die Schnittgeschwindigkeit erhöht werden kann und man nahe an die theoretische Grenze kommt. Ferner hat sich herausgestellt, daß die Breite des Einschnittes bei Ausübung des erfindungsgemüßen Verfahrens infolge der geringeren erforderlichen Energie im wesentlichen dem Durchmesser des Strahlungsenergiebündels, z. B. also des Laserstrahles, gleich und damit geringer als die effektive Breite des Strömungsmittelstrahles, z. B. eines Sauerstoffstrahles, ist. Der gebildete Schnitt ist daher schmäler als bei Verwendung von Sauerstoff-Brenngas-Vorwärmflammen, was zu einer wesentlichen Einsparung an Schneidsauerstoff führt. Aber auch mit Bezug auf das genannte, bekannte Laserverfahren wird eine Sauerstoffersparnis erzielt, da bei dem erfindungsgemäßen Verfahren infolge der gleichmäßigen Erwärmung der gesamten Endfläche des zu bildenden bzw. zu verlängernden Einschnittes ein Sauerstoffstrahl geringerer Energiedichte verwendet werden kann, während bei den bekannten Verfahren der Sauerstoffstrahl eine größere Energiedichte aufweisen muß, um das betreffende Werkstück durchdringen zu können. Außerdem können mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens wesentlich dickere Platten geschnitten werden als mittels der genannten bekannten Verfahren, da sich das Strahlungsenergiebündel gemäß der Erfindung nicht durch das betreffende Werkstück hindurcharbeiten muß, sondern lediglich zur unmittelbaren Erwärmung einer Oberfläche, nämlich der Endfläche des zu bildenden bzw. zu verlängernden Einschnittes dient. Ferner werden ein Nachziehen der Schnittränder und damit unscharfe Schnittkanten an der Oberfläche, wie dies bei den bekannten Verfahren wegen der starken Oberflächenerwärmung im Schnittbereich auftritt, gemäß der Erfindung durch gleichmäßigere Erwärmung über die ganze Schnitt- bzw. Endfläche hinweg vermieden.According to the invention, therefore, by means of the radiation generator the end face of the incision to be formed or lengthened and the liquid Combustion products are immediately supplied with heat during their incineration, while the known method for heat conduction from the workpiece surface to the bottom of the incision a time delay always occurs, so that according to the invention the cutting speed with the same beam power can be increased and one comes close to the theoretical limit. Furthermore has found that the width of the incision when practicing the inventive method as a result the lower energy required essentially the diameter of the radiation energy bundle, z. B. So of the laser beam, equal and therefore less than the effective width of the fluid jet, z. B. an oxygen jet is. The cut that is formed is therefore narrower than when it is used of oxygen-fuel gas preheating flames, which leads to a substantial saving in cutting oxygen leads. But even with reference to the known laser process mentioned, there is a saving in oxygen achieved because in the method according to the invention as a result of the uniform heating of the entire End face of the incision to be formed or extended, an oxygen jet of lower energy density can be used, while in the known methods the oxygen jet a larger one Must have energy density in order to penetrate the workpiece in question. Besides that considerably thicker panels can be cut than by means of the method according to the invention by means of the known methods mentioned, since the radiation energy bundle according to the invention does not have to work through the workpiece in question, but only to the immediate Heating of a surface, namely the end face of the incision to be formed or lengthened serves. Furthermore, the cut edges will be retraced and thus blurred cut edges on the Surface, as is the case with the known methods because of the strong surface heating in the cutting area occurs, according to the invention by more even heating over the entire cut or Avoided end face.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird im folgenden unter Bezugnahme auf die schematische Zeichnung näher beschrieben, die einen Schnitt durch einen mittels eines Laserstrahles und eines Sauerstoffstrahles in einer Stahlplatte gebildeten Trennschnitt zeigt.An embodiment of the invention is described below with reference to the schematic Drawing described in more detail, showing a section through a by means of a laser beam and a Oxygen jet shows a separating cut formed in a steel plate.

Die zur Ausführung dieses Verfahrens dienende Einrichtung enthält eine Düse 12, mittels welcher ein Strahl im wesentlichen reinen Sauerstoffs so ausgeblasen werden kann, daß er an der Endfläche 18 eines in einer Stahlplatte 14 herzustellenden Einschnittes entlangstreift. Wie aus der Zeichnung ersichtlich ist, hat der Einschnitt von der ursprünglichen Randfläche 16 aus bereits eine gewisse Tiefe erreicht.The device used to carry out this method contains a nozzle 12, by means of which a A jet of essentially pure oxygen can be blown out so that it hits the end face 18 along a cut to be made in a steel plate 14. As can be seen from the drawing is, the incision from the original edge surface 16 already has a certain depth achieved.

Die Endfläche 18 des herzustellenden Einschnittes wird auf ihrer gesamten Länge mittels eines Strahles 20 kohärenter Strahlung erwäimt, der von einem Kohlendioxydlaser 22 emittiert wird. Die aus dem Laser austretende Strahlung fällt auf einen Schwenkspiegel 24 und wird mittels einer Linse 26 fokussiert. Der Schwenkspiegel 24 schwingt um einen kleinen Winkel hin und her, um den Laserstrahl längs derThe end face 18 of the incision to be made is over its entire length by means of a jet 20 coherent radiation emitted by a carbon dioxide laser 22. The ones from the Radiation emerging from the laser falls on a swivel mirror 24 and is focused by means of a lens 26. The swing mirror 24 swings back and forth through a small angle to the laser beam along the

a°a °

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Endflächen 18 hin- und herzuführen. Es kann notwendig sein, gleichzeitig auch die Linse 26 entsprechend in Schwingungen zu '-'ersetzen, um die Fokussierung des Strahles auf die EndflUche aufrechtzuerhalten, SEnd faces 18 to and fro. It may be necessary at the same time to '-' replace the lens 26 with corresponding vibrations in order to maintain the focus of the beam on the end surface, p

Wird der Kohlendioxydlaser mit einer Ausgangsleistung von 300 W betrieben, so weist bei dem vorliegenden Beispiel der fokussierte Laserstrahl kreisförmigen Querschnitt mit einem Durchmesser von 0,375 mm auf. Hieraus errechnet sich eine Leistungs- xo dichte von etwa 250 kW/cm⁸.If the carbon dioxide laser is operated with an output power of 300 W, in the present example the focused laser beam has a circular cross section with a diameter of 0.375 mm. A power xo density of around 250 kW / cm ^{8 is} calculated from this.

Eisenartige Metalle müssen eine Temperatur von mindestens 900° C erreichen, bevor eine exotherme Reaktion mit Sauerstoff stattfinden kann. Es zeigt sich, daß die zur Verfügung stehende Leistungsdichte »5 des Laserstrahles nicht für lunge Zeit auf jeden Punkt der Endfläche 18 des Einschnittes gerichtet zu werden braucht, um die Endfläche auf der ZUndtemperatur zu halten und die sich als Verbrennungsprodukt bildende Schlacke so zu überhitzen, daß sie leicht aus dem Einschnitt herauslaufen kann. Ein verhältnismäßig rasches Schwingen des Laserstrahles mit einer Frequenz von beispielsweise 50 Hz reicht zu einer gleichmäßigen Aufheizung der Endfläche 18 aus. Ferrous metals must reach a temperature of at least 900 ° C before an exothermic reaction with oxygen can take place. It turns out that the available power density »5 of the laser beam does not have to be directed at every point of the end surface 18 of the incision for a long time in order to keep the end surface at the initial temperature and to overheat the slag that forms as the combustion product. that it can easily run out of the incision. A relatively rapid oscillation of the laser beam at a frequency of 50 Hz, for example, is sufficient for uniform heating of the end face 18.

Der Schwenkspiegel 24 und die Linse 26 sind zusammen mit der Sauerstoff düse 12 bewegbar, so daß nach einmaliger Justierung der Anordnung die Einstellung zumindestens für die Ausführung eines Schnittes wirksam ist. Die Laserröhre kann sich entweder zusammen mit dem optischen System bewegen, oder aber man kann den Laserstrahl mittels beispielsweise bekannter optischer Maßnahmen auf den sich bewegenden Schwenkspiegel 24 lenken.The swing mirror 24 and the lens 26 are movable together with the oxygen nozzle 12 so that after a one-time adjustment of the arrangement, the setting for at least one Cut is effective. The laser tube can either move together with the optical system, or the laser beam can be applied by means of known optical measures, for example steer the moving oscillating mirror 24.

Praktisch wird der Winkel zwischen der Oberfläche der zu trennenden Platte 14 und dem Laserstrahl größer gehalten, als dies in der Zeichnung dargestellt ist, um auch dann ein ordnungsgemäßes Auf treffen des Strahles auf der Endfläche 18 des Einschnittes sicherzustellen, wenn der Schnitt um eine scharfe 4< > Krümmung oder Ecke geführt werden soll.Practical becomes the angle between the surface of the plate 14 to be cut and the laser beam kept larger than shown in the drawing, in order to then meet a proper on of the beam on the end face 18 of the incision when the incision is a sharp 4 < > Curvature or corner is to be guided.

Claims

Patent claims:

1. A method for cutting bodies, in particular for flame cutting iron-like metals, in which a jet of fluid is passed over the end face of an incision to be formed or lengthened in the body in question and the temperature of the body to be cut is reduced to one by means of a radiation energy bundle Value is increased at which an exothermic reaction of the body with the fluid jet occurs, characterized by it

bündel gegen to a Edflbundle against to a Edfl

dus Strahlungsenergie· ™ _{jowci!s trcl}.dus radiant energy · ™ _{jowci! s trcl} .

Ki richtet undKi aligns and

ennzeichnet, _{jowci!s trcl}.indicates, _{jowci! s trcl} .

bündel gegen to /£^l SfKrhnittee gerichtet undBundle directed against to / £ ^l SfKrhnittee and

aelegto EndflUcho ücs Einsi-nmu B₁ ^aelegto EndflUcho ücs Einsi-nmu B ₁ ^

Γη seiner Energie«⁶ so e j. _dcn _mf Γη of his energy « ⁶ so e j. _dcn _mf

liehen Wert erhöhtborrowed value increased

% Verfahren " % Procedure "

kennzeichnet, daß.indicates that.

verwendet wird.is used.

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