ES2702485T3 - Boquilla de gas con manguito de válvula desplazable - Google Patents

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Abstract

Boquilla de gas (1, 1', 1", 1'") para un cabezal de mecanizado por láser (2), con una apertura de salida (100) para el paso de un rayo láser (3) sobre una pieza de trabajo (4), con una ranura anular (11) que rodea la apertura de salida (100) y con un manguito (10) dispuesto en la ranura anular (11) que es guiado axialmente de forma desplazable en la ranura anular (11) entre una posición delantera y una trasera y que sobresale de la apertura de salida (100) al menos en la posición delantera caracterizado porque el manguito (10) está montado de manera que se pueda inclinar en la ranura anular (11).

Description

DESCRIPCIÓN
Boquilla de gas con manguito de válvula desplazable.
La invención se refiere a una boquilla de gas para un cabezal de mecanizado por láser que tiene una abertura de salida para el paso de un rayo láser sobre una pieza de trabajo, con un espacio anular que rodea la abertura de salida y con un manguito dispuesto en el espacio anular, que se guía en el espacio anular desplazable axialmente entre una posición trasera y una delantera y que se proyecta más allá de la abertura de salida al menos en la posición delantera.
Una boquilla de gas de este tipo se conoce por ejemplo de la patente WO 2014/072609 A1.
Para el mecanizado por medio de un rayo láser (por ejemplo, corte o soldadura) de diferentes materiales (acero dulce, acero inoxidable, aluminio, ...) con diferentes espesores de material, se requieren diferentes boquillas de gas, que tienen diferentes contornos externos o internos, aberturas de boquillas de formas diferentes y diámetros de boquillas diferentes.
El documento WO 2014/072609 A1 da a conocer una boquilla de gas con una boquilla interior, a través de la cual son dirigidos un rayo láser y un gas de corte sobre una pieza de trabajo. En una ranura anular que rodea la boquilla interna, es guiado un manguito de manera axialmente desplazable y empujado por un resorte hasta su posición final trasera. La superficie frontal trasera del manguito limita en la ranura anular un espacio anular que se conecta a través de las aberturas de conexión con el orificio de la boquilla interna. Cuanto mayor sea la presión del gas de corte, más avanza el manguito contra la fuerza de recuperación del resorte. El manguito es guiado axialmente de manera desplazable en el cuerpo de la boquilla tanto en el exterior de una tapa como en el interior en un elemento de tubo y dispone en su superficie frontal delantera de una rampa exterior de inicio para poder deslizarse sin sufrir daños por pequeños escalones de la superficie de la pieza de trabajo, como por ejemplo puede ocurrir al caer partes cortadas de la pieza de trabajo.
La presente invención tiene como objetivo desarrollar una boquilla de gas del tipo mencionado de tal manera que la superficie frontal del manguito siempre apoye a ser posible por completo sobre la superficie de la pieza de trabajo, también en piezas de trabajo con superficies desiguales o en piezas de trabajo inclinadas, para así mejorar el efecto de un gas de mecanizado o de protección durante el mecanizado por láser y reducir de forma fiable el consumo de gas.
Este objetivo se alcanza según la invención, porque el manguito está dispuesto en la ranura anular de forma inclinable.
De acuerdo con la invención, el manguito está dispuesto en la ranura anular con tal juego lateral ("flotante") que puede colocarse de forma inclinable dentro de la ranura anular con una inclinación de ± 5°. De esta manera, la boquilla de gas puede responder a irregularidades de la superficie de la pieza de trabajo sin sufrir daños mecánicos o perder el contacto positivo con la superficie de la pieza de trabajo. Ventajosamente, el manguito puede disponer de un collar de centrado externo, puntiagudo o esférico, guiado de manera desplazable por la pared exterior de la ranura anular y dispuesto de manera que se pueda inclinar. Alternativa o adicionalmente, pueden estrecharse la pared exterior de la ranura anular en la dirección de avance y / o el lado exterior del manguito en la dirección inversa, en particular en forma cónica, para permitir la inclinación del manguito dentro de la ranura anular.
Con el fin de mejorar aún más el deslizamiento del manguito sobre una superficie irregular de la pieza de trabajo, la superficie frontal delantera del manguito de válvula v puede disponer en el lado interior y/o exterior de una rampa de inicio por ejemplo en forma de un bisel de 45 °.
La apertura de salida está formada preferiblemente por una apertura de salida de boquilla de una boquilla interior para dirigir un flujo central sobre la pieza de trabajo, y / o la ranura anular está formada en una boquilla de ranura anular para dirigir un flujo de gas anular sobre la pieza de trabajo. En este último caso, el manguito libera en sus dos posiciones la superficie transversal de boquilla de la boquilla de ranura anular a niveles diferentes, cerrando la boquilla de ranura anular ampliamente, preferiblemente por completo, en una de sus posiciones y liberando la boquilla de ranura anular en la otra posición.
En una realización preferida de la invención, la boquilla interna y la boquilla de ranura anular están formadas en un cuerpo de boquilla y pueden disponer, o bien de conexiones de gas separadas entre sí, o bien de una conexión de gas común, siempre que un orificio de boquilla de la boquilla interna y la ranura anular de la boquilla de ranura anular estén unidos mediante al menos un orificio de conexión del cuerpo de boquilla o de la boquilla interna. En este último caso, el orificio de boquilla de la boquilla interna está conectado ventajosamente a la conexión de gas y la ranura anular está conectada al orificio de boquilla a través de el/los orificio/s de conexión. Desplazando el manguito dentro de la ranura anular pueden variar las propiedades mecánicas de fluido de la boquilla de gas desde la característica de una boquilla de orificio único (boquilla de un solo canal), en la cual el gas fluye únicamente desde la boquilla interna, hasta una boquilla de flujo adicional (boquilla multicanal), en la cual el gas fluye tanto desde la boquilla interna como desde la boquilla de ranura anular. La boquilla de orificio único es ventajosa (para cortar) principalmente para el mecanizado de chapas finas y el ranurado y la boquilla de flujo adicional, especialmente para el mecanizado de chapa gruesa. Así, por ejemplo, con la boquilla de gas según la invención, se pueden mecanizar piezas de diferentes grosores y en particular también se pueden realizar diferentes métodos de mecanizado (por ejemplo, corte, marcado, soldadura). La flexibilidad de la boquilla de gas según la invención permite reducir la variedad de variantes de boquillas de gas requeridas hasta ahora por el usuario, así como una reducción del inventario de repuestos. Además, se puede minimizar el tiempo improductivo de inactividad de la máquina durante un cambio de boquilla.
En un desarrollo adicional de esta realización, en la posición trasera del manguito, entre la superficie frontal trasera del manguito y el cuerpo de boquilla, queda un espacio anular, que está conectado con el entorno exterior, en particular a través de una ranura de guía dispuesta entre el cuerpo de boquilla y el manguito, diseñándose la al menos una apertura de conexión como una apertura que se extiende hasta el espacio anular. Al haber en cada posición del manguito un espacio anular y la(s) apertura(s) que comunica(n) con éste, es posible succionar el manguito desde una posición avanzada hasta una posición final trasera mediante una elección específica de presión de gas.
En otra realización preferida, en la que el orificio de boquilla de la boquilla interna y la ranura anular de la boquilla de ranura anular no están interconectados por medio aperturas, un espacio anular existente entre la superficie frontal trasera del manguito y el cuerpo de boquilla está conectado con el entorno exterior, en particular a través de una ranura de guía existente entre el cuerpo de la boquilla y el manguito. A causa del efecto venturi del gas de corte que fluye desde la boquilla interna se aspira aire (oxígeno) del ambiente exterior, que se mezcla en el interior del manguito con el flujo de gas de corte con nitrógeno.
Ventajosamente, con el diseño constructivo del manguito de válvula, se puede ajustar de forma precisa la presión de contacto del manguito de válvula sobre la superficie de la pieza de trabajo. Si la parte de superficie del manguito sobre la que actúa la presión de gas de corte en la dirección de avance es mayor que la parte de superficie del manguito sobre la que actúa la presión de gas de corte en la dirección inversa, en particular cuando se aplica el manguito sobre una superficie de pieza de trabajo, entonces la presión del gas de corte provoca una fuerza de contacto del manguito a la superficie de la pieza de trabajo. Alternativamente, cuando se aplica el manguito sobre la superficie de la pieza, esa parte de superficie del manguito en la que la presión del gas de corte actúa en la dirección de avance puede ser igual o (ligeramente) menor que la parte de superficie del manguito sobre la que la presión del gas de corte actúa en la dirección inversa. En este caso, las fuerzas de flotación y las fuerzas de contacto que actúan sobre el manguito por la presión del gas de corte están en equilibrio, independientemente del nivel absoluto de presión del gas, o se produce una leve fuerza de flotación, de modo que de forma ideal el manguito se desliza sin fricción sobre la superficie plana de la pieza de trabajo, pero con un apoyo plano continuado o se produce un espacio mínimo entre la superficie frontal del manguito y la superficie de la pieza de trabajo, de modo que el manguito flota sobre la superficie de la pieza de trabajo. Este último diseño del manguito es particularmente ventajoso para un mecanizado de corte sin rasguños.
De forma particularmente ventajosa, la pared interior de la ranura anular está formada por la pared de la apertura de salida, en particular por la pared exterior, por ejemplo cónica, de la boquilla interior. También es ventajoso que el manguito se guíe de manera desplazable a lo largo de la pared exterior de la ranura anular. En realizaciones en las que el manguito cierra la boquilla de ranura anular en su posición (final), se ha dispuesto un asiento de válvula en la ranura anular, sobre el que descansa el manguito (de la válvula) en la posición en la que cierra la boquilla de ranura anular.
En un primer desarrollo de esta realización, el asiento de la válvula está cerrado en la posición trasera (final) del manguito de la válvula y abierto en la posición delantera (final) del manguito de la válvula. El asiento de la válvula puede estar formado, por ejemplo, por una sección de pared cónica o por un resalte anular de la ranura anular. El asiento de la válvula está dispuesto en la pared interior de la ranura anular, pero también puede formarse en la parte inferior de la ranura anular en el caso del resalte anular. La sección de pared cónica se estrecha en la dirección de avance del manguito de la válvula.
En un segundo desarrollo de esta realización, el asiento de la válvula se cierra en la posición frontal (final) del manguito de la válvula y se abre en la posición trasera (final) del manguito de la válvula. El asiento de la válvula puede estar formado, por ejemplo, por una parte de pared cónica o un resalte anular de la ranura anular, disponiendo el manguito de la válvula de una superficie de sellado que abraza el asiento de válvula en la dirección inversa. La parte cónica de la pared se estrecha en la dirección inversa del manguito de la válvula.
Una superficie de sellado del manguito de válvula que colabora con el asiento de la válvula puede formarse integralmente en el manguito de la válvula o formarse mediante un anillo de sellado separado. En este último caso, el manguito de la válvula y el anillo de sellado pueden estar hechos de diferentes materiales, p. ej. una válvula de manguito de cerámica y un anillo de sellado de metal, por lo que se reducen los costes de fabricación del manguito de válvula y el anillo de sellado presenta una superficie de sellado más precisa que un manguito de válvula de una sola pieza hecho de cerámica.
De manera especialmente preferible, el manguito está hecho de cerámica (por ejemplo, alúmina) porque la cerámica es suficientemente neutra en términos de alta frecuencia o eléctricamente no conductora, de modo que la boquilla de gas según la invención puede ser tratada por el sensor capacitivo de distancia del cabezal de mecanizado por láser como una boquilla de flujo adicional convencional (una boquilla sin manguito integrado). Además, el alto punto de fusión y la alta resistencia a la abrasión de la cerámica aseguran una vida suficientemente larga del manguito. Pero en lugar de cerámica, el manguito también puede estar formado por un material comparablemente resistente a la temperatura y eléctricamente no conductor o por un material plástico resistente a temperaturas de hasta al menos 100 ° C. En este último caso, las propiedades de deslizamiento, la resistencia y la resistencia a la temperatura (temperatura de uso continuo) hasta al menos 100 ° C son importantes. El coeficiente de fricción en caso de movimiento sobre acero seco debe ser < 0,3. Además, la constante dieléctrica relativa a 106 Hz debe ser inferior a 3. Estos requisitos los cumple, por ejemplo, el teflón.
Preferiblemente, el manguito tiene en su superficie frontal delantera al menos una, preferiblemente varias ranuras que se extienden oblicuamente con respecto a la dirección radial o al menos uno, preferiblemente varios orificios en la pared del manguito que se extienden oblicuamente con respecto a la dirección radial. Debido a la orientación oblicua o espiral de las ranuras y los orificios, el impulso del gas de corte saliente ejerce un par de torsión sobre el manguito, que por lo tanto entra en rotación. Alternativamente, el manguito también puede disponer en la parte exterior de su pared de manguito de al menos una, preferiblemente varias ranuras que se extienden oblicuamente con respecto a la dirección axial, de modo que el manguito entra en rotación a causa del aire que fluye axialmente por el exterior del manguito o del gas de proceso o gas de protección que fluye por el exterior a lo largo del manguito. Mediante la rotación del manguito, se pueden eliminar, por ejemplo, impurezas de la superficie de la pieza de trabajo y con la presencia de al menos uno, preferiblemente varios orificios y ranuras en la pared del manguito se puede efectuar una modulación precisa de la presión del gas dentro de la zona de proceso ubicada debajo del manguito.
Otras ventajas y realizaciones ventajosas del objeto de la invención se muestran en la descripción, las reivindicaciones y los dibujos. Del mismo modo, las características mencionadas anteriormente y las que se mencionan a continuación se pueden utilizar individualmente o en cualquier combinación. Las realizaciones mostradas y descritas no deben entenderse como una enumeración definitiva, sino que tienen carácter de ejemplo para la descripción de la invención.
Las figuras muestran lo siguiente:
Figuras 1a, 1b una primera boquilla de gas según la invención con una boquilla de ranura anular, que se muestra en la Fig. 1a en su posición final cerrada y en la Fig. 1b en su posición final abierta;
Figuras 2a, 2b una segunda boquilla de gas según la invención con una boquilla de ranura anular, que se muestra en la Fig. 2a en su posición final cerrada y en la figura 2b en su posición final abierta;
Figuras 3a, 3b una tercera boquilla de gas según la invención con una boquilla de ranura anular, que se muestra en la figura 3a en su posición final cerrada y en la figura 3b en su posición final abierta;
Figuras 4a,4b una cuarta boquilla de gas según la invención con una boquilla de ranura anular, que se muestra en la figura 4a en una de sus posiciones finales y en la figura 4b en otra de sus posiciones finales;
Figura 5 una quinta boquilla de gas según la invención con una boquilla de ranura anular (sin flujo central); y
Figuras 6a - 6d diferentes modificaciones de un manguito mostrado en las figuras 1 a 5, con una vista superior sobre el lado frontal delantero del manguito (figura 6a), una vista en sección transversal (figuras 6b, 6d) y una vista lateral en perspectiva (figura 6c).
En la siguiente descripción del dibujo, se utilizan números de referencia idénticos para componentes idénticos o funcionalmente idénticos.
Las boquillas de gas de corte mostradas en las figuras 1a, 1b y 2a, 2b están dispuestas en un cabezal de mecanizado por láser 2 y sirven para dirigir un gas de corte sobre una pieza de trabajo (por ejemplo, una chapa de metal) 4 mecanizada mediante un rayo láser 3. Estas boquillas de gas de corte 1, 1 'se pueden utilizar, por ejemplo, en una máquina de mecanizado por láser, como la descrita en la patente DE 102013 210844 B3.
Las boquillas de gas de corte 1, 1 ' comprenden respectivamente un cuerpo de boquilla 5 con una apertura de salida 100 para el paso del rayo láser 3 sobre la pieza de trabajo 4, con una boquilla interna 6 para formar un flujo central 7 y con una boquilla de ranura anular 8 que rodea la boquilla interna 6 para formar un flujo anular 9, así como un manguito de válvula 10 que se proyecta más allá de la boquilla interna 6 y se desplaza en la ranura anular 11 de la boquilla de ranura anular 8 axialmente entre dos posiciones. El manguito de válvula 10, diseñado preferiblemente como manguito de cerámica, cierra en una de las posiciones la superficie de sección transversal 25 de la boquilla de ranura anular 8 y, en la otra posición, libera la superficie de sección transversal 25 de la boquilla de ranura anular 8. El manguito de válvula 10, que sobresale al menos en una posición más allá de la boquilla interna 6, se guía de manera desplazable por la pared exterior 12 de la ranura anular 11. En la pared interior 13 de la ranura anular 11, formada por el lado exterior de la boquilla interior 6, se forma un asiento de válvula 14, sobre el cual descansa el manguito de la válvula 10 en su posición final de cierre de la boquilla de ranura anular 8. La boquilla interna 6 está conectada a través de su orificio central 15 a un suministro de gas (no mostrado). La ranura anular 11 está conectada a través de una o más aperturas de conexión 16 al orificio 15 de la boquilla. El rayo láser 3 es dirigido a través de la boquilla interna 6 sobre la pieza de trabajo 4.
El manguito de válvula 10 está formado por un collar de centrado circunferencial exterior 17, de estrecha tolerancia, que se guía de forma deslizante y en gran parte hermética a lo largo de la pared exterior 12 de la ranura anular 11. Una holgura mecánica entre la pared exterior 12 de la ranura anular 11 y el collar de centrado 17, puntiagudo o esférico hacia el exterior, permite inclinar el manguito de válvula 10 dentro de la ranura anular 11 en aproximadamente ± 5 ° en el sentido de la doble flecha B. De esta manera, al mover el manguito de válvula 10 sobre la pieza de trabajo 4, se pueden compensar irregularidades en la superficie de la pieza de trabajo. Para poder pasar, sin causar daños por deslizamiento, sobre leves escalones de la superficie de la pieza de trabajo, como los que pueden producirse p. ej. al verterse partes cortadas de la pieza de trabajo, la superficie frontal delantera del manguito de válvula 10 dispone en el lado interior y exterior respectivamente, una rampa inicial periférica 18a, 18b en forma de bisel con un ángulo de bisel entre 30° y 60°, en particular con ángulo de bisel de 45 °.
En el caso de la boquilla de gas de corte mostrada en las figuras 1a, 1b, el cuerpo de boquilla 5 comprende un cuerpo principal 5a (por ejemplo, hecho de cobre) atornillado al cabezal de mecanizado por láser 2, que dispone de la boquilla interna 6, atornillada o formada integralmente con el cuerpo principal 5a, y de la boquilla de ranura anular 8, así como una contratuerca 5b (p.ej. de cobre) atornillada a la parte exterior del cuerpo principal 5a,, que tiene un borde de seguridad 19 que se proyecta radialmente hacia el interior de la ranura anular 11. El borde de seguridad 19 mantiene al manguito de válvula 10 cautivo en la ranura anular 11 y forma un tope final contra el cual se apoya el manguito de válvula 10 con su collar de centrado 17 en su posición final delantera. El asiento de válvula 14 está formado por la pared interior 13 de la ranura anular 11 que se extiende de forma cónica en la dirección de avance 20 del manguito de válvula 10 y forma junto con el manguito de válvula 10 una válvula de ranura anular.
En la posición final trasera del manguito de válvula 10 mostrada en la figura 1a (distancia A de la boquilla interna 6 a la pieza de trabajo 4: aproximadamente 0 a 1 mm), el manguito de válvula 10 descansa sobre la pieza de trabajo 4 y se apoya firmemente con el borde interior del orificio de manguito sobre el asiento de la válvula 14, de forma que se cierran la válvula de ranura anular y, por tanto, la superficie de sección transversal de boquilla 25 de la boquilla de ranura anular 8. El gas de corte que fluye desde el cabezal de mecanizado por láser 2 a la boquilla de gas de corte 1 solo puede salir como flujo central 7 a través del orificio central de salida (100) de la boquilla interna 6. Esta boquilla de un orificio (boquilla de un solo canal) es, por ejemplo, ventajosa para el mecanizado de chapa fina.
Cuando el manguito de válvula 10 es desplazado hacia adelante desde su posición final trasera, se eleva del asiento de válvula 14 y la válvula de ranura anular se abre. Con el avance creciente del manguito de válvula 10 se crea una ranura cada vez más amplia entre el manguito de válvula 10 y la pared interior 13, es decir, una apertura de boquilla 25 cada vez más ancha, de modo que una proporción creciente de gas de corte ya no fluye a través de la apertura de salida de la boquilla 100 de la boquilla interna 6, sino que fluye a través de las aperturas de conexión 16 en la ranura anular 11 y desde allí a través de la boquilla de ranura anular 8 como un flujo anular 9. Esta boquilla de flujo adicional (boquilla multicanal), en la que el gas de corte sale tanto de la boquilla interna 6 como de la boquilla de ranura anular 8, es particularmente ventajosa al cortar piezas de trabajo más gruesas. En la figura 1b se muestra el manguito de válvula 10 en su posición final delantera, siendo la distancia A de la boquilla interna 6 a la pieza de trabajo 4 mayor que en su posición final trasera, en al menos lo correspondiente al recorrido del desplazamiento del manguito de válvula 10 entre sus dos posiciones finales.
Debido al collar de centrado 17, la superficie frontal trasera 21 del manguito de válvula 10 es significativamente mayor que la superficie frontal delantera, formada por la superficie parcial 18a, de modo que la diferencia de presión entre el interior de la boquilla y el entorno provoca el avance del manguito de válvula 10 en la dirección de avance 20 y una vez apoyado el manguito de válvula 10 sobre la superficie de la pieza de trabajo provoca una fuerza de contacto del manguito de válvula 10 sobre dicha superficie, que es proporcional a la presión del gas de corte. Mediante este resorte neumático proporcional del manguito de válvula 10, se evita de manera fiable que se separe el manguito de válvula 10 de la superficie de la pieza de trabajo. El desplazamiento hacia atrás del manguito de válvula 10 en la dirección inversa 22 se efectúa con un descenso de diferente alcance de la boquilla de gas de corte 1 hacia la pieza de trabajo 4, provocando que el manguito de válvula 10 tome contacto con la superficie de la pieza de trabajo y luego se desplace hacia atrás en la dirección inversa 22.
En el caso de la boquilla de gas de corte 1' mostrada en las figuras 2a, 2b, el cuerpo de boquilla 5 comprende un cuerpo de boquilla exterior 5a (por ejemplo, de cobre) atornillado al cabezal de mecanizado por láser 2, que forma la pared exterior 12 de la ranura anular 11, y un cuerpo de boquilla interno 5b (por ejemplo de cobre) atornillado, presionado o adherido al cuerpo de boquilla exterior 5a, que dispone de la boquilla interna 6 y cuyo lado exterior forma la pared interior 13 de la ranura anular 11. El asiento de la válvula 14 está formado por una parte delantera de pared 24 de la pared interior 13 que se extiende de forma cónica en la dirección inversa 22 y coopera con un contorno interior sobresaliente del manguito de válvula 10 o con un anillo de sellado 23 que está sujeto al extremo frontal trasero del manguito de la válvula 10 y que se acopla por detrás al asiento de la válvula 14 en la dirección de avance 20. El anillo de sellado 23 o el resalte del manguito de válvula 10 sujetan cautivo al manguito de válvula 10 en la ranura anular 11. El asiento de válvula 14 y el manguito de válvula 10 forman juntos una válvula de ranura anular.
En la posición final delantera del manguito de válvula 10 mostrada en la figura 2a, el manguito de válvula 10 está separado de la pieza de trabajo 4 y se acopla herméticamente al anillo de sellado 23 en el asiento de la válvula 14, por lo que la válvula de ranura anular y, por lo tanto, la superficie de sección transversal 25 de la boquilla de ranura anular 8 están cerradas. El gas de corte que fluye desde el cabezal de mecanizado por láser 2 hasta la boquilla de gas de corte 1' solo puede salir como el flujo central 7 a través de la apertura central de salida 100 de la boquilla interna 6. Esta boquilla de un solo orificio (boquilla de un solo canal) es ventajosa para la perforación de la pieza de trabajo 4 por el rayo láser 3 o en el mecanizado de chapa fina, cuando el cabezal de mecanizado por láser 2 y, por lo tanto, la boquilla interna 6 están muy separadas de la superficie de la pieza de trabajo.
Cuando el manguito de válvula 10 vuelve desde su posición final delantera a la posición mostrada en la figura 2b, descendiendo el cabezal de mecanizado por láser 2 hacia la superficie de la pieza de trabajo 4 en la dirección inversa 22, el manguito de válvula se separa del asiento de válvula 14 y se abre la válvula de ranura anular, de manera que el gas de corte pasa a través de las aperturas de conexión 16 también hasta la boquilla de ranura anular 11 y fluye desde allí como un flujo anular 9 a través de la superficie de sección transversal 25 de la boquilla de ranura anular 8. Esta boquilla de flujo adicional (boquilla multicanal), en la que el gas de corte fluye tanto a través de la apertura de salida 100 de la boquilla interna 6, como a través de la boquilla de ranura anular 8, es particularmente deseable para cortar piezas de trabajo más gruesas. En la figura 2b se muestra el manguito de válvula 10 en contacto con la pieza de trabajo 4, siendo la distancia A de la boquilla interna 6 a la pieza de trabajo 4 menor al desplazamiento del manguito de válvula 10 que en la posición final delantera del manguito apoyado sobre la pieza de trabajo 4.
El manguito de válvula se construye en el ejemplo que se muestra de modo que, en estado operativo, independientemente del nivel de presión de gas absoluto, se mantengan la flotabilidad y las fuerzas de contacto que actúan a través de la presión del gas de corte sobre el manguito de válvula 10, de modo que el manguito de válvula 10 se deslice sin fricción, pero de forma constantemente plana sobre la superficie de la pieza (plana). Esto se consigue porque la parte de la superficie del manguito de válvula 10, sobre la que actúa la presión del gas de corte en la dirección de avance 20, tiene el mismo tamaño que la parte de la superficie del manguito de válvula 10, sobre la cual actúa la presión del gas de corte en la dirección inversa 22. En el ejemplo mostrado, la superficie frontal trasera formada por el manguito de válvula 10 y el anillo de sellado 21 es del mismo tamaño que la superficie frontal delantera formada por la rampa interior de inicio 18a (en la proyección), sobre la que se aplica gas de corte cuando el manguito de válvula 10 apoya sobre la pieza de trabajo 4. El avance del manguito de válvula 10 en la dirección de avance 20 tiene lugar cuando el manguito de válvula 10 no apoya sobre la pieza de trabajo por medo de la presión del gas de corte. El desplazamiento hacia atrás del manguito de válvula 10 en la dirección inversa 22 se efectúa con un descenso de diferente grado de la boquilla de gas de corte 1 hacia la pieza de trabajo 4, por lo que el manguito de válvula 10 toma contacto con la superficie de la pieza de trabajo y se desplaza hacia atrás en la dirección inversa 22. Mediante un cambio específico de estas relaciones de superficies, se puede lograr un estado flotante definido del manguito de válvula 10 sobre la pieza de trabajo 4, independientemente de la presión de gas actual, para permitir, por ejemplo, un corte sin rasguños.
Si, después de la perforación, se adhieren a la superficie de la pieza de trabajo depósitos de escoria y de metal solidificado, se debe superar un área en el recorrido del rayo láser 3 desde el orificio de perforación hasta el inicio del contorno de corte real, que debido a la contaminación de la superficie de la pieza de trabajo no es adecuada para que el manguito de la válvula 10 se asiente a ras de la pieza de trabajo 4. En este área de transición (llamada "corte previo") entre la posición de perforación y el contorno de corte real, la posibilidad de un cambio controlado por NC de la característica de la boquilla también tiene un efecto ventajoso: en el área del corte previo, la característica de la boquilla de una boquilla de un solo orificio (boquilla de un solo canal) es más favorable para un proceso de corte estable, mientras que al acercarse al contorno de la pieza se puede cambiar a la característica de flujo adicional (multicanal), si esto es más ventajoso para cortar piezas más gruesas.
La boquilla de gas de corte 1' tiene las mismas propiedades durante la perforación a gran distancia que la boquilla clásica de un solo orificio (boquilla de un solo canal). Por lo tanto, no se requieren datos adicionales para los parámetros del proceso de perforación. Debido al haz compacto de gas durante la perforación, que solo puede salir a través de la apertura central 100 de la boquilla interna 6, la boquilla de gas de corte 1' está mejor protegida contra la contaminación por salpicaduras o humo. La trayectoria y el comportamiento de enfriamiento de las salpicaduras de metal, expulsadas del orificio de perforación, se ven influenciados de manera óptima, de modo que se logra una posible perforación sin salpicaduras.
La encapsulación casi estanca a los gases del área entre la boquilla de gas de corte 1, 1 ' y la superficie de la pieza de trabajo con la boquilla de gas de corte 1, 1' aplicada
- minimiza la cantidad de gas que no penetra en el espacio de corte (= proceso útil) y que sale horizontalmente de la zona de proceso por la superficie de la chapa de metal (= proceso de pérdida), - de este modo, se minimiza la presión de gas de corte máxima que debe proporcionarse por parte de la máquina o el caudal de gas de corte máximo necesario,
- minimiza la emisión de sonido generada por la boquilla de corte de gas 1,1',
- permite el corte de espesores de chapa incluso mayores, debido al mejor acoplamiento del gas de corte al espacio de corte, con presiones máximas de gas por parte de la máquina, y
- evita la mezcla dañina del gas de corte (por ejemplo, oxígeno de alta pureza) con aire ambiente aspirado por el espacio de corte.
La posición de inclinación "flotante" del manguito de válvula 10 en el cuerpo de la boquilla 5 permite durante el proceso de corte
- la variación controlada por NC de la distancia A entre boquilla y chapa, por lo tanto,
- el cambio específico de la distribución del flujo dentro del manguito de válvula 10 y, por lo tanto, el uso flexible de la boquilla de gas de corte 1, 1' como boquilla clásica de un solo orificio (boquilla de un solo canal) o como boquilla de flujo adicional (boquilla multicanal) con consumo reducido.
- la compensación automática de superficies desiguales de la pieza de trabajo sin cambiar la dinámica del gas de corte y, por lo tanto, sin cambiar el resultado del corte.
En lugar de ser cónico, como se muestra, el asiento de la válvula 14 también puede formarse como un resalte anular plano, en particular en la parte inferior de la ranura anular 11.
La boquilla de gas de corte 1” mostrada en las figuras 3a, 3b se diferencia de la boquilla de gas de corte 1' de la figura 2 en que el orificio de boquilla 15 de la boquilla interna 6 y la ranura anular 11 de la boquilla de ranura anular 8 no están conectados entre sí, por lo que no hay orificios de conexión, y en que el espacio anular 26 existente entre la superficie frontal trasera 21 del manguito de válvula 10 y el cuerpo de boquilla 5 está conectado al entorno exterior a través de una ranura de guía 27 presente entre el cuerpo de la boquilla 5 y el manguito de la válvula 10. Por lo tanto se renuncia deliberadamente al sellado, deseado en el caso de las boquillas de gas de corte 1, 1', del diámetro exterior del manguito de la válvula 10 o del collar de centrado 17 con respecto a la atmósfera ambiental.
La relación entre la superficie frontal delantera y trasera del manguito se elige de tal modo que las fuerzas de presión del gas que actúan sobre el manguito de válvula 10 durante el proceso de corte provoquen un estado flotante definido del manguito la válvula 10, independientemente de la presión del gas de corte utilizada, de manera que un flujo de gas de fuga suficientemente alto se escapa del manguito de la válvula 10 a través del espacio definido y ajustable entre la superficie frontal delantera del manguito y la superficie de la pieza de trabajo.
Alternativamente, se puede lograr un flujo de gas de fuga suficientemente alto mediante la introducción dirigida de canales de salida de gas en la superficie frontal del manguito o de perforaciones de salida de gas en la parte cilíndrica del manguito.
Si la boquilla de gas de corte 1 ", comenzando desde la posición de la válvula cerrada que se muestra en la Fig. 3a, se opera con una distancia A cada vez más pequeña de la boquilla interna a la pieza de trabajo 4, se levanta el manguito de válvula 10 del asiento de la válvula 14 y la válvula de ranura anular se abre cada vez más (Figura 3b). A causa del efecto venturi del gas de corte que sale de la boquilla interna 6, se aspira (cada vez más) aire 28 (y, por lo tanto, oxígeno) desde el entorno exterior a través de la ranura de guía 27 como un flujo anular 9, que se mezcla con el rayo de gas de corte de nitrógeno dentro del manguito de válvula 10. Dependiendo de la distancia A de la boquilla interna hasta la pieza de trabajo 4, puede ajustarse de manera precisa, mediante oxígeno del ambiente, una porción de gas extraño en el flujo de nitrógeno utilizado como gas de corte. La boquilla de gas de corte 1'' actúa por tanto como boquilla de mezcla de gas ajustable. Mediante la elección adecuada de la distancia A de la boquilla interna a la pieza de trabajo 4, puede ser reproducible y ajustable una adaptación del contenido de oxígeno resultante en el gas de corte a los requisitos del proceso de corte actual (dependiendo de, por ejemplo, la potencia del láser, el grosor de la lámina, las propiedades de la superficie).
Con la ayuda de una boquilla ajustable mezcladora de gas se puede aumentar, por ejemplo, al cortar aluminio con radiación láser de CO2, la eficiencia y la estabilidad del proceso mediante la adición controlada de aproximadamente 0,5-2% de oxígeno del entorno al flujo de gas de corte de nitrógeno de alta pureza. Debido a la presencia de oxígeno en un bajo porcentaje, se consigue durante el proceso de corte un aumento en el grado de absorción y una reducción en la viscosidad de fundido.
Si no tiene lugar la adición de aire ambiental, entonces la distancia A de la boquilla interna a la pieza de trabajo 4 debe incrementarse hasta el punto en que el manguito de válvula 10 entre en contacto con el asiento cónico de la válvula 14 y, así se cierre el espacio anular 11 (Figura 3 a). De esta manera, se permite el acoplamiento del flujo de gas de corte de alta pureza en el espacio de corte con una contaminación mínima por la atmósfera ambiental. Esto es ventajoso, por ejemplo, para cortar piezas libres de óxido.
En una variante adicional, no mostrada, puede diseñarse alternativamente la boquilla de gas de modo que el orificio 15 de la boquilla interna 6 y la ranura anular 11 de la válvula de ranura anular 8 no estén conectados entre sí, es decir no haya orificios de conexión, y de modo que el espacio anular 26 existente entre la superficie frontal trasera 21 del manguito de válvula 10 y el cuerpo de boquilla 5 no esté conectado con el entorno exterior. En esta variante, la boquilla de gas siempre actúa como una boquilla de un solo canal. Con una boquilla de este tipo no es posible una variación de las condiciones de flujo, pero se mejora el acoplamiento del gas de corte en el espacio de corte o el efecto de un gas protector durante la soldadura.
La boquilla de gas de corte 1''' de las figuras 4a, 4b difiere de la boquilla de gas de corte 1' de la figura 2 en que las aperturas de conexión 16 están formadas como ranuras axiales que unen entre sí el orificio 15 de la boquilla interna 6 y la ranura anular 11 de la boquilla de ranura anular 8 desde la posición final trasera (Fig. 4a) hasta la posición final delantera (Fig. 4b) del manguito 10 y en que en la posición final trasera del manguito 10, entre la superficie frontal trasera 21 del manguito 10 y el cuerpo de boquilla 5, queda un espacio anular 26 conectado con el entorno exterior a través de una ranura de guía 27 existente entre el cuerpo de la boquilla 5 y el manguito 10. A través de los orificios de conexión 16 y del espacio anular 26 presente en cada posición del manguito, es posible aspirar el manguito 10 en la dirección inversa 22, desde una posición avanzada hasta su posición final trasera, mediante una elección específica de la presión del gas. La posición final trasera del manguito 10 está definida ya sea por el apoyo de la superficie frontal trasera del manguito en el lado exterior cónico de la boquilla interna 6 o por el apoyo del borde frontal 18c del manguito en el cuerpo de boquilla 5.
A diferencia de las boquillas de gas de corte 1, 1', 1", el manguito 10 de la boquilla de gas de corte 1'" no dispone de un collar de centrado externo, puntiagudo o esférico, sino que en este caso la pared exterior 12 de la ranura anular 11, formada por la pared interior del cuerpo principal 5a del cuerpo de boquilla 5, se estrecha cónicamente en la dirección de avance 20 para permitir la inclinación del manguito 10 dentro de la ranura anular 11 en aproximadamente ± 5 °. Alternativa o adicionalmente, la pared del manguito también puede estrecharse en el exterior en la dirección inversa 22, en particular de forma cónica.
La boquilla de gas de corte 1'" funciona de la siguiente manera:
Cuando comienza la corriente de gas de corte, primero se genera una presión negativa en el espacio anular 26 o en la superficie frontal trasera 21 del manguito 10, por medio de la cual se introduce dicho manguito en el cuerpo de boquilla 5 hasta su posición final trasera, incluso cuando el manguito 10 no tiene contacto con la superficie de la pieza de trabajo. Si la presión de gas del gas de corte permanece menor que una presión límite (por ejemplo, 3 bar) predeterminada por el peso del manguito 10, el manguito 10 permanece succionado. Esta situación es útil para proteger el manguito 10 de daños o suciedad, por ejemplo, durante la perforación, al utilizar la boquilla para grabar o marcar la pieza de trabajo o al limpiar la boquilla con un cepillo, es decir en particular en procesos en los que el trabajo se realiza con una gran distancia de la boquilla a la pieza de trabajo 4, pero, sin embargo, el manguito 10 debe permanecer en el cuerpo de la boquilla 5 en la posición final trasera.
Si la presión del gas aumenta más allá de la presión límite, el gas de corte fluye de manera cada vez más turbulenta a través de la ranura anular 11 entre la boquilla interna 6 y el manguito de válvula 10, por lo que también aumenta la fuerza de avance del gas de corte, de modo que el manguito de válvula 10 es empujado por el gas de corte en la dirección de avance 20. Esta situación se establece al cortar la pieza de trabajo 4, de modo que el manguito 10 entra en contacto con la superficie de la pieza de trabajo. Esto impide de manera efectiva la salida lateral del gas de corte y la succión del aire del entorno en el espacio de corte. De esta manera, el consumo de gas se reduce y se obtiene en el espacio de corte una composición de gas bien definida, por lo que la calidad de los filos de corte obtenidos mejora significativamente. Para volver a aspirar el manguito 10 después del proceso de corte, primero debe reducirse la presión del gas en la entrada 15 del cuerpo de boquilla 5 a casi 0 bar o apagarse por completo. Un renovado aumento de la presión de gas justo por debajo de la presión límite provoca la succión del manguito 10, que se encuentra en gravitación en la posición final delantera sobre resaltes 29 del cuerpo de boquilla 5, hasta su posición final trasera. A una presión constante del gas por debajo de la presión límite, el manguito 10 permanece constantemente en su posición final trasera en el cuerpo de boquilla 5.
En lugar de succionar aire del entorno exterior a través de una ranura de guía 27, como muestran las figuras 3 y 4, también puede succionarse a través de un orificio (no mostrado) en el cuerpo de boquilla 5, que conecta el espacio anular 26 con el entorno exterior.
A diferencia de la boquilla de gas de corte 1'” de la figura 4, la boquilla de gas 1” ” mostrada en la figura 5 no dispone de aperturas de conexión entre el orificio 15 de la boquilla y la ranura anular 11, y solo el rayo láser 3 pasa a través de la apertura de salida de haz 100 del contorno interior 6 en la dirección de la pieza de trabajo. Se suministra gas de proceso o de protección al espacio anular 26 a través de una línea de alimentación 30 en el cuerpo de la boquilla 5. Desde el espacio anular 26 se introduce en el manguito 10 a través de la superficie de sección transversal 25 de la boquilla y sale del manguito 10 como un flujo anular 9. Una boquilla 1"" de este tipo es particularmente adecuada para procesos de soldadura.
En las figuras 6a - 6d se muestran diferentes modificaciones del manguito 10.
Si el manguito 10 dispone en su superficie frontal delantera 31 varias, aquí por ejemplo dos, ranuras 32 que se extienden oblicuamente en dirección radial o en forma espiral (figura 6a) o dispone en su pared cilíndrica de manguito 33 varios, aquí por ejemplo dos, orificios 34 que se extienden oblicuamente en dirección radial (figura 6b), el manguito 10 entra en rotación por efecto del gas de corte que fluye desde el interior hacia el exterior en las ranuras 32 u orificios 34. Las ranuras 32 pueden hacerse muy estrechas y planas, de modo que solo una pequeña fracción del gas de corte fluya a través de las ranuras 32 hacia el entorno. Debido a la orientación oblicua o en espiral de las ranuras 32 y de los orificios 34, el impulso del gas de corte saliente ejerce un par de torsión sobre el manguito de válvula 10, que en consecuencia entra en rotación. Alternativamente, pueden disponerse también en el exterior de la pared cilíndrica de manguito 31 varias ranuras 35 (figura 6c) que se extienden oblicuamente en dirección axial, de modo que el manguito de válvula 10 entra en rotación por efecto del aire 28 o el gas de proceso o de protección que fluyen axialmente en la ranura guía 27. Además de las estructuras que causan la rotación, el manguito de válvula 10 puede tener uno o más orificios pequeños 36 en su pared cilíndrica de manguito 31.
La rotación del manguito 10 puede utilizarse ventajosamente de la siguiente manera:
Cuando el manguito 10 está hecho de un material altamente resistente a la abrasión como, por ejemplo, cerámica de óxido (Al2O3), el manguito 10 puede eliminar hasta cierto punto con su superficie frontal delantera 31 - como con una herramienta de torneado o fresado - impurezas de la superficie de la pieza de trabajo mediante impulso de arrastre. Cuando el manguito 10 está en contacto mecánico constante con la superficie de la pieza de trabajo (el manguito 10 está girando), se pueden eliminar impurezas de la superficie como, por ejemplo capas de aceite o incrustaciones, residuos de tinte o adhesivo, trazas de humo, perlas de metal o similares. Sin embargo, debido al contacto mecánico directo, el manguito cerámico 10 puede dejar rasguños en la superficie de la pieza de trabajo. Además, debido a la rotación del manguito 10, se reducen por el calentamiento local, la fricción estática entre el manguito 10 y la superficie de la pieza de trabajo, así como el desgaste del manguito 10.
Si el manguito 10 tiene estructuras geométricas, tales como por ejemplo ranuras 32 en su superficie frontal 31 (figura 6a) u orificios 34, 36 en la pared de manguito 33 (figuras 6b, d), a través de las cuales puede fluir una pequeña porción del gas de proceso, localmente limitado, desde el interior del manguito 10 al entorno, la rotación del manguito 10 permitirá una modulación precisa de la presión del gas de proceso en la zona de proceso ubicada debajo del manguito 10 (en la pieza de trabajo 4). Estas fluctuaciones de presión generadas deliberadamente de forma precisa tienen efectos positivos en la calidad de los filos de corte generados en la pieza 4, por ejemplo en el corte por láser.
En lugar de cerámica, el manguito 10 también puede estar hecho de material plástico, que no tiene que ser tan resistente a la temperatura como la cerámica. Las mejores propiedades de deslizamiento del plástico tienen la ventaja de que, durante el movimiento del manguito 10 sobre la pieza de trabajo, se pueden reducir o evitar por completo la formación de rayones en la superficie de la pieza de trabajo.

Claims (15)

REIVINDICACIONES
1. Boquilla de gas (1, 1', 1", 1'") para un cabezal de mecanizado por láser (2), con una apertura de salida (100) para el paso de un rayo láser (3) sobre una pieza de trabajo (4), con una ranura anular (11) que rodea la apertura de salida (100) y con un manguito (10) dispuesto en la ranura anular (11) que es guiado axialmente de forma desplazable en la ranura anular (11) entre una posición delantera y una trasera y que sobresale de la apertura de salida (100) al menos en la posición delantera
caracterizado porque
el manguito (10) está montado de manera que se pueda inclinar en la ranura anular (11).
2. Boquilla de gas según la reivindicación 1, caracterizada porque el manguito (10) tiene un collar de centrado circunferencial exterior (17), puntiagudo o esférico, desplazable a lo largo de la pared exterior (12) de la ranura anular (11) y dispuesto de forma que puede bascular.
3. Boquilla de gas según la reivindicación 1 ó 2, caracterizada porque la pared exterior (12) de la ranura anular (11) se estrecha en la dirección de avance (20) y/o la pared del manguito se estrecha en la parte exterior en la dirección inversa (22), en particular de forma cónica.
4. Boquilla de gas según una de las reivindicaciones anteriores, caracterizada porque la apertura de salida (100) está formada por una apertura de salida de la boquilla interna (6) para dirigir un flujo central (7) sobre la pieza de trabajo (4).
5. Boquilla de gas según una de las reivindicaciones anteriores, caracterizada porque la ranura anular (11) se forma en una boquilla de ranura anular (8) para dirigir un flujo de gas anular (9) sobre la pieza de trabajo (4) y porque el manguito (10) libera en sus dos posiciones la superficie de sección transversal de boquilla (25) de la boquilla de ranura anular (8) a diferentes distancias, cerrando en una de sus posiciones al menos en gran parte, especialmente por completo, la boquilla de ranura anular (8) y liberando en su otra posición la boquilla de ranura anular (8).
6. Boquilla de gas según las reivindicaciones 4 y 5, caracterizada porque la boquilla interna (6) y la boquilla de ranura anular (8) están formadas en un cuerpo de boquilla (5) y porque el orificio de la boquilla (15) de la boquilla interna (6) y la ranura anular (11) de la boquilla de ranura anular (8) están conectados entre sí a través de al menos un orificio de conexión (16).
7. Boquilla de gas según la reivindicación 6, caracterizada porque en la posición trasera del manguito (10) queda un espacio anular (26) entre la superficie frontal trasera (21) del manguito (10) y el cuerpo de boquilla (5), que está conectado con el entorno exterior, en particular a través de una ranura guía (27) existente entre el cuerpo de boquilla (5) y el manguito (10), y porque el al menos un orificio de conexión (16) está diseñado como un orificio que se extiende hasta el espacio anular (26).
8. Boquilla de gas según las reivindicaciones 4 y 5, caracterizada porque la boquilla interna (6) y la boquilla de ranura anular (8) están formadas en un cuerpo de boquilla (5), no estando conectados entre sí el orificio (15) de la boquilla interna (6) y la ranura anular (11) de la boquilla de ranura anular (8), y porque un espacio anular (26) existente entre la superficie frontal trasera (21) del manguito (10) y el cuerpo de boquilla (5), está conectado con el entorno exterior, en particular a través de una ranura guía (27) presente entre el cuerpo de boquilla (5) y el manguito (10).
9. Boquilla de gas según una de las reivindicaciones anteriores, caracterizada porque la parte de superficie del manguito (10) sobre la que actúa la presión de gas en una dirección de avance (20) es mayor que la parte de superficie del manguito (10), sobre la que actúa la presión de gas en dirección inversa (22) o porque la parte de superficie del manguito (10) sobre la que actúa la presión de gas en una dirección de avance (20) es igual o menor que la parte de superficie del manguito (10) sobre la que la presión de gas actúa en dirección inversa (22).
10. Boquilla de gas según una de las reivindicaciones anteriores, caracterizada porque la pared interior (13) de la ranura anular (11) está formada por la pared de la apertura de salida (100).
11. Boquilla de gas según una de las reivindicaciones anteriores, caracterizada porque el manguito (10) es guiado de forma desplazable por la pared exterior (12) de la ranura anular (11).
12. Boquilla de gas según una de las reivindicaciones anteriores, caracterizada porque la superficie frontal delantera del manguito (10) dispone en el lado interior y/o exterior de una rampa de inicio (18a, 18b).
13. Boquilla de gas según una de las reivindicaciones anteriores, caracterizada porque el manguito (10) está hecho de cerámica o de un material comparablemente resistente a la temperatura y eléctricamente no conductor o de un material plástico resistente a una temperatura de hasta al menos 100 ° C.
14. Boquilla de gas según una de las reivindicaciones anteriores, caracterizada porque el manguito (10) dispone en su superficie frontal delantera (31) de al menos una, preferiblemente varias ranuras (32) que se extienden oblicuamente en dirección radial o en su pared de manguito (33) al menos uno, preferiblemente varios orificios (34) que se extienden oblicuamente en dirección radial.
15. Boquilla de gas según una de las reivindicaciones anteriores, caracterizada porque el manguito (10) dispone en el lado exterior de su pared de manguito (33) de al menos una, preferiblemente varias ranuras (35) que se extienden oblicuamente en la dirección axial y/o en su pared de manguito (31) al menos uno, preferiblemente varios orificios (36).
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