PL243917B1

PL243917B1 - Universal attachment for laser cutting nozzles

Info

Publication number: PL243917B1
Application number: PL438199A
Authority: PL
Inventors: Hubert Danielewski; Andrzej Skrzypczyk; Włodzimierz Zowczak; Grzegorz Witkowski
Original assignee: Politechnika Swietokrzyska
Priority date: 2021-06-18
Filing date: 2021-06-18
Publication date: 2023-10-30
Also published as: PL438199A1

Abstract

Uniwersalna nakładka na dysze do cięcia laserowego, dedykowana do obróbki planarnej, która zamontowana jest na końcówce dyszy do cięcia laserowego, charakteryzuje się tym, że składa się z dwóch połączonych ze sobą elementów głównych, nieruchomego w postaci cylindrycznej nasadki (4) służącej do zamocowania poprzez gwint dyszy końcowej (7) do głowicy (2) do cięcia oraz elementu ruchomego w postaci pierścienia (3), przeznaczonego do uszczelnienia obszaru cięcia (10) i zapobiegania ulotowi gazu roboczego. Nasadka (4) wykonana jest z materiału metalowego dobrze przewodzącego ciepło, natomiast pierścień (3) wykonany jest z materiału nie przewodzącego, odpornego na ścieranie oraz podwyższoną temperaturę, przy czym pierścień (3) osadzony jest ściśle w nasadce (4), zapewniając szczelne połączenie pomiędzy nimi. W drugim wariancie wykonania pierścień (3) osadzony jest ściśle na wcisk w prowadnicy wykonanej obwodowo w cylindrycznej nasadce (4).A universal cover for laser cutting nozzles, dedicated to planar machining, which is mounted on the tip of the laser cutting nozzle, is characterized by the fact that it consists of two main elements connected to each other, a stationary one in the form of a cylindrical cap (4) used for mounting through thread of the end nozzle (7) for the cutting head (2) and a movable element in the form of a ring (3), intended to seal the cutting area (10) and prevent the escape of working gas. The cap (4) is made of a metal material that conducts heat well, while the ring (3) is made of a non-conductive material, resistant to abrasion and increased temperature, and the ring (3) is placed tightly in the cap (4), ensuring a tight connection between them. In the second variant, the ring (3) is pressed tightly into a guide made circumferentially in the cylindrical cap (4).

Description

Opis wynalazkuDescription of the invention

Przedmiotem wynalazku jest uniwersalna nakładka na dysze do cięcia laserowego, wspomagająca proces cięcia, zwłaszcza podczas obróbki planarnej.The subject of the invention is a universal cover for laser cutting nozzles, supporting the cutting process, especially during planar machining.

Proces cięcia laserowego polega na wywołaniu utraty spójności materiału poprzez oddziaływanie wiązki laserowej na jego powierzchnię oraz usunięcie przetopionego lub wypalonego materiału strumieniem gazu roboczego. W zależności od zastosowanej techniki cięcia jako gaz roboczy stosowane są gazy aktywne, przy cięciu przez wypalenie lub gazy obojętne, przy cięciu przez przetopienie lub odparowanie. Pierwsza metoda ma zastosowanie do cięcia stali niskostopowych. Podczas tej metody tlen wspomaga proces cięcia wypalając dodatkowo materiał. W przypadku stali wysokostopowych lub takich, w których w składzie chemicznym znajdują się pierwiastki stopowe wypalające się w atmosferze tlenowej, w sposób gwałtowny i niekontrolowany lub materiały specjalne wrażliwe na oddziaływanie temperatury, stosowana jest metoda przetopienia materiału poprzez oddziaływanie wiązki lasera i usunięcie ze szczeliny cięcia roztopionego materiału poprzez strumień gazu obojętnego. W przypadku cięcia cienkich materiałów oba procesy charakteryzują się wysokimi prędkościami, jednak gdy wykonywane jest cięcie materiałów o grubości przekraczającej 3 mm, większe prędkości można osiągnąć stosując metodę cięcia przez przetopienie. Wynika to z faktu, że zbyt silny strumień tlenu powoduje intensywne wypalenie uszkadzając powierzchnię boczną ciętego materiału. W przypadku metody cięcia przez przetopienie, zwiększenie wydatku gazu roboczego nie wpływa negatywnie na jakość cięcia, a wręcz przeciwnie, nawet ją poprawia, po pierwsze ograniczając tworzenie się prążków na powierzchni bocznej, a po drugie umożliwiając przyśpieszenie procesu cięcia. Zwiększenie wydatku gazu roboczego wiąże się jednak ze zwiększeniem kosztu operacji cięcia. Co więcej gaz roboczy, który jest transportowany współosiowo w głowicy procesowej przy wyjściu z końcówki dyszy do cięcia silnie rozpręża się, co powoduje jego odbicie od powierzchni materiału, rozproszenie i ulot. Im jest większy wydatek gazu roboczego, tym większe są jego straty spowodowane jego rozproszeniem, a gaz który nie trafi do szczeliny cięcia, nie bierze udziału w procesie, co stanowi stratę. Średnice otworów w końcówkach dysz do cięcia uzależnione są od grubości ciętego materiału i mają związek z wydatkiem gazu jaki należy osiągnąć do przecięcia danej grubości materiału przy stosowanych parametrach cięcia. Istotnym problemem jest ograniczenie wspomnianych strat związanych z rozproszeniem gazy roboczego, ograniczenie odległości dyszy od powierzchni ciętej może prowadzić do kolizji, natomiast zmiana parametrów cięcia tylko w nieznaczny sposób wpływa na poprawę jakości krawędzi bocznych po cieciu w tym ich chropowatości.The laser cutting process involves causing the material to lose cohesion by impacting the laser beam on its surface and removing the melted or burnt material with a stream of working gas. Depending on the cutting technique used, active gases are used as the working gas, in cutting by burning or inert gases, in cutting by melting or evaporation. The first method is applicable to cutting low-alloy steels. During this method, oxygen supports the cutting process by additionally burning the material. In the case of high-alloy steels or those whose chemical composition includes alloying elements that burn in an oxygen atmosphere in a violent and uncontrolled manner, or special materials sensitive to temperature, a method is used to melt the material through the impact of a laser beam and remove the molten material from the cutting gap. material through a stream of inert gas. When cutting thin materials, both processes are characterized by high speeds, however, when cutting materials thicker than 3 mm, higher speeds can be achieved using the melt cutting method. This is due to the fact that too strong a stream of oxygen causes intense burning, damaging the side surface of the cut material. In the case of the remelting cutting method, increasing the working gas flow does not negatively affect the cutting quality, on the contrary, it even improves it, firstly by limiting the formation of striations on the side surface, and secondly, by enabling the acceleration of the cutting process. However, increasing the working gas flow is associated with an increase in the cost of the cutting operation. Moreover, the working gas that is transported coaxially in the process head expands strongly at the exit from the cutting nozzle tip, which causes it to be reflected from the material surface, dispersed and released. The greater the flow of working gas, the greater are its losses caused by its dispersion, and the gas that does not reach the cutting gap does not participate in the process, which constitutes a loss. The diameters of the holes in the tips of cutting nozzles depend on the thickness of the material being cut and are related to the gas flow that must be achieved to cut a given material thickness with the cutting parameters used. An important problem is to limit the mentioned losses related to the dispersion of the working gas, limiting the distance of the nozzle from the cut surface may lead to collisions, while changing the cutting parameters only slightly improves the quality of the side edges after cutting, including their roughness.

Dodatkowa modyfikacja kształtu dyszy prowadzących gaz roboczy może zapewnić poprawę jakości cięcia, jednak wymagało by to stosowania odmiennych dysz do każdego rodzaju materiału oraz dla różnych jego grubości, co wiąże się z kolei z dodatkowymi kosztami oraz czasem. Rozwiązaniem tego problemu może być zastosowanie uniwersalnej nakładki na dysze opisanej w niniejszym wynalazku, która umożliwi ograniczenie rozproszenia gazu wykorzystując efekt podciśnienia do kierowania rozproszonego gazu w obszar szczeliny cięcia.Additional modification of the shape of the nozzles carrying the working gas may improve the cutting quality, but this would require the use of different nozzles for each type of material and for different thicknesses, which in turn involves additional costs and time. The solution to this problem may be the use of a universal nozzle cover described in the present invention, which will allow limiting the gas dispersion by using the vacuum effect to direct the dispersed gas into the cutting gap area.

Standardowo podczas cięcia wydatek gazu roboczego podczas cięcia przez przetopienia z udziałem azotu jako gazu roboczego wynosi około 14-21 barów, zwiększenie tego wydatku pozwala na poprawę jakości powierzchni bocznej ciętego materiału.The standard cutting gas flow rate during remelting cutting with nitrogen as the working gas is approximately 14-21 bar, increasing this flow allows for improving the quality of the side surface of the cut material.

Sam proces cięcia laserowego oraz elementy składowe takiego systemu są znane, między innymi z publikacji patentowych JP2021007976, CN112264728, CN212144962, ‘ CN212122063, czyThe laser cutting process itself and the components of such a system are known, among others, from patent publications JP2021007976, CN112264728, CN212144962, 'CN212122063, or

CN211840630.CN211840630.

Istnieją również pewne rozwiązania wspomagające proces cięcia poprzez modyfikację kształtu dyszy dla cięcia z użyciem tlenu z publikacji CN112008235, a także dedykowane dla metody cięcia z użyciem gazu obojętnego w którym wykorzystano specjalną budowę dyszy tnącej z publikacji CN111902236, US2020314993. Rozwiązania te wspomagają proces cięcia zmniejszając zużycie gazu roboczego. Jednak ograniczeniem ich zastosowania jest to, że są dedykowane pod konkretne maszyny i konieczny jest ich montaż na specjalnych głowicach procesowych wyprodukowanych przez danego dostawcę laserów. Co więcej niektóre z tych rozwiązań wymuszają zastosowanie dodatkowego, dedykowanego oprogramowania lub aktualizacji sterowników maszyny.There are also certain solutions supporting the cutting process by modifying the shape of the nozzle for cutting using oxygen from publication CN112008235, as well as dedicated to the cutting method using inert gas, which uses a special design of the cutting nozzle from publication CN111902236, US2020314993. These solutions support the cutting process by reducing the consumption of working gas. However, the limitation of their use is that they are dedicated to specific machines and it is necessary to install them on special process heads manufactured by a given laser supplier. Moreover, some of these solutions require the use of additional, dedicated software or updates of machine drivers.

Alternatywą dla zastosowanych rozwiązań jest zastosowanie nakładki na samą dyszę wylotową, która jest wkręcana do głowicy laserowej. Dysza jest wykonana zazwyczaj z miedzi lub jej stopu w celu szybkiego przekazywania ciepła i jest zintegrowana z czujnikiem pojemnościowym do wykrywania ma teriałów metalowych w celu uniknięcia kolizji. Podczas kalibracji maszyny wykonuje się operację „przyuczenia”, w której z minimalną prędkością końcówka dyszy dotyka materiału metalowego, zapamiętując wartość pojemności, to jest odległości roboczej od powierzchni ciętego materiału. Zastosowanie nakładki na dyszę końcową, która będzie wykonana z dwóch materiałów, czyli miedzianego pierścienia nakładanego na gwint dyszy oraz wykonanego z tworzywa nieprzewodzącego kołnierza dolnego, stykającego się z powierzchnią ciętą, nie wpłynie na proces cięcia i na czujniki pojemnościowe.An alternative to the solutions used is to use an overlay on the outlet nozzle itself, which is screwed into the laser head. The nozzle is typically made of copper or a copper alloy for rapid heat transfer and is integrated with a capacitive sensor to detect metallic materials to avoid collisions. When calibrating the machine, a "learning" operation is performed in which the nozzle tip touches the metal material at minimum speed, memorizing the capacitance value, i.e. the working distance from the surface of the material being cut. The use of a cover for the end nozzle, which will be made of two materials, i.e. a copper ring placed on the nozzle thread and a lower flange made of non-conductive material, in contact with the cut surface, will not affect the cutting process or capacitive sensors.

Istotą wynalazku jest uniwersalna nakładka na dysze do cięcia laserowego, dedykowana do obróbki planarnej, która zamontowana jest na końcówce dyszy do cięcia laserowego, charakteryzująca się tym, że składa się z dwóch połączonych ze sobą elementów głównych, nieruchomego w postaci cylindrycznej nasadki, służącej do zamocowania poprzez gwint dyszy końcowej do głowicy do cięcia oraz elementu ruchomego w postaci pierścienia, który jest przeznaczony do uszczelnienia obszaru cięcia i zapobiega ulotowi gazu roboczego. Nakładka wykonana jest z materiału metalowego dobrze przewodzącego ciepło, takiego jak miedź, natomiast pierścień wykonany jest z materiału nie przewodzącego, odpornego na ścieranie oraz podwyższoną temperaturę takiego jak teflon. Pierścień osadzony jest ściśle w nasadce, zapewniając szczelne połączenie pomiędzy nimi.The essence of the invention is a universal cover for laser cutting nozzles, dedicated to planar processing, which is mounted on the tip of the laser cutting nozzle, characterized by the fact that it consists of two main elements connected to each other, a stationary one in the form of a cylindrical cap used to attach through the thread of the end nozzle to the cutting head and a movable element in the form of a ring, which is designed to seal the cutting area and prevent the escape of working gas. The cap is made of a metal material that conducts heat well, such as copper, while the ring is made of a non-conductive material, resistant to abrasion and increased temperature, such as Teflon. The ring fits tightly into the cap, ensuring a tight connection between them.

W drugim wariancie wykonania pierścień osadzony jest ściśle na wcisk w prowadnicy wykonanej obwodowo w cylindrycznej nasadce.In the second variant, the ring is pressed tightly into a guide made circumferentially in the cylindrical cap.

Opracowana dysza składa się dwóch części, pierwsza nieruchoma przykręcona do głowicy procesowej poprzez dysze końcową, a druga podatna poruszająca się swobodnie w osi „Z” w przypadku, gdy cięty materiał natrafiłby na jakieś nierówności albo uległby deformacji. Materiał dolnego pierścienia wykonany jest z tworzywa sztucznego takiego jak teflon, ceramika lub inny materiał nieprzewodzący o podwyższonej odporności na ścieranie oraz na temperaturę. Nakładka na dysze zamontowana jest na dyszy końcowej do cięcia laserowego, podatna część końcowa porusza się ślizgowo po ciętym materiale zabezpieczając gaz roboczy przed wydostaniem się z obszaru cięcia. Otwory w dolnej części wewnątrz nakładki umożliwiają dostanie się gazu do górnej części nakładki, a kształt dolnej części powoduje, że gaz roboczy lekko dociska nakładkę do powierzchni ciętego materiału. W obszarze cięcia na górnej powierzchni materiału rozproszony gaz wydostający się z końcówki dyszy zostaje zatrzymany wewnątrz nakładki, tworząc niewielkie nadciśnienie, które poprzez różnicę ciśnień między górną a dolną powierzchnią blachy pomaga usunąć roztopiony podczas cięcia materiał wspomagając proces cięcia laserowego. Zastosowanie nakładki pozwala na zmniejszenie wydatku gazu roboczego przy takich samych parametrach procesu cięcia poprzez efektywniejsze wykorzystanie gazu roboczego albo poprawienie jakości powierzchni bocznej ciętego materiału bez zmiany parametrów. Zastosowanie nakładki zamiast specjalnych dysz procesowych umożliwia zastosowanie opracowanego rozwiązania dla każdego planarnego systemu do cięcia laserowego.The developed nozzle consists of two parts, the first one is stationary, screwed to the process head through the end nozzle, and the second one is flexible and moves freely in the "Z" axis in case the cut material encounters any irregularities or is deformed. The material of the lower ring is made of plastic such as Teflon, ceramics or other non-conductive material with increased resistance to abrasion and temperature. The nozzle cover is mounted on the end nozzle for laser cutting, the flexible end part slides over the cut material, protecting the working gas from escaping from the cutting area. Holes in the lower part inside the cap allow the gas to enter the upper part of the cap, and the shape of the lower part causes the working gas to slightly press the cap against the surface of the material being cut. In the cutting area on the upper surface of the material, the dispersed gas emerging from the nozzle tip is retained inside the overlay, creating a slight overpressure which, through the pressure difference between the upper and lower surfaces of the sheet, helps remove the material melted during cutting, supporting the laser cutting process. The use of an overlay allows you to reduce the working gas flow with the same cutting process parameters by more effective use of the working gas or by improving the quality of the side surface of the cut material without changing the parameters. The use of an overlay instead of special process nozzles allows the use of the developed solution for any planar laser cutting system.

Przedmiot wynalazku został uwidoczniony w przykładzie wykonania na rysunku, na którym fig. 1a i fig. 1b przedstawiają schemat budowy nakładek na dyszę do cięcia w dwóch wariantach wykonania, fig. 2 - schemat działania nakładki, a fig. 3a i fig. 3b - widok zewnętrzny nakładki z boku oraz z góry z otworem do mocowania poprzez gwint dyszy końcowej na głowicy.The subject of the invention is shown in the example embodiment in the drawing, in which Fig. 1a and Fig. 1b show a diagram of the construction of covers for a cutting nozzle in two variants, Fig. 2 - a diagram of the operation of the cover, and Fig. 3a and Fig. 3b - a view external caps on the side and top with a hole for mounting through the thread of the end nozzle on the head.

Uniwersalna nakładka 11 na dyszę końcową 7, mocowana jest współosiowo do kierunku działania promienia lasera 1, pomiędzy głowice procesową 2 a dyszę końcową 7 do cięcia. Nakładka 11 składa się z dwóch głównych elementów. Pierwszy element nieruchomy w postaci nasadki 4, wykonany jest z materiału dobrze przewodzącego ciepło takiego jak miedź. Drugi element, jest elementem ruchomym w postaci pierścienia 3, wychodzącego z nasadki, który dociskany jest poprzez gaz roboczy do powierzchni ciętego materiału 5. Porusza się on swobodnie w osi Z, z uwagi na nierówności na powierzchni ciętej. Poprzez głowice procesową 2 przez stożkowy kanał 6, w którym prowadzona jest wiązka lasera 1, dostarczany jest również gaz roboczy do obszaru cięcia 10. Gaz po wyjściu z dyszy końcowej 7 wydmuchuje przetopiony przez wiązkę 1 cięty materiał 5, tworząc szczelinę cięcia 8. Roztopiony materiał 5 poprzez szczelinę cięcia 8 wydmuchiwany jest wraz z częścią gazu roboczego w obszarze wylotu ze szczeliny 9, poniżej powierzchni ciętego materiału 5. Cześć gazu po wyjściu z dyszy końcowej 7 zostaje rozproszony i nie trafia do szczeliny cięcia 8, odbijając się od powierzchni ciętego materiału 5 w obszarze cięcia 10. Nakładka 11, przymocowana jest nasadką 4 do dyszy końcowej 7 poprzez pierścień 3. Zapobiega to wydostaniu się rozproszonego gazu z obszaru cięcia 10 i tworzy lekkie nadciśnienie. Wytworzona różnica ciśnień górną powierzchnią - obszarem cięcia 10 a dolną powierzchnią - obszarem poniżej ciętego materiału powoduje, że roztopiony materiał 5 jest szybciej usuwany ze szczeliny cięcia 8. Podczas tzw. „wpalenia” wiązki materiał jest przebijany co zapobiega podnoszeniu elementu ruchomego w postaci pierścienia 3 nakładki. Budowa oraz materiał wykorzystany do budowy nakładki 11 nie wpływają na system laserowy. Materiał, z którego jest wykonana jest część nakładki mająca kontakt z ciętym detalem nie jest materiałem przewodzącym, a więc nie zaburza pojemnościowego lub bazującego na zasadzie prądów wirowych systemu śledzenia powierzchni ciętej blachy. Fakt, że nakładka nakładana jest na końcówkę dyszy, w trakcie jej montowania, poprzez otwór w nakładce i wkręcenie końcówki dyszy do głowicy procesowej oraz możliwość zastosowania dowolnej średnicy otworu górnego zakładki powoduje, że jest to uniwersalne rozwiązanie do wszystkich laserów do cięcia planarnego. Zastosowanie nakładki zmniejsza zużycie gazu roboczego lub podnosi poziom jakości powierzchni bocznej ciętego materiału.The universal cover 11 for the end nozzle 7 is mounted coaxially to the direction of action of the laser beam 1, between the process head 2 and the end cutting nozzle 7. The cover 11 consists of two main elements. The first stationary element, in the form of a cap 4, is made of a material that conducts heat well, such as copper. The second element is a movable element in the form of a ring 3 coming from the cap, which is pressed by the working gas to the surface of the cut material 5. It moves freely in the Z axis due to unevenness on the cut surface. Through the process head 2, through the conical channel 6 in which the laser beam 1 is guided, the working gas is also supplied to the cutting area 10. After leaving the end nozzle 7, the gas blows out the cut material 5 melted by the beam 1, creating a cutting gap 8. The molten material 5, through the cutting slot 8, is blown out together with part of the working gas in the area of the outlet from the slot 9, below the surface of the material being cut 5. Part of the gas after leaving the end nozzle 7 is dispersed and does not reach the cutting slot 8, reflecting off the surface of the material being cut 5 in the cutting area 10. The cap 11 is attached with the cap 4 to the end nozzle 7 through the ring 3. This prevents the dispersed gas from escaping from the cutting area 10 and creates a slight overpressure. The pressure difference created between the upper surface - the cutting area 10 and the lower surface - the area below the cut material causes the molten material 5 to be removed from the cutting gap 8 more quickly. During the so-called When the beam is fired, the material is pierced, which prevents the lifting of the movable element in the form of a ring 3 of the cover. The structure and material used to build the cover 11 do not affect the laser system. The material from which the part of the cover in contact with the cut detail is made is not a conductive material, so it does not disturb the capacitive or eddy current-based tracking system of the cut sheet metal surface. The fact that the cap is placed on the nozzle tip during its assembly, through a hole in the cap and screwing the nozzle tip into the process head, and the possibility of using any diameter of the upper tab hole makes it a universal solution for all planar cutting lasers. The use of an overlay reduces the consumption of working gas or increases the quality of the side surface of the cut material.

W drugim wariancie wykonania nakładka 11 składa się z dwóch połączonych ze sobą elementów głównych, nieruchomego w postaci cylindrycznej nasadki 4, służącej do zamocowania poprzez gwint dyszy końcowej 7 do głowicy 2 do cięcia oraz elementu ruchomego w postaci pierścienia 3, przeznaczonego do uszczelnienia obszaru cięcia 10 i zapobiegania ulotowi gazu roboczego. Nasadka 4 wykonana jest z materiału metalowego dobrze przewodzącego ciepło, natomiast pierścień 3 wykonany jest z materiału nie przewodzącego, odpornego na ścieranie oraz podwyższoną temperaturę, przy czym pierścień 3 osadzony jest ściśle na wcisk w prowadnicy wykonanej obwodowo w nasadce 4, zapewniając szczelne połączenie pomiędzy nimi. Przykłady możliwych zastosowań przedstawiono na fig. 3a i fig. 3b.In the second variant, the cap 11 consists of two interconnected main elements, a stationary element in the form of a cylindrical cap 4, used to attach the end nozzle 7 to the cutting head 2 through the thread, and a movable element in the form of a ring 3, intended to seal the cutting area 10 and preventing leakage of working gas. The cap 4 is made of a metal material that conducts heat well, while the ring 3 is made of a non-conductive material, resistant to abrasion and increased temperature, and the ring 3 is pressed tightly into the guide made circumferentially in the cap 4, ensuring a tight connection between them . Examples of possible applications are shown in Fig. 3a and Fig. 3b.

Claims

Patent claims

1. A universal cover for laser cutting nozzles, dedicated to planar processing, which is mounted on the tip of the laser cutting nozzle, characterized in that it consists of two main elements connected to each other, a stationary one in the form of a cylindrical cover (4), used for fastening via thread, the end nozzle (7) to the cutting head (2) and a movable element in the form of a ring (3), intended to seal the cutting area (10) and prevent the escape of working gas, with the cap (4) made of material metal that conducts heat well, while the ring (3) is made of a non-conductive material, resistant to abrasion and increased temperature, and the ring (3) is placed tightly in the cap (4), ensuring a tight connection between them.

2. A universal cover for laser cutting nozzles, dedicated to planar processing, which is mounted on the tip of the laser cutting nozzle, characterized in that it consists of two main elements connected to each other, a stationary one in the form of a cylindrical cover (4), used for attaching the end nozzle (7) to the cutting head (2) via thread and a movable element in the form of a ring (3) intended to seal the cutting area (10) and prevent the escape of working gas, with the cap (4) made of metal material conducts heat well, while the ring (3) is made of a non-conductive material, resistant to abrasion and increased temperature, and the ring (3) is pressed tightly into a guide made circumferentially in the cap (4), ensuring a tight connection between them.