專利名稱：用于減少在激光束穿刺到工件中時熔渣的附著的方法及激光加工頭的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于減少在激光束穿刺到工件中時熔渣的附著的方法，在該方法 中，至少一個第一附加氣流以相對于激光束方向的第一角度指向該工件并且在一穿刺部位 的第一側(cè)和/或在該穿刺部位本身處碰上該工件，以將熔渣從穿刺部位吹走，以及涉及一 種用于執(zhí)行該方法的激光加工頭，包括激光切割噴嘴，在穿刺期間激光束和切割氣流通過 該激光切割噴嘴的噴嘴開口被指向工件上的穿刺部位；和至少一個第一氣體噴嘴，所述第 一氣體噴嘴設(shè)置在激光切割噴嘴的第一側(cè)并且以相對于激光束軸線的第一角度定向，以產(chǎn) 生第一附加氣流，該第一附加氣流在穿刺部位的第一側(cè)和/或在穿刺部位本身處碰上所述 工件，以將熔渣從穿刺部位吹走。
背景技術(shù)：
對于激光切割而言，在穿刺到厚板中時會在穿刺孔周圍產(chǎn)生熔渣隆塊，這些熔渣 隆塊的尺寸隨著板厚的變大而顯著地增加。尤其是在加工具有在30mm以上材料厚度的板 時會產(chǎn)生顯著的熔渣隆塊。這些熔渣隆塊尤其是在要切割內(nèi)部幾何形狀的情況下及在構(gòu)件 小的情況下起干擾作用。此外，激光加工頭的距離傳感裝置將這些隆塊作為干擾輪廓識別 并且調(diào)節(jié)激光加工頭遠離工件，這導(dǎo)致工藝技術(shù)方面的大量問題。為了避免這些問題，必須 減少在工件上附著的熔渣隆塊。為此目的，例如由JP 10225787A已知，除穿過激光切割噴嘴流出的切割氣體外， 使一附加氣流傾斜地指向穿刺部位，以將飛濺物和熔化的材料從穿刺部位吹走。但是在實 踐中表明，在穿刺到厚板中時，盡管存在附加氣流也出現(xiàn)顯著的熔渣隆塊。由 DE 10138867 AUJP 8141764 A 和 JP 2002292484 A 已知在激光材料加工中使 用多個幾乎指向相同方向的附加氣體噴嘴。但是，這些布置在其效果上與在JP 10225787 A 中所述的具有僅一個附加氣體噴嘴的布置沒有本質(zhì)區(qū)別。由EP 0969947 Bl和US 6494965 Bl已知，除了相對于激光束方向傾斜地定向的 第一氣體噴嘴，在穿刺部位的相對側(cè)上設(shè)置同樣相對于激光束方向傾斜地定向的第二氣體 噴嘴。傾斜地指向工件的第二附加氣流在這里基本上與第一附加氣流逆平行地延伸并且用 于制動由第一附加氣流從穿刺部位吹走的灰塵或飛濺物以及限制這些灰塵或飛濺物的擴 散，從而可以使它們被抽吸裝置輸送走。然而，這些布置不適合減少在穿刺時的熔渣附著， 因為它們同樣會導(dǎo)致熔渣在穿刺孔附近的隆起。由JP 2001205472A還公開一種具有三個噴嘴的布置，其中一個噴嘴傾斜地指向 加工噴嘴，第二噴嘴傾斜地指向工件并且第三噴嘴垂直地指向工件，這些噴嘴用于保護加 工噴嘴、用于吹走熔渣以及用于壓下飛濺物。然而這樣的布置同樣不能防止熔渣在穿刺孔 附近的附著。

發(fā)明內(nèi)容
與此相比，本發(fā)明的任務(wù)是，抑制在以激光束進行穿刺時熔渣在工件上的附著，并 且減少自我形成的隆塊的尺寸。該任務(wù)根據(jù)本發(fā)明通過開頭所述類型的方法解決，在該方法中，至少一個第二附 加氣流以相對于激光束方向的第二角度指向工件并且在穿刺部位的與第一側(cè)相對置的第 二側(cè)上與穿刺部位間隔開地碰上工件，其中，第二附加氣流關(guān)于垂直于激光束方向的平面 以一相對于第一附加氣流的角度、即不與第一附加氣流平行或逆平行地定向，以便在被第 一附加氣流吹走的熔渣與工件之間產(chǎn)生氣墊。第二附加氣流優(yōu)選以相對于第一附加氣流 的、在30°至135°之間的、特別優(yōu)選在45°至100°之間的角度定向。也就是說，特別優(yōu) 選的是，第二附加氣流不具有或者僅具有在第一附加氣流的方向上指向的小流動分量，從 而可靠地避免了熔渣在穿刺孔附近的隆起。第一附加氣流引起快速地排出熔液和熔渣并且由此使穿刺過程容易。然而，在使 用僅一個附加氣流時是有問題的，即從穿刺孔中被沖刷出的熱熔液接著直接在工件上重 新凝固并且與該工件連接。通過相對于第一附加氣流橫貫地，即傾斜或者說橫向地定向的 第二附加氣流將熔液從工件抬升并且因此防止了熔液與工件之間的連接。附加地，熔渣通 過第二氣流被冷卻和轉(zhuǎn)向，這導(dǎo)致熔渣在稍后遇到工件時不再具有足夠的能量來熔化工件 材料并且由此附著在工件上。因此，僅產(chǎn)生在后續(xù)的分割加工中不起干擾作用的熔渣珠。在一種有利的變型中，第二附加氣流具有基本上矩形的橫截面形狀，以在工件上 產(chǎn)生平的氣墊。在工件上產(chǎn)生平的、盡可能寬的氣墊是有利的，以便防止熔渣過度地從工件 抬升并且在可能時附著到將激光束會聚到穿刺部位上的激光加工頭的底側(cè)上。優(yōu)選地，在穿刺中使尤其含有氧的切割氣流指向激光束的穿刺部位。對于穿刺過 程即便在板厚較大的情況下也有利的是，作為穿刺氣體(切割氣體)使用氧，因為氧給穿刺 過程提供了附加的能量。在一種優(yōu)選的變型中，第三附加氣流在第二附加氣流上方優(yōu)選垂直于激光束方向 延伸，以使被吹走的熔渣保持遠離在第三附加氣流上方定位的激光加工頭。第三附加氣流， 其可以例如構(gòu)造為面狀的氣簾和/或可以圍繞設(shè)置在激光加工頭上的切割氣體噴嘴延伸， 用于防止被第一附加氣流吹走的熔渣在激光加工頭的底側(cè)上積聚。因此，通過這三個附加 氣流的組合可以保證在穿刺過程中受控地且確定地排走熔渣。第二附加氣流以有利的方式含有不可燃燒的氣體或流體，優(yōu)選壓縮空氣、氮或用 于產(chǎn)生氣-水霧狀物的氣-水混合物。該第一和/或第三附加氣流優(yōu)選含有氮或壓縮空氣。 與切割氣流不同，這些附加氣流應(yīng)當(dāng)在穿刺過程中不與工件材料發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。對于當(dāng)前 用途在使用壓縮空氣時，第二附加氣流的典型壓力范圍為約4巴，在使用氧作為切割氣體 時，切割氣流典型地具有約3巴的壓力。優(yōu)選地，第一角度在110°至160°之間選擇和/或第二角度在110°至150°之 間、尤其是在115°至130°之間選擇。通過適當(dāng)?shù)卮_定第一角度，能夠特別有效地將熔渣 從穿刺部位運走。第二角度在這里必須這樣地選擇，使得第二附加氣流不過于陡直地碰上 工件，以防止在產(chǎn)生氣墊的部位上出現(xiàn)相反的效應(yīng)，即熔渣被壓低到工件上。本發(fā)明的另一個方面在開頭所述類型的激光加工頭中實現(xiàn)，該激光加工頭還包 括至少一個第二氣體噴嘴，第二氣體噴嘴設(shè)置在激光切割噴嘴的與第一側(cè)相對置的第二側(cè)上并且以相對于激光束方向的第二角度定向，以產(chǎn)生第二附加氣流，該第二附加氣流在 穿刺部位的與第一側(cè)相對置的第二側(cè)上與穿刺部位間隔開地碰上工件，其中，第二附加氣 流關(guān)于垂直于激光束方向的平面以相對于第一附加氣流的一個角度、即不與第一附加氣流 平行或逆平行地定向，以在被第一附加氣流吹走的熔渣與工件之間產(chǎn)生氣墊。第二氣體噴 嘴在這里如上所述地用于產(chǎn)生第二附加氣流，該第二附加氣流相對于第一附加氣流橫向地 延伸，以防止熔渣在工件上的附著。第一氣體噴嘴和第二氣體噴嘴在這里優(yōu)選這樣地定向， 使得第一和第二附加氣流關(guān)于垂直于激光束方向的平面夾合一個在30°至135°之間、尤 其是在45°至100°之間的角度。在一種有利的實施方式中，第二氣體噴嘴為了產(chǎn)生具有基本上矩形的橫截面形狀 的第二附加氣流而具有隙縫狀的噴嘴開口，以在工件上面產(chǎn)生平的氣墊。顯然，也可以使用 具有其它出口幾何形狀、例如圓形或橢圓形幾何形狀的氣體噴嘴，尤其是在為了產(chǎn)生盡可 能寬的氣墊而使用多個第二氣體噴嘴時。在一種特別有利的實施方式中，激光加工頭具有第三氣體噴嘴，用于產(chǎn)生優(yōu)選垂 直于激光束方向定向的第三附加氣流，該第三附加氣流在第二附加氣流上方延伸，以使被 吹走的熔渣保持遠離激光加工頭。以這種方式可以有效地防止被由第二附加氣流產(chǎn)生的氣 墊抬升的熔渣粘到激光加工頭的底側(cè)上。附加地或者作為第三附加氣流的變換，也可以在 激光加工頭的底側(cè)上設(shè)置凸緣狀的、例如截錐式的飛濺物防護裝置。在一種有利的實施方式中，第一角度在110°至160°之間和/或第二角度在 110°至150°之間、優(yōu)選在115°至130°之間。在這些角度下，可以保證在穿刺工藝期間 將熔渣確定地且受控地排走。在一種有利的實施方式中，激光加工頭具有至少兩個相鄰設(shè)置的、平行定向的第 二氣體噴嘴，用于在工件上面產(chǎn)生寬的且平的氣墊。在一種特別優(yōu)選的實施方式中，第二氣體噴嘴的噴嘴開口被設(shè)置成與激光切割噴 嘴的噴嘴軸線相距一個在IOmm至20mm之間的距離。第二氣體噴嘴的噴嘴開口在這里典型 地不在第一附加氣流的區(qū)域中，而是與該第一附加氣流錯開地設(shè)置，使得橫向地延伸的第 二附加氣流可以在第一附加氣流的整個寬度上延伸。本發(fā)明的其它優(yōu)點由說明書和附圖給出。以上所述的和尚待進一步說明的特征同 樣可以單獨地或多個任意組合地使用。示出和說明的實施方式不應(yīng)理解為窮盡性的列舉， 更確切地說具有用于解釋本發(fā)明的示例性的特征。


附圖為圖la、lb以在X或Y方向上的觀察方向示出根據(jù)本發(fā)明的激光加工頭的實施方式 的兩個示意性視圖，和圖加-e示出第一和第二附加氣流及所屬的用于在工件中穿刺的氣體噴嘴的示意 性視圖。
具體實施例方式圖la、b分別以沿著XYZ坐標系的X軸或Y軸的側(cè)視圖示出激光加工頭1。該激光加工頭1具有激光切割噴嘴2，激光束3穿過該激光切割噴嘴的噴嘴開口加射出，該激光 束在工件5上產(chǎn)生穿刺部位4 (穿刺孔)。該激光切割噴嘴2還與激光加工頭1的一個填充 有切割氣體、尤其是氧的壓力室6連接，以便使切割氣流7穿過噴嘴開口加指向穿刺部位4。第一氣體噴嘴8a設(shè)置在激光加工頭1上在激光切割噴嘴2的第一側(cè)A與穿刺部 位4相距約40mm，以產(chǎn)生第一附加氣流9a，該第一附加氣流在穿刺部位4的第一側(cè)A碰上 工件5，以將熔渣10從穿刺部位4吹走。該第一附加氣流9a或者說氣體噴嘴8a在這里以 關(guān)于激光束軸線Z的第一角度Ci1定向，該第一角度典型地位于110°至160°之間的區(qū)間 內(nèi)，以盡可能有效地將熔渣10從穿刺部位4吹走。為了防止被第一附加氣流9a從穿刺孔或者說穿刺部位4沖刷出的熔渣10在激光 切割噴嘴2的相對側(cè)B上重新凝固在工件5上并且與該工件連接，在激光加工頭1上設(shè)有 第二氣體噴嘴8b，該第二氣體噴嘴產(chǎn)生第二附加氣流％，該第二附加氣流與穿刺部位4間 隔約20mm地出現(xiàn)在工件5上。如在圖加中更好地看到，在該圖中示出了垂直于激光束方 向Z的XY平面，第二附加氣流9b在XY平面上的投影中相對于第一附加氣流9b橫向地或 者說垂直地定向。第二氣體噴嘴8b在這里與穿刺部位4的中心具有約15mm或者更大的距 離，該穿刺部位對應(yīng)于噴嘴開口加的中心。第二附加氣流9b如在圖Ia中所示關(guān)于激光束 方向Z以約120°的第二角度Ci2延伸。該第二角度α 2足夠平，由此第二附加氣流9b在工 件5與被第一附加氣流9a吹走的熔渣10之間產(chǎn)生氣墊11。為了構(gòu)成氣墊11，第二附加氣 流9b應(yīng)當(dāng)關(guān)于激光束方向Z以一角度范圍延伸，該角度范圍典型地位于約110°至150° 之間、尤其是在115°至130°之間。為了防止被第二附加氣流9b從工件5提升的熔渣10到達激光加工頭1的底側(cè)并 且粘到該底側(cè)上，一第三氣體噴嘴8c在激光切割噴嘴2的第二側(cè)B設(shè)置在激光加工頭1上， 以產(chǎn)生第三附加氣流9c。與第一和第二附加氣流9a、9b不同，第三附加氣流9c不指向工件 5，而是垂直于激光束方向Z在第二附加氣流9b上方并且圍繞激光切割噴嘴2延伸，以保護 激光加工頭1免受熔渣10影響。因此，通過這三個附加氣流9a-c的組合保證了將熔渣10 從穿刺部位5受控地且確定地排出。第一附加氣流9a可以含有氮和/或壓縮空氣，第二和第三附加氣流9b、9c典型地 含有不可燃燒的氣體，通常同樣含有壓縮空氣或氮。如果使用壓縮空氣，則該壓縮空氣在當(dāng) 前應(yīng)用中典型地具有4巴量級的壓力。第二附加氣流9b也可以具有流體成分，例如其方式 是在不可燃燒的氣體中混入水，以構(gòu)成氣-水霧狀物，該氣-水霧狀物在熔渣10上施加附 加的、冷卻的效應(yīng)，以將該熔渣轉(zhuǎn)變成球狀的熔珠，該熔珠在稍后的分割工藝中不起干擾作 用。氣墊11應(yīng)當(dāng)構(gòu)造成平的和盡可能寬的。為此目的，第二氣體噴嘴8b可以具有隙 縫狀的噴嘴開口 12，該噴嘴開口在圖Ib中示出并且定位在工件5上方約IOmm的高度hi。 當(dāng)然，為了產(chǎn)生盡可能寬的氣墊11，也可以與第二氣體噴嘴8b相鄰地設(shè)置一個另外的第二 氣體噴嘴8b’，該另外的第二氣體噴嘴與該第二氣體噴嘴平行地定向，以產(chǎn)生一個另外的第 二附加氣流％’，如在圖2b中所示。該另外的第二附加氣流％’在這里在工件5上與第一 附加氣流9結(jié)合。此外顯然的是，該第二附加氣流9b或者說這些第二附加氣流9b、9b’不必一定垂 直于第一附加氣流9a定向，更確切地說這些第二附加氣流9b、9b’可以相對于第一附加氣
7流9a以在約30°至約135°之間的角度α 3定向，如在圖2c、d中示例性地借助約80°的 角度示出。已經(jīng)被證實特別有利的是以90°或更小的角度定向，即以這樣的角度定向，第二 附加氣流％、％’在所述角度下不具有向著第一附加氣流9a定向的流動分量。如在圖2e中看到的那樣，在使用多個第二附加氣流時，這些第二附加氣流不必一 定平行定向。也可能的是，一個另外的第二氣體噴嘴8b”設(shè)置在激光加工頭1上，該另外的 第二氣體噴嘴產(chǎn)生一個另外的第二附加氣流％”，該另外的第二附加氣流在正的Y方向上 具有與圖2d的第二附加氣流9b、9b’相反定向的流動分量。綜上所述，通過使用產(chǎn)生氣墊11的第二附加氣流9b、9b’、9b”可以明顯地減少穿 刺部位4旁邊的熔渣隆塊，并且接在穿刺工序后面的切割加工可以在穿刺之后借助所述兩 個或三個附加氣流如、％、％’、％”、9(即便對于小的部件內(nèi)部幾何形狀也毫無問題地被執(zhí)行。
權(quán)利要求
1.用于減少在激光束⑶穿刺到工件(5)中時熔渣(10)的附著的方法，在該方法中， 至少一個第一附加氣流(9a)以相對于激光束方向(Z)的第一角度(α D指向所述工件(5) 并且在一穿刺部位(4)的第一側(cè)(A)和/或在該穿刺部位(4)本身處碰上所述工件(5)，以 將熔渣(10)從所述穿刺部位(4)吹走，其特征在于，至少一個第二附加氣流(9b，9b’，9b”)以相對于所述激光束方向(Z)的第二角度(Ci2) 指向所述工件( 并且在所述穿刺部位(4)的與所述第一側(cè)(A)相對置的第二側(cè)(B)上與 所述穿刺部位(4)間隔開地碰上所述工件(5)，其中，所述第二附加氣流(9b，9b’，9b”)關(guān)于 垂直于所述激光束方向(Z)的平面(X，Y)以相對于所述第一附加氣流(9a)的一角度(Ci3) 定向，以在被所述第一附加氣流(9a)吹走的熔渣(10)與所述工件(5)之間產(chǎn)生氣墊(11)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中，所述第二附加氣流(9b，9b’，9b”)以相對于所述第一 附加氣流(9a)的在30°至135°之間的、尤其是在45°至100°之間的角度(α 3)定向。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2的方法，其中，所述第二附加氣流(9b，9b’，9b”)具有基本上矩 形的橫截面形狀，以在所述工件( 上產(chǎn)生平的氣墊(11)。
4.根據(jù)以上權(quán)利要求之一的方法，其中，優(yōu)選含有氧的切割氣流(7)指向所述激光束 (3)的穿刺部位⑷。
5.根據(jù)以上權(quán)利要求之一的方法，其中，第三附加氣流(9c)在所述第二附加氣流(％， %’，％”)上方優(yōu)選垂直于所述激光束方向(Z)延伸，以使被吹走的熔渣(10)保持遠離在 所述第三附加氣流(9C)上方定位的激光加工頭(1)。
6.根據(jù)以上權(quán)利要求之一的方法，其中，所述第二附加氣流(9b，9b’，9b”)含有不可燃 燒的氣體或流體，優(yōu)選壓縮空氣、氮或氣-水混合物。
7.根據(jù)以上權(quán)利要求之一的方法，其中，所述第一和/或第三附加氣流(9a，9c)含有氮 或壓縮空氣。
8.根據(jù)以上權(quán)利要求之一的方法，其中，所述第一角度(α)在110°至160°之間選 擇和/或所述第二角度(α2)在110°至150°之間、優(yōu)選在115°至130°之間選擇。
9.用于執(zhí)行根據(jù)以上權(quán)利要求之一的方法的激光加工頭(1)，包括激光切割噴嘴O)，在穿刺期間激光束(3)和切割氣流(7)穿過該激光切割噴嘴的噴嘴 開口 (2a)指向工件(5)上的穿刺部位(4)，至少一個第一氣體噴嘴(8a)，所述第一氣體噴嘴設(shè)置在所述激光切割噴嘴O)的第一 側(cè)(A)并且以相對于激光束軸線(Z)的第一角度(Ci1)定向，以產(chǎn)生第一附加氣流(9a)，該 第一附加氣流在所述穿刺部位(4)的第一側(cè)(A)和/或在所述穿刺部位(4)本身處碰上所 述工件(5)，以將熔渣(10)從所述穿刺部位⑷吹走，其特征在于，設(shè)有至少一個第二氣體噴嘴(8b，8b’，8b”)，所述第二氣體噴嘴設(shè)置在所述激光切割噴 嘴O)的與所述第一側(cè)(A)相對置的第二側(cè)(B)并且以相對于所述激光束方向(Z)的第二 角度(Q2)定向，以產(chǎn)生第二附加氣流(％，％’，％”)，該第二附加氣流在所述穿刺部位(4) 的與所述第一側(cè)(A)相對置的第二側(cè)(B)上與所述穿刺部位間隔開地碰上所述工件 (5)，其中，所述第二附加氣流(9b，9b’，9b”)關(guān)于垂直于所述激光束方向(Z)的平面(X，Y) 以相對于所述第一附加氣流(9a)的一角度(Ci3)定向，以在被所述第一附加氣流(9a)吹走的熔渣(10)與所述工件(5)之間產(chǎn)生氣墊(11)。
10.根據(jù)權(quán)利要求9的激光加工頭，其中，所述第一氣體噴嘴(8a)和所述第二氣體噴 嘴(8b，8b’，8b”)這樣地定向，使得所述第一附加氣流(9a)和所述第二附加氣流(％，％’， %”)關(guān)于垂直于所述激光束方向(Z)的平面(X，Y)夾合一個在30°至135°之間、優(yōu)選在 45°至100°之間的角度(Q3)0
11.根據(jù)權(quán)利要求9或10的激光加工頭，其中，所述第二氣體噴嘴(8b)具有隙縫狀的 噴嘴開口(1 以產(chǎn)生具有基本上矩形的橫截面形狀的第二附加氣流(9b)。
12.根據(jù)權(quán)利要求9至11之一的激光加工頭，其中，設(shè)有至少一個第三氣體噴嘴(8c)， 用于產(chǎn)生優(yōu)選垂直于所述激光束方向(Z)定向的第三附加氣流(9c)，所述第三附加氣流在 所述第二附加氣流(％)上方延伸，以使被吹走的熔渣(10)保持遠離所述激光加工頭(1)。
13.根據(jù)權(quán)利要求9至12之一的激光加工頭，其中，所述第一角度(Ci1)在110°至 160°之間和/或所述第二角度(α 2)在110°至150°之間、優(yōu)選在115°至130°之間。
14.根據(jù)權(quán)利要求9至13之一的激光加工頭，其中，設(shè)有至少兩個相鄰設(shè)置的、平行定 向的第二氣體噴嘴(％，％，)。
15.根據(jù)權(quán)利要求9至14之一的激光加工頭，其中，所述第二氣體噴嘴(9b)的噴嘴開 口(12)被設(shè)置成與所述激光切割噴嘴O)的噴嘴開口 Oa)具有一個在IOmm至20mm之間 的距離(d)。
全文摘要
本發(fā)明涉及用于減少在激光束(3)穿刺到工件(5)中時熔渣(10)的附著的方法，其中至少一個第一附加氣流(9a)以相對于激光束方向(Z)的第一角度(α1)指向工件(5)且在穿刺部位(4)的第一側(cè)(A)和/或在該穿刺部位(4)本身處碰上工件(5)，以將熔渣(10)從穿刺部位(4)吹走。至少一個第二附加氣流(9b，9b’，9b”)以相對于激光束方向(Z)的第二角度(α2)指向工件(5)且在穿刺部位(4)的與第一側(cè)(A)相對置的第二側(cè)(B)上與穿刺部位(4)間隔開地碰上工件(5)，第二附加氣流(9b，9b’，9b”)關(guān)于垂直于激光束方向(Z)的平面(X，Y)以相對于第一附加氣流(9a)的角度定向，以在被第一附加氣流(9a)吹走的熔渣(10)與工件(11)之間產(chǎn)生氣墊(11)。本發(fā)明還涉及用于執(zhí)行該方法的激光加工頭(1)。
文檔編號B23K26/14GK102066039SQ200980123912
公開日2011年5月18日 申請日期2009年6月17日 優(yōu)先權(quán)日2008年6月25日
發(fā)明者A·謝爾阿戈斯基, F·塞普, M·施洛特爾 申請人:通快機床兩合公司