具有可移动元件的激光喷嘴的制作方法
【专利摘要】本发明涉及一种能够特别是利用光纤或盘型激光器进行激光切割的激光喷嘴（1，2），该激光喷嘴包括：喷嘴主体（1），该喷嘴主体包括轴向地穿过所述喷嘴主体（1）的轴向腔（5）并且包括位于喷嘴主体（1）的正面（1a）的第一输出孔口（11）；和可移动元件（2），该可移动元件包括设置在喷嘴主体（1）的轴向腔（5）中的围挡部形成前部（2a），所述可移动元件（2）能够在喷嘴主体（1）的轴向腔（5）中平移，并且所述可移动元件包括轴向通路（4），该轴向通路具有通往围挡部形成前部（2）的第二输出孔口（12）。根据本发明，可移动元件（2）能在施加于可移动元件（2）的气体压力的作用下沿第一输出孔口（11）的方向在轴向腔（5）中平移，直至这样的位置，即，可移动元件（2）的围挡部形成前部（2a）经喷嘴主体（1）的正面（1a）的第一输出孔口（11）从所述轴向腔（5）中伸出，在轴向腔（5）中、介于喷嘴主体（1）与可移动元件（2）之间设置有弹性元件（8），所述弹性元件（8）向可移动元件（2）施加趋于与沿第一输出孔口（11）的方向在轴向壳体（5）中的平移相对的弹性回复力。
【专利说明】具有可移动元件的激光喷嘴
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种能够在激光束切割中使用的激光喷嘴，该激光喷嘴具有内部的可移动元件，该可移动元件包括用于将切割气体集中在切割缝中的围挡部。
【背景技术】
[0002]通过激光束进行切割需要使用一般由铜制成的喷嘴，所述喷嘴具有引导气体并允许激光束通过的效果。
[0003]对于在0.6mm到2mm之间的工作距离而言，喷嘴的输出孔口的直径通常介于0.5mm到3mm之间。
[0004]为了允许切割，需要在聚焦头中使用一般为数巴的高压力，用以使气体能够进入缝中以排出熔融金属。
[0005]然而，所使用气体的大部分(通常在50%到90%之间)对切割过程、也就是对熔融金属的挤出没有作用，因为切割过程在切割缝的侧边开始。
[0006]这些气体损耗事实上归咎于喷嘴孔口的流动截面与焦斑的尺寸之间的巨大差异。因此，通过指出的方式，具有直径为1.5_的输出孔口的喷嘴的流动截面是由通过该喷嘴的激光束形成的焦斑的截面的25倍。
[0007]然而，如果使用比例不足的气体，则会存在具有切割缺陷的外观，尤其是附着飞溅物和/或氧化痕迹。
[0008]尝试通过减小喷嘴孔口的直径来补救这种情况并不理想，因为会因此出现激光束冲击喷嘴的内部并且损坏喷嘴的风险，这另外还损害切割质量和/或性能。
[0009]此外，存在一定数量的提出用于尝试帮助气体进入缝中的各种方案的文献，例如，EP-A-1669159、JP-A-62006790、JP-A-61037393、JP-A-63108992、JP-A-63040695 和US-A-4, 031，351。
[0010]然而，这些方案无一是真正理想的，因为它们通常都具有难于实施的结构、具有大于商用喷嘴尺寸的尺寸，和/或具有有限的效力。此外，现有的方案并不适合于在工业激光切割中使用。
[0011]特别地，文献US-A-4，031，351公开了一种激光切割喷嘴，该激光切割喷嘴包括可移动元件，该可移动元件的端部压靠在待切割部件的表面上以帮助切割气体进入缝中。为此，喷嘴设置有弹簧，该弹簧在可移动元件上施加压力以使该可移动元件沿待切割部件的方向移动并保持该可移动元件靠着所述部件的表面。
[0012]然而，这个方案特别是在工业使用环境中存在一些主要问题。
[0013]首先，切割气体的压力增加、由弹簧施加的力，引导可移动元件在待切割的部件上施加一很大的力。结果引起金属板(所述部件切割自该金属板)变形、板表面上的摩擦和划痕或甚至板的带动(即，移动)的风险，所述板一般仅简单地放置在工业切割机的工作台上。金属板越薄，这些风险总体上越大。
[0014]可移动元件的端部与部件的表面之间存在O形环密封件，这进一步造成增大了金属板上的摩擦力，并由于在喷嘴的该高度(level)——此处激光束具有其最高功率密度并且熔融金属飞溅的风险大——遇到的非常高的温度而在可动元件的使用寿命方面造成问题。
[0015]最后，这个方案还在切割头在未输送切割气体或光束的情况下——尤其在连续部件的切割环境下——在金属板上方快速移动的阶段期间或者在产生明显熔融金属飞溅物的金属板穿孔阶段期间造成问题。在这些状况下，因此应该禁止喷嘴与板的永久接触。
[0016]所提出的课题因此在于，通过增加对熔融金属的挤出起作用的气体的比例并因此减小所使用的气体的总量和所需的气体的压力同时限制气体损耗的比例而能够提高在激光切割中使用的气体的效力，这通过提出能以工业级别实施并且不会使激光切割设备过于复杂的方案来实现。
【发明内容】
[0017]本发明的解决方案为一种激光喷嘴，该激光喷嘴包括:
[0018]-喷嘴主体，该喷嘴主体包括轴向地穿过所述喷嘴主体的轴向腔并且包括位于喷嘴主体的正面的第一输出孔口，和
[0019]-可移动元件，该可移动元件包括形成有围挡部、设置在喷嘴主体的轴向腔中的前部，所述可移动元件能在喷嘴主体的轴向腔中平移；并且所述可移动元件包括轴向通路，该轴向通路具有显现在形成有围挡部的前部的第二输出孔口，所述激光喷嘴的特征在于:
[0020]-可移动元件能在施加于可动元件上的气体压力的作用下沿第一输出孔口的方向在轴向腔中平移，直至可移动元件的形成有围挡部的前部经位于喷嘴主体的正面中的第一输出孔口伸出到轴向腔的外部，以及
[0021]-在轴向腔中、介于喷嘴主体与可移动元件之间设置有弹性元件，所述弹性元件在可移动元件上施加趋于与沿第一输出孔口的方向在轴向腔中的平移相对的弹性回复力。
[0022]根据情况，本发明的喷嘴可包括以下技术特征中的一个或多个:
[0023]-当可移动元件沿位于喷嘴主体的正面的第一输出孔口的方向在轴向腔中平移时，可移动元件的形成有围挡部的前部经喷嘴主体的正面的第一输出孔口伸出到轴向腔的外部；
[0024]-喷嘴主体的轴向腔的底部包括台肩，可移动元件的外周壁包括止挡部，弹性元件定位在台肩和止挡部之间；
[0025]-在喷嘴主体与可移动元件之间设置有至少一个密封元件，例如一个或多个O形环密封件；
[0026]-所述至少一个密封元件设置在设置于可移动元件的外周壁中的外周槽中；
[0027]-可移动元件能在若干位置之间移动，所述位置包括:
[0028].闲置位置(空载位置，positionde repos),在该位置前部的围挡部完全或几乎完全缩回到喷嘴主体的轴向腔中，和
[0029].工作位置，在该位置前部的围挡部经第一输出孔口完全或几乎完全伸出到喷嘴主体的轴向腔的外部；
[0030]-可移动元件的轴向通路具有呈圆锥形、截顶圆锥形或会聚/发散形的轮廓；
[0031]-喷嘴主体由导电材料(尤其铜、黄铜等)制成；[0032]-可移动元件整个或部分地由电绝缘材料制成；
[0033]-或者，可移动元件由导电并且耐高温/耐热的材料(尤其铜、黄铜等)制成，绝缘元件包括设置在喷嘴和可移动插入件的壁之间的至少一个绝缘界面。所述绝缘界面为设置在喷嘴主体中的套筒或是由喷嘴主体或可移动元件携带的绝缘覆盖层。
[0034]本发明还涉及一种激光聚焦头，该激光聚焦头包括至少一个聚焦光学器件，例如一个或多个透镜或反射镜，特别是聚焦透镜和准直镜，其特征在于，该激光聚焦头还包括根据本发明的激光喷嘴。
[0035]此外，本发明还涉及一种激光装置，该激光装置包括激光发生器、激光聚焦头以及连接到所述激光发生器和连接到所述激光聚焦头的激光束输送装置，其特征在于，所述激光聚焦头是根据本发明的激光聚焦头。
[0036]优选地，激光发生器或激光源为C02型、YAG型、光纤(纤维，fibre)型或盘型的，尤其是镱光纤/纤维激光源。
[0037]根据又一方面，本发明还涉及一种激光束切割方法，其中利用了根据本发明的喷嘴、根据本发明的激光聚焦头或根据本发明的激光装置。
【专利附图】
【附图说明】
[0038]现将借助以下参照附图给出的描述更好地理解本发明，在附图中:
[0039]-图1A示意性地示出了常规的激光切割装置的聚焦头，
[0040]-图1B示意性地示出了与喷嘴孔口的尺寸相比照的激光光斑的尺寸，
[0041]-图2是根据本发明的喷嘴的主体的截面图，
[0042]-图3是根据本发明的喷嘴的截面图，
[0043]-图4A和4B示出了本发明的具有可移动元件的喷嘴，其中可移动喷嘴处于两个不同的位置。
【具体实施方式】
[0044]图1A示出了常规激光切割装置的聚焦头20，该聚焦头上固定有常规的激光喷嘴21，经聚焦的激光束和辅助气体(箭头23)通过所述激光喷嘴，所述辅助气体用于将被激光束熔化的金属从由激光束22在待切割的金属部件30 (例如钢板或不锈钢板)中形成的切割缝中31挤出。
[0045]辅助气体可以是诸如氧气、空气、C02或氢气的活性气体,或诸如氩气、氮气或氦气的惰性气体，或这些活性气体和/或惰性气体中的若干气体的混合。尤其根据待切割部件的性质来选择所述辅助气体的成分。
[0046]冲击所述部件的激光束将使其中的金属熔化，金属将被辅助气体的压力挤到该部件下方。
[0047]图1B清楚地示出了与激光束22的焦斑的尺寸S2相比照的喷嘴21的孔口 24的流动截面SI。如可见的，截面SI比激光束22的焦斑的尺寸S2大得多，对于常规喷嘴而言，这将引起辅助气体的高消耗，仅小部分辅助气体会用于将熔融金属从切割缝31中挤出。
[0048]为了显著地减小气体的消耗以及切割所需的压力，本发明提出一种改进的激光喷嘴，该激光喷嘴适合且设计用于使用激光束利用借助于特定的喷嘴结构而减小的气体流速和/或气体压力来进行切割，所述喷嘴结构使得能够迫使较大部分气体进入切割缝31并有效地挤出其中的熔融金属，无论激光功率和激光束的波长多大。
[0049]根据本发明，所述激光喷嘴包括至少两个必要构件，即，可移动元件2和与可移动元件2配合的喷嘴主体1，所述可移动元件设置成能在所述喷嘴的主体I的内部移动，所述喷嘴主体的实施例在图2和图3中示出。
[0050]更具体地，如在图2中可见的，由导电材料(诸如铜或黄铜)制成的喷嘴主体I意在被固定在激光装置的激光聚焦头20上。
[0051]有利地，喷嘴主体I是回转体，具有轴线为AA的轴向腔5，所述轴向腔从主体I的背面Ib延伸直到所述主体I的正面la，贯穿所述主体。
[0052]轴向腔5显现在喷嘴主体I的正面Ia和背面lb。背面Ib因此带有第一输入孔口11’，而正面Ia带有喷嘴主体I的第一输出孔口 11，第一输入孔口 11’和输出孔口 11共轴于轴线AA。
[0053]轴向腔5事实上为例如呈圆柱形的凹体(? videment)，该腔包括朝腔5的中心径向突出的内部台肩9，所述内部台肩9由在位于喷嘴主体I正面Ia的第一输出孔口 11处的轴向腔5的截面的收缩部(限制部)15形成。
[0054]本发明的喷嘴还包括插在喷嘴主体I的腔5中的可移动元件2，如在图3中可见的。该可移动元件2适合且设计成用于沿轴线AA在喷嘴主体I的腔5的内部移动。
[0055]更具体地，该可移动元件2包括形成有围挡部6的前部2a，该前部典型地呈圆柱形(也就是说管状的)、设置在喷嘴主体I的轴向腔5中，并且可移动元件2包括轴向通路4，该轴向通路具有显现在形成有所述围挡部6的前部2的第二输出孔口 12。
[0056]在喷嘴的使用期间，激光束22和辅助气体23穿过可移动元件2的轴向通路4并经显现在形成有所述围挡部6的前部2的第二输出孔口 12射出。
[0057]可移动元件2优选由复合或非复合的绝缘材料一例如聚醚醚酮(PEEK )、Vespel?、陶瓷或Pyrex—制成，并且重复激光切割喷嘴的内部几何形状，也就是说，所述可移动元件可包括具有非圆柱形的输出通道的内部轮廓，即，轴向通路4可具有呈圆锥形、截顶圆锥形、会聚/发散形(即Laval喷嘴)或任何其它适合的几何形状的轮廓。
[0058]可移动元件2能够沿轴线AA相对于喷嘴的主体I轴向地移动。事实上，可移动元件2在施加于所述可移动元件2上的辅助气体23的压力作用下移动，所述压力趋于沿待切割的部件30的方向推动可移动元件2。
[0059]可移动元件2沿轴线AA的平移将引起围挡部6移动至更接近待切割的板的顶面30，二者将彼此接触，如图4A所示。
[0060]因此，气体将由围挡部6引导而集中在激光光斑处并且因而集中在所述切割缝处，这将大幅提高气体的效力并且金属的挤出将更好地进行。
[0061]在轴向腔5中、介于喷嘴主体I和可动元件2之间设置有诸如弹簧的弹性元件8，用以沿使所述可移动元件离开待切割部件移动的方向在可移动元件2上施加弹性回复力。
[0062]因此，在切割结束时，当气体被切断并且气体压力停止施加在可移动元件2上时，所述可移动元件能返回至其闲置位置，因此围挡部6返回到腔5的内部，如图4B所示。
[0063]此外，弹性元件8使得可以限制所述可移动元件在切割气体的作用下沿部件的方向移动时由该可移动元件2施加在待切割部件上的压力。更精确地，弹性元件8的回复力被有利地限定大小，以保持可移动元件2与待切割的部件接触同时限制所述元件施加在金属板上的压力，用以最大限度地降低或甚至消除板的变形、划痕或带动的任何风险，所述部件从所述板切割得到。
[0064]此外，在没有任何切割气体或激光束的情况下，因为气体压力因此停止施加在所述可移动元件上并且围挡部6返回腔5的内部，所以弹性元件8有助于所述切割头在板上方的短距离处的快速移动。
[0065]这样，可以仅使围挡部上升，而不必升高支承本发明的喷嘴的聚焦头，这非常有助于以工业级别实施切割方法。
[0066]弹性元件8还使得可以限制在板穿孔的阶段期间围挡部6上的磨损现象，所述穿孔阶段一般在切割阶段之前。这是因为通常以低气体压力(典型地低于4bar)来执行所述穿孔。所述弹性元件因此施加足够的回复力用以使围挡部6完全或几乎完全上升到腔5中并因此免受由所述穿孔产生的熔融金属的飞溅物损害。
[0067]应该注意的是，可移动元件2的外周壁包括止挡部，优选是在所述可移动元件2的全部或部分圆周上延伸的环形止挡部，弹性元件8定位在台肩9和止挡部10之间。
[0068]事实上，根据本发明的喷嘴的可移动元件2因此能在包括至少以下位置的若干位置之间移动:
[0069]-闲置位置，在该位置前部2a的围挡部6完全或几乎完全缩回到喷嘴主体I的轴向腔5中，如图4B所示，和
[0070]-工作位置，在该位置前部2a的围挡部6经第一输出孔口11完全或几乎完全伸出到喷嘴主体I的轴向腔5的外部，并与待切割的部件接触，如图4A所示。
[0071]自然地，可移动元件2能占据围挡部6仅部分地伸出到喷嘴主体I的轴向腔5的外部的中间位置。这些中间位置可尤其取决于由气体施加在可移动元件2上的压力。
[0072]可选地，在喷嘴主体I与可移动元件2之间设置有至少一个密封元件7，尤其一个或多个O形环密封件7，其在喷嘴主体I与可移动插入件2之间形成密封。
[0073]如在图3中可见的，本发明的喷嘴为标准尺寸，也就是说喷嘴的尺寸与常规的切割喷嘴相比并未增大，这有利于且适应于邻近的切割，也就是说在同一金属板内以各个部件之间很小的间距切割。
[0074]此外，本发明的喷嘴具有另一与电容传感器系统兼容的优点。这是因为由铜或其它导电材料制成的部件适应于由电容传感器规定的高度(限度)，如同标准喷嘴。正是可移动插入件2在气体压力作用下与待切割的板30相接触并因此限制了气体泄漏。
[0075]本发明的喷嘴包括可移动元件2，其中输出孔口 12的直径在0.5mm和5mm之间。优选地，可移动元件2的前部2a具有在3mm和8mm之间、优选地约6mm的外径。
[0076]示例
[0077]为了展现根据本发明的喷嘴与标准喷嘴相比的效力和因此借助安装在可移动元件上的围挡部的使用来迫使气体进入切割缝的优点，利用具有C02型激光发生器以产生被引导至包括聚焦光学器件(即透镜)的激光聚焦头的激光束的切割装置来执行对比试验。
[0078]激光聚焦头视情况而配备有具有直径为1.8mm的输出孔口的标准喷嘴或根据图3的具有圆柱形可移动围挡部和直径为1.8mm的圆柱形输出通道的喷嘴。
[0079]所使用的辅助气体为氮气。[0080]所切割的部件为5mm厚的304L不锈钢板。
[0081]激光束具有4kW的功率且切割速度为2.6m/min。
[0082]所获得的结果表明:
[0083]_在使用标准喷嘴的情况下，14bar的气体压力不足以获得闻品质切口。这是因为，在14bar压力下，切割边缘包括许多附着毛刺。这证明熔融金属由于气体对待被挤出的熔融金属的不充分作用而排放不佳。为了消除这些毛边，16bar的压力是必要的；
[0084]-在使用本发明的喷嘴的情况下，在Ibar到5bar压力之间的范围内的压力下进行的试验产生品质良好的切口，也就是说，切割边缘不带有附着毛刺。喷嘴的围挡部将气体引导到槽中并且有效地挤出熔融金属。
[0085]这些试验清楚地证明根据本发明的喷嘴的效力，与标准喷嘴相比，该喷嘴使得可以在所有其它条件相同的情况下显著地减小要使用的气体压力且因此还减少了气体的消耗。
【权利要求】
1.一种激光喷嘴(I, 2),包括: -喷嘴主体(I )，所述喷嘴主体包括轴向地穿过所述喷嘴主体(1)的轴向腔(5)并且包括位于所述喷嘴主体(1)的正面(Ia)的第一输出孔口( 11 )，和 -可移动元件(2)，所述可移动元件包括形成有围挡部、设置在所述喷嘴主体(1)的轴向腔(5)中的前部(2a)，所述可移动元件(2)能在所述喷嘴主体(1)的轴向腔(5)中平移；并且所述可移动元件包括轴向通路(4)，所述轴向通路具有显现在形成有围挡部的所述前部(2)的第二输出孔口(12)，所述激光喷嘴的特征在于: -所述可移动元件(2)能够在施加于所述可移动元件(2)上的气体压力的作用下沿所述第一输出孔口(11)的方向在所述轴向腔(5)中平移，直到所述可移动元件(2)的形成有围挡部的所述前部(2a)经位于所述喷嘴主体(1)的所述正面(Ia)的所述第一输出孔口(11)伸出到所述轴向腔(5 )的外部，并且 -在所述轴向腔(5)中、介于所述喷嘴主体(1)和所述可移动元件(2)之间设置有弹性元件(8)，所述弹性元件(8)在所述可移动元件(2)上施加趋于与沿所述第一输出孔口(11)的方向在所述轴向腔(5)中的平移相对的弹性回复力。
2.根据权利要求1所述的激光喷嘴，其特征在于，当所述可移动元件(2)沿位于所述喷嘴主体(1)的所述正面(Ia)的所述第一输出孔口(11)的方向在所述轴向腔(5)中平移时，所述可移动元件(2)的形成有围挡部的所述前部(2a)经在所述喷嘴主体(1)的所述正面(Ia)的所述第一输出孔口(11)伸出到所述轴向腔(5)的外部。
3.根据前述权利要求中任一项所述的激光喷嘴，其特征在于，所述喷嘴主体(1)的所述轴向腔(5)的底部(15)包括台肩(9)，所述可移动元件(2)的外周壁包括止挡部(10)，所述弹性元件(8)定位在所述台肩(9)与所述止挡部(10)之间。
4.根据前述权利要求中任一项所述的激光喷嘴，其特征在于，在所述喷嘴主体(1)与所述可移动元件(2)之间设置有至少一个密封元件(J)。
5.根据前述权利要求中任一项所述的激光喷嘴，其特征在于，所述至少一个密封元件(7)设置在设置于所述可移动元件(2)的所述外周壁中的外周槽(14)中。
6.根据前述权利要求中任一项所述的激光喷嘴，其特征在于，所述可移动元件(2)能在若干位置之间移动，所述位置包括: -闲置位置，在该位置所述前部(2a)的所述围挡部完全或几乎完全缩回到所述喷嘴主体(1)的所述轴向腔(5)内，和 -工作位置，在该位置所述前部(2a)的所述围挡部经所述第一输出孔口( 11)完全或几乎完全伸出到所述喷嘴主体(1)的所述轴向腔(5)的外部。
7.根据前述权利要求中任一项所述的激光喷嘴，其特征在于，所述可移动元件(2)的所述轴向通路(4)具有呈圆锥形、截顶圆锥形或会聚/发散形的轮廓。
8.一种激光聚焦头，包括至少一个聚焦光学器件，其特征在于，所述激光聚焦头还包括根据前述权利要求中任一项所述的激光喷嘴。
9.一种激光装置，包括激光发生器、激光聚焦头以及连接到所述激光发生器和连接到所述激光聚焦头的激光束输送装置，其特征在于，所述激光聚焦头是根据权利要求8所述的激光聚焦头。
10.根据权利要求9所述的激光装置，其特征在于，所述激光发生器为C02型、YAG型、光纤型或盘型激光发生器。
11.一种用于通过激光束切割的方法，其中使用了根据权利要求1至7中任一项所述的激光喷嘴、根据权利要求8所述的 激光聚焦头或根据权利要求9或10所述的激光装置。
【文档编号】B23K26/142GK103547405SQ201280023501
【公开日】2014年1月29日 申请日期:2012年4月25日 优先权日:2011年5月16日
【发明者】T·茹阿诺, I·德贝克尔, P·勒菲弗 申请人:乔治洛德方法研究和开发液化空气有限公司