激光-等离子复合切割喷嘴、切割装置和方法及应用与流程

激光
‑
等离子复合切割喷嘴、切割装置和方法及应用
技术领域
1.本发明涉及切割装置技术领域，具体而言，涉及一种激光
‑
等离子复合切割喷嘴、切割装置和方法及应用。


背景技术：

2.随着工业化进程的深入，国家在装备、海洋、轨道交通、新能源、冶金及航空航天等领域的深入研究，机械制造、船舶制造、能源及其它工业领域工艺水平的提高，大型焊接结构件先进制造工艺要求进一步提高。这些先进制造技术进一步提高了对焊接和切割技术的要求。船舶建造过程中，5
‑
30mm厚的钢和合金高效质量切割和焊接是最主要的建造需求，目前这一厚度范围的板材采用激光切割和焊接价格十分高昂，而等离子切割在很大程度上难以达到要求后续无需机械加工的质量要求。采用激光和等离子复合热源进行切割的方法可以解决成本与质量的矛盾问题。在现有技术“在激光支持下进行等离子切割或等离子焊接的方法和装置”中提出了通过在钨极外面形成环形激光束或在钨极外面引进两个激光束形成的激光
‑
等离子复合切割方法，但该发明的缺点是环形激光束向外扩散，降低了激光能量密度，同时由于电极预留激光通道，使得等离子压缩性降低，不能很好得利用双方优势。发明专利“利用激光设备与电弧设备加工工件的方法与装置”采用环形电极，中间激光的复合模式进行，该方法的缺点是容易在阴极平行端面造成过热，另外切割过程需要的活性气体通常与等离子发生气混合，这样既影响了等离子体的产生，同时使电极长时间暴露于活性气体，大大缩短其寿命。
3.因此，现有技术中缺乏有效改善的激光
‑
等离子复合切割质量的装置。
4.鉴于此，特提出本发明。


技术实现要素：

5.本发明的目的包括，例如，提供了一种激光
‑
等离子复合切割喷嘴、切割装置和方法及应用，其旨在改善背景技术提到的至少一种问题。
6.本发明的实施例可以这样实现：
7.第一方面，本发明提供一种激光
‑
等离子复合切割喷嘴，喷嘴的中部设置有电弧通道，喷嘴内围绕电弧通道设置环形集气室，环形集气室通过环形的通气道与电弧通道连通，通气道的环内侧与电弧通道连通，通气道的环外侧与环形集气室连通，喷嘴设置有辅助气进气道，辅助气进气道与环形集气室的外侧边缘连通用于使辅助气切向进气。
8.在可选的实施方式中，辅助气进气道数量为2，2个辅助气进气道呈中心对称设置。
9.在可选的实施方式中，通气道与辅助气进气道错位设置。
10.在可选的实施方式中，电弧通道包括相互连通的且均呈圆柱形的导入段和导出段，导入段的直径小于导出段的直径，导入段和导出段的交界处与通气道连通。
11.在可选的实施方式中，通气道在平行于电弧通道方向的截面呈“八”字形，通气道的环内侧与导入段和导出段连通，“八”字形的小头端朝向导出段。
12.在可选的实施方式中，导入段直径为1
‑
5mm，导出段直径为2
‑
7mm。
13.在可选的实施方式中，通气道的外侧到其内侧的距离为导入段直径的1.4
‑
1.6倍，通气道的宽度为导入段直径的0.3
‑
2倍；
14.优选地，通气道的外侧到其内侧的距离为1.5
‑
7.5mm，宽度为0.3
‑
10mm。
15.第二方面，本发明提供一种激光
‑
等离子复合切割装置，包括如前述实施方式任一项的激光
‑
等离子复合切割喷嘴；
16.优选地，切割装置还包括棒状阴极，棒状阴极设置于电弧通道进气的一侧且朝向电弧通道。
17.第三方面，本发明提供一种激光
‑
等离子复合切割方法，采用如前述实施方式的激光
‑
等离子复合切割喷嘴进行切割。
18.在可选的实施方式中，电弧通道内通离子发生气，离子发生气的流速为30
‑
300l/min，压强0.2
‑
2.0mpa；优选地，离子发生气为氦气或氩气；
19.优选地，辅助气进气道通入的辅助气的流速和压强均分别小于离子发生气的流速和压强；优选地，辅助气包括氧气和空气中至少一种，更优选地，所述辅助气包括活性气体，所述活性气体包括甲烷、丙烷、丙烯和乙炔中至少一种；进一步优选地，所述辅助气还包括水蒸气、氮气；
20.优选地，切割时，电弧和激光束在z轴的运动是为相对独立，切割过程根据工件厚度在距离工件表面0
‑
90％范围内动态调节激光焦点位置。
21.在可选的实施方式中，切割时用到的棒状阴极为1个或4个，当使用直流电源时，棒状阴极为1个；当使用三相交流电时，棒状阴极为4个，其中3个对应三相，另外一个用于稳定直流电源。
22.第四方面，本发明提供上述喷嘴、装置和方法在汽车、船舶或轨道交通领域的大型构件的切割中的应用。
23.本发明实施例的有益效果包括，例如：
24.由于辅助气进气道、环形集气室和通气道的具体设置，减小了活性气体对电极的影响，增大了辅助气的气压和分布均匀性，因此喷嘴可以用于改善切割质量，结果表明切割质量与激光切割接近，同时还降低了由于使用活性气体导致的电极寿命缩短的风险。与常规装置相比，本技术提供的喷嘴可以在活性气体(氧气，空气等)的条件下切割实现电极功能稳定性，并可以将金属板材料的切割速度提高约一半。
附图说明
25.为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
26.图1为本技术实施例提供的激光
‑
等离子复合切割喷嘴的主视图；
27.图2为本技术实施例提供的激光
‑
等离子复合切割喷嘴的俯视图；
28.图3为图2中a
‑
a处的剖视图；
29.图4为图1中b
‑
b处的剖视图；
30.图5为图1中c
‑
c处的剖视图；
31.图6为图1中d
‑
d处的剖视图；
32.图7为本技术另一实施例的激光
‑
等离子复合切割喷嘴的剖视图；
33.图8为本技术实施例提供的切割方法切割时的示意图；
34.图9为实验例对照组和实验组提供的切割方法切割后的效果图。
35.图标：100
‑
激光
‑
等离子复合切割喷嘴；110
‑
电弧通道；111
‑
导入段；112
‑
导出段；120
‑
环形集气室；130
‑
辅助气进气道；140
‑
通气道；20
‑
棒状电极；9
‑
辅助气；10
‑
电源和冷却水集成装置；11
‑
工件；12
‑
激光束；13
‑
离子发生气。
具体实施方式
36.为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
37.因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
38.应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。
39.在本发明的描述中，需要说明的是，若出现术语“上”、“下”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
40.此外，若出现术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
41.需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明的实施例中的特征可以相互结合。
42.请参考图1至图6所示，本实施例提供了一种激光
‑
等离子复合切割喷嘴100，喷嘴的中部设置有电弧通道110，喷嘴内围绕电弧通道110设置环形集气室120，环形集气室120通过环形的通气道140与电弧通道110连通，通气道140的环内侧与电弧通道110连通，通气道140的环外侧与环形集气室120连通，喷嘴设置有辅助气进气道130，辅助气进气道130与环形集气室120的外侧边缘连通用于使辅助气9切向进气。
43.本技术提供的切割喷嘴设置有专门的辅助气通道即：辅助气进气道130、环形集气室120和通气道140，使用时，辅助气9从辅助气通道进入电弧通道110，离子发生气13从喷嘴上部进入电弧通道110，在进入电弧通道110前将辅助气9和离子发生气13隔离开，减小了辅助气9中的活性气体对电极的影响；由于在喷嘴上设置环形集气室120，并设置为切向进气的方式，可使得辅助气9以旋涡式运动并经通气道140进入电弧通道110，如此可增大气压，提高辅助气9进入电弧通道110的均匀性；由于本技术提供的喷嘴具有上述特点，该喷嘴可以用于改善切割质量，结果表明切割质量与激光切割接近，同时还降低了由于使用活性气
体导致的电极寿命缩短的风险。与常规装置相比，本技术提供的喷嘴可以在活性气体(氧气，空气等)的条件下切割实现电极功能稳定性，并可以将金属板材料的切割速度提高约一半。
44.优选地，辅助气进气道130数量为2，2个辅助气进气道130呈中心对称设置。
45.优选地，通气道140与辅助气进气道130错位设置。即切割时，通气道140高于辅助气进气道130或低于辅助气进气道130。如此设置可保证辅助气9从通气道140进入集气室后经历充分的旋转运动后再进入电弧通道110。
46.设置两个辅助气进气道130，两端进气，提高进气效率，同时也能提高气体分布的均匀性。
47.进一步地，电弧通道110包括相互连通的且呈圆柱形的导入段111和导出段112，导入段111的直径小于导出段112的直径，导入段111和导出段112的交界处与通气道140连通。
48.导入段111和导出段112的不同直径的具体设置可以调控等离子电弧压缩程度，而导入段111的管径小于导出段112的管径的设置有利于喷嘴环形集气室120向电弧输出辅助气9。
49.优选地，为保证更好的切割效果，导入段111直径为1
‑
5mm(例如1mm、2mm、3mm或5mm)，导出段112直径b为2
‑
7mm(例如2mm、4mm、5mm或7mm)。
50.优选地，为了进一步提高切割效果，环形集气室120通向电弧通道110之间的通气道140需要一定长度用于对气体进行压缩，因此，通气道140的外侧到其内侧的距离(长度)c为导入段111直径a的1.4
‑
1.6(例如1.5倍)倍，通气道140的宽度d为导入段111直径的0.3
‑
2倍(例如0.3倍、0.5倍、1倍2倍)。
51.进一步优选地，通气道140的外侧到其内侧的距离为1.5
‑
7.5mm(例如1.5mm、2mm、3mm、5mm或7.5mm)，宽度为0.3
‑
10mm(例如0.3mm、1mm、3mm、5mm或10mm)。
52.本实施例中，通气道140为平面环形，需要说明的是，在本技术其他更优选的实施例中，通气道140呈立体的环形，具体是：通气道140在平行于电弧通道110方向的截面呈“八”字形，即环内侧对应“八”的顶端，换外侧对应“八”的底端，通气道140的环内侧与导入段111和导出段112连通，“八”字形的小头端朝向导出段112。如此设置可使得辅助气9朝下喷出，进一步减小辅助气9中的活性气体对阴极的影响。
53.本技术实施例还提供了一种激光等离子复合切割装置，其激光
‑
等离子复合切割喷嘴100。
54.优选地，切割装置还包括棒状电极20，棒状电极20设置于电弧通道110进气的一侧且朝向电弧通道110。
55.优选地，切割装置还可以包括电源和冷却水输出装置。
56.本技术实施例还提供了一种激光等离子复合切割方法，该方法采用激光
‑
等离子复合切割喷嘴100进行切割。
57.具体为：
58.第一阶段：在激光
‑
等离子复合切割喷嘴100入口附近设置棒状电极20，在电弧起弧前，输入离子发生气13向下通向电弧通道110，通过2个辅助气进气道130将辅助气9引入带有环形集气室120的喷嘴内部，辅助气9通过辅助气9进气通道正切旋涡式运动并经过通气道140进入电弧通道110。
59.第二阶段：由电源和冷却水集成装置10提供冷却水和直流电。通过在设置的1个棒状电极20和激光
‑
等离子复合切割喷嘴100之间施加高压，引出维弧，有助于引出位于棒状电极20作为阴极和已加工工件11作为阳极之间的主电弧放电。通过在棒状电极20和待处理的阳极工件11之间施加电压电离离子发生气13产生电弧，并且此时激光束12通过喷嘴与电弧形成复合热源作用于工件11。
60.在切割过程中离子发生气13和辅助气9持续通气。
61.需要说明的是，在本技术的其他实施例中，切割时使用三相交流电，用到的棒状阴极为4个，其中3个对应三相，另外一个用于稳定直流电源。
62.优选地，离子发生气13常用为氦气或氩气，当然，其他离子发生气13可也使用。
63.优选地，辅助气9包括氧气和空气中至少一种，更优选地，所述辅助气包括活性气体，所述活性气体包括甲烷、丙烷、丙烯和乙炔中至少一种；进一步优选地，所述辅助气还包括水蒸气、氮气。
64.此外，辅助气通常还包括辅助气9的作用包括辅助燃烧、充当保护气。
65.进一步地，离子发生气13的流速为30
‑
300l/min，压强0.2
‑
2.0mpa。
66.进一步优选地，辅助气进气道130通入的辅助气9的流速和压强均分别小于离子发生气13的流速和压强。
67.优选地，切割时，电弧和激光束12在z轴的运动是为相对独立，切割过程根据工件11厚度在距离工件11表面0
‑
90％范围内动态调节激光焦点位置。
68.以下结合实施例对本发明的特征和性能作进一步的详细描述。
69.实施例1
70.本实施例提供的激光
‑
等离子复合切割装置，具体为：
71.使用喷嘴导入段111直径a＝3mm，导出段112直径b＝3.5mm，通气道140宽度d＝1mm，长度c＝4.5mm，离子发生气13体为氩气，150
‑
160l/min，功能气体为氧气，0.4
‑
0.5mpa，4.0kw激光束12与200a等离子电流通过上述喷嘴切割20mm q235钢，激光焦点
‑
5mm，切割速度60m/h。
72.对比使用喷嘴直径3mm，长度6mm的喷嘴进行切割试验，离子发生气13体为氩气，150
‑
160l/min，功能气体为氧气，0.4
‑
0.5mpa，4.0kw激光束12与200a等离子电流通过上述喷嘴切割20mm q235钢，激光焦点
‑
5mm，切割速度30
‑
35m/h。
73.实施例2
74.使用喷嘴导入段111直径a＝3mm，导出段112直径b＝3.5mm，通气道140宽度d＝1mm，长度c＝4.5mm，离子发生气13体为氩气，150
‑
160l/min，功能气体为氧气，0.4
‑
0.5mpa，2.0kw激光束12与100a等离子电流通过上述喷嘴切割10mm sus304钢，激光焦点
‑
3mm，切割速度30m/h。
75.对比使用喷嘴直径3mm，长度6mm的喷嘴进行切割试验，离子发生气13为氩气，150
‑
160l/min，功能气体为氧气，0.4
‑
0.5mpa，2.0kw激光束12与100a等离子电流通过上述喷嘴切割10mm sus304钢，激光焦点
‑
3mm，切割速度55m/h。
76.实验例
77.为了比较在活性气体下切割，棒状电极20的使用寿命，进行了以下实验。
78.对照组：将氧气添加到常规装置进行激光
‑
等离子复合切割，离子发生气13采用氩
气和氧气的混合气，流量比为ar：o2＝160l/min：140l/min。以60m/h的切割速度对20mmq235钢进行切割。电极的使用寿命约为0.5分钟。
79.实验组：用本技术提供的装置分别将流速为160l/min的等离子形成气体(氩气)产生电弧从电弧通道110上方送入喷嘴，将流速为140l/min的氧气从辅助气进气道130送入喷嘴进行复合切割，以60m/h的切割速度对20mmq235钢进行切割。在电极工作60分钟后，未检测到其几何形状出现重大变化。
80.切割效果对比图如图9所示。
81.综上，本技术提供的激光
‑
等离子复合切割喷嘴，由于辅助气进气道、环形集气室和通气道的具体设置，减小了活性气体对电极的影响，增大了辅助气的气压和分布均匀性，因此喷嘴可以用于改善切割质量，结果表明切割质量与激光切割接近，同时还降低了由于使用活性气体导致的电极寿命缩短的风险。与常规装置相比，本技术提供的喷嘴可以在活性气体(氧气，空气等)的条件下切割实现电极功能稳定性，并可以将金属板材料的切割速度提高约一半。
82.本技术提供的激光
‑
等离子复合切割装置和方法，同样具有上述优点，该装置和方法非常适合应用于汽车、船舶或轨道交通领域的大型构件的切割中。
83.以上，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。