用于借助激光束进行火焰切割的方法与流程

1.本发明涉及一种用于借助激光束对工件进行火焰切割的方法，所述激光束具有大于10kw的功率，所述工件具有至少10mm厚度并且尤其是板状的，并且所述方法利用氧气作为切割气体。在这种用于火焰切割的方法中，激光束典型地相对于工件沿着(通常可改变的)切割方向运动，其中，在工件中形成与切割方向相反的切割缝隙。


背景技术：

2.为了切割厚度相对较大的工件，一般来说期望加工激光束具有相对大的焦点直径。切割缝隙应足够宽，以便可以将切割期间产生的液化工件材料和/或熔渣吹走。相比之下，当加工厚度相对较小的工件时、特别是对于快速激光切割，相对小的焦点直径是期望的。
3.wo 2011 124671 a1和wo 2014 060091 a1公开了在多芯光纤的不同芯之间切换一个或多个固态激光束，以便在光纤输出处获得具有可变激光束特性的激光束，所述激光束借助下游切割头能够以可变焦点直径聚焦在待切割的工件上。例如，当以大于10kw的非常高的激光功率进行切割时，使用所述系统可以高质量地切割厚工件和薄工件。然而，在该功率范围内，激光功率的增加不再可能会引起切割速度、即进送运动的相应增加。
4.wo 2009 007708 a2提供了使用氧气作为切割气体对板材进行火焰切割的优选工艺参数。举例来说，激光束的焦点位置应布置在板材表面的上方、特别是距板材表面大约4mm至5mm的距离处。板材表面与加工喷嘴之间的距离在约1mm与约2mm之间。


技术实现要素：

5.本发明的任务是：提出一种用于借助激光束进行火焰切割的方法，所述激光束具有大于10kw的激光功率，在该方法中可以实现切割速度的提高。
6.该任务通过开头提及类型的方法来解决，在所述方法中，激光束的沿射束方向的焦点位置在工件中处于或定位在比工件厚度的一半大的深度处，并且在所述方法中激光束与切割气体一起从切割气体喷嘴的喷嘴开口中射出，其中，工件侧的喷嘴端面与工件表面的距离为至少2mm、优选为至少3mm、特别优选为至少5mm。
7.换句话说，激光束的焦点位置相对于工件表面具有比工件厚度的一半大的距离，激光束在该工件表面上射入到工件中。如果激光束像一般情况下常见的那样在上侧照射到工件上，则焦点位置、即激光束束腰的位置位于工件中心的下方。焦点位置不是典型地位于工件的下方，也就是说，激光束聚焦在处在工件厚度的一半与整个工件厚度之间的焦点位置上。工件的厚度越大，则焦点位置与工件表面之间的距离也越大。
8.焦点位置的这种设定与迄今所使用的设定有明显偏差，在迄今所使用的设定中焦点位置布置在工件的上侧面处、略微低于工件上侧面或者高于工件(参见wo 2009 007708 a2)。
9.通过根据本发明类型的聚焦，焦点位置非常深地处于工件中。这种极其深的焦点
位置导致激光束在工件表面处散焦并由此导致功率密度在工件表面处降低。与此伴随有切割缝隙的扩宽。，以这种方式可以在激光功率在10kw至20kw之间的范围中增大时令人惊讶地实现：在切割棱边质量和工艺可靠性良好的同时，切割速度显著地连续提高。例如，在对大厚度工件进行火焰切割时在使用迄今常见的切割参数的情况下，激光功率提高50％导致进给提高少于20％。而利用根据本发明的方法，在功率增大50％的情况下也可以令人惊讶地达到进给提高50％。
10.发明人已经认识到，对于该方法的实施来说也有利的是，在切割气体喷嘴、更准确地说是喷嘴端面与工件表面之间设定非常大的距离，因为以这种方式辅助了所期望的效果，即进给速度随着激光束功率增大而增大。将切割气体喷嘴与工件表面之间的距离选择得较大也与wo 2009 007708 a2的技术教导相反，该技术教导指出：应将喷嘴与工件上侧之间的距离选择为在1mm至2mm之间。
11.在另一变型中，激光束在激光束发生器中产生，该激光束发生器通过光纤与切割头连接，在该切割头处安装有切割气体喷嘴，其中，光纤构造为单芯光纤或构造为多芯光纤。光纤可以如wo 2011 124671 a1中所描述的那样来构造，也就是说，这种光纤可以构造为具有内光纤芯并且具有至少一个环形芯的多包层光纤。多芯光纤也可以如wo 2014 060091 a1中所描述的那样构型。在使用根据本发明的工艺参数的情况下，能使用多芯光纤，但不再是绝对必要的；而是光纤可以仅具有唯一的芯，如这在简单的或传统的光纤中是常见的。
12.在另一变型中，单芯光纤具有50μm至150μm之间的芯直径。处在这种量级下的芯直径被证实为对于火焰切割来说是有利的。典型地，从光纤射出的激光束被布置在切割头中的聚焦装置，例如呈聚焦光具形式的聚焦装置，例如聚焦透镜，聚焦到工件上。
13.在一种变型中，激光束在工件上侧具有高斯强度分布。这种高斯强度分布被证实对于具有上述参数的火焰切割来说是有利的。典型地，在激光束从单芯光纤中射出时存在高斯强度分布，使得在使用这种光纤的情况下不需要附加的光学元件，以便产生高斯强度分布。
14.在另一变型中，激光束的在焦点位置处的焦点直径为150μm至300μm之间，优选为200μm。当焦点位置处于工件下半部中时，这种焦点直径被证明对于厚的板状工件、尤其是板材的火焰切割来说是有利的。
15.在另一变型中，借助固体激光器或借助二极管激光器作为激光束发生器产生激光束。固体激光器和二极管激光器已被证实对于快速切割尤其较薄的工件来说是有利的并且比co2激光器具有更好的能量效率。通过根据本发明的方法，固体激光器或二极管激光器的应用领域被有意义地扩展到火焰切割工艺。
16.在另一变型中，在从喷嘴开口射出之前，切割气体(氧气)的过压(容器压力)为0.4巴至1巴之间。由于可供使用的较高激光功率大于10kw，需要更少氧气，来实现均衡放热的燃烧过程。氧气量过高会导致切割缝无受控制地烧毁。
17.由说明书、权利要求书和附图中得出本发明主题的进一步优点和有利构型。同样，上文提及的特征和将进一步列举的特征可以分别单独地使用或以多个特征任意组合的方式使用。所示出和描述的实施例不应被理解为详尽的列举，而是具有用于概述本发明的示例性特点。
附图说明
18.在附图中示出：
19.图1示出在借助激光束进行火焰切割时的切割气体喷嘴和板状工件的纵截面；
20.图2示出激光束焦点位置与工件厚度的相关性的图表；
21.图3示出用于实施用于进行火焰切割的方法的激光切割机。
具体实施方式
22.在下面对附图的描述中，将相同的附图标记用于相同或功能相同的构件。
23.图1示出切割气体喷嘴1，该切割气体喷嘴用于借助激光束3和切割气体24对具有至少10mm厚度d的板状金属工件2(板材)进行激光切割(参见图3)。切割气体24和激光束3两者一起从切割气体喷嘴1的喷嘴开口5中射出。激光束3具有沿着xyz坐标系的负z轴方向延伸的射束方向6。激光切割工艺是将氧气用作切割气体24的火焰切割工艺。
24.切割气体喷嘴1在工件2的上方沿切割方向7运动，该切割方向相当于xyz坐标系的x方向，以便在工件2中产生切割缝隙。在所示出的示例中，从工件侧的喷嘴端面8到面向切割气体喷嘴1的工件表面9的距离a为至少2mm、优选为至少3mm、尤其是为至少5mm。激光束3的沿射束方向6的焦点位置f处于工件2的厚度d以内，更准确地说在工件2的远离切割气体喷嘴1的下半部中。换句话说，激光束3的沿射束方向6的焦点位置f在工件2中处于比工件2厚度d的一半d/2大的深度处。在此，在工件2中在焦点位置f处的焦点直径df在150μm至300μm之间、优选地约为200μm。
25.图2中在图表中示出了工件2(板材)中的焦点位置(以毫米为单位)与工件厚度(板材厚度)(以毫米为单位)的关系。能看出，工件2越厚，则焦点位置f越深地位于工件2中。因而，工件厚度d越大，则焦点位置f与工件表面9之间的距离越大。
26.图3示出了适用于执行上文描述的火焰切割方法的激光切割机20。
27.激光切割机20具有固体激光器或二极管激光器作为激光束发生器21。激光切割机20还具有可移动的(激光)切割头22和工件承放部23，工件2布置在该工件承放部上。在激光束发生器21中产生激光束3，借助(未示出的)光纤将该激光束从激光束发生器21导向到切割头22。在所示的示例中，光纤是单芯光纤，也就是说，该光纤仅具有一个芯，激光束3或者说激光束发生器21的激光辐射在该芯中传播。在所示出的示例中，单芯光纤具有处在50μm至150μm之间的芯直径。替代地，为了将激光束3从激光束发生器21导向到切割头22，也可以使用多芯光纤。
28.激光束3借助布置在切割头22中的聚焦光具对准工件2。从单芯光纤射出的激光束3具有高斯强度分布，并且在聚焦到工件2上时保持该高斯强度分布，也就是说，激光束3在工件表面9上同样具有高斯强度分布。
29.此外，激光切割机20被供给切割气体24，该这里作为示例示出了氧气或氮气。为了实施上述火焰切割方法，给切割头22的切割气体喷嘴1供给氧气作为切割气体24，更确切地说，在切割气体24从切割气体喷嘴1射出之前处于约0.4巴至1.0巴的过压下。
30.此外，激光切割机20包括机器控制器25，该机器控制器被编程为用于使切割头22连同切割气体喷嘴1相对于静止的工件2按照切割轮廓移动。机器控制器25还控制激光束发生器21的功率，该功率在更上面描述的火焰切割工艺中大于10kw并且该功率在必要时可能
高达20kw或更高。以这种方式可以例如在工件厚度为15mm的情况下达到3.1m/min的(进给)切割速度并且在工件厚度为25mm的情况下达到1.75m/min的切割速度，其中，切割速度随着激光功率增大而提高。
31.附图标记列表
32.1 切割气体喷嘴
33.2 工件
34.3 激光束
35.5 喷嘴开口
36.6 激光束的射束方向
37.7 切割方向
38.8 喷嘴端面
39.9 工件表面
40.20 激光切割机
41.21 激光束发生器
42.22 切割头
43.23 工件承放部
44.24 切割气体
45.25 机器控制器
46.f 焦点位置
47.d 工件厚度
48.a 距离
49.d
f 激光束直径