CN110461532A - 气体喷嘴的用于封闭切割气体射束的耐磨损套筒 - Google Patents

气体喷嘴的用于封闭切割气体射束的耐磨损套筒 Download PDF

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CN110461532A CN201880022066.7A CN201880022066A CN110461532A CN 110461532 A CN110461532 A CN 110461532A CN 201880022066 A CN201880022066 A CN 201880022066A CN 110461532 A CN110461532 A CN 110461532A
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Abstract

本发明涉及一种用于气体喷嘴(1)的套筒(10)，所述套筒具有套筒基体(21)并且具有套筒端面(17)，所述套筒端面至少部分地通过固定在所述套筒基体(21)上的防磨损元件(22)构成，所述防磨损元件比邻接到所述套筒端面(17)上的所述套筒基体(21)由更耐磨的材料构成，根据本发明，所述套筒端面(17)的内和/或外引导斜面(18a,18b)至少部分地由所述防磨损元件(22)构成。

Description

气体喷嘴的用于封闭切割气体射束的耐磨损套筒
技术领域
本发明涉及一种用于气体喷嘴的套筒，该套筒具有套筒基体并且具有套筒端面，所述套筒端面至少部分地通过固定在套筒基体上的防磨损元件构成，所述防磨损元件由比邻接到套筒端面上的套筒基体更耐磨损的材料构成，以及也涉及一种具有这样的套筒的、用于激光加工头的气体喷嘴。
背景技术
例如由US 9,610,652 B2已知这种气体喷嘴。
对气体喷嘴、尤其切割气体喷嘴的下侧和在其下方布置的工件表面之间的空间进行封闭能够实现显著地
-减少用于刺入过程所需的时间，
-降低气体压力并且由此简化所需要的气体设备(例如以低压供给装置代替高压供给装置)，
-减少气体消耗，
-提高加工速度，
-减少微观粗糙度和在产生的切割棱边上的毛刺。
由US 9,610,652 B2已知的套筒具有套筒基体，在该套筒基体的套筒端面上固定有由电绝缘陶瓷材料，例如Al2O3、AlN、ZrO或Al2TiO5构成的或由聚合物材料构成的套筒形的防磨损元件。该防磨损元件超过套筒基体的套筒端面几毫米突出并且引起套筒相对于损伤机理如超过熔化温度或磨蚀的局部的有限保护。
由WO 2015/170029 A1已知一种切割气体喷嘴，该切割气体喷嘴具有用于封闭切割气体射束的可运动的金属套筒，该金属套筒由含铅的青铜合金构成。然而，这样的金属套筒在切割过程期间对切割气体喷嘴到工件表面的电容间距调节产生不利作用。对于电容间距调节而言，切割气体喷嘴的表面和板材表面作为电容器的导电表面起作用，在激光切割设备运行期间在所述导电表面上施加有高频交流电压。两个电容器表面之间的电场强度的变化被连续地测量并且被用于调整切割气体喷嘴和板材表面之间的间距(“电容间距调节”)。在此，通过操纵电容器元件之间的电介质来改变电场必须被限制到最小，以便保证电容间距调节的无干扰运行。
由WO 2016/177595 A1已知的套筒由非导电材料构成，尤其由陶瓷或塑料构成，并且因此，只要所使用的塑料不掺入或仅微量地掺入介电活性材料，在金属氧化物陶瓷的情况下仅对电容间距调节具有小的负面作用并且在塑料的情况下对电容间距调节没有负面作用。在气体喷嘴的运行中，前套筒端面可以与待加工的工件表面处于直接的机械接触中，使得前套筒端面经受磨损。
在激光切割过程开始时需要借助聚焦的激光束钻穿待加工的工件(“刺入过程”)。在该刺入过程期间，工件的被激光束局部熔化的金属与激光束的扩散方向相反地以高速从刚产生的“起始孔”逸出。因此，切割气体喷嘴以及设置为用于封闭切割气体射束的套筒在刺入过程期间经受从刺入孔流出的熔化液滴。
此外，在刺入过程期间液化的金属部分附着在工件表面上并且局部地导致增加的表面温度以及表面粗糙度。在完成刺入过程之后，直接切换到真正的切割运行中，这导致前套筒端面在刺入过程之后被放置在热的且粗糙的工件表面上，并且此后在直接机械接触的情况下在热的且粗糙的工件表面上方运动。工件表面的高温和附着的金属熔化物的磨蚀作用不但在使用脆性陶瓷套筒的情况下而且在使用塑料套筒的情况下导致前套筒端面的磨损。
在激光加工过程、尤其切割过程或焊接过程期间，一方面从工件表面反射回的激光辐射和另一方面从切割缝隙或者熔池中扩散出的热辐射在套筒内部导致热负荷，该热负荷可能导致超过熔化温度并且从而导致破坏。
发明内容
因此，本发明所基于的任务在于，给出一种用于气体喷嘴的替代套筒，尤其不会以不适用于电容间距调节功能作用的方式改变所述套筒的介电特性。
该任务根据本发明通过以下方式来解决：套筒端面的内引导斜面和/或外引导斜面至少部分地由防磨损元件构成。优选地，套筒端面的内引导斜面和/或外引导斜面仅由防磨损元件构成。
为了能够越过在工件表面中的轻微阶梯而无损坏地滑动，如该阶梯例如可能由于切割开的工件部分倾斜而出现，前套筒端面优选具有至少部分地由防磨损元件构成的内引导斜面和/或外引导斜面。防磨损元件必须首要保护前套筒端面的套筒尖端，该套筒尖端在运行中具有到工件表面最小间距，并且因此优选地从套筒尖端超过至少2mm、特别优选超过外引导斜面的至少一半并且优选最大4mm延伸到套筒中。
根据本发明已经得知，当仅特别暴露的和从而有磨损危险的前套筒端面至少部分地由防磨损材料构成并且由此套筒基体被保护以防与部分液化的工件材料直接接触时，已经能够实现足够地保护套筒免受由于与熔化液态的结构钢或不锈钢接触的超负荷以及免受增加的磨蚀。(前)套筒端面特性的局部有限的改变能够实现显著地提高其使用寿命，而为此不必限制或甚至完全放弃套筒的上一级特性(尽可能高的电绝缘电阻和介电中性)。
不但机械材料特性(抗拉强度/硬度)以及热材料特性(熔化温度)对于使不希望的磨损最小化都是有意义的。因此，防磨损材料应尽可能好地满足以下要求：
-对电容间距调节的工作方式的尽可能小的负面作用，
-由于前套筒端面在工件表面上的滑动运动而在金属工件表面上不形成刮痕，
-尽可能高的形状稳定性和耐磨性，
-尽可能高的反射率和高的耐热性，和
-尽可能小的金属飞溅物附着倾向。
有利地，选择以下防磨损材料：
-该防磨损材料的熔化温度高于400℃，
-该防磨损材料的硬度以及弹性模量至少与铝的硬度和弹性模量一样大，
-该防磨损材料的导热能力和相对于红外辐射的反射率至少与不锈钢的导热能力和反射率一样高，和
-该防磨损材料的金属飞溅物附着倾向最多与不锈钢的金属飞溅物附着倾向一样大。
防磨损元件优选至少部分地由金属材料、尤其由铜合金构成。锡磷青铜以优化的方式满足对耐磨性提出的要求，尤其该材料的高铜含量也满足热要求(高熔化温度、低金属飞溅物附着性)以及光学要求(高反射率)。铝合金、铜碲合金、硬黄铜或金属氧化物或金属氮化物同样适用。
套筒基体优选由非导电材料构成，尤其由塑料或由陶瓷(例如氧化铝)构成。已经表明：耐高温的热塑性塑料(例如聚醚醚酮(PEEK))是最适用于套筒的基础材料，因为塑料具有比陶瓷更高的弹性。
所使用的塑料的重要特性是：
-热塑成型性
-不含填料，如玻璃、碳、固体润滑剂或颜料
-低相对密度
-高抗拉弹性模量和高抗拉强度
-高硬度
-高熔化温度和持续使用温度
-高导热能力
-低介电常数
-不可燃性
特别有利地，防磨损元件在套筒基体的内部的、邻接到套筒端面上的部分中的壁厚小于套筒的半个壁厚并且不超过2mm、尤其不超过1.5mm。通过尽可能薄壁实施的防磨损元件不损害喷嘴的电容间距调节的功能。在防磨损元件和套筒基体之间的重叠区域的轴向长度优选不小于1mm且不大于3mm。以这种方式，一方面保护套筒基体的内部部分免受散射辐射和熔化液态的工件材料，并且另一方面不干扰间距调节的功能。
优选地，防磨损元件构造为环形或管形的，其中有利地，防磨损元件和套筒基体可以彼此***。
对于套筒基体和防磨损元件之间的连接存在多个可能性。一种变型设置，将防磨损元件借助粘合剂粘接到套筒基体上，该粘合剂必须是耐高温的且高弹性的。
在其它变型中，磨损保护元件与套筒基体形状锁合和/或力锁合地连接，其中，所使用的材料良好地适用于切削加工或适用于成型过程是有利的，以便能够可重复且低成本地实现套筒基体和防磨损元件之间的力锁合或形状锁合连接。在管形或套筒形的防磨损元件的情况下得到大的接合表面，通过该接合表面，防磨损元件和套筒基体处于相互接触中。由此，已经很小的径向接合应力引起大的轴向作用的滑动摩擦，该滑动摩擦由于同样轴向作用的重力以及气流的壁剪切应力抵抗防磨损元件从套筒基体滑出。在此，特别有利的是，防磨损元件在其外周面上具有一个环绕的环形突出部或者多个用于建立形状锁合连接的单个的突出部。在另一变型中，套筒基体可以在其柱形内表面中具有侧凹部(例如环形槽)，防磨损元件的一个或多个突出部嵌入到所述侧凹部中。当套筒基体由非热塑性材料、即由陶瓷构成时，该变型尤其是适合的。
为了通过防磨损材料尽可能少地影响对于电容间距调节重要的、喷嘴表面和工件表面之间的电磁场，构成前套筒端面的防磨损元件应实施为尽可能薄的或者薄壁的并且限制在套筒的以下区域中，该区域在正常运行中由于熔化液态的金属飞溅物(例如在刺入过程中)以及由于工艺过程排放(例如在切割过程或焊接过程中)经受持久的热负荷或者由于与工件表面的碰撞而经受机械负荷。防磨损元件的厚度(壁厚)在套筒基体的内部的柱形部分中优选小于套筒基体的柱形部分的半个壁厚。相反地，在前套筒端面的区域中，防磨损元件的超过套筒基体的环绕凸缘突出的厚度至少是在套筒前端面上环绕的凸缘厚度的一半、优选约2/3，以便保证足够的耐磨性。优选地，防磨损元件完全覆盖环绕凸缘，使得实现尽可能好地保护套筒免受散射辐射或熔化液态的工件材料。
在另一变型中，套筒的受气体压力在向前方向上、即朝工件的方向上作用的表面部分是套筒的受气体压力在向后方向上、即远离工件4作用的表面部分1.2至1.4倍那样大。由于该构型，套筒在喷嘴运行中被流动的气体恰好如此强烈地压到工件表面上，使得该套筒由于气体到套筒的内引导斜面上的浮力作用而不从工件表面抬起。即由于气体压力作用到套筒上的浮力和按压力恰好保持平衡，使得套筒以尽可能无摩擦的方式在工件表面上滑动。
附图说明
由说明书、权利要求和附图得到本发明主题的另外的优点和有利的构型。之前所述的和还进一步列举的特征同样可以单独地或以多个任意组合的形式使用。所示的和所说明的实施方式不应理解为最终的穷举，而是更确切地具有用于描述本发明的示例性的特征。
附图示出了：
图1a,1b根据本发明的呈具有可移动套筒的切割气体喷嘴形式的气体喷嘴，所述套筒在图1a中位于其向前移位的、前终端位态中，而在图1b中位于向后移位的、后方位态中；
图2a,2b在图1中所示的两部分的套筒(图2a)和在分解状态中的套筒(图2b)；和
图3至6根据本发明的套筒的不同的其它实施方式。
在下面的附图说明中，对于相同或功能相同的构件使用相同的附图标记。
具体实施方式
在图1a,1b中所示的切割气体喷嘴1布置在激光加工头2上并且用于将切割气体指向借助激光束3加工的工件(例如板材)4上。这样的切割气体喷嘴1例如可以使用在如在DE10 2013 210 844B3中公开的激光加工机上。
切割气体喷嘴1包括喷嘴体5以及超过内喷嘴6突出的套筒10，所述喷嘴体分别具有用于形成核心气流7的内喷嘴6和具有用于形成环形气流9的、包围内喷嘴6的环形缝隙喷嘴8。喷嘴体5两部分地由外喷嘴体和内喷嘴体5a,5b组合成。套筒10在环形缝隙喷嘴8的环形缝隙11中，更确切地说在环形缝隙11的外壁12上，可轴向地向前和向后移动地被导向，并且在图1a中示出套筒在其向前移位的前终端位态中，而在图1b中示出套筒在向后移位的、后方位态中。在环形缝隙11的通过内喷嘴6的外侧形成的内壁13上构造有阀座14，套筒10在其前终端位态中贴靠在该阀座上。内喷嘴6经由其中心喷嘴开口15连接到气体供应部(未示出)上并且环形缝隙11经由一个或多个连通开口16连接到喷嘴孔15上。激光束3通过喷嘴开口15被指向工件4上。
为了能够越过在工件表面中的轻微阶梯而无损坏地滑动，如该阶梯例如可能由于切割开的工件部分的倾斜而出现，套筒10的前套筒端面17在内侧和/或外侧上具有引导斜面18a,18b。
在图1a中所示的前终端位态中，套筒10与工件4间隔开并且以环形凸缘19密封地贴靠在阀座14上，由此，环形缝隙喷嘴8的喷嘴横截面20很大程度上是闭合的。从激光加工头2流入到切割气体喷嘴1中的切割气体可以基本上仅通过中心内喷嘴6作为核心气流7流出。当激光加工头2和从而内喷嘴6具有到工件表面的大的间距时，该单孔喷嘴在激光束3刺入到工件4中时或在薄板材加工时是所希望的。
当套筒10从其前终端位态被向后移位到在图1b中所示的后方位态中时，该套筒从阀座14抬起。切割气体可以经由连通开口16流到环形缝隙11中并且从那里通过现在释放的喷嘴横截面20作为环形气流9流出。该旁流喷嘴尤其在切割厚工件时是所希望的，在该旁流喷嘴中，切割气体不但从内喷嘴6而且从环形缝隙喷嘴8流出。
在套筒10未置于工件4上时，通过切割气体压力将套筒10向前移位到其前终端位态中。通过气体喷嘴1向工件4不同程度地降低实现套筒10的向后移位，由此，套筒10置于工件表面上并且被向后移位到后方位态中。
如在图2a和2b中所示的那样，套筒10具有套筒基体21和固定在该套筒基体上的环形的防磨损元件22，该防磨损元件部分地构成前套筒端面17。替代地，套筒端面17的内引导斜面和/或外引导斜面18a,18b也可以仅由防磨损元件22构成。套筒基体21由非导电材料构成，尤其由塑料例如PEEK或由陶瓷构成，并且防磨损元件22由更耐磨的材料构成，尤其由金属材料例如锡磷青铜、铜碲、铝合金或硬黄铜构成。防磨损元件22和套筒基体21相互***，其中，防磨损元件22在套筒基体21的内部的柱形部分中的厚度(壁厚)d小于套筒10的半个壁厚D。防磨损元件22的壁厚d优选不大于2mm、尤其不大于1.5mm，并且防磨损元件22和套筒基体21之间的重叠区域的轴向长度L不小于1mm且不大于3mm。套筒10的前端面17构造为环绕凸缘23，并且防磨损元件22的超过环形凸缘23突出的厚度(高度)h至少相当于环绕凸缘23的厚度(高度)H的一半。防磨损元件22主要代替前套筒端面17的下尖端，该防磨损元件具有内引导斜面18a并且从套筒尖端出发超过外引导斜面18b至少2mm并且优选最大4mm延伸到套筒10中。防磨损元件22在内部例如借助耐高温且高弹性的粘接剂粘接到套筒体21的阶梯状套筒开口中或由于防磨损元件22和套筒10之间相应的直径差而力锁合地固定在该套筒中。
在图3中作为半剖面分别示出两个另外的套筒变型，在所述变型中，防磨损元件22粘接到套筒体21上。外引导斜面18b由环形的防磨损元件22构成。在左侧的半剖面中，阶梯状的防磨损元件22在外部套装到套筒体21上并且粘接到套筒体21的平坦端面上。在右侧的半剖面中，防磨损元件22帽形地构造有大致U形的插接口24，借助该插接口，所述防磨损元件套装到套筒体21的套筒端部上并且粘接在该套筒端部上。
在图4中作为半剖面分别示出两个另外的套筒变型，在所述变型中，防磨损元件22与套筒体21形状锁合地并且力锁合地连接。防磨损元件22的管状柱体构型产生大的接合表面，在组装在一起的状态中，防磨损元件22和套筒体21经由所述接合表面相互力锁合地连接。由此，很小的径向接合应力已经引起大的轴向作用的滑动摩擦，该滑动摩擦抵抗防磨损元件22由于同样轴向作用的重力以及切割气流的壁剪切应力而从套筒10滑出。在左侧的半剖面中，防磨损元件22在其内上边缘处具有一个环绕的或多个单个的接片25，所述接片径向向外地嵌入到套筒体21的开口壁中的为此相应地设置的环绕凹槽中并且由此卡接该套筒体。在右侧的半剖面中，防磨损元件22在其外上边缘处具有一个环绕的或多个单个接片26，所述接片在外部包住套筒体21的外凸肩并且由此卡接该套筒体。
在图5的左侧半剖面中所示的套筒变型中，防磨损元件22在其周面上具有环绕的、尤其钩形的突出部27或多个单独的突出部，所述突出部被压入到套筒体21的开口壁中并且以这种方式起到倒钩作用。所述突出部27的外径比套筒基体21的套筒开口的直径更大，使得套筒基体21的材料至少在微观尺度上由于通过压入而产生的内应力而流动到所述突出部27周围。由此形成与突出部27形状锁合的连接部(“侧凹部”)。在图5的右侧半剖面中所示的套筒变型中，套筒基体21在其开口壁中具有环形槽28，一个环绕的突出部29或多个单个的突出部卡锁地嵌入到该环形槽中。当套筒基体21的材料不是热塑性的、而例如由陶瓷构成时，该变型尤其是适合的。
在图6中所示的套筒10包括具有环绕凸缘23的套筒基体21和防磨损元件22，该防磨损元件固定在环绕凸缘23上并且在其前侧上帽形地覆盖所述环绕凸缘23。防磨损元件22的超过环形凸缘23突出的厚度h相当于环绕凸缘23的厚度H的至少一半。防磨损元件22的壁厚d在套筒基体21内部的、邻接到套筒端面上的部分中比套筒10的半个壁厚D更小并且不大于2mm、尤其不大于1.5mm。防磨损元件22和套筒基体21之间的重叠区域的轴向长度L不小于1mm且不大于3mm。背离工件4的表面30、即套筒10的受切割气体压力在向前方向31上、即朝工件4的方向上作用的表面部分F是内引导斜面18a、即受切割气体压力在向后方向32上、即远离工件4作用的表面部分f的1.2至1.4倍那样大。

Claims (18)

1.一种用于气体喷嘴(1)的套筒(10)，所述套筒具有套筒基体(21)并且具有套筒端面(17)，所述套筒端面至少部分地通过固定在所述套筒基体(21)上的防磨损元件(22)构成，所述防磨损元件由比邻接到所述套筒端面(17)上的所述套筒基体(21)更耐磨的材料构成，
其特征在于，所述套筒端面(17)的内引导斜面和/或外引导斜面(18a,18b)至少部分地由所述防磨损元件(22)构成。
2.根据权利要求1所述的套筒，其特征在于，所述套筒端面(17)的所述内引导斜面和/或外引导斜面(18a,18b)仅由所述防磨损元件(22)构成。
3.根据权利要求1或2所述的套筒，其特征在于，所述防磨损元件(22)在所述套筒基体(21)的内部的、邻接到所述套筒端面(17)上的部分中的壁厚(d)小于所述套筒(10)的半个壁厚(D)。
4.根据前述权利要求中任一项所述的套筒，其特征在于，所述防磨损元件(22)在所述套筒基体(21)的内部的、邻接到所述套筒端面(17)上的部分中的壁厚(d)不大于2mm、尤其不大于1.5mm。
5.根据前述权利要求中任一项所述的套筒，其特征在于，所述防磨损元件(22)和所述套筒基体(21)之间的重叠区域的轴向长度(L)不小于1mm且不大于3mm。
6.根据前述权利要求中任一项所述的套筒，其特征在于，所述防磨损元件(22)至少部分地由这样的材料构成：所述材料的熔化温度高于400℃，所述材料的硬度以及弹性模量至少与铝的硬度和弹性模量一样大，所述材料的导热性能和相对于红外辐射的反射率至少与不锈钢的导热性能和反射率一样高，并且所述材料的金属飞溅物附着倾向最多与不锈钢的金属飞溅物附着倾向一样大。
7.根据前述权利要求中任一项所述的套筒，其特征在于，所述防磨损元件(22)至少部分地由金属材料构成，尤其由铜合金或铝合金例如锡磷青铜、铜碲或硬黄铜构成，或由金属氧化物或金属氮化物构成。
8.根据前述权利要求中任一项所述的套筒，其特征在于，所述套筒基体(21)由非导电材料构成，尤其由塑料或陶瓷构成。
9.根据权利要求8所述的套筒，其特征在于，所述套筒基体(21)由热塑性材料构成，尤其由聚醚醚酮构成。
10.根据前述权利要求中任一项所述的套筒，其特征在于，所述套筒端面(17)部分地由所述套筒基体(21)的环绕凸缘(23)构成，所述防磨损元件(22)贴靠、尤其固定在所述套筒基体上。
11.根据权利要求10所述的套筒，其特征在于，超过所述环绕凸缘(23)突出的所述防磨损元件(22)的厚度(h)相当于所述环绕凸缘(23)的厚度(H)的至少一半。
12.根据权利要求10或11所述的套筒，其特征在于，所述防磨损元件(22)完全覆盖所述凸缘(23)。
13.根据前述权利要求中任一项所述的套筒，其特征在于，所述防磨损元件(22)构造为环形或管形的，并且尤其在该防磨损元件的外周面上具有一个环形突出部或多个突出部(25,26,27,29)。
14.根据前述权利要求中任一项所述的套筒，其特征在于，所述防磨损元件(22)和所述套筒基体(21)彼此***。
15.根据前述权利要求中任一项所述的套筒，其特征在于，所述防磨损元件(22)粘接到所述套筒基体(21)上。
16.根据前述权利要求中任一项所述的套筒，其特征在于，所述防磨损元件(22)与所述套筒基体(21)形状锁合和/或力锁合地连接。
17.根据前述权利要求中任一项所述的套筒，其特征在于，所述套筒(10)的受气体压力在向前方向(31)上作用的表面部分(F)是所述套筒(10)的受气体压力在向后方向(32)上作用的表面部分(f)的1.2至1.4倍那样大。
18.一种用于激光加工头(2)的气体喷嘴(1)，所述气体喷嘴具有喷嘴主体(5)，该喷嘴体具有开口(15)，并且所述气体喷嘴具有包围所述开口(15)的、根据前述权利要求中任一项所述的套筒(10)，所述套筒在所述套筒体(5)上能够轴向向前和向后移动地被导向并且所述套筒的前套筒端面(17)至少在前终端位态中超过所述喷嘴体(5)突出。
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