DK168593B1 - Fremgangsmåde ved laserskæring af metalliske emner - Google Patents

Description

i DK 168593 B1

Opfindelsen angår en fremgangsmåde til laserskæring i metalliske emner, ved hvilken fremgangsmåde der anvendes en skæregas indeholdende mindst én aktiv gas, eksempelvis oxygen iblandet en i det væsentlige inaktiv gas, såsom He, N2, Ar, 5 C02 eller blandinger heraf, som har en ringe tilbøjelighed til reaktion med materialet i emnet.

En sådan fremgangsmåde kende fra JP-DS "Patents and Abstracts of Japan" 1980, Vd. 4/No. 183, sektion M-47, No. 55-130391.

Ved en laserskæring i et metallisk emne fokuseres en laser-10 stråle på emnet. Samtidig blæses en skæregas, eksempelvis oxygen mod emnet ved hjælp af en dyse. Laserskæreprincippet er illustreret i fig. 1. En laserstråle af f.eks. en C02-laser bliver ved hjælp af en linse fokuseret gennem en dyseanordning på emnet, der f.eks. kan være en metalplade. Via en åbning 15 føres skæregassen til et stilstandskammer og rettes koaksialt med laserstrålen gennem et dysemundstykke mod emnet. Dyseanordningen understøttes af et bærestykke, i hvilket et kugleleje er drejeligt lejret, og mod hvilket et emne, såsom en metalplade ligger an. Et bæreled støtter ved undersiden af 20 emnet og har et hul under dyseanordningen. Emnet bevæges under skæringen i en given retning og kan under bevægelsen holdes på et bevægeligt koordinatskærebord.

Oxygenet i skæregassen tjener dels til at beskytte linsen.i skæreanordningen mod udsprøjtning og slagger hidrørende fra 25 skæreprocessen, dels til at udsprøjte smelte og slagger fra det snit, som dannes under skæringen.

Ved dette smeltede materiale bliver slaggen spulet gennem hullet i bæreleddet. Hvis pladen består af kulstof, stål eller rustfrit stål, tjener oxygenet et yderligere formål, nemlig at 30 tilvejebringe en kemisk reaktion med stålet hvorved der frembringes varme, som letter skæreprocessen. Udover smeltningen af pladen ved hjælp af laserstrålen indebærer laserskæringen således også en forbrænding af stål af den type, der fremkom- DK 168593 B1 2 mer ved en almindelig gasskæring.

Man har hidtil anvendt en skæregas, der næsten for 100%'s vedkommende bestod af oxygen, idet man ved en sådan skæregas opnåede de bedste resultater med hensyn til skærehastighed og 5 snitkvalitet. Kvaliteten afhænger af flere parametre, såsom skærehastighed, skæregastryk, dvs. gastrykket i dysen, dyseparametre, dvs. huldiameteren i dysemundingen, mundstykkeafstand, dvs. afstanden mellem dysemundingen og emnet og laserens effekt. Et øget skæregastryk muliggør i almindelighed en 10 større- skærehastighed. Trykket af skæregassen må imidlertid begrænses bl.a. af hensyn til fokuseringslinsen. Laserskæring med ren oxygen som skæregas har imidlertid visse ulemper specielt ved skæring i rustfrit stål. Under smeltning af det pågældende materiale dannes der nemlig oxider, som sammen med 15 smeltet materiale blæses ud gennem skæresnittet. En del af oxiderne og det smeltede materiale afsættes som grater på undersiden af snitfugen. Disse grater kan, især på højlegeret stål være vanskelige at fjerne. Ved en skæring med ren oxygen i skæregassen bliver den smeltede zone blandet med slagge, 20 dvs. en blanding af oxider fra emnet. Slagger i snitfladen kan give anledning til problemer ved en efterfølgende svejsning, f.eks. ved TIG-svejsning eller andre flammesvej semetoder. En plade, som er skåret med ren oxygen som skæregas, kan således give en svejsefuge indeholdende slaggeindeslutninger og porer.

25 En måde at undgå problemer med oxiddannelser og deraf følgende problemer ved svejsning er at erstatte oxygenet i skæregassen med en inaktiv gas. Dette medfører imidlertid, at skærehastigheden må reduceres. En sådan fremgangsmåde er således forbundet med store ulemper.

30 En fremgangsmåde til laser skæring i specielle metaller, eksempelvis zirkonium eller lignende under anvendelse af en skæregasblanding bestående af 65-75% Ar og 25-35% 02 kendes fra østtysk patentskrift nr. 156953.

Formålet med opfindelsen er at anvise en fremgangsmåde, ved DK 168593 B1 3 hvilken de nævnte ulemper kan elimineres.

En fremgangsmåde af den indledningsvis nævnte art er ifølge opfindelsen ejendommelig ved, at oxygenkoncentrationen af skæregassen ved laserskæring i emner af høj legeret eller rust-5 frit materiale, såsom stål ligger i intervallet af størrelsesordenen 40% til 70%.

Derved undgås grat- og slaggedannelser i skærespalten. Endvidere opnås en god svejsbarhed ved materialer, der er skåret ved fremgangsmåden ifølge opfindelsen. Endvidere vil skæreha-10 stigheden kunne forøges.

Opfindelsen skal nærmere beskrives i det følgende under henvisning til tegningen, hvor fig. 1 viser et udstyr til laserskæring ved fremgangsmåden ifølge opfindelsen, og 15 fig. 2 og 3 skærehastigheden som funktion af oxygenkoncentrationen i skæregassen ved typiske skæregasblandinger.

Skæregasudstyret i fig. 1 er beskrevet i det foregående. En skæregas, indeholdende oxygen iblandet en inaktiv gas, indføres via en tilledning 5 til et dysekammer 4. Som inaktive 20 tilsætningsgasser anvendes He, N2, Ar eller C02. Til opnåelse af de bedst mulige resultater i henseende til skærehastighed og snitkvalitet må der vælges passende værdier af linsens position, dysemundingens diameter og afstanden imellem emnet og mundingen af mundstykket. Endvidere bør der anvendes et 25 passende skæregastryk i dysen, og der bør anvendes en passende blanding af aktive og inaktive gasser i skæregassen. Ved en C02-laser bør der anvendes en effekt på 400 W. Dysens diameter kan ligge i intervallet 0,8 - 1,2 mm, og mundstykkets afstand fra emnet kan ligge i intervallet 0,25 - 0,60 mm. Skæregas-30 trykket i dysen bør ligge i intervallet 2-5 bar. Med specielle dyser kan der anvendes et skæregastryk på over 7 bar.

DK 168593 B1 4 I skæregasblandingen, dvs. blandingen mellem oxygen og en inaktiv gas, bør oxygenkoncentrationen ligge i intervallet 30 - 90% af den samlede skæregas. Ved anvendelse af inaktive gasser, såsom He, N2, Ar og C02 bør oxygenkoncentrationen ved 5 skæring af højt legeret og rustfrit stål ligge i intervallet 40 - 80% af den samlede skæregas. Hvis der som inaktiv gas anvendes He, bør oxygenkoncentrationen udgøres 45 - 75% af skæregassen. Hvis nogle af de øvrige gasser N2, Ar eller C02 anvendes som inaktiv gas, bør oxygenkoncentrationen ligge i 10 intervallet fra 70% af det totale skæregasindhold.

Der er foretaget skæreforsøg på emner i form af plader af forskellig tykkelse og af ulegeret og højlegeret (eksempelvis rustfrit) materiale. Forsøgene blev udført ved forskellige afstande til mundstykket. De bedste skæreresultater opnås ved så 15 små afstande som muligt. En passende afstand er 0,3 mm. Hullet i dysen kan med fordel have en diameter på 0,8 mm. Ved forsøgene varierede man for hver plade tykkelse og skæregasblandingen, skærehastigheden og gastrykket samt linsens position, for at kunne bestemme de bedste skærebetingelser.

20 Forsøgene viser, at skærehastigheden i almindelighed må reduceres, når oxygenindholdet i skæregassen reduceres. Den højeste skærehastighed ved den bedst mulige snitkvalitet blev opnået for en skæregasblanding, bestående af oxygen iblandet He, N2, Ar eller C02. I første' omgang er størrelsen af graterne i 25 skæresnittet afgørende for bedømmelsen af snitkvaliteten. I fig. 2 og 3 vises skærehastigheden som funktion af oxygenkoncentrationen i skæregassen, idet skæregassen er blandet med He. Fig. 2 viser dette forhold ved skæring i en rustfri plade af en tykkelse på 0,5 mm og fig. 3 ved skæring i en rustfri 30 plade af en tykkelse på 1,0 mm. Disse kurver illustrerer relationerne mellem skærehastigheden og oxygenkoncentrationen for en given snitkvalitet. For de øvrige gasser opnås lignende kurver.

DK 168593 B1 5

Af fig. 2 og 3 fremgår det, at skærehastigheden har et minimum ved et oxygenindhold til 90%, og at kurven derefter stiger for aftagende oxygenkoncentration. Ved iblanding af helium i skæ- ! regassen opnås den største skærehastighed ved en oxygenkoncen-5 tration på 45 - 75%. I fig. 2 og 3 er skærehastigheden også angivet ved 100% He. Skærehastigheden er da kun omkring 0,5 m/min, hvilket er uacceptabelt. Dette understreger betydningen af, at der er oxygen i skæregassen. Hvad angår snitkvaliteten, så opnås der især for rustfrit materiale en klar forbedring 10 ved anvendelse af en blandingsgas som skæregas. Dette beror på, at man ved skæring med ren oxygen får en grat på underkanten af snittet, hvilken grat kan være vanskelig at fjerne.

Dette gælder også for blandingsgasser med et oxygenindhold på 90 - 100%. Ved et oxygenindhold på 80 - 90% har man et over-15 gangsområde, hvor graterne begynder at antage form af kugler.

Dette er særlig markant for oxygenindhold under 70%. Her forekommer graterne som små kugler langs snittet, kugler, der let kan fjernes, f.eks. ved hjælp af en børste. Denne forbedring af snitkvaliteten muliggør en forøgelse af skærehastigheden.

20 En yderligere forbedring af snitkvaliteten ved anvendelse af en blandingsgas som skæregas er blevet konstateret ved metal-lurgiske undersøgelser ved hjælp af elektronmikroskop. Ved skæring med anvendelse af en blandingsgas har man nemlig konstateret, at den smeltede zone i skæresnittet bliver mindre, 25 og at zonen ikke indeholder indsprængte slaggeflager. Ved en efterfølgende svejsning af f.eks. rustfri stålplade får svejsningen en blank overflade, hvis der anvendes en blandingsgas i skæregassen.

Ved at anvende en skæregas ved laserskæringen, som omfatter en 30 blandingsgas bestående af dels en aktiv gas, såsom oxygen, dels en inaktiv gas, såsom He, N2, Ar eller C02, hvor oxygenkoncentrationen ligger i intervallet 30-80% af det totale skæregasindhold, kan skæringen udføres i såvel ulegerede som højt legerede emner under rimelige forhold. Man får ganske 35 vist en lavere skærehastighed, men snitkvaliteten bliver til

Claims (5)

5 Patentkrav

1. Fremgangsmåde til laserskæring i metalliske emner, ved hvilken fremgangsmåde, der anvendes en skæregas indeholdende mindst én aktiv gas, eksempelvis oxygen iblandet en i det 10 væsentlige inaktiv gas, såsom He, N2, Ar, C02 eller blandinger heraf, som har en ringe tilbøjelighed til reaktion med materialet i emnet, kendetegnet ved, at oxygenkoncentrationen af skæregassen ved laserskæring i emner af høj legeret eller rustfrit materiale, såsom stål ligger i intervallet af 15 størrelsesordenen 40 - 70%.

2. Fremgangsmåde ifølge krav 1, kendetegnet ved, at der som inaktiv gas anvendes He, og at oxygenkoncentrationen i skæregassen ligger mellem 45 og 70%.

3. Fremgangsmåde ifølge krav 1, kendetegnet ved, 20 at der som inaktiv gas anvendes Ar, og at oxygenkoncentrationen i skæregassen ligger mellem 40 og 70%.

4. Fremgangsmåde ifølge krav 1, kendetegnet ved, at der som inaktiv gas anvendes C02, og at oxygenkoncentrationen i skæregassen ligger mellem 40 og 70%.

5. Fremgangsmåde ifølge krav 1, kendetegnet ved, at der som inaktiv gas anvendes N2, og at oxygenkoncentrationen i skæregassen ligger mellem 40 og 70%. I i — ·