气体辅助激光切割方法和气体供给系统技术方案

本发明专利技术涉及一种气体辅助激光切割方法，利用主要由二氧化碳组成的辅助气体，使用波长在300nm到2500nm之间的激光切割金属、金属合金、塑料、复合材料、陶瓷或木质工件。本发明专利技术的另一个目的是一种辅助气体供给系统。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种气体辅助激光切割的方法，利用辅助气体使用波长在300nm到2500nm之间的激光切割金属、金属合金、塑料、复合材料、陶瓷或木质工件。本专利技术的另一个目的是辅助气体供给系统。
技术介绍
对于由例如钢制造的金属或者金属合金工件的激光切割方法是众所周知的。此处，例如根据所使用的激光波长，不同的材料反应不同。在热切割法中，工件局部受热并熔化。受热熔化的材料通过辅助气体喷射的方式从切削区被去除。自20世纪80年代，惰性气体辅助激光切割在工业上是业已成熟的工序。此物理切割过程就是所谓的熔体剪切去除机制，其中高速气体喷射流吹走金属熔体，从而完成切割。直到2010年左右，大部分用于切割的激光器都是所谓的二氧化碳激光器，其是气体放电激光器，其中二氧化碳气体分子放射的激光辐射波长为10.6微米。惰性切割辅助气体几乎总是氮，尽管有时使用氩(例如和钛配合使用)。在熔体剪切去除切割机制中，去除效率取决于气体流动速度和密度。因此，所需的辅助气体理想地应当是重的气体，而且无毒，且能以合理的成本获得。这限制了惰性气体的可能性。二氧化碳的分子量是44g/mol，但其不能用于二氧化碳激光器的激光切割，因为所述激光器会吸收激光束，并且由于等离子体形成，不能产生有效切割。氩的分子量是40g/mol，但成本多达氮的六倍。这使氮成为了使用二氧化碳激光器用于激光切割时主要的能源气体。此外，固体激光器越来越多地用于激光切割。自从2010年左右起，固体激光器，如光纤激光器和盘形激光器在激光切割产业的市场占有率增长迅速。由于它们不同的光束特性，固体激光器比二氧化碳激光器需要更多的切割辅助气体，同时也需要较高的气压和/或较大的喷嘴直径。
技术实现思路
本专利技术旨在提供一种更好的气体辅助激光切割方法。大部分气体在波长为I微米，即1000纳米左右时，没有转动和振动带，因此是完全透明的。即使二氧化碳分子的偶极矩很大，但它在波长I微米左右时也不会与强烈辐射相互作用。这表明，不同于二氧化碳激光器，固体激光器可用二氧化碳气体作为辅助气体，这得益于二氧化碳较大的分子量并导致提高的切割性能。这是一种新的工艺，又不同于二氧化碳激光器，因为辐射频率高于等离子体共振频率，所述固体激光器不会在气体中保留等离子体。因此，即使固体激光器功率很大，也不会产生等离子体，因此二氧化碳分子不会解离从而总是可以实现无氧化切割。其次，二氧化碳同样重要的优点是，它在室温高压下会变成液体，这是氮所不具备的。液化气体的密度比即使处于高压下的气相的密度高，因此装有液态二氧化碳的气缸(cylinder)所容纳的气体(按室温下向大气压扩散的立方米计)大约是同样规格的装有高压氮气的气缸的三倍。二氧化碳气缸的常规压强根据温度在40-50巴之间。这表明二氧化碳不仅具有优良的切割性能，而且需要更少储存空间。因为二氧化碳是以液体贮存的，几乎气缸里所有东西都可以得到有效利用(即一直到所有液体蒸发)，然而当压强降到40-50巴时，装满压缩氮气的气缸必须更换，浪费多达全部气缸容量的四分之一。标准的二氧化碳气体气缸配备所谓的汲取管，汲取管是在气缸内部深入底部的金属管，以保证二氧化碳总是以液体形式抽出。如果液态二氧化碳通过激光切割嘴被缸内压排出，便会扩散，变成干冰。然而，如果不使用汲取管，二氧化碳来自液态上方的气态二氧化碳，在喷嘴出口处中仍保持气态，这是本专利技术的优选方案。因此，也不需要额外的蒸发器。一种特定的二氧化碳供给方法是气缸束(通常是12-15个气缸组合在一起)，由无汲取管的气缸组成的气缸束是一种非常合适的供给方法。本专利技术特别的优势在于切割厚度超过4_至多达几厘米的工件，比如用于造船的钢铁的厚度。另一方面还具有的巨大优势，可以用相对较大的切割速度切割厚度小于等于4mm的工件。本专利技术提供一种气体辅助激光切割的方法，利用主要由二氧化碳组成的辅助气体，使用波长在300nm-2500nm的激光切割金属、金属合金、塑料、复合材料、陶瓷或木质工件。根据本专利技术，气体辅助激光切割采用的切割头配备能发出激光波长在350nm-2000nm的切割激光，并具有连接于与独立辅助气体供给(单缸、连通气缸、气缸束或大型气罐(bulk tank))联通的混合设备的进气口。有利地，固体激光器比如盘形激光器、光纤激光器和半导体激光器可以用于产生所述波长的激光。术语“固体激光器”包含所有提过类型的激光器和同类型的激光器。关于二氧化碳的纯度规定，二氧化碳的体积含量最少要达到99.5% (2.5纯度)，剩下的为杂质或者污染物，这对本专利技术的用途是有利的。更高的纯度也是有利的。关于“主要”意图表达的是工业所用气体产生或会产生杂质。例如，二氧化碳经常或几乎总是含有微量的水和其他大气气体。工业所用，有时被称为“工业纯净”气体总是含有微量生产过程中的污染物。【具体实施方式】根据优选方案，激光的波长在500-1500nm，优选800nm到1200nm。例如，半导体泵辅碱金属激光波长为670nm，Nd:YAG激光波长为805nm，半导体泵辅固体和光纤激光器波长为 808nm、810nm、880nm、915nm、940nm、968nm、976nm、980nm、1064nm(例如，固体激光是一类具有数个代表的激光)。在材料加工领域(焊接，钎焊，切割)，优选下列波长:810nm、940nm、980nm、1940nm。根据本专利技术，有利于实施气体辅助激光切割的波长在1000和IlOOnm之间，例如 1064nm。根据优选的实施方案，辅助气体借助喷嘴供给工件切割区。优选以简单喷嘴作为标准来设计喷嘴。其他类型喷嘴也是可行的。气体供应设备可通过控制设备来控制。此外，本专利技术可采用气体泄漏传感器和报警装置来提高安全性能，尤其是用大量二氧化碳作为辅助气体进行激光切割时。有利地，供给的辅助气体来自一个或多个单气缸和/或连通气缸和/或气缸束。每个气缸束包括几个组合在一起的通常位于束平台的气缸。连通气缸公知为连成排的。根据优选的实施方案，作为辅助气体的二氧化碳来自一个或多个单气缸和/或连通气缸和/或气缸束，所述气缸与用于二氧化碳贮存和供应的标准气缸相比，其具有改进的出气口设备，其中气缸内部不配备汲取管。此设计保证了含气态和液态二氧化碳的气缸外的气态供给。本专利技术的另一个目的是一种用于气体辅助激光切割的辅助气体，其主要由二氧化碳组成，使用波长在300nm至2500nm之间的激光。出人意料地发现，在用固体激光尤其是光纤激光的气体辅助激光切割过程中使用纯净的二氧化碳，尤其是纯度2.5即体积分数为99.5%的二氧化碳是十分有利的。其中一个原因可能是所用波长在300nm到2500nm的范围内时，不会存在等离子体和二氧化碳分子的共振。这不同于已知的激光切割方法中可用的辅助气体的行为，其中通常使用二氧化碳。本专利技术的另一个目的是一种辅助气体供应系统，该系统含一或多个单气缸和/或连通气缸和/或气缸束，每个包含几个组合在一起的气缸和/或包含一个或多个大型气缸。该系统用于为气体辅助激光切割设备提供辅助气体，可执行根据本专利技术的激光切割方法。贮存和供应二氧化碳的气缸具有约51巴的恒定压强。缸内的二氧化碳压强保持恒定，因为罐内存在液态二氧化碳，气相存在于液态上方。可用的大型气罐有两个选择，第一，压本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种对金属、金属合金、塑料、复合材料、陶瓷或木质工件进行气体辅助激光切割的方法，其中使用波长在300nm到2500nm之间的激光，并利用主要由二氧化碳组成的辅助气体。

【技术特征摘要】
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【专利技术属性】
技术研发人员：J·肖尔茨，E·米克洛兹，J·菲莱特，
申请(专利权)人：林德股份公司，
类型：发明
国别省市：德国;DE