AT391436B

AT391436B - Laserschneidduese

Info

Publication number: AT391436B
Application number: AT0286587A
Authority: AT
Original assignee: Prihoda Hans
Priority date: 1987-10-30
Filing date: 1987-10-30
Publication date: 1990-10-10
Also published as: ATA286587A

Description

Nr. 391436

Die Erfindung bezieht sich auf eine Laserschneiddüse mit einem mit einem Inertgas eingehüllten Laserstrahl, welche für eine kapazitive Abstandsmessung bestimmt ist und bei welcher über die Laserschneiddüse Flüssigkeit auf das zu schneidende Gut aufgebracht wird.

In der Laserbearbeitung werden vermehrt kapazitive Abstandsmeßsysteme für die Bestimmung des Abstandes 5 der Laserdüse von dem zu bearbeitenden Material eingesetzt, u. zw. deshalb, weil diese Abstandsmeßsysteme berührungslos, genau und reaktionsschnell arbeiten, wobei durch die berührungslose Führung der Laserschneiddüse eine Beschädigung oder ein Zerkratzen der Oberfläche des zu bearbeitenden Materials vermieden wird. Bei einer solchen Abstandsmessung wird ein elektrisches Feld zwischem dem zu bearbeitenden Material und der Laserdüsenspitze erzeugt. Die durch Veränderung des Abstandes auftretende Veränderung des Feldes wird 10 ausgewertet und das Meßergebnis an den Achsantrieb der Laserdüse weitergegeben, um die Laserdüsenspitze auf den Sollabstand nachzuführen. Mit diesen Systemen läß sich der Abstand zwischen der Düsenmündung und dem Werkstück mit einer Toleranz von ±0,1 mm einstellen, u. zw. bei Bahngeschwindigkeiten, die bis zu 5 m/sek betragen können.

Um bei der Herstellung kleiner Löcher bzw. enger Schlitze, scharfer Ecken oder Spitzen brauchbare 15 Schnittergebnisse zu erzielen, ist beim Einsatz von Lasern eine Kühlung der Schnittkanten notwendig. Dazu wird in der Regel ein Flüssigkeitsstrahl auf die gerade durch den Laser bearbeitete Stelle gerichtet, wodurch neben der Kühlung der Schnittkanten auch die Rauhtiefe der Schnittfläche wesentlich vermindert werden kann. Durch die Zugäbe von Flüssigkeiten wird jedoch das kapazitive Feld zwischen Düse und Bearbeitungsmaterial verändert, woraus sich ungewollte Abstandsänderungen zwischen Düse und Werkstück ergeben. Um gute 20 Laserschnittergebnisse zu erzielen, muß jedoch der Abstand der Laserdüsenspitze vom bearbeiteten Material und damit die Fokuslage des Laserstrahlbrennflecks auf ± 0,1 mm genau eingehalten werden.

Bisher wurde die Flüssigkeit direkt neben der Schneiddüse oder mit zusätzlichen Kanälen an der Unterseite der Schneiddüse aufgebracht, wobei jedoch durch die unkontrolliert aufgesprühte Flüssigkeit die bereits genannte Veränderung des elektrischen Feldes und damit eine negative Beeinflussung der kapazitiven Abstandsmessung 25 auftritt. Es wurde daher zur Erzielung genauer Abstandsmessungen ein auf dem zu bearbeitenden Werkstück aufliegender Meßring verwendet, um die kapazitive Abstandsmessung genau zu halten. Durch den auf dem zu bearbeitenden Werkstück aufliegenden Meßring kann die Oberfläche zerkratzt werden. Darüberhinaus kann der Meßring, wenn er an Erhebungen des zu bearbeitenden Materials anstößt, eine Verschiebung des Materials verursachen, wodurch der Schnitt ungenau wird. 30 Es hat sich gezeigt, daß die Beeinflussung des elektrischen Meßfeldes bei der kapazitiven Abstandsmessung vermieden werden kann, wenn die Zufuhr der Flüssigkeit durch den Düsenkopf hindurch erfolgt. Es wurde daher versucht, Flüssigkeit innerhalb des Laserkopfes von oben her zuzuführen. Dies führte jedoch aufgrund der langen Kontaktzeit des Laserstrahles mit der Kühlflüssigkeit zu einem Verdampfen der Flüssigkeit durch den Laserstrahl, was die Gefahr eines Beschlagens der Laserlinse mit nachfolgender Energieabsorption und Zerstörung nach sich 35 zieht. Außerdem würde es zu einem Vermischen des Wasserdampfes mit dem Inertgas kommen, was die Verbrennung des Bearbeitungsmaterials wesentlich verschlechtern würde.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Laserschneiddüse der eingangs genannten Art zu schaffen, bei welcher die Flüssigkeitszufuhr zwar innerhalb des Schneidkopfes erfolgt, die Gefahr des Verdampfens der Flüssigkeit und damit eine negative Beeinflussung der kapazitiven Abstandsmessung vermindert oder überhaupt 40 vermieden wird.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß die Flüssigkeitszufuhr innerhalb des Austrittskanals der Laserdüse im Umfangsbereich der Inertgashülse und in an sich bekannter Weise unmittelbar vor dem Austritt des mit Inertgas eingehüllten Laserstrahles angeordnet ist. Wie angeführt, ist es bei nichtkapazitiven Abstandsmessungen an sich bekannt, die Kühlflüssigkeitszufuhr unmittelbar vor dem Austritt des mit Inertgas 45 eingehüllten Laserstrahles zuzuführen. Die Maßnahme der Zufuhr der Flüssigkeit in den Umfangsbereich der Inertgashülle bringt mit dem an sich bekannten Merkmal den Vorteil, daß durch die Kühlflüssigkeit das Inertgas mit einem Kühlflüssigkeitsmantel umgeben wird, wobei diese Kühlflüssigkeit mit dem Laserstrahl praktisch nicht in Kontakt kommt, so daß einerseits ein Verdampfen der Kühlflüssigkeit weitestgehend vermieden und andererseits eine Beeinflussung der kapazitiven Abstandsmessung so gering wie möglich gehalten ist. 50 Vorteilhafterweise kann zur Flüssigkeitszufuhr ein etwa tangential einmündendes Rohr vorgesehen sein, wodurch es zu einer zyklonartigen Einhüllung des Inertgasstromes kommt, wobei der Flüssigkeitsmantel aufgrund seiner Rotation zusammengehalten ist. Dabei kann das tangential einmündende Rohr der Flüssigkeitszufuhr in einen an sich bekannten Ringkanal mit nach unten gerichtetem, umlaufenden Austrittsspalt einmünden. Dadurch ist eine gleichmäßige Einhüllung des Inertgasstromes erzielt, wobei die Flüssigkeit von dem 55 Inertgasstrom mitgenommen wird und einen zyklonartig rotierenden Flüssigkeitsmantel ergibt

In der Zeichnung sind zwei Ausführungsbeispiele des Erfindungsgegenstandes dargestellt. Fig. 1 zeigt einen Vertikalschnitt durch das erste Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Laserschneiddüse. In Fig. 2 ist in größerem Maßstab der Austrittsbereich des Laserstrahles aus der Laserschneiddüse wiedergegeben. Fig. 3 ist ein Schnitt nach Linie (ΙΠ-ΙΠ) der Fig. 2. Fig. 4 ist eine der Fig. 2 analoge Darstellung, jedoch bei einem zweiten 60 Ausführungsbeispiel des Erfindungsgegenstandes. Fig. 5 ist eine Unteransicht des Laserschneidkopfes gemäß Fig. 4.

Mit (1) ist ein Düsenkopf der Laserstrahldüse bezeichnet, welche an einer herkömmlichen Laserstrahlquelle -2-

Claims

Nr. 391 436 (2) angeschlossen ist. Weiters mündet in den Düsenkopf (1) eine Inertgaszufuhr (3), mittels welcher der von der Laserstrahlquelle (2) kommende Laserstrahl eingehüllt ist. Am unteren Ende weist der Düsenkopf (1) die Düse (4) auf, welche über einen Isolierkörper (5) aus Keramik mit dem Düsenkopf (1) verbunden ist. Mit (6) ist eine Kühlflüssigkeitszufuhr bezeichnet, welche tangential knapp oberhalb des Austritts des mit Inertgas 5 umhüllten Laserstrahles aus der Düse (4) einmündet. Die Ausmündungsöffiiung aus der Düse (4) ist mit (4') bezeichnet. Die Düse (4) ist am Düsenkopf (1) über einen Isolierkörper (5) aus Keramik befestigt. Knapp oberhalb der Ausmündungsöffnung (4') mündet tangential eine Kühlflüssigkeitszufuhr (6) ein. Mit (7) ist das zu bearbeitende Werkstück bezeichnet, und bei (8) ist das elektromagnetische Feld zwischen Düse (4) und Werkstück (7) angedeutet. Beim Ausführungsbeispiel nach den Fig. 4 und 5 mündet die Kühlflüssigkeitszufuhr 10 (6) tangential in einen Ringkanal (9) ein, der nach unten gerichtet über einen Austrittsspalt (10) in die Ausmündungsöffnung (4') der Düse (4) einmündet. Bei beiden Ausführungsbeispielen wird der von der Laserquelle (2) kommende Laserstrahl zunächst von der Inertgaszuführung (3) mit Inertgas umhüllt, und in dieser Form der Düse (4) zugeleitet. Vor der Ausmündungsöffnung (4*) der Düse (4) wird der Inertgasmantel durch die über die Kühlflüssigkeitszufuhr (6) 15 eingebrachte Kühlflüssigkeit zyklonartig von einem Mantel umgeben, u. zw. beim Ausfuhrungsbeispiel nach den Fig. 1-3 dadurch, daß die aus der Kühlflüssigkeitszufuhr austretende Flüssigkeit entlang des letzten Stückes der Ausmündungsöffnung (4') der Düse (4) einen zyklonartigen Mantel bildet, der dann durch das Inertgas mitgenommen wird. Beim Ausführungsbeispiel nach den Fig. 4 und 5 bildet sich bereits im Ringkanal eine rotierende Kühlflüssigkeitsmenge, welche dann über den Austrittsspalt (10) gleichmäßig verteilt um den 20 Inertgasstrahl herumgehüllt austritt. Der Mantel aus Kühlflüssigkeit bleibt dabei im Bereich des elektromagnetischen Feldes (8) eng an der Außenfläche des Inertgasstromes, so daß durch die Kühlflüssigkeit das elektromagnetische Feld nicht beeinflußt wird. Außerdem trifft die Kühlflüssigkeit direkt am Randbeieich der Schneidezone des Laserstrahles auf, wodurch in diesem Bereich das zu bearbeitende Werkstück (7) entsprechend geschont ist. 25 30 PATENTANSPRÜCHE 35 1. Laserschneiddüse mit einem mit einem Inertgas eingehüllten Laserstrahl, welche für eine kapazitive Abstandsmessung bestimmt ist, und bei welcher über die Laserschneiddüse Flüssigkeit auf das zu schneidende 40 Gut aufgebracht wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Flüssigkeitszufuhr (6) innerhalb des Austrittskanals der Laserdüse (4) im Umfangsbereich der Inertgashülle und in an sich bekannter Weise unmittelbar vor dem Austritt (4') des mit Inertgas eingehüllten Laserstrahles angeordnet ist
2. Laserschneiddüse nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Flüssigkeitszufuhr (6) ein etwa 45 tangential einmündendes Rohr vorgesehen ist
3. Laserschneiddüse nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das tangential einmündende Rohr der Flüssigkeitszufuhr (6) in einen an sich bekannten Ringkanal (9) mit nach unten gerichtetem, umlaufenden Austrittsspalt einmündet. 50 Hiezu
4 Blatt Zeichnungen -3- 55