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Die
Erfindung betrifft eine Düsenanordnung für einen
Laserbearbeitungskopf, insbesondere für einen Laserbearbeitungskopf
für die
Laserbearbeitung von Werkstücken
mit fokusierender Spiegeloptik.
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Bei
der Laserbearbeitung von Werkstücken, insbesondere
beim Schneiden von Blechen mit Laserstrahlung ist es erforderlich
unmittelbar vor der zentralen Öffnung
der Schneiddüse
einen genügend hohen
Schneidgasdruck aufzubauen, unabhängig davon, ob der Laserbearbeitungskopf
mit fokusierenden Spiegeln oder fokusierenden Linsen arbeitet oder
ob ein die fokusierende Optik schützendes Schutzglas oder dergleichen
vorgesehen ist.
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Wird
bei der Laserbearbeitung von Werkstücken mit fokusierenden Spiegeln
gearbeitet, dann besteht anders als bei Laserbearbeitungsköpfen mit fokusierenden
Linsen, dass zusätzlich
Problem, dass kein bis auf die Düsenöffnung im
wesentlichen abgeschlossener Raum innerhalb der Schneiddüse vorliegt,
in dem sich ein Schneidgasdruck unmittelbar vor der zentralen Öffnung der
Schneiddüse
einfach aufbauen kann.
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Deshalb
müssen
insbesondere beim Schneiden mit Laserbearbeitungsköpfen, die
fokusierende Spiegeloptiken einsetzen, Düsen verwendet werden, bei denen
der Schneidgasdruck über
einen Ringspalt oder über
mehrere ringförmig
um die zentrale Düsenöffnung herum
angeordnete Kanäle
aufgebaut wird.
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Aus
der
DE 36 30 127 A1 ist
eine Düse
zum Schneiden von Werkstücken
mittels Laserstrahlung bekannt, die einen Grundkörper mit einem Durchgangskanal
für einen
Arbeitslaserstrahl aufweist, der sich von einem engsten Abschnitt
trichterförmig
erweitert. In den sich trichterförmig
erweiternden Abschnitt münden
auf einer Kegelmantelfläche
um die Achse des Durchgangskanals herum angeordnete Schneidgaszuführkanäle, die
von entsprechenden Nuten in einer Kegelmantelfläche des Düsenkörpers angeordnet sind. Eine
konische Überwurfhülse begrenzt
die Schneidgaszuführkanäle und trägt an ihrer Spitze
eine Düsenkappe
mit einem Durchgang für den
Laserstrahl und das Schneidgas, der einen sich konisch verjüngenden
Abschnitt aufweist, an den sich ein zylindrischer Auslaßabschnitt
anschließt.
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Die
Winkel der konischen Abschnitte des Durchgangskanals im Düsenkörper und
in der Düsenkappe
sind dabei so gewählt,
dass das aus den Schneidgaszuführkanälen strömende Schneidgas trichterförmig in
den zylindrischen Auslaßabschnitt einströmt.
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Die
DE 36 37 568 betrifft eine
Laser-Bearbeitungsmaschine und zeigt eine Düsenanordnung mit einem Düsenkörper mit
einem Durchgangskanal für einen
Laserstrahl, wobei der Düsenkörper laserstrahlaustrittsseitig
einen konischen Abschnitt aufweist, auf dessen Außenumfang
zur Düsenspitze verlaufende
Rillen vorgesehen sind, die mit einer entsprechenden Außenhülse Schneidgaskanäle bilden, die
um die Austrittsöffnung
des Laserstrahls herum ins Freie münden. Einlaßseitig sind die Schneidgaskanäle mit einem
den Düsenkörper konzentrisch
umgebenden Ringkanal zur Schneidgaszufuhr verbunden.
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Hier
münden
also die Schneidgaskanäle
ins Freie und die ausströmenden
Schneidgasströme
bilden sozusagen einen Schneidgasfokus, der im Bereich des Laserfokus
liegen soll.
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Aus
der JP 05-84589 A ist eine weitere Düsenanordnung für einen
Laserbearbeitungskopf bekannt, bei dem die Schneiddüse auslaßseitig
einen sich konisch verjüngenden
Abschnitt aufweist. Um den inneren Düsenkörper herum ist dabei eine äußere Düsenhülse vorgesehen,
deren Auslaßöffnung einen
größeren Durchmesser
aufweist als die Auslaßöffnung des
Laserdurchgangskanals im inneren Düsenkörper. Zwischen dem inneren
und äußeren Düsenkörper ist
entweder ein konischer Ringspaltkanal oder eine Vielzahl von um
den Laserdurchgangskanal angeordneten Schneidgaskanälen vorgesehen. Sowohl
der Ringspaltkanal als auch die einzelnen Kanäle münden dabei außerhalb
der Auslaßöffnung des
inneren Düsenkörpers in
die Auslaßöffnung des äußeren Düsenkörpers.
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Im
Betrieb des Laserbearbeitungskopfes werden sowohl durch den Laserdurchgangskanal
als auch durch die Schneidgaskanäle
Schneidgasströme
in den Bereich der Wechselwirkungszone zwischen Laserstrahl und
Werkstück
geleitet.
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Aus
der
EP 0 741 627 B1 ist
eine weitere Düsenanordnung
für das
Laserstrahlschneiden bekannt, die einen dem fokusierten Laserstrahl
angepaßten,
diesen umgebenden kegelstumpfförmigen Düsenkörper mit
einer Durchlaßbohrung
für den
Laserstrahl aufweist. Der Düsenkörper wird
konzentrisch von einer Düsenhülse umgeben
und bildet mit dieser einen Ringspalt. Die Düsenhülse besitzt eine mit der Durchlaßbohrung
gleichachsige Austrittsbohrung für
einen Schneidgasstrahl des an eine Gasquelle angeschlossenen Ringspalts.
Die Austrittsbohrung ist dabei werkstückseitig vor der Durchlaßbohrung
angeordnet und mit einem Durchmesser versehen, der größer als
der Durchmesser der Durchlaßbohrung
ist. Möglichst
geringe Strömungsverluste
sowohl hinsichtlich Impuls als auch Masse sollen dabei dadurch realisiert
werden, dass der Austrittsquerschnitt der Austrittsbohrung etwa
gleich dem Übergangsquerschnitt
des Ringspalts zur Austrittsbohrung ist.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine weitere Düsenanordnung
für einen
Laserbearbeitungskopf für
die Laserbearbeitung von Werkstücken
bereitzustellen, die es bei einfachem Aufbau ermöglicht, hohe Schneidgasdrücke unmittelbar
vor der Austrittsöffnung
der Schneiddüse
aufzubauen.
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Diese
Aufgabe wird durch eine Düsenanordnung
gemäß Patentanspruch
1 gelöst.
Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind
in den Unteransprüchen
beschrieben.
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Erfindungsgemäß ist also
bei einer Düsenanordnung
mit einem Düsenkörper, der
einen zentralen Durchgangskanal mit einem Austrittsabschnitt für einen
Arbeitslaserstrahl und zumindest einen einlaßseitig mit einer Schneidgasquelle
verbundenen Schneidgaskanal aufweist, vorgesehen, dass der zumindest
eine Schneidgaskanal im Bereich des Austrittsabschnitts in den Durchgangskanal
mündet.
Diese erfindungsgemäße Anordnung
des zumindest einen Düsenkanals,
ermöglicht
es allein durch eine geeignete Gasführung, also durch eine geeignete
Einstellung der zugeführten
Gasmenge und der jeweiligen Drücke,
zu erreichen, dass dem Laserbearbeitungsbereich eine gewünschte Gasmenge
mit entsprechendem Druck und entsprechender Geschwindigkeit zugeführt werden
kann, ohne dass eine Gefahr besteht, dass das Prozeßgas durch
Fremdluft verunreinigt wird.
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Eine
derartige Düsenanordnung
läßt sich
mit jeder Art von Laserbearbeitungskopf in vorteilhafter Weise verwenden,
besonders zweckmäßig ist
ihr Einsatz jedoch bei Laserbearbeitungsköpfen mit fokusierender Spiegeloptik,
da für
den Druckaufbau kein definierter, bis auf die Düsenöffnung im wesentlichen abgeschlossener
Raum innerhalb der Düseanordnung
vorhanden zu sein braucht.
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Bei
einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen,
dass der Austrittsabschnitt zylindrisch ist. Diese Ausgestaltung
läßt sich
besonders einfach fertigen.
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Bei
einer bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung ist vorgesehen, dass eine Vielzahl von Schneidgaskanälen vorgesehen
ist, die in Umfangsrichtung gleichmäßig um den zentralen Durchgangskanal
herum angeordnet sind, wobei die Schneidgaskanäle auf einer Kegelmantelfläche angeordnet
sind, die sich in Laserstrahlrichtung verjüngt.
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Dabei
ist es zweckmäßig, wenn
die Winkel zwischen den Achsen der Schneidgaskanäle im Bereich ihrer Mündungsöffnungen
in den Durchgangskanal im Bereich zwischen 30° und 10° liegen. Diese Anordnung ermöglicht es,
das Prozeßgas
in der Weise zuzuführen,
dass sich im Bereich der Austrittsöffnung des Durchgangskanals
für den
Arbeitslaserstrahl nicht nur ein Gasstrom mit gewünschtem
Druck und gewünschter
Geschwindigkeit einstellt, sondern dass sich dort auch eine Art "Prozeßgasbrennpunkt" bildet, der insbesondere
durch Wahl eines geeigneten Öffnungswinkels
des von den Schneidgaskanälen
definierten Kegels relativ zum Laserfokus und damit relativ zur
Wechselwirkungszone zwischen Arbeitslaserstrahl und Werkstück einstellen
läßt.
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Bei
einer besonders bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung ist vorgesehen, dass der Durchgangskanal in Laserstrahlrichtung
vor den Mündungsöffnungen
der Schneidgaskanäle
einen Drosselabschnitt mit einem Durchmesser aufweist, der kleiner
ist als der Durchmesser des Austrittsabschnitts. Die Ausbildung
eines Drosselabschnitts im Durchgangskanal für den Arbeitslaserstrahl vor
der Einmündung
der Prozeßkanäle in den
Austrittsabschnitt des Durchgangskanals vereinfacht die Gasführung weiter,
und ermöglicht
einen wirtschaftlichen Einsatz des Prozeß- oder Schneidgases, da keine übermäßi gen Leckströme in Kauf
genommen werden müssen,
die insbesondere dann auftreten könnten, wenn fokusierende Spiegel
zum Einsatz kommen.
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Zweckmäßigerweise
ist dabei die Querschnittsfläche
des Drosselabschnitts kleiner als die Summe der Querschnittsflächen der
Schneidgas- oder Prozeßgaskanäle.
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Bei
einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist ferner vorgesehen,
dass die Querschnittsfläche
des Austrittsabschnitts etwa gleich der Summe der Querschnittsflächen der
Schneidgaskanäle ist.
Hierdurch läßt sich
erreichen, dass das Prozeß- oder
Schneidgas aus der Vielzahl der Gaskanäle ohne Strömungsverluste aus der Austrittsöffnung des Durchgangskanal
austreten kann.
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Die
Erfindung wird im folgenden beispielsweise anhand der Zeichnung
näher erläutert. Es
zeigen:
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1:
eine schematische Schnittdarstellung einer erfindungsgemäßen Düsenanordnung,
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2:
eine schematische Schnittdarstellung einer anderen Düsenanordnung
gemäß der vorliegenden
Erfindung,
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3:
eine schematische Schnittdarstellung einer Düsenanordnung ähnlich der
in 2, und
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4:
eine Draufsicht auf die Düsenanordnung
in 3.
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In
den verschiedenen Figuren der Zeichnung sind einander entsprechende
Elemente mit gleichen Bezugszeichen versehen.
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1 zeigt
eine Düsenanordnung
gemäß einem
ersten Ausführungsbeispiel
der Erfindung, wie sie an einem Laserbearbeitungskopf vorgesehen
ist, um im Austrittsbereich eines Arbeitslaserstrahls eine geeignete
Schneidgaszufuhr zu gewährleisten.
Die Düsenanordnung
weist einen Düsenkörper 10 mit
einem Befestigungsabschnitt 11, einem mit im wesentlichen
zylindrischen Mittelabschnitt 12 und einem sich zur Austrittsrichtung
eines Arbeitslaserstrahls hin verjüngenden Spitzenabschnitt 13 auf.
Zur Befestigung der Düsenanordnung
an einem Laserbearbeitungskopf ist beispielsweise am Außenumfang
des Befestigungsabschnitts 11 ein Schraubgewinde 14 vorgesehen.
Dementsprechend kann der zylindrische Mittelabschnitt nicht näher dargestellte
Mittel zum Angriff eines Schraubwerkzeugs aufweisen.
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In
Längsrichtung
des Düsenkörpers 10 erstreckt
sich ein zentraler Durchgangskanal 15 für einen Arbeitslaserstrahl,
der nur durch eine Mittelachse A des Durchgangskanals 15 angedeutet
ist. Der Durchgangskanal 15 weist bezüglich des Arbeitslaserstrahls
eintrittsseitig einen sich entsprechend dem fokusierten Arbeitslaserstrahl
konisch verjüngenden Abschnitt 16 und
einen sich daran anschließenden zylindrischen
Austrittsabschnitt 17 für
den Arbeitslaserstrahl und Schneidgas auf.
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Von
der in 1 oberen Stirnfläche 18 erstreckt sich
zur Mittelachse A geneigt ein Schneidgaskanal 19, der im
Bereich des zylindrischen Austrittsabschnitts 17 in den
Durchgangskanal 15 mündet.
Zumindest im Bereich seiner Mündungsöffnung 20 schließt der Schneidgaskanal 19 beziehungsweise
seine nicht näher
dargestellte Achse einen spitzen Winkel mit dem Durchgangskanal 15 beziehungsweise
seiner Mittelachse A ein. Der spitze Winkel zwischen Schneidgaskanal 19 und
Durchgangskanal 15 liegt in etwa im Bereich zwischen 10° und 30°, und ist vorzugsweise,
jedoch nicht notwendigerweise, an die Konizität des konischen Abschnitts 16 angepaßt.
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Unter
Schneidgas soll hier jede Art von Gas verstanden werden, wie es
bei der Laserbearbeitung von Werkstücken eingesetzt wird. Dabei
ist insbesondere auch zu berücksichtigen,
dass die erfindungsgemäße Düsenanordnung
nicht nur beim Laserschneiden eingesetzt werden kann, sondern auch beim
Laserschweißen,
wobei dann als "Schneidgas" ein inertes Schutzgas
zum Schutz des Schmelzbades vor Oxidation eingesetzt werden kann.
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In 1 ist
zwar nur ein Schneidgaskanal 19 dargestellt, jedoch ist
es bevorzugt, eine Vielzahl von Schneidgaskanälen 19 vorzusehen,
die, wie in den 3 und 4 zu erkennen
ist, umfangsmäßig um den
Durchgangskanal herum gleichmäßig verteilt
angeordnet sind.
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In 4 sind
dabei die Einlaßöffnungen 21 der
Schneidgaskanäle 19 zu
erkennen, die innerhalb einer Ringnut 22 liegen, die nach
dem Anbringen der Düsenanordnung
an einem Laserbearbeitungskopf mit einem entsprechenden Gegenelement
einen Ringkanal zur Verbindung der Schneidgaskanäle 19 mit einer nicht
näher dargestellten
Schneidgasquelle bilden.
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Die
Schneidgaskanäle 19 liegen
dabei also auf einer Mantelfläche
eines Kegelstumpfes, der konzentrisch zur Mittelachse A des Durchgangskanals 15 angeordnet
ist.
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In 1 ist
der Austrittsabschnitt 17, in dessen Bereich die Mündungsöffnungen 20 der
Schneidgaskanäle 19 liegen,
als zylindrischer Abschnitt dargestellt, es kann jedoch auch vorgesehen
sein, dass dieser Abschnitt sich in Axialrichtung zunächst verjüngt, um
sich dann wieder zu erweitern, wie dies in der Strömungstechnik
bei Düsen
allgemein üblich
ist, um die Gasaustrittsgeschwindigkeit zu steuern. Die zylindrische
Ausbildung des Austrittsabschnitts 17 ist jedoch bevorzugt,
da sie fertigungstechnisch einfach herzustellen ist und Strömungsverhältnisse
für das Schneidgas
liefert, die gegen Fertigungstoleranzen unempfindlich sind.
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Bei
der Laserbearbeitung eines Werkstücks, insbesondere beim Laserschneiden,
liegt die erfindungsgemäße Düsenanordnung
mit einer Austrittsöffnung 23 des
Durchgangskanals 15 einem zu bearbeitenden, insbesondere
zu schneidenden Werkstück
gegenüber,
während
durch die Schneidgaskanäle 19 Schneidgas
in den Austrittsabschnitt 17 des Durchgangskanals 15 für den Arbeitslaserstrahl
geleitet wird. Die Schneidgaszufuhr durch die Schneidgaskanäle 19 erfolgt
dabei so, dass das Schneidgas einerseits mit der für die jeweilige
Laserbearbeitung nötigen
Geschwindigkeit aus der Austrittsöffnung 23 austritt,
und dass andererseits sich im Austrittsabschnitt 17 des
Durchgangskanals 15 ein solcher Druck aufbaut, der verhindert,
dass über
den bezüglich
des Laserstrahls eintrittsseitig liegenden konischen Abschnitts 16 Fremdluft
angesaugt wird, die das Schneidgas verunreinigen könnte.
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Hierbei
ist zu beachten, dass in Abhängigkeit von
den Druckverhältnissen
in den Schneidgaskanälen 19 und
dem Durchgangskanal 15 zwei Fälle zu unterscheiden sind.
Zum einen kann der Druck im Austrittsabschnitt so groß sein,
dass ein Leckstrom in 1 nach oben auftritt. Dies hat
eine unnötige
Ver geudung von Schneidgas zur Folge. Umgekehrt kann aber auch der
Druck im Austrittsabschnitt 17 so klein werden, dass nach
dem Prinzip der Wasserstrahlpumpe Fremdgas durch den konischen Abschnitt 16 angesaugt
wird.
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Das
Ziel der Gasführung
ist also, dass einerseits keine Fremdluft angesaugt und dadurch
dem Bearbeitungs- insbesondere Schneidprozeß das reine Schneidgas zugeführt wird.
Ein gewisser Leckstrom nach oben ist also durchaus erwünscht, sollte aber
aus Wirtschaftlichkeitsgründen
so klein wie möglich
gehalten werden.
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Falls
jedoch Austrittsgeschwindigkeiten für das Schneidgas erforderlich
sind, die einen entsprechenden Druckaufbau im Austrittsabschnitt 17 verhindern,
ist es auch denkbar, einen kleinen Anteil von Schneidgas durch entsprechende,
nicht näher
dargestellte Leitungen dem Eintrittsabschnitt 16 für den Arbeitslaserstrahl
zuzuführen.
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Um
die Gasführung
zu vereinfachen, ist gemäß einem
bevorzugten Ausführungsbeispiel
der Erfindung vorgesehen, dass, wie in 2 dargestellt ist,
zwischen dem konischen Eintrittsabschnitt 16 und dem vorzugsweise
zylindrischen Austrittsabschnitt 17 des Durchgangskanals 15 ein
Drosselabschnitt 24 vorgesehen ist, dessen Durchmesser
kleiner ist als der Durchmesser des Austrittsabschnitts 17.
Der Drosselabschnitt 24 bildet dabei mit dem konischen Abschnitt 16 eine
Schulter 24',
die in 4 zu erkennen ist.
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Um
eine für
den Bearbeitungsvorgang geeignete Gasführung zu erhalten, die zwar
einen Leckstrom aus dem Austrittsabschnitt 17 durch den
Drosselabschnitt 14 nach oben zuläßt, diesen Leckstrom aber so
klein wie möglich
hält, ist
es entscheidend, dass die Querschnittsfläche der Drossel kleiner sein sollte
als die Summe der Querschnittsflächen
der Schneidgaskanäle 19.
Hierbei ist es denkbar, anstelle der in 2 dargestellten
zylindrischen Drossel 24 die Drossel konisch auszugestalten
und an die Konvergenz des fokusierten Arbeitslaserstrahls soweit wie
möglich
anzupassen, um die Querschnittsfläche der Drossel klein zu halten.
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Durch
die erfindungsgemäße Einleitung
von Schneidgas unmittelbar in den Austrittsabschnitt 17 des
Düsenkanals,
also des Durchgangskanals 15 für den Arbeitslaserstrahl kurz
vor der Austrittsöffnung 23 desselben,
läßt es sich
allein durch Steuerung der Schneidgaszufuhr auf einfache Weise erreichen, dem
Arbeitsbereich Schneidgas unter geeignetem Druck und geeigneter
Geschwindigkeit zuzuführen, ohne
dass die Gefahr besteht, dass das Schneidgas durch Fremdgas verunreinigt
wird.