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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Laserbearbeiten eines Werkstückes mit einem Laserbearbeitungskopf, durch den einer Bearbeitungsstelle des Werkstücks ein Laserbearbeitungsstrahl und ein Arbeitsgas zugeführt werden. Die Erfindung betrifft ferner einen Laserbearbeitungskopf sowie eine Laserbearbeitungsdüse zur Durchführung des Verfahrens.
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Stand der Technik
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Bei der Bearbeitung, insbesondere beim Schneiden mit einem Laserstrahl wird ein Laserstrahl üblicherweise durch einen Laserstrahlführungsraum eines Laserbearbeitungskopfes auf die Oberfläche eines Werkstücks geführt. Koaxial zum Laserstrahlführungsraum befindet sich in der Regel ein Arbeitsgaszuführungsraum, der ein Arbeitsgas der Bearbeitungsstelle zuführt. Im Falle des Laserschneidens treibt das Arbeitsgas die Schlacke aus der während des Bearbeitungsprozesses entstehenden Schnittfuge aus und unterstützt – sofern ein aktives Gas eingesetzt wird – den Verbrennungsprozess. Die Qualität einer Laserschnittfläche wird wesentlich durch die Einstellung geeigneter Arbeitsgasströmungen bestimmt.
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Als Arbeitsgas werden meist Stickstoff, Sauerstoff oder Druckluft verwendet, es kommen aber auch andere Gase und Gasgemische zum Einsatz. Wenn die Materialdicke der zu bearbeitenden Werkstücke zunimmt, steigt auch der Verbrauch an Arbeitsgas. Der Arbeitsgasverbrauch ist ein wesentlicher Kostenfaktor bei Laserbearbeitungsprozessen, insbesondere beim Laserschneiden von dicken Blechen und/oder wenn Gase hoher Reinheit oder Edelgase eingesetzt werden müssen. Das Arbeitsgas fließt während des Bearbeitungsprozesses in ganz erheblichem Masse seitlich ab, trifft nicht effizient an der Bearbeitungsstelle auf und leistet damit keinen Beitrag zum Bearbeitungsprozess.
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Die umgebende Raumluft kann den Arbeitsgasstrahl verunreinigen, was vor allem dann nachteilig ist, wenn Gase hoher Reinheit für den Prozess notwendig sind. Als Beispiel sei hier das Hochdruckschneiden genannt, das beim Schneiden von Edelstahlblechen eingesetzt wird und bei dem Stickstoff hoher Reinheit als Arbeitsgas eingesetzt wird.
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Durch den Laserstrahl wird das Material bei der Bearbeitung erwärmt. Dies kann zu Störungen des Bearbeitungsprozesses führen. Beim Laserschneiden von Blechen bildet sich beispielsweise leichter ein Plasma, wenn das bearbeitete Blech zu warm wird. Der gesamte Schneidprozess wird dadurch instabiler. Die Effekte werden umso deutlicher, je dickere Bleche bearbeitet werden.
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Zur Lösung dieser Probleme wurde vorgeschlagen, die Schnittfuge durch eine Hülse abzudichten (EP1669159,
JP62006790 ) oder den Schneidstrahl durch eine den Arbeitsgasstrahl umgebende Walzenströmung zu stabilisieren (
EP1976658 ) und das Werkstück bzw. die Bearbeitungsstelle direkt zu kühlen, beispielsweise durch eine Wassersprüheinrichtung (
JP2000052091 ).
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Nachteilig an diesen Lösungen sind der hohe konstruktive Aufwand und der Platzbedarf. Bei der Lösung nach
JP2000052091 befindet sich zusätzlich unkontrolliert Wasser im Arbeitsraum, was zu Korrosion an Werkstück und/oder Maschine führen kann.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren und eine Vorrichtung bereitzustellen, die die genannten Probleme lösen und eine gegenüber dem Stand der Technik verbesserte Lösung bereitstellen.
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Beschreibung
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Die Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Durch den erfindungsgemäßen Flüssigkeitsvorhang wird die Bearbeitungsstelle gegenüber der Umgebung abgedichtet. Dadurch kann seitlich kein Gas mehr abfließen und es können keine Partikel oder sonstige Verunreinigungen aus der Umgebung in den Bearbeitungsstrahl gelangen. Durch die auf dem Werkstück auftreffende Flüssigkeit wird außerdem das Werkstück an der Bearbeitungsstelle gekühlt, was einen stabilisierenden Effekt auf den Bearbeitungsprozess hat. Die verbesserte Prozessstabilität hat ein verbessertes Bearbeitungsergebnis zur Folge und führt im Falle des Laserschneidens zu einer verbesserten Kantenqualität.
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Die Flüssigkeit, die den Flüssigkeitsvorhang bildet, kann auf der der Bearbeitungsstelle abgewandten Seite des Flüssigkeitsvorhangs wieder abgeführt werden, z. B. durch eine Absaugeinrichtung. Das gewährleistet, dass keine Flüssigkeit auf der Werkstückoberseite verbleibt oder gar in die Bearbeitungsstelle eindringt und dass die von der Flüssigkeit aufgenommene Wärme effektiv abgeführt wird.
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Besonders vorteilhaft ist die Verwendung von Wasser als Flüssigkeit. Wasser führt die Wärme effektiv ab, ist kostengünstig und steht fast überall zur Verfügung. Häufig kann ein bereits vorhandener Kühlwasserkreislauf genutzt werden.
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Die Aufgabe wird auch gelöst durch einen Laserbearbeitungskopf mit den Merkmalen des Anspruchs 4. Der Laserstrahl wird durch einen Laserstrahlführungsraum zu einer Bearbeitungsstelle auf der dem Laserbearbeitungskopf zugewandeten Seite des Werkstücks geführt. Konzentrisch zum Laserstrahlführungsraum ist ein Arbeitsgasführugsraum angeordnet, durch den ein Arbeitsgas der Bearbeitungsstelle zugeführt wird. Laserstrahlführungsraum und Arbeitgasführungsraum können zusammenfallen oder – wie bei der Verwendung von sogenannten Ringspaltdüsen – voneinander getrennt angeordnet sein. Der Laserstrahlführungsraum mündet werkstückseitig in eine Laserstrahlaustrittsöffnung, der Arbeitsgaszuführungsraum mündet werkstückseitig in eine Arbeitsgasaustrittsöffnung. Laserstrahlaustrittsöffnung und Arbeitsgasaustrittsöffnung werden von einer Zuführöffnung für eine Flüssigkeit umschlossen, die mit einer Einrichtung zur Flüssigkeitszuführung verbunden ist. Die Einrichtung zur Flüssigkeitszuführung fördert eine Flüssigkeit in ausreichender Menge und mit ausreichendem Druck zur Zuführöffnung, so dass zwischen Zuführöffnung und Werkstück ein Flüssigkeitspolster – der erfindungsgemäße Flüssigkeitsvorhang – entsteht, sofern ein Werkstück zur Bearbeitung angeordnet ist. Durch den Kontakt der Flüssigkeit mit der Werkstückoberfläche entsteht außerdem elf Wärme leitender Kontakt zwischen Flüssigkeitsvorhang und Werkstück.
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In vorteilhafter Weiterbildung der Erfindung ist wenigstens eine Absaugöffnung vorgesehen, die sich auf der der Bearbeitungsstelle abgewandten Seite des Flüssigkeitsvorhangs befindet und die mit einer Absaugeinrichtung in Verbindung steht. Durch die Absaugöffnung wird die Flüssigkeit, die den erfindungsgemäßen Flüssigkeitsvorhang erzeugt, wieder von der Werkstückoberfläche entfernt. Es entsteht ein dynamischer Schwall zwischen Blech und Düse, der einerseits wie ein Dichtring wirkt und andererseits die von der Flüssigkeit aufgenommene Wärme effektiv abführt. Der Kühleffekt wirkt sich stabilisierend auf den Prozess und damit positiv auf das Bearbeitungsergebnis aus.
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Die Absaugung kann durch eine einzelne Absaugöffnung, durch mehrere, um den Flüssigkeitsvorhang angeordnete Absaugöffnungen oder durch eine die Zuführöffnung umgebende Absaugöffnung erfolgen.
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Werden die Zuführungsöffnung für die Flüssigkeit und/oder die Absaugöffnung als Ringspalte ausgeführt, sind die entsprechenden Bauteile einfach zu dimensionieren und zu fertigen. Dies gilt besonders, wenn die Ringspalte konzentrisch angeordnet sind. Der Flüssigkeitsvorhang bildet dann ein Flüssigkeitspolster, ähnlich einem Dichtring, das die Bearbeitungsstelle umgibt.
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Die Aufgabe wird auch gelöst durch eine Laserbearbeitungsdüsenanordnung nach Anspruch 8. Das erfindungsgemäße Verfahren kann dann mit einem Standard-Laserbearbeitungskopf durchgeführt werden, an den werkstückseitig eine erfindungsgemäße Düse angebracht wird.
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Der Laserstrahl wird durch einen Laserstrahlführungsraum zu einer Bearbeitungsstelle auf der dem Laserbearbeitungskopf zugewandten Seite des Werkstücks geführt. Konzentrisch zum Laserstrahlführungsraum ist ein Arbeitsgasführungsraum angeordnet, durch den ein Arbeitsgas der Bearbeitungsstelle zugeführt wird. Laserstrahlführungsraum und Arbeitgasführungsraum können zusammenfallen oder – wie im Falle einer sogenannten Ringspaltdüse – voneinander getrennt angeordnet sein. Der Laserstrahlführungsraum mündet werkstückseitig in eine Laserstrahlaustrittsöffnung. Der Arbeitsgaszuführungsraum mündet werkstückseitig in eine Arbeitsgasaustrittsöffnung. Laserstrahlaustrittsöffnung und Arbeitsgasaustrittsöffnung werden von einer Zuführöffnung für eine Flüssigkeit umschlossen, die mit einer Einrichtung zur Flüssigkeitszuführung verbunden ist. Die Einrichtung zur Flüssigkeitszuführung fördert eine Flüssigkeit in ausreichender Menge und mit ausreichendem Druck zur Zuführöffnung, so dass zwischen Zuführöffnung und Werkstück der erfindungsgemäße Flüssigkeitsvorhang entsteht, sofern ein Werkstück zur Bearbeitung angeordnet ist. Durch den Kontakt der Flüssigkeit mit der Werkstückoberfläche entsteht außerdem ein Wärme leitender Kontakt zwischen Flüssigkeitsvorhang und Werkstück.
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In vorteilhafter Weiterbildung der Erfindung ist wenigstens eine Absaugöffnung vorgesehen, die sich auf der der Bearbeitungsstelle abgewandten Seite des Flüssigkeitsvorhangs befindet und einen Anschluss zu einer Absaugeinrichtung vorsieht. Durch die Absaugöffnung wird die Flüssigkeit, die den erfindungsgemäßen Flüssigkeitsvorhang erzeugt, wieder von der Werkstückoberfläche entfernt. Die von der Flüssigkeit aufgenommene Wärme wird abgeführt. Der Kühleffekt wirkt sich stabilisierend auf den Prozess und positiv auf das Bearbeitungsergebnis aus.
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Die Absaugung kann durch eine einzelne Absaugöffnung, durch mehrere, um den Flüssigkeitsvorhang angeordnete Absaugöffnungen oder durch eine die Zuführöffnung umgebende Absaugöffnung erfolgen.
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Werden die Zuführungsöffnung für die Flüssigkeit und/oder die Absaugöffnung als Ringspalte ausgeführt, sind die entsprechenden Bauteile einfach zu dimensionieren und zu fertigen. Dies gilt besonders, wenn die Ringspalte konzentrisch angeordnet sind.
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Zeichnungen
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Es zeigen:
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1 eine perspektivische Darstellung einer Laserbearbeitungsanlage
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2 eine schematische Darstellung des erfindungsgemäßen Verfahrens
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3 eine schematische Darstellung des erfindungsgemäßen Verfahrens
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4 eine schematische Darstellung des erfindungsgemäßen Laserbearbeitungskopfes mit Linsenoptik
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5 eine schematische Darstellung des erfindungsgemäßen Laserbearbeitungskopfes mit Spiegeloptik und Druckfenster
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6 schematische Darstellung des erfindungsgemäßen Laserbearbeitungskopfes mit Spiegeloptik und Ringspaltdüse
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7a/b eine schematische Darstellung der erfindungsgemäßen Düse zum Anbau an einen bekannten Laserbearbeitungskopf.
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7a zeigt den eingebauten Zustand; 7b zeigt die erfindungsgemäße Düsenanordnung isoliert.
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1 zeigt den prinzipiellen Aufbau einer Laserbearbeitungsanlage 101 zum Laserschneiden. Eine Laserstrahlquelle 102 erzeugt einen Laserstrahl 103, welcher über eine Strahlführung 104 zu einem Laserbearbeitungskopf 105 geführt wird. Im Laserbearbeitungskopf 105 wird der Laserstrahl 103 durch eine Fokussiereinrichtung 106 auf die Bearbeitungsstelle 107 fokussiert. Im Laserbearbeitungskopf 105 wird dem Laserstrahl 103 über eine Gaszuführleitung 108 ein Arbeitsgas 109 zugeführt, das den Schneidprozess mechanisch und ggf. auch chemisch unterstützt. Eine Düsenanordnung 110 bildet das werkstückseitige Ende des Laserbearbeitungskopfes. Durch sie werden Laserstrahl 103 und Arbeitsgasstrahl auf die Bearbeitungsstelle 107 geführt. Der Laserstrahl 103 erhitzt das Material an der Bearbeitungsstelle 107. Arbeitsgasstrahl und Laserstrahl wirken derart zusammen, dass das Werkstück 115 an der Bearbeitungsstelle 107 getrennt wird. Durch die Bewegung des Laserbearbeitungskopfes 105 über dem Werkstück 115 entsteht letztendlich die Schnittfuge 116. Arbeitsgasart und Arbeitsgasdruck beeinflussen das Bearbeitungsergebnis wesentlich. Der Druck an der Bearbeitungsstelle muss während des Schneidprozesses hoch genug sein, um die Schlacke auszublasen. Die ausgeblasene Schlacke wird unter dem auf der Werkstückauflage 117 ruhenden Werkstück 115 von einer Absaugung 118 abgesaugt.
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Eine Flüssigkeitszufuhr 119 fördert eine Flüssigkeit mit ausreichendem Druck und ausreichender Menge zum Laserbearbeitungskopf 105. In der Düsenanordnung 110 befindet sich eine weitere ringförmige Zuführöffnung, durch die die Flüssigkeit an ihren Wirkort – die Bearbeitungsstelle 107 gefördert wird. Dort wird ein Flüssigkeitsvorhang 122 erzeugt, welcher die Bearbeitungsstelle 107 auf der dem Laserbearbeitungskopf 105 zugewandten Seite des Werkstücks gegenüber der Umgebung weitgehend abdichtet. Die Flüssigkeit, die den Flüssigkeitsvorhang 122 erzeugt, wird auf der der Bearbeitungsstelle abgewandten Seite des Flüssigkeitsvorhangsdurch eine Absaugöffnung, die mit einer Absaugeinrichtung 127 in Verbindung steht, wieder von der Oberfläche des Werkstücks 115 entfernt. Eine zentrale Steuereinheit 128 dient zur automatischen Steuerung des Bearbeitungsprozesses, insbesondere zur automatischen Positionierung des Laserbearbeitungskopfs an der Bearbeitungsstelle sowie der Einstellung der Bearbeitungsparameter.
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Den erfindungsgemäßen Prozess im Detail zeigen in schematischer Darstellung 2 und 3. Durch eine zentrale Öffnung 231, 331 eines Laserbearbeitungskopf 205, 305 werden der Bearbeitungsstelle 207, 307 eines Werkstücks 215, 315 ein Laserstrahl 203, 303 und ein Arbeitsgas 209, 309 zugeführt. Aus der dem Werkstück zugewandten Seite des Laserbearbeitungskopfes 205, 305 treten der Arbeitsgasstrahl 214, 314 und der Laserstrahl 203, 303 aus. Arbeitsgasaustrittsöffnung und Laserstrahlaustrittsöffnung fallen in dieser Darstellung in einer gemeinsamen Austrittsöffnung 213, 313 zusammen. Die Austrittsöffnung 213, 313 wird von einer Zuführöffnung 221, 321 für eine Flüssigkeit 220, 320 umgeben, die ihrerseits mit einer Flüssigkeitszuführung 219, 319 in Verbindung steht. Durch die Zuführöffnung 221, 321 wird eine Flüssigkeit 220, 320 zugeführt, die einen Flüssigkeitsvorhang 222, 322 erzeugt. Sind Druck und Volumenstrom ausreichend hoch, dichtet der Flüssigkeitsvorhang 222, 322 die Bearbeitungsstelle 207, 307 gegenüber der Umgebung 223, 323 ab, so dass zwischen Laserbearbeitungskopf 205, 305, Werkstück 215, 315 und Flüssigkeitsvorhang 222, 322 ein Gasstauraum 225, 325 entsteht. Dadurch kann einerseits seitlich kein Gas abfließen, andererseits können auch keine Verunreinigungen aus der Umgebung 223, 323 in den Arbeitsgasstrahl 214, 314 eindringen.
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Gemäß 3 wird die Flüssigkeit 320, die den Flüssigkeitsvorhang 322 bildet, sofort wieder abgeführt. Zu diesem Zweck ist eine Absaugöffnung 326 vorgesehen, die mit einer Absaugeinrichtung 327 in Verbindung steht. Als Flüssigkeit 320 wird zweckmäßigerweise Wasser verwendet. In der Regel steht in einer Maschinenhalle ein Kühlwasserkreislauf zur Verfügung, der zu diesem Zweck genutzt werden kann. Die kühlende Wirkung des Wassers auf das Werkstück hat außerdem einen positiven Einfluss auf das Bearbeitungsergebnis, weil der Prozess stabiler abläuft, wenn die Temperatur des Werkstücks nicht zu hoch wird. Beispielsweise ist die Neigung zur Plasmabildung geringer, wenn die Bearbeitungsstelle gekühlt wird. Des weiteren verzieht sich das Werkstück durch den geringeren Wärmeeintrag weniger, so dass die erreichbare Maßhaltigkeit verbessert wird.
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Das Verfahren kann mit nahezu jedem bekannten Laserbearbeitungskopf durchgeführt werden. Die in den folgenden Beispielen gezeigten verschiedenen Ausführungsformen von Flüssigkeitszufuhr und Absaugöffnung können nahezu beliebig miteinander kombiniert werden.
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4 zeigt einen Laserbearbeitungskopf 405 mit Linsenoptik. Eine Linse 406 dient als Fokussiereinrichtung und dichtet gleichzeitig den Laserbearbeitungskopf 405 werkstückseitig gegenüber der Strahlführung 404 ab. Das Arbeitsgas 409 wird über Gaszuführleitungen 408 zugeführt und tritt gemeinsam mit dem Laserstrahl 403 durch eine auf die Bearbeitungsstelle 407 gerichtete Düse 410 weder aus dem Laserbearbeitungskopf 405 aus. Die Flüssigkeitszuführung für die den Flüssigkeitsvorhang 422 erzeugende Flüssigkeit 420 erfolgt hier durch in den Laserbearbeitungskopf 405 integrierte Leitungen 419. Die Absaugöffnung für die Flüssigkeit ist als umlaufender, nach unten geöffneter Kanal 426 ausgeführt. Anders als in den bisher gezeigten Ausführungsformen haben bei diesem Ausführungsbeispiel die Laseraustrittsöffnung 413, die Austrittsöffnung für die Flüssigkeit 419 und die Absaugöffnung 426 unterschiedliche Abstände zur Blechoberfläche.
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Im Ausführungsbeispiel nach 5 kommt ein Spiegelschneidkopf 505 zum Einsatz, bei dem das Arbeitsgas 509 durch einen Ringspalt 512 in der Düse zugeführt wird. Als Flüssigkeitszuführung dient hier ein zweiter Ringspalt 519, der den ersten Ringspalt 512 umgibt Die Absaugöffnung hier durch ein einzelnes Rohr 526 ausgeführt, das die überschüssige Flüssigkeit absaugt. Ist die Absaugöffnung 526 derart einseitig ausgeführt wird sie zweckmäßigerweise in ihrer Bewegung dem Laserbearbeitungskopf 505 folgen, da sich hinter dem Laserbearbeitungskopf der größere Anteil der Flüssigkeit ansammeln wird. Die Absaugöffnung kann auch durch mehrere Rohre ausgeführt sein, die um die Flüssigkeitszuführung 512 herum angeordnet sind.
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Im Beispiel nach 6 wird der Laserstrahl 603 von einem Spiegel 606 fokussiert. Um den Arbeitsgaszuführungsraum 609 gegenüber der Strahlführung 604 abzudichten ist hier zwischen Fokussierspiegel 606 und Laserstrahlaustrittsöffnung 613 ein für den Laserstrahl 603 transparentes Planfenster 629 angeordnet. Die Flüssigkeitszuführung und Absaugöffnung sind als konzentrische Ringspalte 619 und 626 in die Düse integriert.
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7a und 7b zeigen eine erfindungsgemäße Düsenanordnung 730 zum Anbau an einen bekannten Laserbearbeitungskopf 705. 7a zeigt den eingebauten Zustand, 7b zeigt die erfindungsgemäße Düsenanordnung isoliert. Vorteilhaft ist an dieser Ausführung, dass alle Elemente, die zur Umsetzung des erfindungsgemäßen Verfahrens notwendig sind, in einem Bauteil zusammengefasst sind. Um das erfindungsgemäße Verfahren durchzuführen muss lediglich die vorher verwendete Düse vom Laserbearbeitungskopf 705 abgenommen werden. Zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird die Düsenanordnung mittels einer Überwurfmutter 734 und zweier Haltelaschen 735 angebracht.
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Im Laserbearbeitungskopf 705 wird der Laserstrahl 703 durch eine Linse fokussiert und durch den Laserstrahlführungsraum 731 des Laserbearbeitungskopfes geführt. Die Zuführung des Arbeitsgases (nicht gezeigt) erfolgt ebenfalls im Laserstrahlführungsraum 731 des Laserbearbeitungskopfes 705.
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Die Düsenanordnung 730 weist eine zentrische Öffnung 713 auf, durch die der Laserstrahl 703 und das Arbeitsgas zur Bearbeitungsstelle des Werkstücks geführt werden. Düsenanordnung und Standard-Laserbearbeitungskopf werden so aneinander gekuppelt, dass der Laserstrahlführungsraum 731 des Laserbearbeitungskopfes 705 mit dem Laserstrahlführungsraum 732 der Düsenanordnung 730 fluchtet. Am werkstückseitigen Ende der Düsenanordnung 730 befindet sich die Düsenöffnung 713, durch die der Laserstrahl 703 und der Arbeitsgasstrahl austreten und die sowohl die werkstückseitige Laserstrahlaustrittsöffnung als auch die werkstückseitige Arbeitsgasstrahlöffnung bildet.
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Laserstrahlführungsraum 732 und Laserstrahlaustrittsöffnung 713 werden von einem Ringspalt 721 umschlossen, welcher über Zuführleitungen 719, mit einer Flüssigkeitszuführung im Kontakt steht. Die Zuführleitungen 719, können an einen Kühlwasserzulauf angeschlossen sein. Auf seiner dem Werkstück zugewandten Seite erzeugt der Ringspalt 721 so den erfindungsgemäßen Flüssigkeitsvorhang der die Bearbeitungsstelle umgibt. Ein zweiter Ringspalt 726 umgibt die Austrittsöffnung für die Flüssigkeit 721 und führt über ein Absaugrohr 733 zu einer Absaugeinheit (nicht gezeigt). Die Absaugeinheit kann ihrerseits an den Ablauf eines Kühlwasserkreislaufs angeschlossen sein.
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Der zwischen Blech und Düse entstehende dynamische Schwall wirkt als Dichtring. Der Schwall bildet – ähnlich einem Hydrolager – eine Art Gleitfilm aus, der z. B. auch für eine Abstandsregelung genutzt werden kann.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- JP 62006790 [0006]
- EP 1976658 [0006]
- JP 2000052091 [0006, 0007]
