DE102019135375A1

DE102019135375A1 - Düse für eine Laserbearbeitungsvorrichtung und Laserbearbeitungsvorrichtung mit derselben

Info

Publication number: DE102019135375A1
Application number: DE102019135375.0A
Authority: DE
Inventors: Florian Opitz; Niklas Weckenmann
Original assignee: Precitec GmbH and Co KG
Current assignee: Precitec GmbH and Co KG
Priority date: 2019-12-20
Filing date: 2019-12-20
Publication date: 2021-06-24
Also published as: CN114929425A; WO2021123124A1

Abstract

Es ist eine Düse für eine Laserbearbeitungsvorrichtung zum Bearbeiten eines Werkstücks mittels eines Laserstrahls angegeben, die Düse umfassend: einen inneren Düsenteil mit einem Innenkanal zum Durchleiten des Laserstrahls und von Prozessgas und mit einer Kernströmungs-Austrittsöffnung zum Austritt des Laserstrahls und einer Kernströmung des Prozessgases; und einen äußeren Düsenteil, der zumindest in einem Bereich vom inneren Düsenteil beabstandet angeordnet ist und zusammen mit dem inneren Düsenteil einen Ringkanal zum Durchleiten von Prozessgas und eine Ringströmungs-Austrittsöffnung zum Austritt einer Ringströmung des Prozessgases bildet, wobei eine Querschnittsfläche des Ringkanals zur Ringströmungs-Austrittsöffnung hin zunimmt. Ferner ist eine Laserbearbeitungsvorrichtung zum Bearbeiten eines Werkstücks mit einer solchen Düse angegebenen.

Description

Die vorliegende Offenbarung betrifft eine Düse für eine Laserbearbeitungsvorrichtung, insbesondere eine Doppeldüse für eine Laserbearbeitungsvorrichtung, und eine Laserbearbeitungsvorrichtung mit einer solchen Düse.
Hintergrund
In einem Laserbearbeitungssystem zur Bearbeitung eines Werkstücks, insbesondere eines metallischen Werkstücks oder Materials, wird der von einer Laserlichtquelle oder einem Ende einer Laserleitfaser austretende Laserstrahl mit Hilfe einer Strahlführungs- und Fokussieroptik eines Laserbearbeitungskopfes auf das zu bearbeitende Werkstück fokussiert oder gebündelt, um das Werkstück lokal auf Schmelztemperatur zu erhitzen. Die Bearbeitung kann beispielsweise ein Laserschneiden, -löten oder -schweißen umfassen. Beim Schneiden metallischer Materialien bzw. Werkstücke mittels eines Lasers tritt üblicherweise gemeinsam mit dem Laserstrahl eine koaxial geführte Gasströmung eines Prozess- oder Schneidgases aus einer am Laserbearbeitungskopf angebrachten Düse aus. Beispielsweise wird beim Laserschmelzschneiden mit Hilfe eines zum Laserstrahl koaxialen Gasstrahls die Schmelze aus der Schnittfuge ausgetrieben.
Die Laserstrahlung und das Prozessgas wird durch die Düse auf die Prozesszone des zu bearbeitenden Werkstücks gerichtet. Die Gasströmung des Prozessgases, insbesondere der Volumenstrom und die Form der Gasströmung, wird durch den Gasdruck des Prozessgases und die Geometrie bzw. Form der Düse beeinflusst. Beim Schneiden mit Sauerstoff wird typischerweise mit Eingangsdrücken von 3 bar oder weniger (Absolutdruck, gemessen am Einlass des Bearbeitungskopfes) gearbeitet. Beim Schneiden mit Stickstoff hingegen wird typischerweise mit hohen Eingangsdrücken von 2 bar bis 30 bar (Absolutdruck, gemessen am Einlass des Bearbeitungskopfes) und entsprechend hohen Volumenströmen gearbeitet.
Die Gasströmung des Prozessgases ist wiederum maßgeblich für die Qualität, Stabilität und Effizienz des Bearbeitungsprozesses, insbesondere des Schneidprozesses, verantwortlich und stellt demnach eine wichtige Komponente des Laserschneidens dar. Im Schneidprozess erfüllt das Schneidgas verschiedene Aufgaben. Unter anderem erzeugt das Prozessgas eine Kraftwirkung auf das durch den Laserstrahl aufgeschmolzene Material, indem es Druck-Scherkräfte auf die Schnittfront und die Schnittflanken überträgt. Dadurch unterstützt das Prozessgas den Austrieb des aufgeschmolzenen Materials aus der Schnittfuge. Um beim Laserschneiden einen guten Austrieb der Schmelze zu gewährleisten, muss also ein möglichst hoher Anteil des gesamten Volumenstroms des Prozessgases in den Schnittspalt eintreten und dort eine Kraftwirkung auf das flüssige Material entfalten. Sowohl der Anteil des eintretenden Volumenstroms als auch die daraus resultierende Kraftwirkung werden durch die Geometrie bzw. Form der Düse beeinflusst.
Bekannt sind Düsen mit einer konvergenten Form, Doppeldüsen, auch „Zweistromdüsen“ genannt, und Düsen mit einem konvergent-divergenten Verlauf, sogenannte „Lavaldüsen“.
Beschreibung der Erfindung
Es ist eine Aufgabe der Erfindung, eine Düse, insbesondere eine Schneiddüse, bereitzustellen, die die Ausbildung einer Doppelströmung aus Ring- und Kernströmung eines Prozessgases ermöglicht.
Es ist eine weitere Aufgabe der Erfindung, eine Düse, insbesondere eine Schneiddüse, bereitzustellen, die eine verbesserte Gasströmung des Prozessgases sowie einen effizienten Schmelzaustrieb ermöglicht.
Es ist insbesondere eine Aufgabe der Erfindung, eine Düse, insbesondere eine Schneiddüse bereitzustellen, die höhere Schneidgeschwindigkeiten bei gleichbleibender Qualität der Schnittkanten und/oder einem geringeren Schneidgasverbrauch ermöglicht.
Es ist eine weitere Aufgabe der Erfindung, eine Düse, insbesondere eine Schneiddüse, bereitzustellen, die es ermöglicht, den in den Schnittspalt eintretenden Anteil des Volumenstromes eines Prozessgases zu erhöhen.
Es ist eine weitere Aufgabe der Erfindung, eine Düse, insbesondere eine Schneiddüse, bereitzustellen, die es ermöglicht, die Gasströmung eines Prozessgases zu stabilisieren.
Es ist eine weitere Aufgabe der Erfindung, eine Düse, insbesondere eine Schneiddüse, bereitzustellen, die für das Schneiden von Blechen mit einer großen Dicke, vorzugsweise mit einer Dicke von 1 mm bis 150 mm, insbesondere mit einer Dicke von 10 mm bis 60 mm, bzw. von großen Blechstärken geeignet ist.
Es ist ebenfalls eine Aufgabe der Erfindung, eine Laserbearbeitungsvorrichtung mit einer solchen Düse bereitzustellen.
Die Aufgabe wird durch den Gegenstand des unabhängigen Anspruchs gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen sind Gegenstand abhängiger Ansprüche.
Die Erfindung beruht auf dem Grundgedanken, eine Düse, insbesondere eine Schneiddüse, bereitzustellen, die einen Ringkanal zum Ausbilden einer Ringströmung des Prozessgases mit sich erweiternder Querschnittsfläche und einen Innenkanal zum Ausbilden einer Kernströmung des Prozessgases aufweist. Vorzugsweise weist der Innenkanal eine kleiner werdenden Querschnittsfläche auf. Gemäß einer Ausführungsform weist die Düse einen inneren Düsenteil mit einem Innenkanal zum Durchleiten des Laserstrahls und von Prozessgas und mit einer Kernströmungs-Austrittsöffnung zum Austritt des Laserstrahls und einer Kernströmung des Prozessgases und einen äußeren Düsenteil auf, der vom inneren Düsenteil beabstandet angeordnet ist und zusammen mit dem inneren Düsenteil einen Ringkanal zum Durchleiten von Prozessgas und eine Ringströmungs-Austrittsöffnung zum Austritt einer Ringströmung des Prozessgases bildet. Der Ringkanal weist eine in Richtung der Ringströmungs-Austrittsöffnung zunehmende Querschnittsfläche auf. Durch diesen Aufbau der Düse umgibt die Ringströmung des Prozessgases die Kernströmung des Prozessgases. Aufgrund der Form des Ringkanals weist die Ringströmung des Prozessgases eine Strömungsgeschwindigkeit auf, die höher ist als die Strömungsgeschwindigkeit der Kernströmung. Dadurch wird die Kernströmung im Bereich zwischen der Düse und dem zu bearbeitenden Werkstück von der umgebenden Atmosphäre abgeschlossen. Somit kann ein besonders gro-ßer Anteil der Kernströmung in die Prozesszone des zu bearbeitenden Werkstücks eintreten und einen effizienten Schmelzaustrieb gewährleisten.
Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung ist eine Düse für eine Laserbearbeitungsvorrichtung zum Bearbeiten eines Werkstücks mittels eines Laserstrahls angegeben, wobei die Düse umfasst: einen inneren Düsenteil mit einem Innenkanal zum Durchleiten des Laserstrahls und von Prozessgas und mit einer Kernströmungs-Austrittsöffnung zum Austritt des Laserstrahls und einer Kernströmung des Prozessgases; und einen äußeren Düsenteil, der vom inneren Düsenteil beabstandet angeordnet ist und zusammen mit dem inneren Düsenteil einen Ringkanal zum Durchleiten von Prozessgas und eine Ringströmungs-Austrittsöffnung zum Austritt einer Ringströmung des Prozessgases bildet, wobei eine Querschnittsfläche des Ringkanals zur Ringströmungs-Austrittsöffnung hin zunimmt.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung ist eine Laserbearbeitungsvorrichtung zur Bearbeitung eines Werkstücks mittels eines Laserstrahls angegeben, wobei die Laserbearbeitungsvorrichtung einen Bearbeitungskopf und eine Düse gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung umfasst, wobei die Düse am Bearbeitungskopf angeordnet ist.
Im Folgenden bezeichnet eine axiale Richtung der Düse, auch kurz als „axiale Richtung“ bezeichnet, eine Richtung parallel zu einer Düsenachse bzw. Längsachse der Düse, bzw. parallel und/oder koaxial zu einer Ausbreitungsrichtung oder Strahlachse des Laserstrahls und/oder einer Strömungsrichtung des Prozessgases beim Austritt aus der Düse. Die Düsenachse kann einer Mittelachse der Düse oder des Innenkanals entsprechen. Die Düsenachse kann eine Symmetrieachse, insbesondere eine Rotationssymmetrieachse, der Düse, des inneren Düsenteils und/oder des äußeren Düsenteils sein. Eine radiale Richtung ist als zur Düsenachse bzw. zur axialen Richtung senkrechte Richtung definiert. „Radial nach außen“ kann eine Fläche oder einen Teil bezeichnen, die bzw. der von der Düsenachse abgewandt ist. „Radial nach innen“ kann eine Fläche oder einen Teil bezeichnen, die bzw. der der Düsenachse zugewandt ist. Eine Querschnittfläche oder ein Radius eines Bauteils oder eines Elements kann in einer zur axialen Richtung bzw. zur Düsenachse senkrechten Fläche definiert sein, sofern nichts anderes angegeben ist.
Die Düse umfasst also einen inneren Düsenteil, der einen Innenkanal aufweist. Der Innenkanal kann eingerichtet sein, die Kernströmung des Prozessgases auszubilden. Der innere Düsenteil kann im Wesentlichen rotationssymmetrisch bezüglich der Düsenachse und/oder zylinderförmig ausgebildet sein. Der Innenkanal dient zum Durchleiten des Laserstrahls und eines ersten Teils des Prozessgases. Der Innenkanal kann den inneren Düsenteil entlang der Düsenachse durchdringen und/oder der Innenkanal kann entlang der Düsenachse verlaufen und/oder mit dieser koaxial verlaufen. Der Innenkanal kann an jedem Punkt entlang der axialen Richtung der Düse einen im wesentlichen kreisförmigen Querschnitt aufweisen. Der Innenkanal kann durch eine radial nach innen gerichtete Fläche des inneren Düsenteils, auch als Innenfläche oder Innenkontur des inneren Düsenteils bezeichnet, begrenzt sein. Der Innenkanal, insbesondere die Innenfläche bzw. die Innenkontur des inneren Düsenteils, eine konisch konvergierende Form (in Gasströmungsrichtung) auf. Die Innenfläche kann auch durch mehrere Stufen oder durch eine Kombination aus konisch konvergierenden Abschnitten und Stufen ausgebildet sein.
Der innere Düsenteil weist eine Kernströmungs-Austrittsöffnung auf. Die Kernströmungs-Austrittsöffnung ist beispielsweise an einem Ende des Innenkanals angeordnet, welches dem zu bearbeitenden Werkstück zugewandt ist. Aus der Kernströmungs-Austrittsöffnung tritt der Laserstrahl aus, um anschließend auf das zu bearbeitende Werkstück zu treffen. Ferner tritt aus der Kernströmung-Austrittsöffnung der erste Teil des Prozessgases als Kernströmung aus. Die Kernströmung kann den Laserstrahl umgeben oder koaxial zum Laserstrahl verlaufen. Die Kernströmungs-Austrittsöffnung kann rotationssymmetrisch, kreisförmig oder oval ausgebildet sein.
Ferner weist die Düse einen äußeren Düsenteil auf. Der äußere Düsenteil umgibt den inneren Düsenteil. Der äußere Düsenteil kann im Wesentlichen rotationssymmetrisch bezüglich der Düsenachse und/oder zylinderförmig ausgebildet sein. Insbesondere kann eine radial nach innen gerichtete Oberfläche des äußeren Düsenteils, auch als Innenfläche oder Innenkontur des äußeren Düsenteils bezeichnet, einer radial nach außen gerichteten Oberfläche des inneren Düsenteils, auch als Außenfläche oder Außenkontur des inneren Düsenteils bezeichnet, gegenüberliegen. Mit anderen Worten kann der innere Düsenteil in den äußeren Düsenteil eingeführt, eingesetzt oder darin ausgebildet sein. Ein Ende des inneren Düsenteils, welches dem zu bearbeitenden Werkstück zugewandt ist, und ein Ende des äußeren Düsenteils, welches dem zu bearbeitenden Werkstück zugewandt ist, können bezüglich der axialen Richtung der Düse bündig angeordnet sein.
Der äußere Düsenteil bildet zusammen mit dem inneren Düsenteil einen Ringkanal. Der Ringkanal kann durch eine radial nach innen gerichtete Oberfläche bzw. Innenfläche oder Innenkontur des äußeren Düsenteils und eine radial nach außen gerichteten Oberfläche bzw. Außenfläche oder Außenkontur des inneren Düsenteils begrenzt sein. Der Ringkanal dient zum Durchleiten eines zweiten Teils des Prozessgases. Der Ringkanal kann im Wesentlichen ringförmig ausgebildet sein. Der Ringkanal kann sich in axialer Richtung der Düse erstrecken und/oder mit dieser koaxial verlaufen. Der Ringkanal kann an jedem Punkt entlang der axialen Richtung der Düse einen im Wesentlichen ringförmigen Querschnitt aufweisen. Eine Mittelachse oder Längsachse des Ringkanals kann koaxial zu einer Mittelachse bzw. Längsachse des Innenkanals und/oder der Düse sein. Mit anderen Worten können der Ringkanal und der Innenkanal zumindest teilweise konzentrisch entlang der Düsenachse verlaufen.
In einem Ausführungsbeispiel kann der Ringkanal in einem an die Ringströmungs-Austrittsöffnung angrenzenden Bereich divergent, oder zumindest nicht konvergent, und der Innenkanal in einem an die Kernströmungs-Austrittsöffnung angrenzenden Bereich konvergent, oder zumindest nicht divergent, ausgebildet sein.
Der erste Teil des Prozessgases und der zweite Teil des Prozessgases können in den Innenkanal bzw. in den Ringkanal jeweils mit einem vorgegebenen Druck, insbesondere mit demselben Druck eintreten. Der Druck des Prozessgases kann über eine CNC vorgegeben sein, und/oder kann über ein Gasventil eingestellt bzw. geregelt werden. Der Druck kann von einem Drucksensor in einem Sensoreinsatz am Laserbearbeitungskopf gemessen werden.
Die Düse weist eine Ringströmungs-Austrittsöffnung auf. Vorzugsweise ist die Ringströmungs-Austrittsöffnung an einem dem zu bearbeitenden Werkstück zugewandten Ende des Ringkanals angeordnet. Aus der Ringströmungs-Austrittsöffnung tritt der zweite Teil des Prozessgases als Ringströmung aus. Die Ringströmung umgibt die Kernströmung. Die Düse kann also als Doppeldüse oder Zweistromdüse bezeichnet werden. Die Ringströmungs-Austrittsöffnung und/oder der Ringkanal, d.h. in einer Ebene senkrecht zur Düsenachse, kann ringförmig bzw. kreisringförmig ausgebildet sein.
Der Ringkanal weist eine Querschnittsfläche auf, die zur Ringströmungs-Austrittsöffnung hin zunimmt. Mit anderen Worten nimmt die Querschnittfläche des Ringkanals von einem Bereich mit einer minimalen Querschnittsfläche in Richtung der Ringströmungs-Auslassöffnung zu. Die Zunahme kann kontinuierlich und/oder konstant und/oder stetig sein. Insbesondere kann der Ringkanal so entlang der Düsenachse ausgebildet sein, dass seine Querschnittsfläche zwischen dem Bereich der minimalen Querschnittsfläche und der Ringströmungs-Auslassöffnung nicht mehr abnimmt. Mit noch anderen Worten kann der Ringkanal zur Ringströmungs-Austrittsöffnung hin divergent verlaufen.
Die sich zur Ringströmungs-Austrittsöffnung hin vergrößernde Querschnittsfläche des Ringkanals kann durch eine konisch konvergente Außenfläche des inneren Düsenteils und eine konstante oder divergente Innenfläche des äußeren Düsenteils (jeweils in Gasströmungsrichtung) gebildet werden.
Der Ringkanal ist vorzugsweise derart ausgebildet oder geformt, dass eine Strömungsgeschwindigkeit der Ringströmung größer ist als eine Strömungsgeschwindigkeit der Kernströmung, insbesondere im Bereich der Ringströmungs-Austrittsöffnung bzw. im Bereich der Kernströmungs-Austrittsöffnung. Der Ringkanal ist vorzugsweise derart ausgebildet oder geformt, dass sich die Ringströmung in einem Bereich innerhalb des Ringkanals und/oder im Bereich der Ringströmungs-Austrittsöffnung als Überschallströmung, d.h. mit einer Überschall-Strömungsgeschwindigkeit, ausbildet. Die Überschallströmung kann sich insbesondere im zweiten Bereich des Ringkanals ausbilden. Hierdurch wird die Kernströmung wirksam von der umgebenden Atmosphäre abgeschlossen und kann so effektiv in die Prozesszone, insbesondere den Schnittspalt, eindringen. Des Weiteren wird die Kernströmung stabilisiert und ermöglicht so auch das stabile Schneiden von Blechen mit großer Blechstärke bzw. mit einer großen Dicke, vorzugsweise mit einer Dicke von 1 mm bis 150 mm, insbesondere mit einer Dicke von 10 mm bis 60 mm.
Der Ringkanal oder ein Bereich des Ringkanals kann lavalförmig bzw. als Lavaldüse ausgebildet sein. Mit anderen Worten kann der Querschnitt des Ringkanals lavalförmig ausgebildet sein. Anders ausgedrückt kann der Ringkanal in einem Längsschnitt durch die Düsenachse bzw. durch eine Mittelachse der Düse eine Lavalkontur aufweisen. Eine radial nach innen gerichtete Oberfläche bzw. Innenfläche oder Innenkontur des äußeren Düsenteils und eine radial nach außen gerichtete Oberfläche bzw. Außenfläche oder Außenkontur des inneren Düsenteils können also derart geformt sein, dass ein lavalförmiger Ringkanal ausgebildet ist. Somit kann die Düse eine Ringlavaldüse sein.Der Querschnitt des Ringkanals kann sich in Richtung der Ringströmungs-Austrittsöffnung zunächst verengen und anschließend weiten. Der Übergang von dem sich verengenden Bereich des Ringteils zu dem sich weitenden Bereich des Ringkanals kann stetig erfolgen. Die Außenkontur und/oder die Innenkontur der Querschnittsfläche des Ringkanals kann an jeder Stelle entlang der Düsenachse kreis- oder ellipsenförmig sein.
Der Ringkanal kann einen ersten Bereich mit einer in Richtung der Ringströmungs-Austrittsöffnung gleichbleibenden und/oder abnehmenden Querschnittsfläche und einen zweiten Bereich mit einer in Richtung der Ringströmungs-Austrittsöffnung zunehmenden Querschnittsfläche aufweisen. Der erste Bereich und der zweite Bereich können aneinander angrenzen. Eine minimale Querschnittsfläche des Ringkanals kann zwischen dem ersten und dem zweiten Bereich liegen. Der Übergang vom ersten Bereich zum zweiten Bereich kann stetig erfolgen.
Der zweite Bereich kann in Richtung der Ringströmungs-Austrittsöffnung hinter, d.h. stromabwärts von (bezogen auf die Prozessgasströmung), dem ersten Bereich angeordnet sein. Der zweite Bereich kann an die Ringströmungs-Austrittsöffnung angrenzend oder zwischen dem ersten Bereich und der Ringströmungs-Austrittsöffnung angeordnet sein. Zwischen dem zweiten Bereich und der Ringströmungs-Austrittsöffnung kann ein dritter Bereich des Ringkanals mit einer in Richtung der Ringströmungs-Austrittsöffnung gleichbleibenden bzw. konstanten Querschnittsfläche angeordnet sein.
Im Bereich der Ringströmungs-Austrittsöffnung kann eine Querschnittsfläche des Ringkanals maximal sein. Insbesondere kann eine Querschnittsfläche der Ringströmungs-Austrittsöffnung der maximalen Querschnittsfläche des Ringkanals entsprechen oder die maximale Querschnittsfläche des Ringkanals sein.
Der Ringkanal kann zumindest einen Bereich, insbesondere innerhalb des zweiten Bereichs des Ringkanals, mit einem in Richtung der Ringströmungs-Austrittsöffnung abnehmenden Innendurchmesser und/oder zumindest einen Bereich, insbesondere innerhalb des zweiten Bereichs, mit einem in Richtung der Ringströmungs-Austrittsöffnung zunehmenden Außendurchmesser aufweisen. Der Ringkanal kann zumindest einen Bereich, insbesondere innerhalb des zweiten Bereichs und/oder des dritten Bereichs des Ringkanals, mit einem in Richtung der Ringströmungs-Austrittsöffnung konstanten Innendurchmesser und/oder einem konstanten Außendurchmesser. Der Ringkanal kann zumindest einen Bereich mit einem sich in Richtung der Ringströmungs-Austrittsöffnung kontinuierlich verändernden Innendurchmesser und/oder Außendurchmesser aufweisen.
Eine Querschnittsfläche des Innenkanals kann zur Kernströmungs-Austrittsöffnung hin abnehmen. Der Innenkanal kann also eine konische und/oder konvergente Form aufweisen. Anders ausgedrückt kann der Innenkanal in einem Längsschnitt durch eine Mittelachse der Düse eine konische und/oder konvergente Form aufweisen. Mit anderen Worten kann der Innenkanal zur Kernströmungs-Austrittsöffnung hin konvergent verlaufen. Anders gesagt kann sich ein Querschnitt des Innenkanals zur Kernströmungs-Austrittsöffnung hin verengen. Der Innenkanal kann zumindest einen in Richtung der Kernströmungs-Austrittsöffnung stufenförmig, d.h. diskontinuierlich, konvergenten Bereich und/oder zumindest einen in Richtung der Kernströmungs-Austrittsöffnung kontinuierlich konvergenten Bereich aufweisen. Der Innenkanal kann einen ersten Bereich mit einer in Richtung der Kernströmungs-Austrittsöffnung abnehmenden Querschnittsfläche bzw. Durchmesser, d.h. einen konvergenten ersten Bereich, und einen zweiten Bereich mit einer in Richtung der Kernströmungs-Austrittsöffnung gleichbleibenden bzw. konstanten Querschnittsfläche bzw. Durchmesser, d.h. einen zylinderförmigen zweiten Bereich, aufweisen. Der erste Bereich kann in Richtung der Kernströmungs-Austrittsöffnung vor, d.h. stromaufwärts von (bezogen auf die Prozessgasströmung), dem zweiten Bereich ausgebildet sein. Der Übergang vom ersten Bereich zum zweiten Bereich kann stetig oder diskret bzw. stufenförmig erfolgen. Der zweite Bereich kann an die Kernströmungs-Austrittsöffnung angrenzend angeordnet sein. Der Innenkanal kann zumindest einen Bereich mit einem sich in Richtung der Kernströmung-Austrittsöffnung kontinuierlich verändernden Durchmesser aufweisen.
Eine Querschnittsfläche des Innenkanals kann in Richtung der Kernströmungs-Austrittsöffnung abnehmen. Die Querschnittsfläche kann im Bereich der Kernströmungs-Austrittsöffnung oder benachbart zur Kernströmungs-Austrittsöffnung minimal sein. Die Abnahme kann kontinuierlich und/oder konstant und/oder stetig sein.
Im Bereich der Kernströmungs-Austrittsöffnung und/oder an einem der Kernströmungs-Austrittsöffnung zugewandten Ende des zweiten Bereichs kann eine Querschnittsfläche des Innenkanals minimal sein. Insbesondere kann eine Querschnittsfläche der Kernströmungs-Austrittsöffnung der minimalen Querschnittsfläche des Innenkanals entsprechen oder die minimale Querschnittsfläche des Innenkanals sein.
Die Kernströmungs-Austrittsöffnung und die Ringströmungs-Austrittsöffnung können beide auf einer Düsenstirnfläche ausgebildet sein. Die Düsenstirnfläche kann hier eine Fläche bzw. ein Ende der Düse bezeichnen, die bzw. das bei der Laserbearbeitung dem Werkstück am nächsten liegt. Die Kernströmungs-Austrittsöffnung und die Ringströmungs-Austrittsöffnung können koplanar ausgebildet sein, bzw. in einer, d.h. in derselben, Ebene senkrecht zur Düsenachse ausgebildet sein. Die Kernströmungs-Austrittsöffnung und die Ringströmungs-Austrittsöffnung können in einer Ebene senkrecht zur axialen Richtung der Düse ausgebildet sein. Insbesondere können die Kernströmungs-Austrittsöffnung und die Ringströmungs-Austrittsöffnung in derselben Ebene ausgebildet sein, wobei diese Ebene senkrecht zur axialen Richtung der Düse angeordnet sein kann.
Die Düse kann ferner eine gemeinsame Austrittsöffnung zum Austritt der Kernströmung und der Ringströmung aus der Düse aufweisen. Die Düse kann ferner einen gemeinsamen Kanal zum Durchleiten der Ringströmung und der Kernströmung aufweisen, der zwischen dem Ringkanal bzw. dem Innenkanal und der gemeinsamen Austrittsöffnung angeordnet ist. Somit können die Kernströmung und die Ringströmung gemeinsam durch die gemeinsame Austrittsöffnung aus dem gemeinsamen Kanal und der Düse austreten. Der gemeinsame Kanal kann in axialer Richtung der Düse hinter, d.h. stromabwärts von, dem Innenkanal und/oder dem Ringkanal bzw. der Kernströmungs-Austrittsöffnung und/oder der Ringströmungs-Austrittsöffnung ausgebildet sein. Mit anderen Worten können die Kernströmungs-Austrittsöffnung und die Ringströmungs-Austrittsöffnung gegenüber der gemeinsamen Austrittsöffnung zurückversetzt sein. Der gemeinsame Kanal kann insbesondere an den Innenkanal und/oder an den Ringkanal bzw. an die Kernströmung-Austrittsöffnung und/oder die Ringströmungs-Austrittsöffnung angrenzend angeordnet sein. Der gemeinsame Kanal kann an seinem dem zu bearbeitenden Werkstück zugewandten Ende die gemeinsame Austrittsöffnung aufweisen. Die Ringströmungs-Austrittsöffnung und die Kernströmungs-Austrittsöffnung können also in axialer Richtung der Düse vor der gemeinsamen Austrittsöffnung ausgebildet sein. Mit anderen Worten kann die aus dem Innenkanal austretende Kernströmung und die aus dem Ringkanal austretende Ringströmung des Prozessgases in den gemeinsamen Kanal eintreten und anschließend aus der gemeinsamen Austrittsöffnung aus der Düse austreten. Der gemeinsame Kanal kann durch eine Innenfläche des äußeren Düsenteils ausgebildet sein. Die gemeinsame Austrittsöffnung kann an einem dem zu bearbeitenden Werkstück zugewandten Ende des äußeren Düsenteils ausgebildet sein. Der gemeinsame Kanal kann in axialer Richtung der Düse eine Länge von größer 0,0 mm aufweisen, und kann insbesondere eine Länge von 0,1 mm oder größer aufweisen.
Ein Verhältnis zwischen einem Volumenstrom der Ringströmung und einem Volumenstrom der Kernströmung kann zwischen 0,1 und 5,0 betragen.
Ein Außendurchmesser des Ringkanals im Bereich der Ringströmungs-Austrittsöffnung und/oder ein Außendurchmesser der Ringströmungs-Austrittsöffnung kann zwischen 3,0 mm und 15,0 mm betragen. Ein Innendurchmesser des Ringkanals im Bereich der Ringströmungs-Austrittsöffnung und/oder ein Innendurchmesser der Ringströmungs-Austrittsöffnung kann zwischen 2,0 mm und 10,0 mm betragen. Ein Durchmesser des Innenkanals im Bereich der Kernströmungs-Austrittsöffnung und/oder ein Durchmesser der Kernströmungs-Austrittsöffnung kann zwischen 0,5 mm und 6,0 mm betragen.
Figurenliste
Ausführungsformen der Offenbarung sind in den Figuren dargestellt und werden im Folgenden näher beschrieben. Es zeigen:

1 eine schematische Querschnittsansicht einer Düse für eine Laserbearbeitungsvorrichtung zur Bearbeitung eines Werkstücks mittels eines Laserstrahls gemäß einer ersten Ausführungsform der Offenbarung;
2 eine schematische Querschnittsansicht einer Düse für eine Laserbearbeitungsvorrichtung zur Bearbeitung eines Werkstücks mittels eines Laserstrahls gemäß einer zweiten Ausführungsform der Offenbarung; und
3 eine schematische Querschnittsansicht einer Düse für eine Laserbearbeitungsvorrichtung zur Bearbeitung eines Werkstücks mittels eines Laserstrahls gemäß einer dritten Ausführungsform der Offenbarung.

Detaillierte Beschreibung der Ausführungsformen
Im Folgenden werden, sofern nicht anders vermerkt, für gleiche und gleichwirkende Elemente dieselben Bezugszeichen verwendet.
1 zeigt eine schematische Querschnittsansicht einer Düse für eine Laserbearbeitungsvorrichtung zur Bearbeitung eines Werkstücks mittels eines Laserstrahls gemäß einer ersten Ausführungsform der Offenbarung.
Die Düse 10 umfasst eine axiale Richtung bzw. Düsenachse 32. Die axiale Richtung bzw. Düsenachse 32 kann im Wesentlichen koaxial zur Ausbreitungsrichtung des Laserstrahls bzw. zur Gasströmung des Prozessgases verlaufen.
Die Düse 10 umfasst einen inneren Düsenteil 12 mit einem Innenkanal 14 zum Durchleiten des Laserstrahls (nicht gezeigt) und eines ersten Teils 16 von Prozessgas. Der innere Düsenteil 12 weist eine Kernströmungs-Austrittsöffnung 18 zum Austritt des Laserstrahls und einer Kernströmung 20 des ersten Teils 16 des Prozessgases auf. Ferner umfasst die Düse 10 einen äußeren Düsenteil 22, der vom inneren Düsenteil 12 in radialer Richtung beabstandet angeordnet ist und den inneren Düsenteil 12 umgibt. Zusammen mit dem inneren Düsenteil 12 bildet der äußere Düsenteil 22 einen Ringkanal 24 zum Durchleiten eines zweiten Teils 26 des Prozessgases. Die Düse 10 weist ferner eine Ringströmungs-Austrittsöffnung 28 zum Austritt einer Ringströmung 30 des Prozessgases aus. Die Kernströmungs-Austrittsöffnung 18 des inneren Düsenteils 12 befindet sich auf der Höhe des äußeren Düsenteils 22 (vgl. 1 und 3) oder ist um mehr als 0,0 mm, vorzugsweise um 0,1 mm oder mehr, bezüglich des äußeren Düsenteils 22 stromaufwärts versetzt (vgl. 2). Somit kann die Düse 10, die eine Schneiddüse sein kann, als Doppeldüse bezeichnet werden.
Der innere Düsenteil 12 und der äußere Düsenteil 22 sind wie in 1 gezeigt rotationssymmetrisch bezüglich der Düsenachse 32ausgebildet, die Offenbarung ist hierauf jedoch nicht beschränkt.
Der Innenkanal 14 ist im inneren Düsenteil 12 ausgebildet und durchdringt diesen in axialer Richtung 32 der Düse 10. Mit anderen Worten wird der Innenkanal 14 durch die radial nach innen gerichtete Oberfläche bzw. Innenfläche 12a des inneren Düsenteils 12 gebildet oder begrenzt. Der Innenkanal 14 ist rotationssymmetrisch zur axialen Richtung 32 der Düse 10 ausgebildet und verläuft zu der axialen Richtung 32 der Düse 10 koaxial. Der Innenkanal 14 weist also an jedem Punkt entlang der axialen Richtung 32 der Düse 10 einen im wesentlichen kreisförmigen Querschnitt auf.
Die Kernströmungs-Austrittsöffnung 18 ist an einem Ende des Innenkanals 14 angeordnet, welches dem zu bearbeitenden Werkstück 11 zugewandt ist. Aus der Kernströmungs-Austrittsöffnung 18 tritt der Laserstrahl aus. Ferner tritt aus der Kernströmung-Austrittsöffnung 18 der erste Teil 16 des Prozessgases als Kernströmung 20 aus. Nach dem Austritt aus der Kernströmungs-Austrittsöffnung 18 treffen der Laserstrahl und die Kernströmung 20 auf eine Prozesszone an dem zu bearbeitenden Werkstück 11. Die Kernströmung 20 umgibt dabei den Laserstrahl koaxial. Die Kernströmungs-Austrittsöffnung 18 ist wie in 1 gezeigt kreisförmig ausgebildet, ist hierauf jedoch nicht beschränkt.
Wie gezeigt liegt eine radial nach innen gerichtete Oberfläche bzw. Innenfläche 22a des äußeren Düsenteils 22 einer radial nach außen gerichteten Oberfläche bzw. Außenfläche 12b des inneren Düsenteils 12 gegenüber. Das dem zu bearbeitenden Werkstück 11 zugewandte Ende des inneren Düsenteils 12 und das dem zu bearbeitenden Werkstück 11 zugewandte Ende des äußeren Düsenteils 22 sind koplanar bzw. bezüglich der Düsenachse 32 bündig angeordnet. Mit anderen Worten befindet sich an dem dem zu bearbeitenden Werkstück 11 zugewandten Ende der Düse 10 der innere Düsenteil 12 auf der Höhe des äußeren Düsenteils 22.
Der äußere Düsenteil 22 bildet zusammen mit dem inneren Düsenteil 12 den Ringkanal 24. Mit anderen Worten wird der Ringkanal 24 durch die Innenfläche 22a des äußeren Düsenteils 22 und die Außenfläche 12b des inneren Düsenteils 12 in radialer Richtung begrenzt. Der Ringkanal 24 ist wie in 1 gezeigt ringförmig ausgebildet. Der Ringkanal 24 erstreckt sich entlang der Düsenachse 32 und verläuft mit dieser koaxial. Der Ringkanal 24 weist an jedem Punkt entlang Düsenachse 32 einen im Wesentlichen ringförmigen Querschnitt auf.
Die Ringströmungs-Austrittsöffnung 28 ist an einem dem zu bearbeitenden Werkstück 11 zugewandten Ende des Ringkanals 24 angeordnet. Aus der Ringströmungs-Austrittsöffnung 28 tritt der zweite Teil 26 des Prozessgases als Ringströmung 30 aus und trifft auf das zu bearbeitende Werkstück 11. Die Ringströmung 30 umgibt die Kernströmung 20 und verläuft mit dieser koaxial. Wie gezeigt ist die Ringströmungs-Austrittsöffnung 18 ringförmig ausgebildet.
Wie gezeigt weist der Ringkanal 24 eine ringförmige Querschnittsfläche auf, die zur Ringströmungs-Austrittsöffnung 28 hin zunimmt. Die Querschnittfläche des Ringkanals 24 nimmt dabei von einem Bereich 34 mit einer minimalen Querschnittsfläche zur Ringströmungs-Austrittsöffnung 28 hin zu. Mit anderen Worten ist der Ringkanal 24 derart geformt, dass er sich von einem engsten Querschnitt aus, der im Inneren der Düse 10 liegt, zur Ringströmungs-Austrittsöffnung 28 hin erweitert. Das heißt, die Querschnittsfläche des Ringkanals 24 wird zur Ringströmung-Austrittsöffnung 28 hin erweitert und es kann sich im Ringkanal 24 eine Überschallströmung ausbilden.
Der Ringkanal 24 weist einen ersten Bereich 34 mit einer in Richtung der Ringströmungs-Austrittsöffnung 28 gleichbleibenden und/oder abnehmenden Querschnittsfläche und einen zweiten Bereich 36 mit einer in Richtung der Ringströmungs-Austrittsöffnung 28 zunehmenden Querschnittsfläche auf. Der erste Bereich 34 und der zweite Bereich 36 grenzen aneinander. Ein Bereich mit der minimalen Querschnittsfläche kann im ersten Bereich 34 oder zwischen dem ersten Bereich 34 und dem zweiten Bereich 36 angeordnet sein. Der zweite Bereich 36 ist in Richtung der Ringströmungs-Austrittsöffnung 28 hinter dem ersten Bereich, d.h. stromabwärts davon, angeordnet. Wie gezeigt grenzt die Ringströmungs-Austrittsöffnung 28 an den zweiten Bereich 36 an.
Im Bereich der Ringströmungs-Austrittsöffnung 28 bzw. an dem der Ringströmungs-Austrittsöffnung 28 zugewandten Ende des zweiten Bereichs 36 ist die Querschnittsfläche des Ringkanals 24 maximal. Insbesondere entspricht die Querschnittsfläche der Ringströmungs-Austrittsöffnung 28 der maximalen Querschnittsfläche des Ringkanals 24.
Der Ringkanal 24 ist derart ausgebildet, dass eine Strömungsgeschwindigkeit der Ringströmung 30 größer ist als eine Strömungsgeschwindigkeit der Kernströmung 20. Hierdurch wird die Kernströmung 20 wirksam von der umgebenden Atmosphäre abgeschlossen und kann so effektiv in die Prozesszone, insbesondere den Schnittspalt, eindringen. Insbesondere ist die Strömungsgeschwindigkeit der Ringströmung 30 im Bereich zwischen der Düse 10 und dem zu bearbeitenden Werkstück 11 größer als die Strömungsgeschwindigkeit der Kernströmung 20. Gemäß Ausführungsformen kann die Ringströmung 30 im Bereich zwischen der Düse 10 und dem zu bearbeitenden Werkstück 11 und/oder im zweiten Bereich 36 des Ringkanals 24 und/oder im Bereich der Ringströmungs-Austrittsöffnung 28 als Überschallströmung ausgebildet sein.
Der Ringkanal 24 kann lavalförmig ausgebildet sein, die Offenbarung ist hierauf jedoch nicht beschränkt. Mit anderen Worten ist der Querschnitt des Ringkanals 24 lavalförmig ausgebildet. Eine Innenfläche 22a des äußeren Düsenteils 22 und die Außenfläche 12b des inneren Düsenteils 12 sind also derart geformt, dass ein lavalförmiger Ringkanal 24 ausgebildet ist.
Der zweite Bereich 36 des Ringkanals 24 weist einen Bereich mit einem in Richtung der Ringströmungs-Austrittsöffnung 28 konstanten Innendurchmesser und einen Bereich mit einem in Richtung der Ringströmungs-Austrittsöffnung 28 abnehmenden Innendurchmesser auf. Die Innenkontur des inneren Düsenteils 12 hat demnach abschnittsweise einen linearen Verlauf entlang der Gasströmungsrichtung bzw. in Richtung der Kernströmungs-Austrittsöffnung 18. Der Außendurchmesser des Ringkanals 24 nimmt in Richtung der Ringströmungs-Austrittsöffnung 28 kontinuierlich zu bzw. verändert sich kontinuierlich. Die Innenkontur des äußeren Düsenteils 22 im Längsschnitt hat demnach einen geschwungenen Verlauf entlang der Gasströmungsrichtung bzw. in Richtung der Ringströmungs-Austrittsöffnung 28.
Der Innenkanal 14 weist eine konische bzw. eine konvergente Form auf. Mit anderen Worten weist eine Innenkontur des inneren Düsenteils 12 eine konisch in Strömungsrichtung des Prozessgases konvergierende Form auf.
Die Querschnittsfläche des Innenkanals 14 nimmt zur Kernströmungs-Austrittsöffnung 18 hin ab. Mit anderen Worten ist die Innenkontur des inneren Düsenteils 12 derart ausgebildet, dass der engste Querschnitt des Innenkanals 14 an der Kernströmungs-Auslassöffnung 18 ausgebildet ist.
Wie gezeigt weist die Innenfläche bzw. Innenkontur des inneren Düsenteils 12 einen konisch konvergenten ersten Bereich 38 und einen zylinderförmigen zweiten Bereich 40 auf. Mit anderen Worten weist der Innenkanal 14 den ersten Bereich 38 mit einer in Richtung der Kernströmungs-Austrittsöffnung 18 abnehmenden Querschnittsfläche und einen zweiten Bereich 40 mit einer in Richtung der Kernströmungs-Austrittsöffnung 38 konstanten Querschnittsfläche auf. Der erste Bereich 38 ist in Richtung der Kernströmungs-Austrittsöffnung 18 vor dem zweiten Bereich 40, d.h. stromaufwärts davon, ausgebildet. Die beiden Bereiche 38 und 40 grenzen aneinander an. Der zweite Bereich 40 ist an die Kernströmungs-Austrittsöffnung 18 angrenzend angeordnet.
Wie gezeigt ist im Bereich der Kernströmungs-Austrittsöffnung 18 bzw. an einem der Kernströmungs-Austrittsöffnung 18 zugewandten Ende des zweiten Bereichs 40 eine Querschnittsfläche des Innenkanals 14 minimal. Insbesondere entspricht die Querschnittsfläche der Kernströmungs-Austrittsöffnung 18 der minimalen Querschnittsfläche des Innenkanals 14.
2 zeigt eine schematische Querschnittsansicht einer Düse für eine Laserbearbeitungsvorrichtung zur Bearbeitung eines Werkstücks mittels eines Laserstrahls gemäß einer zweiten Ausführungsform der Offenbarung. Im Folgenden werden lediglich die Unterschiede zur Düse 10 gemäß der ersten Ausführungsform der Offenbarung beschrieben.
Die Düse 10 weist ferner einen gemeinsamen Kanal 42 zum Durchleiten der Ringströmung 30 und der Kernströmung 20 und eine gemeinsame Austrittsöffnung 44 zum Austritt der Kernströmung 20 und der Ringströmung 30 aus dem gemeinsamen Kanal 42 bzw. aus der Düse 10 auf.
Der gemeinsame Kanal 42 ist in axialer Richtung 32 der Düse 10 hinter dem Innenkanal 14 bzw. dem Ringkanal 24 angeordnet bzw. ist hinter der Kernströmungs-Austrittsöffnung 18 und/oder der Ringströmungs-Austrittsöffnung 28 ausgebildet. Der gemeinsame Kanal ist demnach an den Innenkanal 14 bzw. den Ringkanal 24 angrenzend angeordnet. Der gemeinsame Kanal 42 weist an seinem dem zu bearbeitenden Werkstück 11 zugewandten Ende die gemeinsame Austrittsöffnung 44 auf. Die Ringströmungs-Austrittsöffnung 28 und die Kernströmungs-Austrittsöffnung 18 sind also in axialer Richtung 32 der Düse 10 vor der gemeinsamen Austrittsöffnung 44 ausgebildet. Demnach treten die aus dem Innenkanal 14 austretende Kernströmung 20 und die aus dem Ringkanal 24 austretende Ringströmung 30 des Prozessgases in den gemeinsamen Kanal 42 ein und anschließend aus der gemeinsamen Austrittsöffnung 44 aus, um auf die Prozesszone des zu bearbeitenden Werkstücks 11 zu treffen.
Der gemeinsame Kanal 42 ist durch die Innenfläche 22a des äußeren Düsenteils 22 ausgebildet. Die gemeinsame Austrittsöffnung 44 ist an einem dem zu bearbeitenden Werkstück 11 zugewandten Ende des äußeren Düsenteils 22 ausgebildet.
Gemäß Ausführungsformen kann der gemeinsame Kanal in axialer Richtung der Düse eine Länge von größer 0,0 mm aufweisen, und kann insbesondere eine Länge von 0,1 mm oder größer aufweisen.
3 eine schematische Querschnittsansicht einer Düse für eine Laserbearbeitungsvorrichtung zur Bearbeitung eines Werkstücks mittels eines Laserstrahls gemäß einer dritten Ausführungsform der Offenbarung. Im Folgenden werden lediglich die Unterschiede zur Düse 10 gemäß der ersten Ausführungsform der Offenbarung beschrieben.
Wie gezeigt nehmen im zweiten Bereich 36 des Ringkanals 24 der Innendurchmesser kontinuierlich bzw. konstant ab und der Außendurchmesser kontinuierlich bzw. konstant zu. Demnach weist der zweite Bereich 36 des Ringkanals 24 (im Längsschnitt) eine konisch divergente Form auf. Die Innenkontur des äußeren Düsenteils 22 und die Außenkontur des inneren Düsenteils 14 haben demnach in diesem Bereich 36 einen linearen Verlauf.
Zwischen dem zweiten Bereich 36 und der Ringströmungs-Austrittsöffnung 28 kann ein dritter Bereich 37 des Ringkanals 24 ausgebildet sein. Der dritte Bereich 37 weist eine in Richtung der Ringströmungs-Austrittsöffnung 28 gleichbleibende bzw. konstante Querschnittsfläche auf. In diesem dritten Bereich 37 ist also ein Innendurchmesser und ein Außendurchmesser des Ringkanals 24 konstant.
Die Düse gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung ermöglicht es, neben der Kernströmung eine mit dem Laserstrahl koaxiale Ringströmung des Prozessgases zu erzeugen.
Die Düse gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung weist einen Ringkanal zum Ausbilden der Ringströmung mit sich in Gasströmungsrichtung erweiternder Querschnittsfläche und einen Innenkanal zum Ausbilden der Kernströmung auf. Hierdurch kann sich die Ringströmung mit einer höheren Geschwindigkeit als die Geschwindigkeit der Kernströmung, vorzugsweise mit einer Überschallgeschwindigkeit, ausbilden. Hierdurch wird die Kernströmung wirksam von der umgebenden Atmosphäre abgeschlossen und kann so effektiv in den Schnittspalt eindringen und einen effizienten Schmelzaustrieb ermöglichen. Des Weiteren ist die Kernströmung stabilisiert, wodurch das Schneiden von großen Blechstärken ermöglicht wird.
Bezugszeichenliste

10: Düse
11: Werkstück
12: innerer Düsenteil
12a: radial nach innen gerichtete Oberfläche bzw. Innenfläche des inneren Düsenteils
12b: radial nach außen gerichtete Oberfläche bzw. Außenfläche des inneren Düsenteils
14: Innenkanal
16: erster Teil des Prozessgases
18: Kernströmungs-Austrittsöffnung
20: Kernströmung
22: äußerer Düsenteil
22a: radial nach innen gerichtete Oberfläche bzw. Innenfläche des äußeren Düsenteils
24: Ringkanal
26: zweiter Teil des Prozessgases
28: Ringströmungs-Austrittsöffnung
30: Ringströmung
32: axiale Richtung bzw. Achse der Düse
34: erster Bereich des Ringkanals
36: zweiter Bereich des Ringkanals
37: dritter Bereich des Ringkanals
38: erster Bereich des Innenkanals
40: zweiter Bereich des Innenkanals
42: gemeinsamer Kanal
44: gemeinsame Austrittsöffnung

Claims

Düse (10) für eine Laserbearbeitungsvorrichtung zum Bearbeiten eines Werkstücks (11) mittels eines Laserstrahls, die Düse (10) umfassend: - einen inneren Düsenteil (12) mit einem Innenkanal (14) zum Durchleiten des Laserstrahls und Ausbilden einer Kernströmung (20) des Prozessgases, und mit einer Kernströmungs-Austrittsöffnung (18) zum Austritt des Laserstrahls und der Kernströmung (20) des Prozessgases; und - einen äußeren Düsenteil (22), der zumindest in einem Bereich vom inneren Düsenteil (12) beabstandet angeordnet ist und zusammen mit dem inneren Düsenteil (12) einen Ringkanal (24) zum Ausbilden einer Ringströmung (30) des Prozessgases mit einer Ringströmungs-Austrittsöffnung (28) zum Austritt der Ringströmung (30) bildet, wobei eine Querschnittsfläche des Ringkanals (24) zur Ringströmungs-Austrittsöffnung (28) hin zunimmt.
Düse (10) gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, wobei zumindest ein Bereich des Ringkanals (24) lavalförmig ausgebildet ist und/oder wobei der Ringkanal (24) eine Lavaldüse bildet.
Düse (10) gemäß Anspruch 1 oder 2, wobei der Ringkanal (24) derart geformt ist, dass sich die Ringströmung (30) in einem Bereich innerhalb des Ringkanals (24) und/oder im Bereich der Ringströmungs-Austrittsöffnung (28) als Überschallströmung ausbildet, und/oder wobei eine Strömungsgeschwindigkeit der Ringströmung (30) im Bereich der Ringströmungs-Austrittsöffnung (28) größer ist als eine Strömungsgeschwindigkeit der Kernströmung (20) im Bereich der Kernströmungs-Austrittsöffnung (18).
Düse (10) gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der Ringkanal (24) einen ersten Bereich (34) mit einer gleichbleibenden und/oder in Richtung der Ringströmungs-Austrittsöffnung (28) abnehmenden Querschnittsfläche und einen zweiten Bereich (36) mit einer in Richtung der Ringströmungs-Austrittsöffnung (28) zunehmenden Querschnittsfläche aufweist, wobei der erste Bereich (34) und der zweite Bereich (36) aneinander angrenzen.
Düse (10) gemäß Anspruch 4, wobei eine minimale Querschnittsfläche des Ringkanals (24) im ersten Bereich (34) oder zwischen dem ersten Bereich (34) und dem zweiten Bereich (36) liegt.
Düse (10) gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, wobei eine Querschnittsfläche des Ringkanals (24) im Bereich der Ringströmungs-Austrittsöffnung (28) maximal ist.
Düse (10) gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der Ringkanal (24) einen Innendurchmesser und einen Außendurchmesser aufweist, wobei der Ringkanal (24) zumindest einen Bereich mit einem in Richtung der Ringströmungs-Austrittsöffnung (28) abnehmenden Innendurchmesser und/oder zumindest einen Bereich mit einem in Richtung der Ringströmungs-Austrittsöffnung (28) zunehmenden Außendurchmesser und/oder zumindest einen Bereich mit einem konstanten Innendurchmesser und/oder Außendurchmesser aufweist, und/oder wobei der Ringkanal (24) zumindest einen Bereich mit einem sich kontinuierlich verändernden Innendurchmesser und/oder Außendurchmesser aufweist.
Düse (10) gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, wobei eine Querschnittsfläche des Innenkanals (14) zur Kernströmungs-Austrittsöffnung (18) hin abnimmt, und/oder wobei der Innenkanal (14) eine konische und/oder in Richtung der Kernströmungs-Austrittsöffnung (18) konvergente Form aufweist.
Düse (10) gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der Innenkanal (14) einen ersten Bereich (38) mit einer in Richtung der Kernströmungs-Austrittsöffnung (18) abnehmender Querschnittsfläche und einen zweiten Bereich (40) mit einer gleichbleibenden Querschnittsfläche aufweist, wobei der erste Bereich (38) in Richtung der Kernströmungs-Austrittsöffnung (18) vor dem zweiten Bereich (40) ausgebildet ist.
Düse (10) gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Querschnittsfläche des Innenkanals (14) im Bereich der Kernströmungs-Austrittsöffnung (18) minimal ist.
Düse (10) gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der Innenkanal (14) zumindest einen Bereich mit einem in Richtung der Kernströmungs-Austrittsöffnung (18) abnehmenden Durchmesser und/oder zumindest einen Bereich mit einem konstanten Durchmesser aufweist, und/oder wobei der Innenkanal (14) zumindest einen Bereich mit einem sich kontinuierlich verändernden Durchmesser aufweist.
Düse (10) gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, ferner aufweisend einen gemeinsamen Kanal (42) zum Durchleiten der Kernströmung (20) und der Ringströmung (30) mit einer gemeinsamen Austrittsöffnung (44) zum Austritt der Kernströmung (20) und der Ringströmung (30) aus der Düse (10).
Düse (10) gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, wobei ein Verhältnis zwischen einem Volumenstrom der Ringströmung (30) und einem Volumenstrom der Kernströmung (20) zwischen 0,1 und 5,0 beträgt.
Düse (10) gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, wobei ein Außendurchmesser des Ringkanals (24) im Bereich der Ringströmungs-Austrittsöffnung (28) und/oder ein Außendurchmesser der Ringströmungs-Austrittsöffnung (28) zwischen 3,0 mm und 15,0 mm beträgt, und/oder wobei ein Innendurchmesser des Ringkanals (24) im Bereich der Ringströmungs-Austrittsöffnung (28) und/oder ein Innendurchmesser der Ringströmungs-Austrittsöffnung (28) zwischen 2,0 mm und 10,0 mm beträgt, und/oder wobei ein Durchmesser des Innenkanals (14) im Bereich der Kernströmungs-Austrittsöffnung (18) und/oder ein Durchmesser der Kernströmungs-Austrittsöffnung (18) zwischen 0,5 mm und 6,0 mm beträgt.
Düse (10) gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der Innenkanal (14) zumindest einen in Richtung der Kernströmungs-Austrittsöffnung (18) stufenförmig konvergenten Bereich und/oder wobei eine Außenfläche des inneren Düsenteils (12) zumindest einen in Richtung der Kernströmungs-Austrittsöffnung (18) stufenförmig konvergenten Bereich aufweist.
Laserbearbeitungsvorrichtung zur Bearbeitung eines Werkstücks (11) mittels eines Laserstrahls, die Laserbearbeitungsvorrichtung umfassend: - einen Bearbeitungskopf zum Bereitstellen eines Laserstrahls; und - eine Düse (10) gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Düse (10) am Bearbeitungskopf angeordnet ist.