DE102022112050A1

DE102022112050A1 - Düse für die Laserbearbeitung mit hohen Fokuslagen

Info

Publication number: DE102022112050A1
Application number: DE102022112050.3A
Authority: DE
Inventors: Martin Bea; Daniel Mock; Hao Pang; Jenny Domaschke; Tobias Kaiser; Manuel Huber
Original assignee: Trumpf Werkzeugmaschinen SE and Co KG
Current assignee: Trumpf Werkzeugmaschinen SE and Co KG
Priority date: 2022-05-13
Filing date: 2022-05-13
Publication date: 2023-11-16
Also published as: CN117047298A; WO2023217611A1; CN220547776U

Abstract

Bereitgestellt wird eine Düse zur Verwendung in einer Laserbearbeitungsanlage, die Düse umfassend: Einen Grundkörper mit einer Durchgangsöffnung, die sich entlang einer Düsenlängsachse von einem ersten Ende zu einem zweiten Ende des Grundkörpers durch den Grundkörper hindurch erstreckt; Wobei die Durchgangsöffnung im Bereich des ersten Endes einen ersten Durchmesser aufweist; Wobei die Durchgangsöffnung im Bereich des zweiten Endes einen parallelwandigen Reflexionsabschnitt an der Innenseite des Grundkörpers bildet, der eine Länge von wenigstens 2 mm aufweist, wobei die Durchgangsöffnung in dem Reflexionsabschnitt einen minimalen, zweiten Durchmesser aufweist, der geringer ist als der erste Durchmesser; Wobei der Grundkörper an dem ersten Ende einen Kopplungsabschnitt aufweist; und Wobei der Grundkörper an seinem Außenumfang angrenzend an den Kopplungsabschnitt eine Stufe aufweist, die sich in radialer Richtung um die Durchgangsöffnung erstreckt und die eine umlaufende Kühlfläche bildet, welche im Wesentlichen senkrecht zur Düsenlängsachse ausgerichtet ist. Ferner wird eine Laserbearbeitungsanlage umfassend die Düse, sowie ein Verfahren zur Laserbearbeitung unter Verwendung der Düse bereitgestellt.

Description

Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft das Gebiet der Laserbearbeitung. Insbesondere betrifft die Erfindung eine Düse zur Verwendung in einer Laserbearbeitungsanlage, eine Laserbearbeitungsanlage umfassend die Düse, sowie ein Laserbearbeitungsverfahren unter Verwendung der Düse.
Stand der Technik
Es gibt Laserschneidprozesse, bei denen es vorteilhaft ist, wenn der Fokus des Laserstrahls innerhalb der Schneiddüse liegt. Wenn in solchen Fällen Schneiddüsen mit einer konvergierenden Innenkontur verwendet werden, kann es vorkommen, dass Randbereiche des Laserstrahls an der Düseninnenseite im Bereich der Düsenmündung reflektiert oder absorbiert werden. Ein solcher Fall ist schematisch in den 2a und 2b dargestellt. Durch die Reflexionen kann sich einerseits die Divergenz des Laserstrahls in den Randbereichen ändern, was sich störend auf den Schneidprozess auswirken kann. Andererseits kann die Schneiddüse durch absorbierte Laserstrahlung schädlich erwärmt werden.
Aus der DE 40 16 199 A1 ist eine Düse für einen Laserschneidprozess bekannt, bei dem der Fokuspunkt des Laserstrahls innerhalb der Düse angeordnet ist. Die Schneiddüse weist innenseitig zwei charakteristische Bereiche auf: Einen Konvergenzbereich und einen sich in Strahlausbreitungsrichtung anschließenden, parallelwandigen oder divergierenden Mündungsbereich, den der Laserstrahl gemeinsam mit einem Schneidgas vor dem Austritt aus der Düse durchläuft. Die Düse erlaubt eine Reflexion des fokussierten Laserstrahls an der Düseninnenwand im Mündungsbereich der Düse.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, den Stand der Technik weiter zu verbessern. Insbesondere soll eine Düse für die Laserbearbeitung mit hohen Fokuslagen bereitgestellt werden, die eine hohe Prozessqualität bei der Laserbearbeitung und insbesondere beim Laserschneiden gewährleistet.
Die Erfindung
Zur Lösung der der Erfindung zugrundeliegenden Aufgabe wird eine Düse zur Verwendung in einer Laserbearbeitungsanlage bereitgestellt. Die Laserbearbeitungsanlage kann vorzugsweise eine Laserschneidanlage sein, bei der ein Laserstrahl in einem Laserschneidkopf mittels einer Fokussieroptik fokussiert und gemeinsam mit einem Schneidgasstrahl über die Düse, die an dem Laserschneidkopf anbringbar ist, auf ein zu schneidendes Werkstück gerichtet wird.
Die Düse umfasst einen Grundkörper mit einer Durchgangsöffnung, die sich entlang einer Düsenlängsachse von einem ersten Ende zu einem zweiten Ende des Grundkörpers durch den Grundkörper hindurch erstreckt. Der Grundkörper kann vorzugsweise eine rotationssymmetrische Form bezüglich der Düsenlängsachse aufweisen. Der Düsenkanal kann vorzugsweise einen kreisförmigen Querschnitt aufweisen.
Die Durchgangsöffnung weist im Bereich des ersten Endes einen ersten Durchmesser auf. Ferner bildet die Durchgangsöffnung im Bereich des zweiten Endes einen parallelwandigen Reflexionsabschnitt an der Innenseite des Grundkörpers, der eine Länge (in Richtung der Düsenlängsachse) von wenigstens 2 mm aufweist. Die Durchgangsöffnung weist in dem Reflexionsabschnitt einen minimalen, zweiten Durchmesser auf, der geringer ist als der erste Durchmesser. Die Formulierung „parallelwandig“ umfasst geringfügige Neigungen des Reflexionsabschnitts (bzw. der Innenwand des Grundkörpers im Reflexionsabschnitt) um wenige Grad, zum Beispiel um bis zu 2,5° gegenüber der Düsenlängsachse.
An seinem ersten Ende weist der Grundkörper einen Kopplungsabschnitt auf. In dem Kopplungsabschnitt ist der Grundkörper zur Kopplung mit einem Düsenhalter eines Laserbearbeitungskopfes, insbesondere eines Laserschneidkopfes, ausgebildet. Dazu kann der Grundkörper in dem Kopplungsabschnitt vorzugsweise ein Gewinde aufweisen. Angrenzend an den Kopplungsabschnitt weist der Grundkörper an seinem Außenumfang eine Stufe auf, die sich in radialer Richtung um die Durchgangsöffnung erstreckt und die eine umlaufende Kühlfläche bildet, welche im Wesentlichen senkrecht zur Düsenlängsachse ausgerichtet ist.
Die Düse ist insgesamt so ausgebildet, dass Randbereiche eines Laserstrahls, dessen Fokuspunkt innerhalb der Düse liegt, und zwar in Strahlausbreitungsrichtung vor dem Reflexionsabschnitt, beim Durchlaufen des Reflexionsabschnitts an der Innenwand des Düsengrundkörpers reflektiert werden können. Gegenüber einer konischen Düseninnenkontur kann auf diese Weise die Absorption der Laserstrahlung und damit die Erwärmung der Düse verringert werden. Die Länge des Reflexionsabschnitts ist groß genug, um diese vorteilhaften Effekte zu erreichen. Wenn die Durchgangsöffnung in dem Reflexionsabschnitt einen kreisförmigen Querschnitt aufweist, verbessert dies vorteilhafterweise die Reflexionseigenschaften in diesem Bereich der Düse. In dem Reflexionsabschnitt kann der Grundkörper mit anderen Worten vorzugsweise eine zylinderförmige (ggf. leicht konische) Innenkontur aufweisen.
Durch die erfindungsgemäße Düse wird das Schneiden mit vergleichsweise großem Strahldurchmesser innerhalb der Düse ermöglicht, wodurch beim Schneiden insbesondere im höheren Leistungsbereich (z.B. bei einer Laserleistung ab 6 kW) hohe Schneidgeschwindigkeiten bei gleichzeitig guter Schnittkantenqualität erreicht werden können, insbesondere beim Brennschneiden metallischer Werkstücke, insbesondere von Baustahl, seltener auch von Buntmetallen, mit Sauerstoff als Schneidgas. Insbesondere kann der Strahldurchmesser innerhalb der Düse nur geringfügig kleiner gewählt werden als der Durchmesser der Durchgangsöffnung im Reflexionsabschnitt.
Trotz der optimierten Innenkontur der Düse gegenüber einer Düse mit konischer Düsenöffnung, ist eine Erwärmung der Düse bei Auftreffen von Laserstrahlung in dem Reflexionsbereich nicht vollständig vermeidbar. Deshalb ist ein angemessenes Kühlkonzept erforderlich, um eine hohe Formstabilität der Düse bei der Laserbearbeitung zu gewährleisten und/oder um z.B. Anlauffarben des Grundkörpers im Reflexionsbereich zu vermeiden, welche die Absorptionseigenschaften negativ beeinflussen können. Zur Verbesserung der Kühlung, weist die erfindungsgemäße Düse die Kühlfläche auf. Über die Kühlfläche wird Wärme an die Umgebung oder an ein Kühlmedium abgegeben. Die Kühlfläche befindet sich im Betrieb der Düse in unmittelbarer Nähe zu einem, vorzugsweise aktiv gekühlten Düsenhalter eines Laserbearbeitungskopfes. Auf diese Weise kann Wärme noch effizienter abgegeben und die Düse effizient in die aktive Kühlung des Laserbearbeitungskopfes eingebunden werden.
Insgesamt kann bei Verwendung einer erfindungsgemäßen Düse zur Laserbearbeitung, insbesondere beim Laserschneiden mit hoher Laserleistung, mit hohen Fokuslagen, eine im Vergleich zum Stand der Technik verbesserte Prozessqualität erreicht werden.
Vorzugsweise beträgt der zweite Durchmesser der Durchgangsöffnung wenigstens 1,4 mm, vorzugsweise wenigstens 1,6 mm.
Die Länge des Reflexionsabschnitts der Durchgangsöffnung kann höchstens 10 mm, vorzugsweise höchstens 7,5 mm betragen. Es hat sich gezeigt, dass eine zu große Länge des Reflexionsabschnitts insbesondere beim Laserschneiden negative Auswirkungen auf den Bearbeitungsprozess hat, insbesondere beim Einstechen in das zu schneidende Material. Gemäß einer bevorzugten Variante kann die Länge des Reflexionsabschnitts zwischen 2 mm und 5 mm liegen. Ein zu langer parallelwandiger Reflexionsabschnitt kann eine störende Wirkung entfalten, wenn der Bearbeitungsprozess mittels einer Kamera durch die Düse hindurch beobachtet werden soll.
Die Kühlfläche des Grundkörpers kann vorzugsweise eine Breite von wenigstens 4 mm aufweisen. Beispielsweise kann die Kühlfläche des Grundkörpers eine Breite - die insbesondere einer Differenz zwischen Innendurchmesser und Außendurchmesser der Kühlfläche entspricht - von etwa 5 mm aufweisen. Durch die Vergrößerung der Kühlfläche kann die Kühlwirkung verbessert werden.
Der Grundkörper der Düse kann vorzugsweise in einem Bereich zwischen der Kühlfläche und dem zweiten Ende des Grundkörpers eine Dicke (bzw. eine Wandstärke) aufweisen, die wenigstens 2 mm, vorzugsweise wenigstens 3 mm, beträgt. Durch eine massive Ausführung der Düse mit der Mindestdicke bzw. Mindeststärke der durch den Grundkörper gebildeten Düsenwand kann eine ausreichende Wärmeabfuhr von dem zweiten Ende hin zur Kühlfläche und zum Kopplungsabschnitt gewährleistet werden. Im Kopplungsabschnitt, also zwischen der Kühlfläche und dem ersten Ende des Grundkörpers, kann der Grundkörper eine geringere Dicke bzw. Wandstärke aufweisen, da dieser im Betrieb der Düse mit einem Düsenhalter unmittelbar in mechanischem Kontakt steht, an welchen die Wärme abgeführt wird.
Vorzugsweise weist der Grundkörper in dem Kopplungsabschnitt ein Gewinde auf. Über das Gewinde kann die Düse mit einem Düsenhalter eines Laserbearbeitungskopfes verbunden werden. Ferner kann der Grundkörper am Übergang zwischen dem Kopplungsabschnitt und der umlaufenden Stufe eine Fase aufweisen, die eine Anschlagfläche beim Einschrauben der Düse den Düsenhalter bildet. Vorzugsweise ist die Fase bzw. die Anschlagschräge derart dimensioniert, dass beim Einschrauben der Düse in den Düsenhalter zwischen der Kühlfläche und dem Düsenhalter ein Spalt verbleibt. Der Spalt dient dazu, Spannungen durch unterschiedliche Wärmeausdehnungen zu vermeiden. Ferner kann die Fase der Zentrierung der Düse beim Einschrauben in den Düsenhalter des Bearbeitungskopfs dienen.
Der Grundkörper der Düse kann vorzugsweise aus einem Material aufgebaut sein, das eine hohe Wärmeleitfähigkeit aufweist, beispielsweise von wenigstens 300 W/mK, bevorzugt von wenigstens 350 W/mK, beispielsweise von etwa 355 W/mK. Auf diese Weise kann die Wärmeabfuhr aus der Düse verbessert werden. Ferner kann der Grundkörper zur Implementierung einer Abstandssensorik für ein Laserbearbeitungsverfahren vorzugsweise aus einem elektrisch leitfähigen Material aufgebaut sein. Insbesondere kann der Grundkörper aus Kupfer oder einer Kupferlegierung bestehen. Vorzugsweise ist der Grundkörper ferner einstückig ausgebildet.
Der Grundkörper kann an seiner Innenfläche im Bereich des Reflexionsabschnitts eine Oberflächenrauheit von höchstens Rz 10, vorzugsweise höchstens Rz 8, beispielsweise von Rz 6 oder weniger aufweisen. Durch die Reduktion der Oberflächenrauheit können die Reflexionseigenschaften der Düse in diesem Bereich verbessert werden. Durch eine Verbesserung der Reflexionseigenschaften im Reflexionsbereich kann die Aufwärmung der Düse im Betrieb weiter verringert werden. Vorzugsweise kann die Oberfläche des Grundkörpers im Bereich des Reflexionsabschnitts poliert sein. Alternativ oder zusätzlich kann der Grundkörper im Bereich des Reflexionsabschnitts eine hochreflektierende Oberflächenbeschichtung, beispielsweise auf Nickelbasis, aufweisen. Eine Vernickelung kann beispielsweise einer Verschlechterung der Reflexionseigenschaften des Grundkörpers im Bereich des Reflexionsabschnitts (z.B. durch Bildung von Anlauffarben) im Betrieb der Düse entgegenwirken.
Der Grundkörper kann eine Außenkontur aufweisen, die ausgehend von dem ersten Ende, nach dem Kopplungsabschnitt in weitere Abschnitte unterteilbar ist. Nach dem Kopplungsabschnitt kann der Grundkörper demnach einen Eingriffsabschnitt aufweisen, der sich ausgehend von der Stufe in Richtung des zweiten Endes erstreckt, wobei der Grundkörper in dem Eingriffsabschnitt seinen größten Außendurchmesser aufweist und/oder wobei der Grundkörper in dem Eingriffsabschnitt einen polygonalen Querschnitt bzw. eine polygonale Außenkontur aufweist. Der Eingriffsabschnitt kann vorzugsweise so ausgebildet sein, dass er mittels eines Greifwerkzeugs (etwa ein Maulschlüssel) gegriffen und in die Fassung eines Düsenhalters eingebracht, insbesondere eingeschraubt werden kann. Dies kann beispielsweise automatisiert mittels eines Düsenwechslers geschehen, wie beispielhaft in der EP 2 589 458 B1 der Anmelderin beschrieben. Vorzugsweise weist der Grundkörper in dem Eingriffsabschnitt entlang seines Außenumfangs 6 ebene Eingriffsflächen auf, wobei zwei in Umfangsrichtung benachbarte Eingriffsflächen in einem Winkel von 60° zueinander angeordnet sind. Der Abstand zweier gegenüberliegender Eingriffsflächen beträgt vorzugsweise zwischen 23 mm und 25 mm, insbesondere zwischen 23,9 mm und 24 mm.
Weiter in Richtung des zweiten Endes kann der Düsen-Grundkörper einen Lagerungsabschnitt aufweisen, in dem sich der Außendurchmesser des Grundkörpers vorzugsweise stetig verjüngt. Mit anderen Worten weist der Grundkörper in dem Lagerungsabschnitt eine konisch in Richtung des zweiten Endes zulaufende Form auf. Der Lagerungsabschnitt kann mehrstufig in Bereiche unterschiedlicher Konuswinkel unterteilt werden, wobei der Konuswinkel vorzugsweise in Richtung des zweiten Endes gegenüber der Düsenlängsachse kleiner wird. Die konisch zulaufende Umfangsfläche im Lagerungsabschnitt des Grundkörpers kann als Anlagefläche für eine Düsenaufnahme, beispielsweise in einem Düsenwechsler, dienen.
An den Lagerungsabschnitt kann sich in Richtung des zweiten Endes des Grundkörpers ein parallelwandiger, vorzugsweise zylinderförmiger Übergangsabschnitt anschließen. Der Übergangsabschnitt kann vorzugsweise eine Länge aufweisen, die mindestens so groß ist wie die Länge des Reflexionsabschnitts der Durchgangsöffnung, wobei der Durchmesser des Grundkörpers in dem Übergangsabschnitt wenigstens 8 mm, vorzugsweise wenigstens 10 mm, betragen kann.
An den Übergangsabschnitt kann sich vorzugsweise ein Mündungsabschnitt anschließen, in dem sich der Durchmesser des Grundkörpers ausgehend von dem Übergangsabschnitt bis zum zweiten Ende des Grundkörpers hin verjüngt. Mit anderen Worten bildet der Mündungsabschnitt eine Fase am zweiten Ende des Grundkörpers. Vorzugsweise weist der Grundkörper an seinem zweiten Ende seinen kleinsten Außendurchmesser auf. Der (kleinste) Außendurchmesser am zweiten Ende des Grundkörpers, also angrenzend an eine Düsenstirnfläche beträgt vorzugsweise wenigstens 1 mm mehr, bevorzugter wenigstens 3 mm mehr, als der Innendurchmesser des Grundkörpers im Reflexionsbereich. Der Winkel der Fase, die den Mündungsabschnitt bildet, beträgt mindestens 30° und vorzugsweise zwischen 40° und 60° gegenüber der Düsenlängsachse, bzw. maximal 60° und bevorzugt zwischen 30° und 50° gegenüber der Düsenstirnfläche. Auf diese Weise kann die geforderte Mindestwandstärke des Grundkörpers eingehalten werden. Ein Vorteil der Fase besteht darin, dass die Düse im Betrieb besser über Unebenheiten auf der Werkstückoberfläche oder über ausgeschnittene, im Restgitter leicht verkippte Werkstückteile gleiten kann.
Eine kumulierte Länge des Übergangsabschnitts und des Mündungsabschnitts des Grundkörpers entlang der Düsenlängsachse kann mindestens 8 mm, vorzugsweise zwischen 8 mm und 11 mm betragen.
Insgesamt kann der Grundkörper eine Länge zwischen 24 mm und 27 mm, vorzugsweise von etwa 25,5 mm aufweisen. Ferner gilt vorzugsweise für die Außenkontur des Grundkörpers, dass der Außendurchmesser des Grundkörpers in einem Bereich, der sich vom zweiten Ende des Grundkörpers über wenigstens 15 mm und höchstens 20 mm in Richtung der Düsenlängsachse erstreckt, vorzugsweise nicht mehr als 18 mm beträgt, um eine kompakte Bauform der Düse zu ermöglichen und eine Störkontur der Düse angrenzend zur Düsenaustrittsöffnung (Kollision mit beim Laserschneiden verkippten Teilen) gering zu halten.
Die bevorzugten Randbedingungen für den Außendurchmesser des Düsen-Grundkörpers stellen sicher, dass die Wandstärke der Düse im Bereich des zylindrischen Düsenkanals ausreichend groß ist, um eine Wärmeabfuhr entlang der Düsenwand in Richtung des Kopplungsabschnitts und der Kühlfläche zu ermöglichen.
Der Grundkörper der Düse kann eine durch die Durchgangsöffnung gebildete Innenkontur aufweisen, die neben dem Reflexionsabschnitt am zweiten Ende des Grundkörpers ferner einen trichterförmigen Konvergenzabschnitt umfasst, der in den Reflexionsabschnitt mündet. Der Grundkörper kann an seinem von dem Reflexionsabschnitt entfernten Ende des Konvergenzabschnitts einen maximalen Innendurchmesser aufweisen. Ferner kann die Innenfläche des Grundkörpers in dem Konvergenzabschnitt einen, vorzugsweise konstanten, Neigungswinkel von höchstens 25°, vorzugsweise höchstens 20°, gegenüber der Düsenlängsachse aufweisen, um die erforderliche Mindestwandstärke des Grundkörpers nicht zu gefährden. Schließlich kann der Konvergenzbereich eine Länge aufweisen, die größer ist als die Länge des Reflexionsabschnitts. Auf diese Weise kann beim Einsatz in einer Laserschneidanlage eine gleichmäßige Gasströmung des Schneidgases durch die Düse erreicht werden. Insgesamt kann der Konvergenzbereich höchstens eine Länge aufweisen, die der Differenz zwischen der Länge des Grundkörpers und der Länge des Reflexionsabschnitts entspricht.
Zusätzlich zu dem Konvergenzabschnitt und dem Reflexionsabschnitt kann die Innenkontur des Grundkörpers ferner einen parallelwandigen Anschlussabschnitt aufweisen, der sich von dem ersten Ende des Grundkörpers bis zum Beginn des Konvergenzabschnitts erstreckt.
Grundsätzlich kann es bevorzugt sein, wenn der Grundkörper der Düse außenseitig zumindest in dem Übergangsabschnitt und in dem Mündungsabschnitt und innenseitig zumindest in dem Reflexionsabschnitt jeweils einen kreisförmigen Querschnitt aufweist. Auf diese Weise kann die Wandstärke des Grundkörpers in dem kritischen Bereich des Reflexionsabschnitts, in dem sich der Grundkörper im Betrieb bei hohen Fokuslagen besonders stark aufheizt, bei gleichzeitig geringstmöglichem Außendurchmesser der Düse maximiert werden.
Zur weiteren Verbesserung der Wärmeabfuhr kann die Düse ferner ein Wärmeleitelement umfassen, das aus einem nachgiebigen Material besteht und das an der Kühlfläche des Grundkörpers anbringbar ist. Unter einem nachgiebigen Material kann im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung ein Material mit einem E-Modul zwischen 400 MPa und 1100 MPa verstanden werden. Im Betrieb der Düse kann das Wärmeleitelement also in dem Spalt zwischen der Kühlfläche der Düse und einer der Kühlfläche gegenüberliegenden Fläche eines Düsenhalters angeordnet sein. Das Wärmeleitelement verbessert die Wärmeabfuhr aus der Düse über die Kühlfläche zum (vorzugsweise aktiv gekühlten) Düsenhalter, ohne das durch den Spalt zwischen Kühlfläche und Düsenhalter gewährleistete Bewegungsspiel wesentlich zu beeinflussen. Das Wärmeleitelement kann beispielsweise aus Graphit bestehen. Das Wärmeleitelement kann an der Kühlfläche angeklebt oder an dem Kopplungsabschnitt bzw. an dem Übergang zwischen Kopplungsabschnitt und Kühlfläche angeklemmt sein. Das Wärmeleitelement kann vorzugsweise ringförmig oder z.B. C-förmig ausgebildet sein und eine Breite aufweisen, die höchstens der Breite der Kühlfläche entspricht. Die Dicke des Wärmeleitelements kann vorzugsweise so gewählt sein, dass sie etwas größer (z.B. ca. 1 mm größer) ist, als die Dicke des Spalts, der zwischen der Kühlfläche und einer der Kühlfläche gegenüberliegenden Fläche eines Düsenhalters gebildet ist, wenn die Düse an dem Düsenhalter befestigt (insbesondere darin eingeschraubt) ist.
Zusätzlich oder alternativ kann der Grundkörper der Düse wenigstens zwei Kühlkanäle aufweisen, die vorzugsweise in gleichmäßigen Abständen entlang des Umfangs des Grundkörpers um die Düsenlängsachse herum angeordnet sind. Dabei kann sich jeder der Kühlkanäle ausgehend von der Kühlfläche der Stufe durch den Eingriffsabschnitt hindurch erstrecken und an dem Lagerungsabschnitt des Grundkörpers münden. Im Betrieb der Düse können die Kühlkanäle über einen Düsenhalter an dem die Düse befestigbar ist mit einer Kühlflüssigkeit, insbesondere mit Wasser, beaufschlagt werden. Die Kühlflüssigkeit kann mit Druck durch die Kühlkanäle geleitet und auf die zu bearbeitende, z.B. zu schneidende, Werkstückoberfläche gerichtet werden. Dabei entsteht ein Sprühnebel, der das Werkstück während der Bearbeitung kühlt. Somit können sowohl die Düse als auch das Werkstück während der Bearbeitung aktiv gekühlt werden.
Zur Lösung der der Erfindung zugrundeliegenden Aufgabe wird ferner eine Laserbearbeitungsanlage zur Bearbeitung eines Werkstücks mittels eines Laserstrahls bereitgestellt. Die Laserbearbeitungsanlage kann insbesondere eine Laserschneidanlage sein. Die Laserbearbeitungsanlage umfasst wenigstens eine Laserstrahlquelle zur Erzeugung eines Bearbeitungslaserstrahls. Ferner umfasst die Laserbearbeitungsanlage wenigstens einen Laserbearbeitungskopf mit einer Laserbearbeitungsoptik, einem Düsenhalter und einer Düse gemäß einer der oben beschriebenen Varianten. Im Betrieb der Laserbearbeitungsanlage ist der Laserbearbeitungsstrahl mittels der Laserbearbeitungsoptik fokussierbar und durch den Düsenhalter und die Düse hindurch auf das zu bearbeitende Werkstück richtbar.
Vorzugsweise umfasst der Düsenhalter eine Kühleinrichtung. Die Kühleinrichtung kann beispielsweise ein Kanalsystem umfassten, durch welches ein Kühlfluid (z.B. eine Kühlflüssigkeit oder ein Kühlgas) leitbar ist, um Wärme aus dem Düsenhalter abzutransportieren und den Düsenhalter auf diese Weise aktiv zu kühlen.
Zur Lösung der der Erfindung zugrundeliegenden Aufgabe wird ferner ein Verfahren zum Laserbearbeiten eines Werkstücks mittels einer Laserbearbeitungsanlage bereitgestellt, die eine Düse gemäß einer der oben beschriebenen Varianten aufweist. Gemäß dem Verfahren wird ein Laserstrahl durch den Grundkörper der Düse hindurch auf ein zu bearbeitendes Werkstück gerichtet, wobei ein Fokus des Laserstrahls innerhalb des Grundkörpers und oberhalb des Reflexionsabschnitts liegt, sodass Teile des divergierenden Laserstrahls innerhalb des Reflexionsabschnitts an der Innenwand des Grundkörpers reflektiert werden.
Vorzugsweise beträgt ein Divergenzwinkel des Laserstrahls, unter dem die Randbereiche des Laserstrahls bei exakt parallelwandigem Reflexionsabschnitt in dem Reflexionsabschnitt auf der Innenfläche des Düsen-Grundkörpers auftreffen können, höchstens 3°. Insbesondere kann der Divergenzwinkel des Laserstrahls zwischen 1,5° und 2,75° (gegenüber der Düsenlängsachse) betragen.
Vorzugsweise ist das Laserbearbeitungsverfahren ein Brennschneidverfahren und das Werkstück ist vorzugsweise ein platten- oder rohrförmiges Werkstück aus Baustahl. Das Brennschneidverfahren ist durch die Verwendung von Sauerstoff oder einem sauerstoffhaltigen Gas als Schneidgas charakterisiert, welches beim Schneiden eine exotherme Reaktion mit dem zu schneidenden Material hervorruft und auf diese Weise die Schneidleistung erhöht.
Vorzugsweise wird bei dem Laserbearbeitungsverfahren eine (ggf. kumulierte) Eingangsleistung des Laserbearbeitungsstrahls von wenigstens 6 kW verwendet.
Mit steigender Laserleistung steigt auch die Gefahr einer kritischen Erwärmung der Düse. Mit steigender Laserleistung steigen daher auch die Anforderungen an ein angemessenes Kühlkonzept für die Düse, welches durch die vorliegende Erfindung bereitgestellt wird.
Bei der Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens als Brennschneidprozess kann der Fokusdurchmesser des Laserstrahls innerhalb der Düse vorzugsweise zwischen 170 µm und 1100 µm betragen. Ferner kann als Laserbearbeitungsstrahl vorzugsweise ein Festkörperlaserstrahl verwendet werden, welcher mittels einer Lichtleitfaser (einer sog. Transportfaser) von der Laserstrahlquelle zu dem Laserbearbeitungskopf geleitet wird. Die optische Abbildung des Faserendes auf die zu bearbeitende Werkstückoberfläche kann, gesteuert durch die Bearbeitungsoptik im Laserbearbeitungskopf, mit einer Vergrößerung von 1,8 bis 3 erfolgen. Als Prozessgas kann beim Laserbrennschneiden insbesondere Sauerstoff mit einem Druck zwischen 0,4 bar und 1,2 bar verwendet werden.
Durch die vorliegende Erfindung wird das Laserbearbeiten, insbesondere das Schneiden mit größerem Strahldurchmesser innerhalb der Düse ermöglicht. Beim Laserschneiden, insbesondere beim Laserbrennschneiden mit Sauerstoff als Prozessgas, können auf diese Weise höhere Laserleistungen von wenigstens 6 kW verwendet und im Ergebnis höhere Schneidgeschwindigkeiten bei gleichzeitig guter Schnittkantenqualität erreicht werden.
Ausführungsbeispiele
Die nachfolgende Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele dient im Zusammenhang mit den Zeichnungen der näheren Erläuterung der Erfindung.
Es zeigen:

1 Einen Laserbearbeitungskopf, der zur Aufnahme einer erfindungsgemäßen Düse geeignet ist;
2a-b Schematisch Reflexionen an einer Düseninnenwand gemäß dem Stand der Technik;
3 Schematisch Reflexionen an einer Düseninnenwand gemäß der vorliegenden Erfindung;
4a-c Verschiedene Ansichten einer erfindungsgemäßen Düse;
5a-b Verschiedene erfindungsgemäße Düsen in einer Schnittansicht;
6a-c Weitere erfindungsgemäße Düsen in einer Schnittansicht; und
7 Eine Laserbearbeitungsanlage, die zur Verwendung einer erfindungsgemäßen Düse geeignet ist.

Der Einfachheit halber sind funktionsgleiche oder funktionsähnliche Merkmale in den Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
1 zeigt einen Laserbearbeitungskopf 10 für eine Strahlbearbeitungsanlage, beispielsweise eine Laserschneidanlage. Der Bearbeitungskopf 10 weist eine Düse 12 für einen Bearbeitungsstrahl, hier einen Laserstrahl, und ein Prozessgas, hier ein Schneidgas, auf. Der Laserstrahl und das Prozessgas treten im Betrieb des Bearbeitungskopfes 10 in einer Strahlaustrittsrichtung 14 aus der Düse 12 aus. Ferner weist der Bearbeitungskopf 10 mehrere (hier verdeckte) optische Elemente, beispielsweise ein oder mehrere Schutzgläser und eine Fokussierlinse 18 auf.
Weiterhin weist der Bearbeitungskopf 10 einen Düsenhalter 20 mit einem Kühlelement auf. Zur Kühlung des Bearbeitungskopfs 10 wird ein Kühlgas, beispielsweise Druckluft oder Stickstoff, durch das Kühlelement des Düsenhalters geleitet. Zum Einleiten des Kühlgases in das Kühlelement 20 ist ein Kühlgasanschluss 22 vorgesehen. Das Prozessgas wird durch einen separaten Prozessgasanschluss 24 in den Bearbeitungskopf 10 eingeleitet. Auch innerhalb des Bearbeitungskopfs 10 werden das Kühlgas und das Prozessgas voneinander getrennt geführt, sodass sie sich nicht vermischen.
Die 2a und 2b zeigen schematisch Aspekte beim Laserschneiden mit einer hohen Fokuslage unter Verwendung einer herkömmlichen konvergenten Düse 12. Aufgrund der hohen Fokuslage divergiert der Laserstrahl bereits innerhalb der Düse 12, sodass Randbereiche des Laserstrahls - hier exemplarisch anhand der Linie B dargestellt - auf die Innenfläche der Düse auftreffen können. Aufgrund des großen Einstrahlwinkels gegenüber der konvergierenden Düseninnenfläche kann ein vergleichsweise großer Teil der streifenden Laserstrahlung in der Düse absorbiert werden, was zur Erhitzung der Düse führt. Reflektierte Laserstrahlung weitet den Laserstrahl beim Austritt aus der Düse stark auf, was den Schneidprozess stören kann. Beispielsweise können Randbereiche des Laserstrahls durch die Reflexion am Düsenmund derart abgelenkt werden, dass sie den Schnittspalt verfehlen und neben dem Schnittspalt in das zu schneidende Werkstück 68 einkoppeln (vgl. 2a), oder aber unter einem großen Winkel im oberen Bereich des Schnittspalts in das Werkstück 68 einkoppeln (vgl. 2b). Beide Konstellationen haben negative Auswirkungen auf den Schneidprozess.
Demgegenüber zeigt 3 schematisch Verhältnisse beim Laserstrahlschneiden mit einer hohen Fokuslage unter Verwendung einer erfindungsgemäßen Düse 12. Aufgrund eines parallelwandigen Reflexionsabschnitts der Durchgangsöffnung am unteren Ende der Düse 12 werden streifende Randbereiche B des divergierenden Laserstrahls in den Schnittspalt hinein reflektiert. Aufgrund des kleinen Auftreffwinkels an der Düseninnenwand wird zudem der Anteil absorbierter Laserstrahlung in der Düse reduziert und somit einer übermäßigen Erwärmung der Düse entgegengewirkt.
In den 4a bis 4c ist eine erfindungsgemäße Düse 12 in mehreren Außenansichten dargestellt. Der Aufbau der dargestellten Düse 12 wird im Folgenden im Zusammenhang mit den 5a und 5b genauer beschrieben. Die 5a und 5b zeigen zwei verschiedene Varianten einer erfindungsgemäßen Düse 12. In beiden Fällen weist die Düse 12 einen Grundkörper 120 mit einer Durchgangsöffnung 121 auf. Die Düsen 12 gemäß den 5a und 5b unterscheiden sich lediglich in der Gestaltung der Durchgangsöffnung 121. Die äußere Form der Düsen 12 entspricht jeweils den Darstellungen gemäß den 4a bis 4c.
Der Grundkörper 120 der Düse 12 erstreckt sich rotationssymmetrisch um die Düsenlängsachse 12x herum und weist ein erstes, oberes Ende 120-a und ein zweites, unteres Ende 120-z auf. Die Außenkontur des Grundkörpers 120 lässt sich beginnend vom ersten Ende 120-a in mehrere Abschnitte unterteilen. Am ersten Ende 120-a weist der Grundkörper 120 einen Kopplungsabschnitt 120-1 auf. In dem Kopplungsabschnitt 120-1 ist vorzugsweise ein Gewinde 122 ausgebildet, mit dem die Düse 12 bzw. deren Grundkörper 120 in ein komplementäres Gewinde eines Düsenhalters eingeschraubt werden kann. An den Kopplungsabschnitt 120-1 anschließend vergrößert sich der Durchmesser des Grundkörpers 120 sprungartig in Form einer umlaufenden Stufe, die einen Eingriffsabschnitt 120-2 einleitet. An dem Eingriffsabschnitt 120-2 können mehrere ebene Flächen angeordnet sein, die für den Eingriff eines Werkzeugs zum Einschrauben oder Lösen der Düse 12 ausgebildet sind. Die Eingriffsflächen sind in den 4a-c erkennbar. An der Oberseite der Stufe ist eine Kühlfläche 123 ausgebildet, über welche im Betrieb der Düse 12 Wärme aus dem Grundkörper 120 an die Umgebung in Richtung eines Düsenhalters abgegeben werden kann. Am Übergang zwischen dem Kopplungsabschnitt 120-1 und der Kühlfläche ist eine Schräge 124 bzw. Fase 124 ausgebildet, die als Anschlag und Zentrierhilfe beim Einschrauben der Düse 12 in den Düsenhalter fungiert.
An den Eingriffsabschnitt 120-2 schließt sich ein konisch zulaufender Lagerungsabschnitt 120-3 an. Auf der geneigten Lagerfläche dieses Abschnitts, der mehrere Unterbereiche mit unterschiedlichen Konuswinkeln aufweisen kann, kann die Düse 12 in einem Düsenmagazin gelagert werden, wenn sie gerade nicht an einem Laserbearbeitungskopf angebracht ist. Unterhalb des Lagerungsabschnitts 120-3 schließt sich ein parallelwandiger Übergangsabschnitt 120-4 an, der in einen wiederum konisch zulaufenden Mündungsabschnitt 120-5 am zweiten Ende des Grundkörpers 120 übergeht.
Innenseitig lässt sich der Grundkörper 120 ebenfalls in Abschnitte einteilen, die durch die Form der Durchgangsöffnung 121 vorgegeben sind. Am zweiten, unteren Ende 120-z ist ein parallelwandiger Reflexionsabschnitt 121-3 ausgebildet. Weiter oben im Grundkörper 120 bildet die Durchgangsöffnung 121 einen trichterförmigen Konvergenzabschnitt 121-2, der in den Reflexionsabschnitt 121-3 mündet. Der Konvergenzabschnitt 121-2 kann sich grundsätzlich vom ersten Ende 120-a des Grundkörpers 120 bis zum Reflexionsabschnitt 121-3 erstrecken (vgl. 6c). Zusätzlich kann jedoch, wie in den 5a und 5b dargestellt, ein parallelwandiger Anschlussabschnitt 121-1 vorgesehen sein, der sich zwischen dem ersten Ende des Grundkörpers 120 und dem Konvergenzabschnitt 121-2 erstreckt.
Die Durchgangsöffnung 121 weist einen Eintrittsdurchmesser 121-4 am ersten Ende 120-a des Grundkörpers 120 und einen Austrittsdurchmesser 121-5 am zweiten Ende 120-z des Grundkörpers 120 auf, wobei der Austrittsdurchmesser 121-5 dem Durchmesser der Durchgangsöffnung 121 im Reflexionsabschnitt 121-3 entspricht. Der Durchmesser 121-5 kann vorzugsweise wenigstens 1,4 mm (z.B. zwischen 1,6 mm und 3 mm) betragen, bei einer Länge des Reflexionsabschnitts 121-3 von mindestens 2 mm. Beispielsweise kann der Durchmesser 121-5 zwischen 1,5 mm und 1,6 mm betragen, bei einer Länge des Reflexionsabschnitts von ca. 3,5 mm. Wenn die Innenwand des Grundkörpers 120 in dem Reflexionsbereich 121-3 einen leichten Winkel gegenüber der Düsenlängsachse 12x aufweist, kann der minimale Innendurchmesser des Grundkörpers 120 als Durchmesser 121-5 im Reflexionsabschnitt 121-3 maßgeblich sein.
Der Grundkörper 120 kann insgesamt eine Länge L von 23 mm bis 27 mm, insbesondere von ca. 25,5 mm aufweisen. In dem Übergangsabschnitt 120-4 kann der Grundkörper 120 einen Außendurchmesser 120-8 von wenigstens 8 mm, vorzugsweise von wenigstens 10 mm aufweisen. Ferner kann der Grundkörper 120 bis zu einem Abstand von mindestens 15 mm und höchstens 20 mm von dem zweiten Ende 120-z höchstens eine Dicke von 18 mm aufweisen. In dem Mündungsbereich 120-5 kann der Grundkörper 120 einen Konuswinkel von wenigstens 30° und höchstens 50° gegenüber der Düsenstirnfläche am zweiten Ende 120-z des Grundkörpers 120 aufweisen. Die Düsenstirnfläche kann im Wesentlichen senkrecht zur Düsenlängsachse 12x ausgerichtet sein und einen Außendurchmesser 120-7 aufweisen, der um wenigstens 1 mm, vorzugsweise um wenigstens 3 mm, größer ist als der (Innen)Durchmesser 121-5 im Reflexionsbereich 121-3 der Düse. Der Konvergenzbereich 121-2 im Düseninneren kann vorzugsweise einen Konuswinkel von maximal 50°, vorzugsweise von maximal 40° und eine Länge von wenigstens 4 mm, bevorzugt von wenigstens 6 mm, noch bevorzugter von wenigstens 8 mm aufweisen. In dem Lagerabschnitt 120-3 kann die Außenfläche des Grundkörpers 120 in einem ersten Teilbereich, der an den Eingriffsabschnitt 120-2 grenzt, eine Neigung gegenüber der Düsenlängsachse 12x von beispielsweise 50° aufweisen. In einem zweiten, Teilbereich des Lagerabschnitts 120-3, der an den Übergangsabschnitt 120-4 grenzt, kann die Außenfläche des Grundkörpers um 33,55° gegenüber der Düsenlängsachse 12x geneigt sein.
In den 6a bis 6c sind weitere erfindungsgemäße Düsen 12 jeweils in einer Schnittdarstellung gezeigt. Die Düse 12 gemäß 6a weist ein Wärmeleitelement 125a auf, welches eine Ringform aufweist und auf der Kühlfläche 123 des Grundkörpers 120 aufgeklebt ist. Die Düse 12 gemäß 6b weist ebenfalls ein Wärmeleitelement 125b auf, welches unmittelbar oberhalb der Kühlfläche 123 an dem Grundkörper 125b festgeklemmt ist. Die Wärmeleitelemente können beispielsweise aus Graphit bestehen und dienen der verbesserten Wärmeabfuhr im Betrieb der Düse 12 von der Kühlfläche 123 in eine anliegende Fläche eines Düsenhalters. Die Düse 12 gemäß 6c weist wenigstens zwei Kühlkanäle 126 auf. Die Kühlkanäle 126 können im Betrieb der Düse mit einem Kühlfluid, insbesondere mit Wasser, beaufschlagt werden, wobei die Düse 12 und zusätzlich das zu bearbeitende Werkstück, auf welches das Kühlfluid durch die Kühlkanäle gerichtet wird, aktiv gekühlt werden.
7 zeigt eine Strahlbearbeitungsmaschine 62, hier in Form einer Laserschneidanlage. Die in 7 dargestellte Laserschneidanlage 62 weist exemplarisch einen CO₂-Laser als Strahlquelle 64 auf. Alternativ kann die Strahlquelle beispielsweise ein Festkörperlaser oder ein Diodenlaser sein. Die Laserschneidmaschine 62 weist weiter einen verfahrbaren Bearbeitungskopf 10 (vergleiche 1) und eine (feststehende) Werkstückauflage 66 auf, auf der ein Werkstück 68 angeordnet ist. In der Strahlquelle 64 wird ein Laserstrahl 70 erzeugt, der von der Strahlquelle 64 zum Bearbeitungskopf 10 geführt wird. Der Laserstrahl 70 wird mittels einer im Bearbeitungskopf 10 angeordneten Fokussieroptik auf das Werkstück 68 gerichtet.
Die Laserschneidanlage 62 ist an eine Gasversorgungseinrichtung 72 angeschlossen. Die Gasversorgungseinrichtung 72 stellt einerseits das Prozessgas, hier das Schneidgas, zur Verfügung. Das Prozessgas kann beispielsweise Stickstoff oder Sauerstoff sein. Insbesondere bei einem Brennschneidprozess kann das Prozessgas, in dem Fall Sauerstoff, der Düse 12 des Bearbeitungskopfs 10 mit einem Überdruck zwischen etwa 0,4 bar und 1,2 bar zugeführt werden.
Die Gasversorgungseinrichtung 72 stellt andererseits das Kühlgas für das Kühlelement 20 zur Verfügung. Das Kühlgas kann beispielsweise Stickstoff oder Druckluft sein.
Die Laserschneidanlage 62 weist ferner eine Maschinensteuerung 74 auf, die programmiert ist, den Bearbeitungskopf 10 entsprechend einer Schneidkontur relativ zum, hier beispielhaft ruhenden, Werkstück 68 zu verfahren. Die Maschinensteuerung 74 steuert auch die Leistung der Strahlquelle 64, beispielsweise zur Durchführung eines Brennschneidprozesses.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 4016199 A1 [0003]
EP 2589458 B1 [0020]

Claims

Düse (12) zur Verwendung in einer Laserbearbeitungsanlage, die Düse (12) umfassend: Einen Grundkörper (120) mit einer Durchgangsöffnung (121), die sich entlang einer Düsenlängsachse (12x) von einem ersten Ende (120-a) zu einem zweiten Ende (120-z) des Grundkörpers (120) durch den Grundkörper (120) hindurch erstreckt; Wobei die Durchgangsöffnung (121) im Bereich des ersten Endes (120-a) einen ersten Durchmesser (121-4) aufweist; Wobei die Durchgangsöffnung (121) im Bereich des zweiten Endes (120-z) einen parallelwandigen Reflexionsabschnitt (121-3) an der Innenseite des Grundkörpers (120) bildet, der eine Länge von wenigstens 2 mm aufweist, wobei die Durchgangsöffnung (121) in dem Reflexionsabschnitt (121-3) einen minimalen, zweiten Durchmesser (121-5) aufweist, der geringer ist als der erste Durchmesser (121-4); Wobei der Grundkörper (120) an dem ersten Ende (120-a) einen Kopplungsabschnitt (120-1) aufweist; und Wobei der Grundkörper (120) an seinem Außenumfang angrenzend an den Kopplungsabschnitt (120-1) eine Stufe aufweist, die sich in radialer Richtung um die Durchgangsöffnung (121) erstreckt und die eine umlaufende Kühlfläche (123) bildet, welche im Wesentlichen senkrecht zur Düsenlängsachse (12x) ausgerichtet ist.
Düse (12) nach Anspruch 1, wobei der zweite Durchmesser (121-5) wenigstens 1,4 mm, vorzugsweise wenigstens 1,6 mm beträgt.
Düse (12) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Länge des Reflexionsabschnitts (121-3) höchstens 10 mm, vorzugsweise höchstens 7,5 mm beträgt.
Düse (12) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Kühlfläche (123) eine Breite von wenigstens 4 mm aufweist.
Düse (12) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Grundkörper (120) in einem Bereich zwischen der Kühlfläche (123) und dem zweiten Ende (120-z) eine Dicke aufweist, die wenigstens 2 mm, vorzugsweise wenigstens 3 mm beträgt.
Düse (12) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Grundkörper (120) in dem Kopplungsabschnitt (120-1) ein Gewinde aufweist; und wobei der Grundkörper (120) am Übergang zwischen dem Kopplungsabschnitt (120-1) und der Stufe eine Fase (124) aufweist, die eine Anschlagfläche beim Einschrauben der Düse (12) in einen Düsenhalter (20) eines Laserbearbeitungskopfes (10) bildet.
Düse (12) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Grundkörper (120) aus einem Material aufgebaut ist, das eine hohe Wärmeleitfähigkeit aufweist, insbesondere aus Kupfer oder einer Kupferlegierung.
Düse (12) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Grundkörper (120) an seiner Innenfläche im Bereich des Reflexionsabschnitts (121-3) eine Oberflächenrauheit von höchstens Rz 10, bevorzugt höchstens Rz 8, noch bevorzugter höchstens Rz 6 aufweist.
Düse (12) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Grundkörper (120) eine Außenkontur aufweist, welche sich ausgehend von dem ersten Ende (120-a) nach dem Kopplungsabschnitt (120-1) in die folgenden Abschnitte unterteilen lässt: einen Eingriffsabschnitt (120-2), der sich ausgehend von der Stufe in Richtung des zweiten Endes (120-z) erstreckt, wobei der Grundkörper (120) in dem Eingriffsabschnitt (120-2) seinen größten Außendurchmesser aufweist und/oder wobei der Grundkörper (120) in dem Eingriffsabschnitt (120-2) einen polygonalen Querschnitt aufweist; einen Lagerungsabschnitt (120-3), in dem sich der Außendurchmesser des Grundkörpers (120) vorzugsweise stetig verjüngt; einen parallelwandigen, vorzugsweise zylinderförmigen Übergangsabschnitt (120-4), wobei der Übergangsabschnitt (120-4) eine Länge aufweist, die mindestens so groß ist wie die Länge des Reflexionsabschnitts (121-3) der Durchgangsöffnung (121) und wobei der Durchmesser des Grundkörpers (120) in dem Übergangsabschnitt (120-4) wenigstens 8 mm, vorzugsweise wenigstens 10 mm, beträgt; und einen Mündungsabschnitt (120-5), in dem sich der Durchmesser des Grundkörpers (120) ausgehend von dem Übergangsabschnitt (120-4) bis zum zweiten Ende (120-z) des Grundkörpers (120) hin verjüngt.
Düse (12) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Grundkörper (120) eine durch die Durchgangsöffnung (121) gebildete Innenkontur aufweist, die neben dem Reflexionsabschnitt (121-3) am zweiten Ende (120-z) des Grundkörpers (120) ferner einen trichterförmigen Konvergenzabschnitt (121-2) umfasst, der in dem Reflexionsabschnitt (121-3) mündet; wobei der Grundkörper (120) an seinem von dem Reflexionsabschnitt (121-3) entfernten Ende des Konvergenzabschnitts (121-2) einen maximalen Innendurchmesser aufweist; wobei die Innenfläche des Grundkörpers (120) in dem Konvergenzabschnitt (121-2) einen, vorzugsweise konstanten, Neigungswinkel von höchstens 50°, vorzugsweise höchstens 40°, gegenüber der Düsenlängsachse (12x) aufweist; und/oder wobei der Konvergenzabschnitt (121-2) eine Länge aufweist, die größer ist als die Länge des Reflexionsabschnitts (121-3).
Düse (12) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, die Düse (12) ferner umfassend: Ein Wärmeleitelement (125a, 125b), das aus einem nachgiebigen Material besteht und das an der Kühlfläche (123) des Grundkörpers (120) anbringbar ist.
Düse (12) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Grundkörper (120) ferner wenigstens zwei Kühlkanäle (126) aufweist, die vorzugsweise in gleichmäßigen Abständen entlang des Umfangs des Grundkörpers (120) um die Düsenlängsachse (12x) herum angeordnet sind; wobei sich jeder der Kühlkanäle (126) ausgehend von der Kühlfläche (123) der Stufe durch den Eingriffsabschnitt (120-2) hindurch erstrecken und an dem Lagerungsabschnitt (120-3) münden.
Laserbearbeitungsanlage (62) zur Bearbeitung eines Werkstücks (68) mittels eines Laserstrahls (B), die Laserbearbeitungsanlage (62) umfassend: Wenigstens eine Laserstrahlquelle (64) zur Erzeugung eines Bearbeitungslaserstrahls (B); Wenigstens einen Laserbearbeitungskopf (10) mit einer Laserbearbeitungsoptik, einem Düsenhalter (20) und einer Düse (12) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche; Wobei der Laserbearbeitungsstrahl (B) mittels der Laserbearbeitungsoptik fokussierbar und durch den Düsenhalter (20) und die Düse (12) hindurch auf das zu bearbeitende Werkstück (68) richtbar ist.
Laserbearbeitungsanlage (62) nach Anspruch 12, wobei der Düsenhalter (20) eine Kühleinrichtung umfasst.
Verfahren zum Laserbearbeiten eines Werkstücks (68) mittels einer Laserbearbeitungsanlage (62), die eine Düse (12) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 12 aufweist, Wobei ein Laserstrahl (B) durch die den Grundkörper (120) der Düse hindurch auf ein zu bearbeitendes Werkstück (68) gerichtet wird; und Wobei ein Fokus des Laserstrahls (B) innerhalb des Grundkörpers (120) und oberhalb des Reflexionsabschnitts (121-3) liegt, sodass Teile des divergierenden Laserstrahls (B) innerhalb des Reflexionsabschnitts (121-3) an der Innenwand des Grundkörpers (120) reflektiert werden.