DE102022209031A1 - Processing head and method for laser beam cutting of components - Google Patents
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Abstract
Bei dem Bearbeitungskopf sind ein Schneidgas als erster Gasstrom und ein Laserstrahl durch eine in Richtung Bauteil angeordnete Düse auf ein zu schneidendes Bauteil gerichtet. Die Schneidgaszuführung ist zumindest im Bereich der Düse der Schneidgaszuführung von einer ringförmigen oder mehreckigen Spaltdüse oder von einer ringförmigen oder mehreckförmigen Anordnung einzelner voneinander separat angeordneten Düsen umschlossen und so angeordnet, dass diese Düse d im Mittelpunkt des Kreises oder im Flächenschwerpunkt angeordnet ist. Ein zweiter Gasstrom ist durch die ringförmige oder mehreckige Spaltdüse oder die Düsen der ringförmigen oder mehreckförmigen Anordnung in Richtung auf eine Oberfläche des zu schneidenden Bauteils gerichtet. Der Druck des Schneidgases und der Druck des zweiten Gasstromes sind jeweils unabhängig voneinander einstellbar und ein Druck des Schneidgases an der Austrittsöffnung der Düse für das Schneidgas ist größer als der Druck des zweiten Gasstromes und dabei maximal dreimal so groß.In the processing head, a cutting gas as the first gas stream and a laser beam are directed through a nozzle arranged in the direction of the component onto a component to be cut. The cutting gas supply is enclosed at least in the area of the nozzle of the cutting gas supply by an annular or polygonal gap nozzle or by an annular or polygonal arrangement of individual nozzles arranged separately from one another and is arranged in such a way that this nozzle d is arranged in the center of the circle or in the center of gravity. A second gas stream is directed through the annular or polygonal gap nozzle or the nozzles of the annular or polygonal arrangement towards a surface of the component to be cut. The pressure of the cutting gas and the pressure of the second gas stream can each be adjusted independently of one another and a pressure of the cutting gas at the outlet opening of the nozzle for the cutting gas is greater than the pressure of the second gas stream and a maximum of three times as great.
Description
Die Erfindung betrifft einen Bearbeitungskopf, der zum Laserstrahlschneiden von Bauteilen ausgebildet ist und ein Verfahren zum Laserstrahlschneiden. Dabei kann es sich bevorzugt um metallische Bauteile handeln.The invention relates to a processing head which is designed for laser beam cutting of components and a method for laser beam cutting. These can preferably be metallic components.
Beim Schneiden mit Laserstrahlung wird ein koaxial angeordneter Gasstrahl als Schneidgas eingesetzt, um das durch den Laserstrahl geschmolzene Material aus dem Schneidspalt aus zu treiben. Insbesondere beim Laserschneiden von Metallen werden auf der Schnittkante nahezu vertikale Riefen ausgebildet. Diese bestimmen maßgeblich die Rauheit der Schnittkanten und bilden typische horizontale Zonen mit charakteristischen Eigenschaften bzgl. Wellenlänge und Rauheit aus. Weiterhin stehen die Riefen im räumlichen Zusammenhang zur Gratbildung an der Unterkante des getrennten Materials und sind damit ein qualitätsbestimmendes Merkmal für das Schneidergebnis.When cutting with laser radiation, a coaxially arranged gas jet is used as the cutting gas in order to expel the material melted by the laser beam from the cutting gap. Particularly when laser cutting metals, almost vertical grooves are formed on the cutting edge. These largely determine the roughness of the cut edges and form typical horizontal zones with characteristic properties in terms of wavelength and roughness. Furthermore, the grooves are spatially related to the burr formation on the lower edge of the separated material and are therefore a quality-determining feature for the cutting result.
Zur Formung des Gasstrahls werden zumeist koaxial zum Laserstrahl angeordnete Düsen eingesetzt, deren Durchmesser generell deutlich größer als der resultierende Schneidspalt ist. Neben einfachen, z.B. sich konisch nach unten verjüngenden Düsen existieren auch Düsenkonzepte mit interner Aufteilung des Gasstroms auf separate Strömungsgänge innerhalb der Düse, die in oder unterhalb der jeweiligen Düse und auf dem Werkstück wieder zusammengeführt werden. Es ist auch üblich die Düseninnen- und -unterseiten speziell ausgestaltet auszuführen, um die Strömungseigenschaften des Schneidgases zu beeinflussen.To shape the gas jet, nozzles arranged coaxially to the laser beam are usually used, the diameter of which is generally significantly larger than the resulting cutting gap. In addition to simple nozzles, for example conically tapering downwards, there are also nozzle concepts with internal division of the gas flow into separate flow paths within the nozzle, which are brought together again in or below the respective nozzle and on the workpiece. It is also common to have the inside and bottom sides of the nozzle specially designed to influence the flow properties of the cutting gas.
Zur Reduzierung des Gasverlustes auf der Bauteiloberseite eines zu schneidenden Bauteils und zur Verbesserung der Gasausnutzung wird bisher auch ein Aufsatzdüsenkonzept eingesetzt, bei dem ein beweglicher Außenring der Düse direkt über die Werkstückoberfläche geführt wird.To reduce gas loss on the top side of a component to be cut and to improve gas utilization, an attachment nozzle concept has also been used to date, in which a movable outer ring of the nozzle is guided directly over the workpiece surface.
Mit allen Düsenkonzepten ist es jedoch bisher nicht gelungen, die Strukturbildung an den Oberflächen der Schneidkanten maßgeblich zu beeinflussen oder eine Riefenbildung gar vollständig zu verhindern.However, all nozzle concepts have not yet succeeded in significantly influencing the structure formation on the surfaces of the cutting edges or even completely preventing the formation of grooves.
Es ist daher Aufgabe der Erfindung, Möglichkeiten anzugeben, mit denen eine verbesserte Oberflächenqualität an Schneidkanten, die mittels Laserstrahlschneiden erhalten worden sind, möglichst ohne zusätzliche Nachbearbeitung zu erreichen.It is therefore the object of the invention to provide options with which to achieve improved surface quality on cutting edges that have been obtained by means of laser beam cutting, if possible without additional post-processing.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe mit einem Bearbeitungskopf, der die Merkmale des Anspruchs 1 aufweist, gelöst. Anspruch 10 betrifft ein Verfahren zum Laserstrahlschneiden. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung können mit in abhängigen Ansprüchen bezeichneten Merkmalen realisiert werden.According to the invention, this object is achieved with a processing head which has the features of claim 1. Claim 10 relates to a method for laser beam cutting. Advantageous refinements and further developments of the invention can be realized with features specified in the dependent claims.
Bei dem erfindungsgemäßen Bearbeitungskopf ist entlang seiner mittleren Längsachse eine Schneidgaszuführung, durch die ein Schneidgas als erster Gasstrom und ein Laserstrahl durch eine in Richtung Bauteil angeordnete Düse auf ein zu schneidendes Bauteil zur Ausbildung eines Schneidspaltes gerichtet sind, vorhanden. Die Schneidgaszuführung ist zumindest im Bereich der Düse der Schneidgaszuführung von einer ringförmigen oder mehreckigen Spaltdüse oder von einer ringförmigen oder mehreckförmigen Anordnung einzelner voneinander separat angeordneten Düsen umschlossen und so angeordnet, dass die Düse der Schneidgaszuführung im Mittelpunkt des Kreises angeordnet ist, der durch die ringförmige Spaltdüse oder die Düsen der ringförmigen Anordnung oder Flächenschwerpunkt der mehreckigen Spaltdüse oder der mehreckigen Anordnung von Düsen vorgegeben ist. Ein zweiter Gasstrom ist durch die ringförmige oder mehreckige Spaltdüse oder die Düsen der ringförmigen oder mehreckigen Anordnung in Richtung auf die jeweilige Oberfläche des zu schneidenden Bauteils gerichtet. Dabei sind der Druck des durch die Düse der Schneidgaszuführung zugeführten Schneidgases und der Druck des zweiten Gasstromes, der durch die ringförmige oder mehreckige Spaltdüse oder die Düsen der ringförmigen oder mehreckförmigen Anordnung strömt jeweils unabhängig voneinander einstellbar. Außerdem ist der Druck des durch die Düse der Schneidgaszuführung zugeführten Schneidgases an der Austrittsöffnung dieser Düse größer als der Druck des zweiten Gasstromes an der/den Austrittsöffnung(en) der ringförmigen oder mehreckigen Spaltdüse oder den Austrittsöffnungen der Düsen der ringförmigen oder mehreckförmigen Anordnung. Der Druck in der Düse der Schneidgaszuführung ist dabei maximal dreimal, wie der Druck des zweiten Gasstromes an der/den Austrittsöffnung(en) der ringförmigen oder mehreckigen Spaltdüse oder den Austrittsöffnungen der Düsen der ringförmigen oder mehreckförmigen Anordnung. Dabei sind im Wesentlichen die Drücke im Bereich der Austrittsöffnungen von Düse für Schneidgas und der ringförmigen oder mehreckigen Spaltdüse oder den Düsen der ringförmigen oder mehreckförmigen Anordnung gemeint.The machining head according to the invention has a cutting gas supply along its central longitudinal axis, through which a cutting gas as the first gas stream and a laser beam are directed through a nozzle arranged in the direction of the component onto a component to be cut to form a cutting gap. The cutting gas supply is enclosed at least in the area of the nozzle of the cutting gas supply by an annular or polygonal gap nozzle or by an annular or polygonal arrangement of individual nozzles arranged separately from one another and is arranged in such a way that the nozzle of the cutting gas supply is arranged in the center of the circle which passes through the annular gap nozzle or the nozzles of the annular arrangement or center of gravity of the polygonal slot nozzle or the polygonal arrangement of nozzles is specified. A second gas stream is directed through the annular or polygonal gap nozzle or the nozzles of the annular or polygonal arrangement towards the respective surface of the component to be cut. The pressure of the cutting gas supplied through the nozzle of the cutting gas supply and the pressure of the second gas stream which flows through the annular or polygonal gap nozzle or the nozzles of the annular or polygonal arrangement can each be adjusted independently of one another. In addition, the pressure of the cutting gas supplied through the nozzle of the cutting gas supply at the outlet opening of this nozzle is greater than the pressure of the second gas stream at the outlet opening(s) of the annular or polygonal gap nozzle or the outlet openings of the nozzles of the annular or polygonal arrangement. The pressure in the nozzle of the cutting gas supply is a maximum of three times the pressure of the second gas stream at the outlet opening(s) of the annular or polygonal slot nozzle or the outlet openings of the nozzles of the annular or polygonal arrangement. This essentially refers to the pressures in the area of the outlet openings of the nozzle for cutting gas and the annular or polygonal gap nozzle or the nozzles of the annular or polygonal arrangement.
Vorteilhaft sollte ein Druck des durch die Düse zugeführten Schneidgases an der Austrittsöffnung der Düse für das Schneidgas eingestellt werden, der mindestens 1,5 mal so groß und maximal zweimal so groß ist, insbesondere mindestens 1,7 und maximal 1,9-mal so groß ist, wie der Druck des zweiten Gasstromes an der/den Austrittsöffnung(en) der ringförmigen oder mehreckigen Spaltdüse oder den Düsen der ringförmigen oder mehreckigen Anordnung.Advantageously, a pressure of the cutting gas supplied through the nozzle should be set at the outlet opening of the nozzle for the cutting gas, which is at least 1.5 times as large and a maximum of twice as large, in particular at least 1.7 and a maximum of 1.9 times as large is how the pressure of the second gas stream at the outlet opening(s) of the annular or polygonal slot nozzle or the nozzles of the annular or polygonal arrangement.
Düsen, die in einer ringförmigen oder mehreckigen Anordnung angeordnet sind, sollten so geometrisch gestaltet, dimensioniert und in Abständen zueinander angeordnet sein, dass ein aus ihren Austrittsöffnungen austretender zweiter Gasstrom ausgebildet werden kann, der den Schneidgasstrom ringförmig oder in mehreckiger Form umschließt und der zweite Gasstrom zumindest nahezu als geschlossener Ring ausgebildet wird in dem zumindest nahezu gleiche Strömungsgeschwindigkeiten und Drücke über seinen Umfang eingehalten sind.Nozzles that are arranged in an annular or polygonal arrangement should be geometrically designed, dimensioned and arranged at a distance from one another in such a way that a second gas stream emerging from their outlet openings can be formed, which surrounds the cutting gas stream in a ring or in a polygonal shape and the second gas stream is designed at least almost as a closed ring in which at least almost the same flow velocities and pressures are maintained over its circumference.
Bei einer mehreckigen Form sind Geometrien mit mindestens vier Ecken zu bevorzugen.For a polygonal shape, geometries with at least four corners are preferred.
Die Düsen einer ringförmigen oder mehreckförmigen Anordnung können zumindest im Bereich ihrer Austrittsöffnungen mit ihren freien Querschnittsflächen, durch die Gas für den zweiten Gasstrom strömt, rotationssymmetrisch und/oder schlitzförmig ausgebildet sein. Dabei können Schlitze auch in Form von Teilkreisen konkav in Richtung zur Düse für das Schneidgas geformt sein. Es können jeweils gleich gestaltete und dimensionierte freie Querschnitte an den Düsen der jeweiligen ringförmigen oder mehreckförmigen Anordnung aber auch beispielsweise alternierend wechselnd anders gestaltete und dimensionierte freie Querschnittsflächen an Düsen einer ringförmigen oder mehreckförmigen Anordnung gewählt werden.The nozzles of an annular or polygonal arrangement can be designed to be rotationally symmetrical and/or slot-shaped, at least in the area of their outlet openings with their free cross-sectional areas through which gas for the second gas stream flows. Slots can also be shaped concavely in the form of partial circles in the direction of the nozzle for the cutting gas. Free cross-sections of the same design and dimensions can be selected on the nozzles of the respective annular or polygonal arrangement, but also, for example, alternately differently designed and dimensioned free cross-sectional areas on nozzles of an annular or polygonal arrangement can be selected.
Der Druck im Bereich der Austrittsöffnungen der Düsen des zweiten Gasstromes sollte im Bereich zwischen 0,05 MPa und 2,5 MPa relativ zum Umgebungsdruck eingehalten sein, wodurch sich Strömungsgeschwindigkeiten der aus den Austrittsdüsen austretenden Gase von mehr als 300 m/s erreichen lassen. Für das Laserstrahlschneiden mit Sauerstoff können bevorzugt Drücke im Bereich 0,05 MPa bis 0,1 MPa genutzt werden.The pressure in the area of the outlet openings of the nozzles of the second gas stream should be maintained in the range between 0.05 MPa and 2.5 MPa relative to the ambient pressure, which means that flow velocities of the gases emerging from the outlet nozzles of more than 300 m/s can be achieved. For laser beam cutting with oxygen, pressures in the range of 0.05 MPa to 0.1 MPa can preferably be used.
Vorteilhaft sollte(n) die Düse der Schneidgaszuführung, ringförmigen oder mehreckigen Spaltdüse und/oder die Düsen der ringförmigen oder mehreckförmigen Anordnung in Richtung ihrer Austrittsöffnung(en) konvergent ausgebildet sein, so dass der kleinste freie Querschnitt durch den Schneidgas oder der zweite Gasstrom an der Austrittsöffnung der Düse für die Schneidgaszuführung oder der ringförmigen oder mehreckigen Spaltdüse oder den Austrittsöffnungen der Düsen der ringförmigen oder mehreckförmigen Anordnung angeordnet ist/sind. Dazu können insbesondere und bevorzugt die jeweiligen inneren Mantelflächen an der nach außen weisenden Oberfläche der jeweiligen Düse sich kontinuierlich konisch in Richtung der mittleren Längsachse der Schneidgaszuführung, also zum Mittelpunkt der Austrittsöffnung der Düse an der Schneidgaszuführung über eine Länge beginnend mindestens 15 mm bevor die jeweilige Austrittsöffnung erreicht ist, verjüngend ausgebildet sein. Dabei sollten mindestens 40 % der Umfangsfläche der jeweiligen inneren Mantelfläche sich konisch verjüngend ausgeformt sein.Advantageously, the nozzle of the cutting gas supply, annular or polygonal gap nozzle and/or the nozzles of the annular or polygonal arrangement should be designed to be convergent in the direction of their outlet opening(s), so that the smallest free cross section through the cutting gas or the second gas stream is at the The outlet opening of the nozzle for the cutting gas supply or the annular or polygonal gap nozzle or the outlet openings of the nozzles of the annular or polygonal arrangement is/are arranged. For this purpose, in particular and preferably, the respective inner lateral surfaces on the outward-facing surface of the respective nozzle can be continuously conical in the direction of the central longitudinal axis of the cutting gas supply, i.e. towards the center of the outlet opening of the nozzle on the cutting gas supply, over a length starting at least 15 mm before the respective outlet opening is achieved, be designed to be rejuvenating. At least 40% of the circumferential surface of the respective inner surface should be tapered.
Der Konuswinkel kann dabei an der Innenwand der ringförmigen oder mehreckigen Spaltdüse oder den Düsen der ringförmigen oder mehreckförmigen Anordnung größer als an der Düse der Schneidgaszuführung sein. Dadurch kann der Druckerhalt der einzelnen Gasströme bis zu den Austrittsöffnungen sichergestellt und eine Verringerung des in Arbeit umsetzbaren Energiegehaltes der Schneidgase innerhalb des Bearbeitungskopfes verhindert werden.The cone angle can be larger on the inner wall of the annular or polygonal gap nozzle or the nozzles of the annular or polygonal arrangement than on the nozzle of the cutting gas supply. This ensures that the pressure of the individual gas streams is maintained up to the outlet openings and prevents a reduction in the energy content of the cutting gases that can be converted into work within the processing head.
Mit der sich kontinuierlich konisch verjüngenden Ausbildung kann Einfluss auf die Druck- und Strömungsgeschwindigkeitsverteilung innerhalb der jeweiligen Düse genommen und verhindert werden, dass bereits innerhalb der jeweiligen Düse eine Beschleunigung des Schneidgases auf Überschallgeschwindigkeit erfolgt.With the continuously conically tapering design, the pressure and flow velocity distribution within the respective nozzle can be influenced and it can be prevented that the cutting gas is accelerated to supersonic speed within the respective nozzle.
Der Laserstrahl sollte koaxial durch die Düse der Schneidgaszuführung auf das Bauteil gerichtet sein und bevorzugt eine Strahlquerschnittsfläche aufweisen, die dabei mindestens 80 % und maximal 100 % des freien Querschnitts der Düse der Schneidgaszuführung im Bereich ihrer Austrittsöffnung ausfüllt. Dadurch können beim Laserstrahlschneiden Spaltbreiten am ausgebildeten Schneidspalt realisiert werden, die dem Innendurchmesser der Austrittsöffnung der Düse für das Schneidgas entsprechen.The laser beam should be directed coaxially through the nozzle of the cutting gas supply onto the component and preferably have a beam cross-sectional area that fills at least 80% and a maximum of 100% of the free cross section of the nozzle of the cutting gas supply in the area of its outlet opening. As a result, during laser beam cutting, gap widths can be achieved at the cutting gap formed which correspond to the inner diameter of the outlet opening of the nozzle for the cutting gas.
Der kleinste Innendurchmesser der Düse der Schneidgaszuführung an der Austrittsöffnung sollte der Spaltbreite des jeweils auszubildenden Schneidspaltes mit einer Abweichung von maximal ± 20 % entsprechen und im Bereich zwischen 0,5 mm bis 2 mm liegen. Bevorzugt sollte dieser kleinste Innendurchmesser genau der Spaltbreite des auszubildenden Schneidspaltes entsprechen.The smallest inner diameter of the nozzle of the cutting gas supply at the outlet opening should correspond to the gap width of the cutting gap to be formed with a maximum deviation of ± 20% and be in the range between 0.5 mm to 2 mm. This smallest inner diameter should preferably correspond exactly to the gap width of the cutting gap to be formed.
Vorteilhaft kann die Breite des Spaltes der ringförmigen oder mehreckigen Spaltdüse oder die Breite oder der Außendurchmesser der Düsen der ringförmigen Anordnung mindestens der Breite des Innendurchmessers der Düse der Schneidgaszuführung im Bereich ihrer Austrittsöffnung entsprechen und bevorzugt das Doppelte dieses Innendurchmessers betragen.The width of the gap of the annular or polygonal gap nozzle or the width or the outer diameter of the nozzles of the annular arrangement can advantageously correspond to at least the width of the inner diameter of the nozzle of the cutting gas supply in the area of its outlet opening and can preferably be twice this inner diameter.
Der Außendurchmesser kann im Bereich der Austrittsöffnung mindestens doppelt so groß sein, wie der Durchmesser der Düse der Schneidgaszuführung an ihrer Austrittsöffnung ist und dabei maximal 10,00 mm betragen.The outer diameter in the area of the outlet opening can be at least twice as large as the diameter of the cutting gas nozzle guide at its exit opening and be a maximum of 10.00 mm.
Bei einer mehreckigen Spaltdüse oder einer mehreckigen Anordnung von Düsen kann ein maximaler Abstand parallel zum auszubildenden Schneidspalt der jeweiligen gegenüberliegend angeordneten Austrittsöffnung(en) eingehalten sein, der kleiner als der maximale Abstand der Austrittsöffnung(en), die in einer senkrecht dazu ausgerichteten Achsrichtung angeordnet sind. So kann man beispielsweise bei einer rechteckigen Spaltdüse oder Anordnung von Düsen eine Länge des Rechtecks von ca. 10 mm wählen, wobei diese längeren Kanten dann parallel zur Schneidspalt- bzw. Vorschubbewegungsrichtung weisen sollten. Die Länge der senkrecht dazu ausgerichteten Kanten kann dann 2 mm bis 5 mm betragen.In the case of a polygonal gap nozzle or a polygonal arrangement of nozzles, a maximum distance parallel to the cutting gap to be formed of the respective oppositely arranged outlet opening(s) can be maintained, which is smaller than the maximum distance of the outlet opening(s) which are arranged in an axial direction aligned perpendicular thereto . For example, with a rectangular gap nozzle or arrangement of nozzles, you can choose a length of the rectangle of approx. 10 mm, whereby these longer edges should then point parallel to the cutting gap or feed movement direction. The length of the edges aligned perpendicular to it can then be 2 mm to 5 mm.
Dabei ist eine viereckige Form im Vergleich zu einem Dreieck oder Geometrien mit mehr als vier Ecken vorteilhaft. Dabei kann ein Viereck gewählt werden, dessen längere Kanten bevorzugt zumindest annähernd parallel zum auszubildenden Schneidspalt ausgerichtet sind, als die Breite der Kanten, die senkrecht dazu ausgerichtet sind. Ein Verhältnis von Länge zu Breite von mindestens 5 zu 1 ist dabei besonders vorteilhaft.A square shape is advantageous compared to a triangle or geometries with more than four corners. A square can be selected whose longer edges are preferably aligned at least approximately parallel to the cutting gap to be formed than the width of the edges that are aligned perpendicular to it. A length to width ratio of at least 5 to 1 is particularly advantageous.
Der Abstand zwischen den Austrittsöffnungen der Düse der Schneidgaszuführung und der ringförmigen oder mehreckigen Spaltdüse oder den Düsen der ringförmigen oder mehreckförmigen Anordnung zur Oberfläche des zu schneidenden Bauteils sollte maximal 1 mm voneinander abweichen und dabei ein Abstand der Austrittsdüsen zur Bauteiloberfläche an der der Schneidspalt mit dem Laserstrahl ausgebildet werden soll im Bereich zwischen 0,2 mm und 2 mm während der Laserstrahlschneidbearbeitung eingehalten sein.The distance between the outlet openings of the nozzle of the cutting gas supply and the annular or polygonal gap nozzle or the nozzles of the annular or polygonal arrangement to the surface of the component to be cut should deviate from each other by a maximum of 1 mm and the distance between the outlet nozzles and the component surface at which the cutting gap with the laser beam should be formed in the range between 0.2 mm and 2 mm during laser beam cutting processing.
Bei der Erfindung kann es sich also um eine Düsenanordnung mit einer inneren Düsenöffnung und einer, diese konzentrisch umgebende Ringspaltdüse oder konzentrisch angeordneten Düsen einer ringförmigen Anordnung handeln, wobei für die mittig angeordnete Austrittsöffnung, durch die Schneidgas austritt und die ringförmige Spaltdüse oder die Düsen der ringförmigen Anordnung jeweils eine separate Gaszuführung mit unabhängig voneinander einstellbaren oder regelbarem Gasdruck aufweisen. Der jeweilige Gasdruck kann mittels in der jeweiligen Gaszuführung angeordneten Ventilen beeinflusst werden. Bei einer mehreckigen Spaltdüse oder einer mehreckförmigen Anordnung von Düsen sollte die Düse aus der das Schneidgas austritt im jeweiligen Flächenschwerpunkt des Mehrecks angeordnet sein.The invention can therefore be a nozzle arrangement with an inner nozzle opening and an annular gap nozzle concentrically surrounding it or concentrically arranged nozzles of an annular arrangement, with the centrally arranged outlet opening through which cutting gas emerges and the annular gap nozzle or the nozzles of the annular Arrangement each have a separate gas supply with independently adjustable or controllable gas pressure. The respective gas pressure can be influenced by means of valves arranged in the respective gas supply. In the case of a polygonal gap nozzle or a polygonal arrangement of nozzles, the nozzle from which the cutting gas emerges should be arranged in the respective center of gravity of the polygon.
Der Außendurchmesser der Austrittsöffnung, durch die das Schneidgas aus dem Bearbeitungskopf austritt, sollte circa der Schnittspaltbreite entsprechen, vorzugsweise sollte er genauso groß wie die Spaltbreite der Schnittfuge sein. Der Durchmesser der ringförmigen Spaltdüse oder der Durchmesser des Ringes, in dem die Düsen einer ringförmigen Anordnung angeordnet sind, kann dabei ein Vielfaches der Schneidspaltbreite betragen. Die Austrittsöffnung für das Schneidgas kann dabei bevorzugt auf gleicher Höhe wie die der ringförmigen oder mehreckigen Spaltdüse oder den Düsen in ringförmiger oder mehreckförmiger Anordnung über der Oberfläche des zu schneidenden Bauteils oder aber auch geringfügig oberhalb oder unterhalb dieser angeordnet sein.The outer diameter of the outlet opening through which the cutting gas exits the processing head should approximately correspond to the cutting gap width, preferably it should be the same size as the gap width of the kerf. The diameter of the annular gap nozzle or the diameter of the ring in which the nozzles of an annular arrangement are arranged can be a multiple of the cutting gap width. The outlet opening for the cutting gas can preferably be arranged at the same height as that of the annular or polygonal gap nozzle or the nozzles in an annular or polygonal arrangement above the surface of the component to be cut or also slightly above or below it.
Der beim Schneiden verwendete Austrittsöffnungsabstand von der Bauteiloberfläche kann dabei kleiner sein als der Durchmesser der Austrittsöffnung aus der das Schneidgas aus dem Bearbeitungskopf austritt.The outlet opening distance from the component surface used during cutting can be smaller than the diameter of the outlet opening from which the cutting gas emerges from the processing head.
Die Gasdrücke bzw. das Druckverhältnis sollte vorzugsweise so eingestellt werden, dass sich ein Druckverhältnis der Absolutdrücke zwischen der inneren angeordneten Austrittsöffnung für das Schneidgas und der/den Austrittsöffnung(en) der ringförmigen oder mehreckigen Spaltdüse oder den Austrittsöffnungen der Düsen der ringförmigen oder mehreckförmigen Anordnung pi/pa von weniger als 2 ergibt.The gas pressures or the pressure ratio should preferably be set so that a pressure ratio of the absolute pressures between the inner arranged outlet opening for the cutting gas and the outlet opening(s) of the annular or polygonal gap nozzle or the outlet openings of the nozzles of the annular or polygonal arrangement p i /p a of less than 2 results.
Die Gaszuführung für die innen angeordnete Düse für das Schneidgas kann über die standardmäßige Schneidgaszuführung im Bearbeitungskopf erfolgen. Die Gaszuführung zur ringförmigen oder mehreckigen Spaltdüse oder die Düsen der ringförmigen oder mehreckförmigen Anordnung kann über zusätzliche Anschlüsse an den Bearbeitungskopf erfolgen.The gas supply for the internal nozzle for the cutting gas can be done via the standard cutting gas supply in the processing head. The gas supply to the annular or polygonal slot nozzle or the nozzles of the annular or polygonal arrangement can take place via additional connections to the processing head.
Besonders vorteilhaft kann bei einem Absolutdruck an der Austrittsöffnung der Düse für das Schneidgas von 2,0 MPa der Absolutdruck des zweiten Gasstromes an der Austrittsöffnung der ringförmigen oder mehreckigen Spaltdüse oder den Austrittsöffnungen der Düsen der ringförmigen oder mehreckförmigen Anordnung mit 1,1 MPa eingestellt werden.Particularly advantageously, with an absolute pressure at the outlet opening of the nozzle for the cutting gas of 2.0 MPa, the absolute pressure of the second gas stream at the outlet opening of the annular or polygonal slot nozzle or the outlet openings of the nozzles of the annular or polygonal arrangement can be set to 1.1 MPa.
Die Düse für das Schneidgas kann in ihrem Inneren zumindest im Bereich nahe ihrer Austrittsöffnung in Form einer konvergenten Düse ausgebildet sein, bei der der kleinste Durchmesser an der Austrittsöffnung angeordnet ist.The nozzle for the cutting gas can be designed inside, at least in the area near its outlet opening, in the form of a convergent nozzle, in which the smallest diameter is arranged at the outlet opening.
Dabei sollte der kleinste Durchmesser der Düse der Schneidgaszuführung an der Austrittsöffnung nahezu der Spaltbreite des jeweils auszubildenden Schneidspaltes entsprechen und eine maximale Abweichung des kleinsten Durchmessers in Bezug zur Spaltbreite von ± 20 %, bevorzugt ± 10 % eingehalten sein.The smallest diameter of the cutting gas supply nozzle at the outlet opening should be almost the same as the gap width ends of the cutting gap and a maximum deviation of the smallest diameter in relation to the gap width of ± 20%, preferably ± 10% must be maintained.
Ein Laserstrahl mit einer Strahlquerschnittsfläche von mindestens 80 % und maximal 100 % des freien Querschnitts der Düse der Schneidgaszuführung im Bereich ihrer Austrittsöffnung erzeugt einen Schneidspalt mit einer Breite annähernd in der Größe der Austrittsöffnung des Schneidgases. Dadurch erfolgt eine direkte und geradlinige Einströmung des Schneidgasstromes in den sich bildenden Schneidspalt. Im Vergleich zum Stand der Technik wirkt die obere Kante des Schneidspaltes dann nicht als Strömungshindernis in Form einer vorwärtsgerichteten Stufe und es kann ein ungestörtes Einströmen des Schneidgasstromes in den Schneidspalt erfolgen. Mit der Erfindung kann damit beim Laserstrahlschneiden die Ablösung des einströmenden Schneidgases von der Oberkante des Schneidspaltes und die Ausbildung eines Rezirkulationsgebietes an der Spaltoberkante verhindert werden. Im Vergleich zum Stand der Technik wird so die Anfachung von räumlichen und zeitlichen Störungen in der Grenzschicht der Schneidgasströmung auf der Schnittkante verhindert oder stark verringert und es kann durch die Schneidgasströmung ein gleichmäßiger Austrieb der mit der Energie des Laserstrahls gebildeten Schmelze aus der Schnittfuge erreicht werden.A laser beam with a beam cross-sectional area of at least 80% and a maximum of 100% of the free cross-section of the nozzle of the cutting gas supply in the area of its outlet opening creates a cutting gap with a width approximately the size of the outlet opening of the cutting gas. This results in a direct and straight flow of the cutting gas stream into the cutting gap that forms. In comparison to the prior art, the upper edge of the cutting gap then does not act as a flow obstacle in the form of a forward-directed step and the cutting gas stream can flow undisturbed into the cutting gap. With the invention, the separation of the incoming cutting gas from the upper edge of the cutting gap and the formation of a recirculation area at the upper edge of the gap can be prevented during laser beam cutting. In comparison to the prior art, the accumulation of spatial and temporal disturbances in the boundary layer of the cutting gas flow on the cutting edge is prevented or greatly reduced and the cutting gas flow can be used to achieve a uniform expulsion of the melt formed with the energy of the laser beam from the kerf.
Mit der äußeren ringförmigen oder mehreckigen Spaltdüse oder den Düsen der ringförmigen oder mehreckförmigen Anordnung kann die Verunreinigung des Schneidgases durch Gas aus der Umgebung verhindert und die gebildete Schmelze abgeschirmt werden. Dadurch kann beim Schmelzschneiden mit einem inerten Prozessgas, vorzugsweise Stickstoff und einer Ringspaltströmung oder einem ringförmig oder mehreckförmig ausgebildeten zweiten Gasstrom mit einem ebenfalls inerten Prozessgas eine Oxidation in der Prozesszone verhindert werden. Wird dagegen beim Laserschneiden Sauerstoff als Schneidgas eingesetzt, mit dem dem Prozess durch die Oxidation Energie zum Aufschmelzen des Materials bereitgestellt wird und die Schmelze aus der Schnittfuge ausgetrieben werden soll, kann durch die ringförmige oder mehreckige Spaltdüse oder die Düsen der ringförmigen oder mehreckförmigen Anordnung ebenfalls Sauerstoff oder ein inertes Prozessgas wie z.B. Stickstoff in Richtung Bauteiloberfläche strömen, wodurch eine Beeinflussung des Sauerstoffgehaltes im Schneidgas, das die Schmelze erreicht, erzielt werden kann.With the outer annular or polygonal gap nozzle or the nozzles of the annular or polygonal arrangement, contamination of the cutting gas by gas from the environment can be prevented and the melt formed can be shielded. As a result, oxidation in the process zone can be prevented during melt cutting with an inert process gas, preferably nitrogen, and an annular gap flow or an annular or polygonal second gas stream with a likewise inert process gas. If, on the other hand, oxygen is used as a cutting gas in laser cutting, with which energy is provided to the process through oxidation to melt the material and the melt is to be expelled from the kerf, oxygen can also be used through the annular or polygonal gap nozzle or the nozzles of the annular or polygonal arrangement or an inert process gas such as nitrogen can flow towards the component surface, which can influence the oxygen content in the cutting gas that reaches the melt.
Mit der äußeren ringförmigen oder mehreckigen Spaltdüse oder den Düsen der ringförmigen oder mehreckförmigen Anordnung kann der Wirkungsbereich des Schneidgases zum Schmelzaustrieb im Spalt und damit die schneidbare Materialdicke erhöht werden.With the outer annular or polygonal gap nozzle or the nozzles of the annular or polygonal arrangement, the effective range of the cutting gas for expelling melt in the gap and thus the material thickness that can be cut can be increased.
Durch die Berücksichtigung des Druckverhältnisses an den Austrittsöffnungen für das Schneidgas, der ringförmigen oder mehreckigen Spaltdüse oder der Düsen der ringförmigen oder mehreckförmigen Anordnung von weniger als maximal 2 kann zwischen den Austrittsöffnungen der Düsen und der Bauteiloberfläche die Druckverteilung derart eingestellt werden, dass das Erreichen der Schallgeschwindigkeit des aus der Austrittsöffnung ausströmenden Schneidgases verhindert werden kann. Dies führt dazu, dass in der austretenden Schneidgasströmung und der Strömung innerhalb des Schneidspaltes keine Stöße ausgebildet werden, wodurch sich dabei die in Arbeit umsetzbare Energie des Gases im Vergleich zum Stand der Technik erhöhen lässt und die Störung der Gasgrenzschicht in der Prozesszone durch Stoß-Grenzschicht-Interaktionen unterdrückt werden kann. Bei Druckverhältnissen zwischen 2 und 3 der Absolutdrücke an den Austrittsöffnungen der Düse für das Schneidgas und der Spaltdüse oder den Düsen in ringförmiger oder mehreckiger Anordnung erreicht die Schneidgasströmung Schallgeschwindigkeit. Im Vergleich zum Stand der Technik ist die Geschwindigkeit geringer, der Druck höher und die ausgebildeten Stöße schwächer, wodurch sich dabei die in Arbeit umsetzbare Energie des Gases im Vergleich zum Stand der Technik ebenfalls erhöhen lässt und Verluste durch starke Stöße können vermieden werden. Ist jedoch das Druckverhältnis kleiner 2, also der Absolutdruck an der Austrittsöffnung der Düse für das Schneidgas kleiner als das Zweifache des Absolutdrucks an den Austrittsöffnungen der Spaltdüsen oder den Austrittsöffnungen der Düsen, die ringförmig oder mehreckig angeordnet sind, wird die Schallgeschwindigkeit beim Schneidgasstrom nicht erreicht.By taking into account the pressure ratio at the outlet openings for the cutting gas, the annular or polygonal gap nozzle or the nozzles of the annular or polygonal arrangement of less than a maximum of 2, the pressure distribution between the outlet openings of the nozzles and the component surface can be adjusted in such a way that the speed of sound is reached of the cutting gas flowing out of the outlet opening can be prevented. This means that no shocks are formed in the emerging cutting gas flow and the flow within the cutting gap, which means that the energy of the gas that can be converted into work can be increased compared to the prior art and the disruption of the gas boundary layer in the process zone due to shock boundary layer -Interactions can be suppressed. At pressure ratios between 2 and 3 of the absolute pressures at the outlet openings of the nozzle for the cutting gas and the gap nozzle or the nozzles in an annular or polygonal arrangement, the cutting gas flow reaches the speed of sound. Compared to the prior art, the speed is lower, the pressure is higher and the shocks formed are weaker, which means that the energy of the gas that can be converted into work can also be increased compared to the prior art and losses due to strong shocks can be avoided. However, if the pressure ratio is less than 2, i.e. the absolute pressure at the outlet opening of the nozzle for the cutting gas is less than twice the absolute pressure at the outlet openings of the gap nozzles or the outlet openings of the nozzles, which are arranged in a ring or polygonal shape, the speed of sound in the cutting gas flow is not reached.
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