DE29602150U1

DE29602150U1 - Vorrichtung zum Laserschneiden mit einem Düsenelement

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Publication number: DE29602150U1
Application number: DE29602150U
Authority: DE
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1996-02-08
Filing date: 1996-02-08
Publication date: 1996-04-11
Anticipated expiration: 2006-02-09

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Laserschneiden mit einem Düsenelement nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Beim Laserschneiden wird mit Hilfe eines Laserstrahls das zu schneidende Gut soweit aufgeheizt, daß mit Hilfe eines Gasstrahls, vorzugsweise eines Inert-Gases, das geschmolzene bzw. vorteilhafterweise verdampfte Material abgeblasen bzw. ausgeblasen wird.

Die Schneidgeschwindigkeit sowie die Tiefe des Laserschneides wird ganz wesentlich von der Geschwindigkeit

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des Abtransports des geschnittenen Materials bestimmt. Bisher bekannt sind Laserstrahlschneidgeräte, wie beispielsweise das der japanischen Patentveröffentlichung JP 63-177 991 A, Patent Abstracts of Japan, Sec. M-767, 1988, Vol. 12/No. 445, bei der bereits ein Laserstrahl zusammen mit einem Schneidgasstrahl aus einer Düsenspitze austritt. Jedoch wird dieser Laserstrahl mit Hilfe piezoelektrischer Betätigungselemente bewegt, deren Auslängung eng begrenzt ist. Weiter ist die EP 0 570 152 A2 zu nennen, in der Spiegel über Stangen an einem Galvanometer befestigt ist.

Die Erfindung hat sich nun zur Aufgabe gesetzt, eine möglichst gute Fokussierung zur Erreichung guter Schnittkanten zu gewährleisten. Die Fokussierung wird erfindungsgemäß zusammen mit der Auslenkung des Laserstrahls durch ein leicht zu steuerndes, jedoch einfach herzustellendes, zuverlässiges, einzelnes optisches Element mit den Merkmalen des Hauptanspruchs gewährleistet. Die Unteransprüche geben vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung wieder.

Vorteilhafterweise erfolgt eine kombinierte Bewegung aus Querbewegung zur Schneidrichtung und Parallelbewegung zur Schneidrichtung, die zu einem Kreisen überlagert wird.

Wiederum vorteilhaft ist, daß das Kreisen derart in Richtung der Schneidrichtung verlangsamt bzw. in Richtung gegen die Schneidrichtung beschleunigen wird, daß sich eine gleichmäßige Kreisbewegung relativ zur Schneidoberfläche ergibt, und nicht die eine Kante des Materials jeweils mit einem schneller laufenden Laserlichtfleck beaufschlagt wird, als die andere Kante.

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Durch die weiterhin vorgesehene Fokussierung des Laserlichtstrahls wird gewährleistet, daß es auch bei tiefen Schnitten, das heißt bei dickem zu schneidenden Material zu keinen "Ausfransungen" bei geschmolzenem, teilweise aus dem Schnitt ausgetretenen Materials am unteren Ende der Schneidkante kommt, sondern daß das Material vollständig verdampft und einen sauberen Schnitt hinterläßt.

Durch den höheren Gasdruck, der sich durch die größere Eintrittsöffnung in den Spalt ergibt, wird es möglich, auch im Spalt einen höheren Gasdruck aufzubauen, so daß mit weniger Laserlichtenergie eine höhere Schneidleistung erbracht werden kann. Der gasdynamische Druck, der bewirkt, daß entgegen der Kaminwirkung {die erhitztes Material nach oben fördern würde) das erhitzte Material nach unten ausgefördert wird, wird unterstützt. Insgesamt ergibt sich durch die erfindungsgemäße Bewegung des Laserlichtfleckes auf dem Schneidmaterial eine höhere Schneidgeschwindigkeit des Lasers als ohne diese Bewegung.

Dieses auf den ersten Blick überraschende Ergebnis läßt sich dadurch erklären, daß die Schneidgeschwindigkeit des Lasers allein von dem Ausfördern des geschmolzenen Materials mit dem Gasdruck abhängig ist und nicht so sehr von der Erhitzung des Materials durch den Laser.

Es wird nun eine für dieses Arbeiten besonders vorteilhafte Vorrichtung vorgeschlagen, bei der der fokussierte Laserlichtstrahl durch eine Düsenöffnung austritt und das Schneidgas durch eine andere Düsenöffnung.

Beide Düsenöffnungen befinden sich vorteilhafterweise in dem erfindungsgemäß vorgeschlagenen Düsenelement. Die Gaszufuhr wird wiederum in einer bevorzugten Ausfüh-

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rungsform umsteuerbar ausgelegt, um so während des Einstichprozesses in das Material die dabei entstehenden Metallgase zu verdrängen, indem nämlich der Gasstrahl senkrecht in den Einstichkrater geblasen wird.

Nach erfolgtem Durchstich wird die Gaszufuhr dann auf einen separaten Gaskanal zur Schneidgasdüsenöffnung umgesteuert . Damit werden zum einen negative Einflüsse (Turbulenzen mit optischer Schlierenbildung) auf den fokussierten Laserlichtstrahl vermieden, zum anderen erfolgt kein Temperaturentzug durch das Schneidgas am Laserlichtstrahl und insbesondere wirkt das Schneidgas zielgerichtet fast ausschließlich in der Schneidfuge auf die Schneidkante. Aufgrund des separat geführten Gaskanals sind außerdem Gasdrücke beliebiger Größe einsetzbar, da die optischen Elemente keinerlei Druckbelastung mehr ausgesetzt sind.

Das Düsenelement besteht entweder aus einem einzigen Stück mit zwei Bohrungen oder - bevorzugt - aus einem Innenring mit einer Laserlichtstrahl-Düsenöffnung und einem Außenring mit der Schneidgasdüsenöffnung. Der Innenring ist starrer Bestandteil des Düsenelementes, um den der Außenring mit einer beweglichen Befestigung angeordnet ist. Dies folgt dem Prinzip der Satellitenanordnung bzw. Satellitendüse.

Der Außenring ist mit einer stromdurchflossenen Leiterschlaufe oder einem Magnetring versehen und daher steuerbar. Die Gasaustrittsöffnung im Außenring folgt so immer dem vorauslaufenden Laserlichtstrahl bei geraden und kurvigen Linien, auch dann, wenn der Laserlichtstrahl aus der Mittellängsache des Düsenelementes seitlich ausgelenkt wird.

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Die Steuerung synchronisiert zudem die Laserlichtstrahlaus lenkung mit der Gasaustrittsdüse nach links wie auch nach rechts. Somit folgt die Gasaustrittsdüse synchron der Pendelbewegung des Laserlichtstrahls. Parallel zu der Pendelbewegung kann der Außenring um den Innenring eine Kreisbahn von 360° beschreiben.

Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel wird nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnung beschrieben.

Dabei zeigt:

Fig. 1 eine Draufsicht auf ein bevorzugtes Düsenelement auf die dem Werkstück zugewandte Seite,

Fig. 2 die Schneidgaszufuhr im Schnitt bei niedrigem Gasdruck während des Einstichprozesses, und

Fig. 3 die Schneidgaszufuhr im Schnitt auch bei sehr hohem Gasdruck durch den separaten Gaskanal in die vom Laserlicht bereits geschnittene Schneidfuge.

Das in der Fig. 1 dargestellte Düsenelement besteht aus einem Innenring 20, in dem sich die Laserstrahldüsenöffnung 10 befindet und einem Außenring 14, 18, in dem sich die Schneidgasdüsenöffnung 12 befindet. Der Innenring 20 ist starr, während der Außenring 14 und das den Schneidgaskanal 24 umfassende übrige Düsenelement 32 beweglich befestigt ist. Der Außenring 14 kann dabei mit einer stromdurchflossenen Leiterschlaufe oder einem Magnetring zur Steuerung der Düse in ihrer Verdrehung um bis zu 360° (horizontal) versehen werden. Damit wird es möglich, die Gasaustrittsöffnung 12 immer dem Laserlicht-

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strahl nachfolgen zu lassen, auch wenn kurvige Linien geschnitten werden.

Da die Schneidgasöffnung 12 eine im wesentlichen länglich ovale Form hat, die einen vor allem seitlich begrenzten Gasstrom in den bereits vorhandenen Schnitt einbläst, und ihre Breite wesentlich geringer als die des Laserstrahldüsenöffnung 10 ist, kann das Düsenelement in einem Bereich 18 schmal zulaufen. Eine im wesentlichen tropfenförmiger Querschnitt mit geraden Seiten 16 wird bevorzugt.

In Fig. 2 und insbesondere Fig. 3 ist zu erkennen, wie der Schnittkanal vertikal schräg auf den unteren Bereich der Schnittkante 28 gerichtet ist. Nicht dargestellt ist jedoch eine Umsteuereinrichtung, mit der das Schneidgas zunächst beim Durchstich in den Laserlichtkanal und anschließend beim fortschreitenden Schneiden durch seine ihm zugedachte Öffnung geleitet wird.

Damit die Schneidgasöffnung dann immer in den bereits bestehenden Schnitt einbläst, ist sie horizontal um 360° beweglich und kann immer in Fortschreitungsrichtung hinter dem Laserlichtstrahl oder oberhalb des bereits vorliegenden Schnittes positioniert werden.

Besonders vorteilhaft ist ein zulaufender Schneidgaskanal zur Verstärkung des Einblasdrucks, der einen geraderen Bereich an der Innenseite und einen umlenkenden gekrümmten Auftreffbereich an der Außenseite besitzt. Entsprechend dieser Krümmung wird sich der auftreffende Außenbereich des Strahls auf der Schneidkante, wie in Fig. 3 geschwungen gezeigt, ausbilden.

Claims

& BOiBHMBEST T 5092 ANSPRUCHE

1. Laserschneidvorrichtung mit einem Düsenelement zur Fokussierung des Laserstrahls und des Gasschneidstrahls, gekennzeichnet durch einen neben dem Laserlichtkanal (22) befindlichen Schneidgaskanal (24) , durch den Schneidgas wenigstens während des fortschreitenden Schneidens auf den Schneidort (28) leitbar ist.

2. Laserschneidvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Schneidgaskanal (24) wenigstens in einem Endbereich (26) vertikal schräg auf die Schneidkante hin (28) gerichtet ist.

3. Laserschneidvorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine Umsteuereinrichtung zur Einleitung des Schneidgases beim Durchstich durch den Laserlichtkanal (22) und beim fortschreitenden Schneiden durch den Schneidgaskanal (24).

4. Laserschneidvorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch ein Düsenelement (32; 14, 18), das beweglich angeordnet ist, und in dem eine länglich ovale Schneidgasöffnung (12) am Ende des Schneidkanals in Draufsicht (horizontal) gerade mit dem Schneidort ausgerichtet vorgesehen ist.

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5. Laserschneidvorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch einen Innenring (20), um den ein Außenring (14, 18), beweglich angeordnet ist, um die Schneidgasöffnung (12) in Draufsicht (horizontal) dem Laserlichtstrahl gerade nachfolgend auzurichten.

6. Laserschneidvorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß ein Magnetring in dem Düsenelement (32) zur Bewegung dieses vorgesehen ist.

7, Laserschneidvorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch einen Schneidgaskanal (24) mit einem im Längsschnitt geraden Innenkantenbereich und einem kurvigen außenseitigen Auftreffbereich zur Lenkung des Schneidgasstroms beim fortschreitenden Schneiden auf den vom Laserlicht distalen Bereich der Schneidkante (2 8).