DE4118693A1 - Bearbeitungskopf fuer eine vorrichtung zum schneiden von werkstuecken mit licht- oder teilchenstrahlen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Bearbeitungskopf für eine Vor­ richtung zum Schneiden von Werkstücken mit Licht- oder Teilchenstrahlen mit

• a) einem Gehäuse, welches eine Austrittsöffnung für den Licht- oder Teilchenstrahl aufweist;
• b) einer Mehrzahl von symmetrisch um die Achse der Aus­ trittsöffnung angeordneten Düsen, aus welchen unter hohem Druck stehendes Prozeßgas in Einzelstrahlen aus­ tritt, die sich in der Achse des Licht- oder Teilchen­ strahles unter spitzem Winkel zu einem Gesamtstrahl vereinigen, der sich in Richtung des Licht- oder Teil­ chenstrahles auf das Werkstück zu bewegt und das Schmelz­ gut aus der Schnittfuge des Werkstückes austreibt.

Im geometrischen Grundaufbau von Bearbeitungsköpfen von Schneidvorrichtungen, die mit energiereichen Strahlen arbeiten, lassen sich zwei Grundkonzeptionen unterscheiden: Bei der sogenannten "konzentrischen Anordnung", die aus­ schließlich für Laserstrahlen, nicht dagegen für Teilchenstrah­ len, in Frage kommt, ist eine einzige Düse für das Prozeßgas vorgesehen, deren Achse mit der Achse des Laserstrahles koaxial ist. Bei dieser Anordnung hat der aus der Düse austretenden Prozeßgasstrahles zwar von vornherein die Rich­ tung des Laserstrahles; der Hochdruckbereich des Prozeßgases muß jedoch vom Laser durch Fenster oder Linsen abgetrennt werden. Dies hat optische Nachteile zur Folge, da aufgrund von Erwärmungseffekten die optischen Eigenschaften des Fensters variieren, insbesondere eine unterschiedlich starke Linsenwirkung je nach Erwärmung eintreten kann. Auch die Verschmutzung des Fensters beeinflußt die Linsenwirkung. Durch die Aufheizung des Fensters ergibt sich außerdem eine Leistungsbeschränkung des verwendeten Lasers, die in der Gegend von 10 kW liegt. Das Fenster ist selbst ein teures Element, dessen druckdichte Lagerung aufwendig ist. Zudem droht die Gefahr der Zerstörung des Fensters durch Fehlbe­ dienung, durch zu hohen Gasdruck oder zu hohe Laserleistung, insbesondere bei Verschmutzung des Fensters, schlechter Kühlung oder fehlerhaftem Einbau. Bei der Zerstörung des Fensters kann Gift freigesetzt werden, wodurch das Personal gefährdet und der Bearbeitungskopf und das gesamte Strahl­ führungssystem kontaminiert werden können.

Aus diesem Grunde wird gelegentlich die sogenannte "exzent­ rische" Anordnung von Düse und Laserstrahl bei Bearbeitungs­ köpfen verwendet. Diese zeichnet sich dadurch aus, daß die Düse außerhalb des Licht- oder Teilchenstrahles unter einem spitzen Winkel zu dessen Achse angeordnet ist. Verwendet man hier nur eine einzige Gasdüse, so trifft der Prozeßgas­ strahl schräg auf das Werkstück auf, wodurch der Bearbeitungs­ prozeß richtungsabhängig wird. Bei Konturschnitten ist somit eine Nachführung notwendig. Außerdem muß bei einer Abstandsänderung zum Werkstück auch die Düse seitlich verschoben werden, was einen erhöhten Justieraufwand bedeu­ tet.

Daher gibt es die exzentrische Anordnung auch in der Variante der Ringdüse, die keine Nachführung nötig macht, da die Ringdüse und der von ihr erzeugte Prozeßgasstrahl rotations­ symmetrisch sind. Durch den erforderlichen großen Spaltquer­ schnitt der Düse jedoch entsteht ein sehr hoher Gasverbrauch.

Letzterer Nachteil der Ringdüse wiederum hat zu einer Entwicklung geführt, bei welcher mehrere Einzeldüsen rota­ tionssymmetrisch um die Achse des Licht- oder Teilchen­ strahles herum angeordnet sind, aus denen Einzelstrahlen austreten. Diese Einzelstrahlen vereinigen sich dann in der Achse des Licht- oder Teilchenstrahles zu einem Gesamt­ strahl. Ein Beispiel hierfür ist in der DE-OS 36 30 127 beschrieben, die einen Bearbeitungskopf der eingangs ge­ nannten Art zeigt. Beim Ausführungsbeispiel nach den Fig. 4 und 5 sind drei Einzeldüsen im Winkelabstand von 120° vorhanden, die zumindest an der Austrittsstelle des Gases einen kreisförmigen oder zumindest halbkreisförmigen Quer­ schnitt besitzen. Der Gesamtstrahl, der sich bei dieser Düsenausbildung und -anordnung ergibt, neigt jedoch zur "Kettenbildung", das heißt, zu abwechselnd aufeinander folgenden Ausweitungen des Strahles in aufeinander senkrecht stehenden Richtungen, oder zu Umwindungen, bei denen der eine Strahl sich um den anderen Strahl schlingt.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen Bearbei­ tungskopf der eingangs genannten Art so auszugestalten, daß bei geringem Verbrauch an Prozeßgas ein möglichst ungestörter Gesamtstrahl erzielt wird.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß

• c) zwei Düsen vorgesehen sind, die einander exakt diametral, bezogen auf die Achse der Austrittsöffnung des Gehäuses, gegenüberliegen;
• d) der Querschnitt der Düsen zumindest an der Austritts­ stelle des Prozeßgases rechteckig ist.

Die Erfindung fußt also auf der doppelten Erkenntnis, daß zur Erzielung eines möglichst ungestörten Gesamtstrahles zwei Einzelmaßnahmen notwendig sind: Zum einen sollte nicht irgendeine Anzahl von Einzeldüsen und damit Einzel­ strahlen verwendet werden; es sollten vielmehr zwei der­ artige Düsen und Einzelstrahlen zum Einsatz kommen, die dann aber exakt diametral gegenüberliegen müssen. Zum anderen sollte auf die bisher gebräuchliche runde Düsenform verzichtet werden und statt dessen der Düse zumindest, an der Austrittsstelle ein rechteckiger Querschnitt gegeben werden. Treffen die durch diese Düsen gebildeten, im Quer­ schnitt dann ebenfalls im wesentlichen rechteckigen Teil­ strahlen des Prozeßgases auf der Achse der Austrittsöffnung des Gehäuses unter spitzem Winkel aufeinander, so entstehen keine "Ketten" und Umschlingungen der Einzelstrahlen mehr. Vielmehr bildet sich ein Gesamtstrahl, der allenfalls von der Vereinigungsstelle ausgehende schräge Verdichtungs­ stöße aufweist. Der Druck im Gesamtstrahl ist jedoch weit­ gehend konstant, sowohl in radialer als auch in axialer Richtung.

Vorzugsweise sind die Düsen ebene Lavaldüsen. Unter "ebenen" Düsen werden hier vereinfachend solche Düsen verstanden, deren Querschnittsform an der Austrittsstelle, wie oben bereits erwähnt, rechteckig ist. Eine "ebene" Lavaldüse hat, geschnitten parallel zu einer Seite des Rechteckes, die bekannte Form der Lavaldüse mit einer Verengung ober­ halb der Austrittsstelle; in einer hierzu senkrechten Richtung geschnitten, ist die Querschnittsform der Düse rechteckig. Die Verwendung von Lavaldüsen führt zu einem parallelen Freistrahl des Prozeßgases nach Verlassen der Düse. Dies gilt jedenfalls dann, wenn der Arbeitsdruck gleich dem Auslegungsdruck der jeweiligen Lavaldüse ist. Zum Schneiden, also dem hier in erster Linie interessierenden Verwendungszweck, ist jedoch ein idealer Parallelstrahl nicht notwendig; ohne nennenswerte Beeinträchtigung kann der Druckarbeitsbereich des Prozeßgases um + oder -30% vom Auslegungsdruck abweichen. Die Verwendung von Lavaldüsen ermöglicht insbesondere größere Variationen des Düsenab­ standes auch über mehrere Düsenendabmessungen hinweg, ohne daß das Schneidergebnis nennenswert beeinflußt wird. Auf diese Weise wird die erfindungsgemäße Düse auch für wenig genaue Bearbeitungsmaschinen, z. B. für Roboter, geeignet. Der erfindungsgemäße Bearbeitungskopf eignet sich für unebene Oberflächen ebenso wie zum Abtragen von Material vom Werkstück.

Bei einem besonderen Ausführungsbeispiel der Erfindung sind die beiden Düsen in einem Düsenkörper zusammengefaßt, der an der Unterseite des Gehäuses befestigt ist.

Jeder Düse kann ein eigener Druckraum zugeordnet sein.

Der Düsenkörper läßt sich herstellungstechnisch besonders einfach so herstellen, daß er aus zwei identischen Hälften zusammengesetzt ist, wobei an jeder Hälfte zwei benach­ barte, aufeinander senkrechte Begrenzungsflächen der bei­ den Druckräume und der beiden Düsen ausgebildet sind.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnung näher erläutert; es zeigen

Fig. 1 einen senkrechten Schnitt durch den Bearbeitungs­ kopf einer Laser-Schneidvorrichtung;

Fig. 2 die Unteransicht des Düsenkörpers der Vorrichtung von Fig. 1 in vergrößertem Maßstab;

Fig. 3 schematisch zwei identische Hälften eines Düsen­ körpers, wie er beim Bearbeitungskopf von Fig. 1 verwendet werden kann.

Der in Fig. 1 im senkrechten Schnitt dargestellte Bearbei­ tungskopf für eine Laser-Schneidvorrichtung umfaßt ein Gehäuse 1, das mit einer oberen Öffnung 2 an das Strahlfüh­ rungssystem eines Hochleistungs-Lasers (nicht dargestellt) angesetzt wird. Das Gehäuse 1 des Bearbeitungskopfes ist etwas gekröpft, so daß der durch die Öffnung 2 einfallende Laserstrahl auf einen ersten, ebenen Umlenkspiegel 3 trifft, der in eine Öffnung 4 des Gehäuses 1 eingesetzt ist.

Der Umlenkspiegel 3 reflektiert den Laserstrahl auf einen zweiten, in eine Öffnung 5 des Gehäuses 1 eingesetzten Umlenkspiegel 6, der gleichzeitig fokussierende Eigen­ schaften besitzt. Der Umlenkspiegel 6 reflektiert den Laserstrahl erneut und zwar so, daß die Achse des nunmehr konvergierenden Laserstrahles parallel zur Achse des durch die Öffnung 2 einfallenden Laserstrahles verläuft.

Der Laserstrahl verläßt das Gehäuse 1 dem Bearbeitungs­ kopfes durch eine untere, konische Austrittsöffnung 7, deren Konizitätswinkel etwa gleich dem Konvergenzwinkel des fokus­ sierten Laserstrahles entspricht.

An die Unterseite des Gehäuses 1 ist ein Düsenkörper ange­ setzt, der insgesamt das Bezugszeichen 8 trägt. Er ist mit einer axialen konischen Bohrung 9 versehen, welche die konische Austrittsöffnung 7 an der Unterseite des Gehäuses 1 fortsetzt. Der Brennpunkt des Laserstrahles liegt außerhalb der Bohrung 9 und unterhalb des Düsenkörpers 8 in dem dort zu denkenden, in der Zeichnung nicht dargestell­ ten Werkstück.

Auf diametral gegenüberliegenden Seiten der konischen Bohrung 9 des Düsenkörpers 8 liegt jeweils ein Druckraum 10 bzw. 11, dem über eine Bohrung 12 bzw. 13 unter hohem Druck stehendes Prozeßgas zugeführt wird. Die Bohrungen 12 und 13 stehen in Verbindung mit einer äußeren Leitung 14, die in Fig. 2 zu erkennen und an dem Düsenkörper 8 angeschraubt ist.

Von der Unterseite der Druckräume 10, 11 geht jeweils eine sich zur unteren Stirnseite des Düsenkörpers 8 öffnende Lavaldüse 15 bzw. 16 aus. Die Mündungsstellen der Laval­ düsen 15, 16 in die untere Stirnseite des Düsenkörpers 8 liegen verhältnismäßig dicht an der Mündungsstelle der zentralen konischen Bohrung 9, durch welche der Laserstrahl hindurchtritt. Die Orientierung der Lavaldüsen 15 und 16 ist so, daß sich die aus ihnen austretenden Prozeßgas­ strahlen unter spitzem Winkel in der Achse der Bohrung 9 und damit des Laserstrahles treffen.

Die Lavaldüsen 15 und 16 besitzen zumindest an der eigent­ lichen Gasaustrittsstelle einen rechteckigen Querschnitt, wie dies der Fig. 2 zu entnehmen ist. Sie liegen einander exakt diametral, bezogen auf die Achse der Bohrung 9 und damit des Laserstrahles, gegenüber.

Der Düsenkörper 8, der in Fig. 3 dargestellt ist, läßt sich besonders einfach herstellen. Er ist aus zwei identi­ schen Hälften 8a und 8b zusammengesetzt. In eine Seiten­ fläche der Hälfte 8a, sind zwei benachbarte, aufeinander senkrechte Begrenzungsflächen 10a und 10b des Druckraumes 10 sowie die sich hieran anschließenden beiden Begrenzungs­ flächen 15a und 15b der Düse 15 eingeformt. Außerdem sind an dieser Seitenfläche der Hälfte 8a zwei benachbarte, aufeinander senkrecht stehende Begrenzungsflächen 11a und 11b des Druckraumes 11 sowie die sich hieran anschlie­ ßenden Begrenzungsflächen 16a und 16b der Düse 16 ausge­ bildet. Klappt man die beiden Hälften 8a und 8b in der in Fig. 3 angedeuteten Weise zusammen, so komplettieren sich die Begrenzungsflächen 10a, 10b der Hälfte 8a und die Begrenzungsflächen 10c und 10d der Hälfte 8b zum Druck­ raum 10, in welchen der Gaszufuhrkanal 13 der Hälfte 8b mündet. Entsprechend komplettieren sich die Begrenzungs­ flächen 15a und 15b der Hälfte 8a mit den Begrenzungsflä­ chen 15c und 15d der Hälfte 8b zu der Düse 15. In der gleichen Weise bilden sich aus Begrenzungsflächen 11a, 11b, 16a, 16b an der Hälfte 8a und Begrenzungsflächen 11c, 11d, 16c, 16d an der Hälfte 8b der Druckraum 11, in welchen der Gaszufuhrkanal 12 einmündet, und die Düse 16.

Im Betrieb der Laser-Schneidvorrichtung durchläuft der Laserstrahl, wie in Fig. 1 strichpunktiert angedeutet, das Gehäuse 1 und den Düsenkörper 8 des Bearbeitungskopfes und trifft fokussiert auf das nicht dargestellte, unterhalb des Bearbeitungskopfes angeordnete Werkstück. Über die Leitung 14 und die Bohrungen 12 und 13 des Düsenkörpers 8 wird Prozeßgas unter hohem Druck (über 1 bar Überdruck bis typischerweise 20 bar oder darüber) in die Druckräume 10 und 11 des Düsenkörpers 8 eingeleitet. Dieses Prozeßgas tritt dann mit Überschallgeschwindigkeit aus den ebenen Lavaldüsen 15 und 16 unter spitzem Winkel zueinander in zwei Strahlen aus. Die beiden Einzelstrahlen vereinigen sich in der Achse des Laserstrahles so, daß sie nunmehr parallel zum Laserstrahl in die Schneidfuge eindringen und dort das Schmelzgut in an und für sich bekannter Weise austreiben.

Aufgrund der ebenen, also insbesondere nicht runden Form der Mündungsstellen der Lavaldüsen 15 und 16, sowie aufgrund deren diametral gegenüberliegender Anordnung entsteht bei der Vereinigung der beiden aus den Lavaldüsen 15 und 16 austretenden Strahlen ein Gesamtstrahl, der weder zur Kettenbildung neigt noch umeinander gewundene Einzelstränge aufweist. Beobachtbar sind nur von der Vereinigungsstelle ausgehende schräge Verdichtungsstöße, deren Stärke vom Winkel zwischen den beiden Einzelstrahlen abhängt.

Claims (6)

1. Bearbeitungskopf für eine Vorrichtung zum Schneiden von Werkstücken mit Licht- oder Teilchenstrahlen mit

• a) einem Gehäuse, welches eine Austrittsöffnung für den Licht- oder Teilchenstrahl aufweist;
• b) einer Mehrzahl von symmetrisch um die Achse der Aus­ trittsöffnung angeordneten Düsen, aus welchen unter hohem Druck stehendes Prozeßgas in Einzelstrahlen aus­ tritt, die sich in der Achse des Licht- oder Teilchen­ strahles unter spitzem Winkel zu einem Gesamtstrahl vereinigen, der sich in Richtung des Licht- oder Teil­ chenstrahles auf das Werkstück zu bewegt und das Schmelz­ gut aus der Schnittfuge des Werkstückes aus treibt,

dadurch gekennzeichnet, daß

• c) zwei Düsen (15, 16) vorgesehen sind, die einander exakt diametral, bezogen auf die Achse der Austrittsöffnung (7, 9) des Gehäuses (1), gegenüberliegen;
• d) der Querschnitt der Düsen (15, 16) zumindest an der Austrittsstelle des Prozeßgases rechteckig ist.

2. Bearbeitungskopf nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Düsen (15, 16) ebene Lavaldüsen sind.

3. Bearbeitungskopf nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die beiden Düsen (15, 16) in einem Düsen­ körper (8) zusammengefaßt sind, der an der Unterseite des Gehäuses (1) befestigt ist.

4. Bearbeitungskopf nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Düse (15, 16) ein eigener Druckraum (10, 11) zugeordnet ist.

5. Bearbeitungskopf nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Düsenkörper (8) aus zwei identischen Hälften (8a, 8b) zusammengesetzt ist, wobei an jeder Hälfte (8a, 8b) zwei benachbarte, aufeinander senkrechte Begrenzungs­ flächen der beiden Druckräume (10, 11) und der beiden Düsen (15, 16) ausgebildet sind.