DE4336010A1

DE4336010A1 - Laserstrahlbearbeitungskopf

Info

Publication number: DE4336010A1
Application number: DE4336010A
Authority: DE
Inventors: Kunihiko Kaga; Satoru Kotoh; Shuji Ogawa; Masaru Kanaoka
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 1992-10-23
Filing date: 1993-10-21
Publication date: 1994-04-28
Anticipated expiration: 2013-10-22
Also published as: US6118097A; TW270907B; DE4336010C2; US6288363B1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Laserbearbeitungskopf für eine Schneidbearbeitung und eine Laserbearbeitungsvorrichtung zur Steuerung des Laserbearbeitungskopfs.

Der Schneidvorgang einer Laserbearbeitungsvorrichtung wird durch die Betriebsbedingungen wie die Positionierung des Brennpunktes des Laserstrahls gegenüber der Bearbeitungsfläche, den Hilfsgasdruck und den Abstand zwischen der Bearbeitungsfläche und der Unterkante der Laserstrahldüse beeinflußt. Er hängt weiterhin von Bedingungen wie der Materialart, des Oberflächenzustandes, der Qualität, der Zusammensetzung und der Dicke des Werkstückes ab.

Die Laserbearbeitungsvorrichtung soll in einem weiten Bedingungsbereich und für einen weiten Materialbereich wie zuvor beschrieben einsetzbar sein und eine gleichbleibende Bearbeitungsqualität haben. Insbesondere wird beim Schneiden von Stahl etc. das Metall, das direkt durch die Erhitzung mit dem Laserstrahl geschmolzen wird, nicht nur durch einen Sauerstoffstrahlstrom, der als Hilfsgas verwendet wird, weggeblasen, sondern auch mit einer starken Oxidationsverbrennungsreaktion sublimiert oder geschmolzen, wodurch die Schneideffektivität erhöht wird. Daher hängt die Querschnittsqualität der Bearbeitungsfläche sehr stark von der an ihr stattfindenden Oxidationsverbrennungsgeschwindigkeit ab.

Je höher die Geschwindigkeit der Oxidationsverbrennung ist, desto geringer ist die Rauhigkeit der Querschnittsfläche. Da der zugeführte Sauerstoff kontinuierlich verbraucht wird, tritt eine Selbstverbrennung, d. h. das Phänomen, daß die Selbstverbrennung explosionsartig ohne einen Laserstrahleinfluß auftritt und hierdurch die Querschnittsqualität beeinträchtigt wird, aufgrund übermäßig vorhandenen Sauerstoffs selten auf.

Auch kann, da die Schneidgeschwindigkeit erhöht ist, ein Hochgeschwindigkeitsschneiden durchgeführt werden. Daher ist es sehr wichtig, die Gaszuführung zu optimieren und die Oxidationsverbrennungsgeschwindigkeit zu erhöhen.

Angesichts der zuvor erläuterten Probleme sind viele Verbesserungen an der Gaszuführdüse vorgenommen worden.

Fig. 31 ist ein Längsschnitt einer Laserstrahldüse, die in dem Bearbeitungskopf einer herkömmlichen Laserbearbeitungsvorrichtung angebracht ist. Die Laserstrahldüse ist beispielsweise in der JP-P-OS 61-600757 offenbar. In der Figur bezeichnet die Bezugsziffer 1 eine Haupthilfsgasdüse, die Bezugsziffer 2 bezeichnet eine Nebenhilfsgasdüse, die Bezugsziffer 3 bezeichnet eine zu schneidende Fläche des Materials und die Bezugsziffer 10 bezeichnet eine Hilfsgasquelle.

Die Betriebsweise der Laserstrahlbearbeitungsvorrichtung wird nachfolgend beschrieben.

Die Laserstrahldüse, die in einer herkömmlichen Laserstrahlbearbeitungsvorrichtung installiert ist, ist wie zuvor beschrieben aufgebaut. Die Düse besitzt einen Mehrfachaufbau mit einem Gaströmungskanal an der Mittelache und mehreren Gasströmungskanälen, die um den Mittelgasströmungskanal herum angeordnet sind. Der Sauerstoff, der dem zu schneidenden Material von dem Gasströmungskanal an der Mittelachse zugeführt wird, hat einen vergleichsweise hohen Druck und wird mit hoher Geschwindigkeit ausgestoßen. Der Sauerstoff wird hauptsächlich in die Schneidrille geführt und teilweise für die oxidierende Verbrennungsreaktion verwendet. Der verbleibende Sauerstoff wird verwendet, um das geschmolzene und oxidierte Material wegzublasen und zu eliminieren.

Der durch die äußeren Strömungskanäle zugeführte Sauerstoff strömt mit einer verhältnismäßig niedrigen Geschwindigkeit. Die Luft, die von außen her anströmt, stabilisiert den Gasstrom nahe der Mittelachse und hält die Sauerstoffkonzentration auf einem hohen Wert.

Weiterhin ist die Richtung des Strahlstroms von dem Auslaß des Nebenhilfsgases parallel zu dem Auslaß des Haupthilfsgases angeordnet und hält das Hilfsgas in einer laminaren Strömung. Da dicke Wände an der Grenze der Auslässe des Haupthilfsgases und des Auslasses jeden Nebenhilfsgases vorgesehen sind, und da weiterhin das Zusammenstoßen des Haupthilfsgases und des Nebenhilfsgases unterdrückt wird, wird die Strömung des Haupthilfsgases ebenfalls laminar gehalten.

Bei der Laserbearbeitung ist es notwendig, kontinuierlich eine erforderliche Menge an Hilfsgas (Sauerstoffgas) in die enge Schneidrille, deren Breite weniger als 1,0 mm während des Schneidens des Werkstückes beträgt, zu führen, obwohl die oxidierende Verbrennungsreaktion aufgrund des Hilfsgases (des Sauerstoffgases) auftritt, das der Schneidfläche des Metalls zugeführt wird, welche auf eine hohe Temperatur durch die Laserstrahlenergie erhitzt ist. Verbrennungsprodukte (Gas oder geschmolzenes Metall) werden nahe der Schneidfläche aufgrund der Oxidationsreaktion erzeugt. Wenn der Strahlstrom des Hilfsgases (des Sauerstoffgases) im laminaren Strömungszustand erfolgt, muß das Hilfsgas durch die Verbrennungsprodukte (Gaszusammensetzung) dispergieren, um zu der Metalloberfläche zu gelangen. Es ist entsprechend effektiv, die Strahlströmung des Hilfsgases turbulent zu machen, die Grenzschicht in dem Verbrennungsreaktionsbereich nahe der Schneidfläche zu stören und das Verbrennungsprodukt (Gaszusammensetzung) durch frisches Hilfsgas zu ersetzen, um die Verbrennungsgeschwindigkeit zu erhöhen.

Die in einem Bearbeitungskopf einer herkömmlichen Laserbearbeitungsvorrichtung installierte Laserstrahldüse ist so angeordnet, daß die Strahlrichtung des Nebenhilfsgasauslasses parallel zu der des Haupthilfsgasauslasses liegt und das Nebenhilfsgas in einer laminaren Strömung ausläßt, so daß das Zusammenstoßen mit dem Haupthilfsgas im wesentlichen unterdrückt wird. Daher wird das Haupthilfsgas laminar gehalten und stabilisiert. Obwohl die Reinheit des Hilfsgases (Sauerstoffreinheit) auf einem hohen Niveau gehalten wird, indem der Gasstrom in dem Mittelbereich stabilisiert wird, ist es notwendig, den Zuführdruck des Haupthilfsgases zu erhöhen, um das Hilfsgas (Sauerstoffgas) effektiv in die enge Schneidrille zu führen.

Da eine Grenzschicht der Konzentration des Hilfsgases, d. h. des Sauerstoffgases, an der oxidierten Reaktionsfläche des Metalls aufgrund der Geschwindigkeitsschwankung (Stärke der Turbulenz) des Mittelbereiches der Düsenströmung gebildet ist, kann frisches Hilfsgas nur schwer die Reaktionsfläche direkt erreichen. Daher besteht das Problem, daß das zugeführte Hilfsgas (Sauerstoffgas) nicht effektiv zu der Oxidationsreaktion beiträgt.

Ein anderes Problem besteht darin, daß eine Selbstverbrennung auftreten kann, wenn der Sauerstoff nicht effektiv verbraucht wird und in der engen Schneidrille aufgrund der Strömungsmenge bleibt.

Da eine dicke Wand an der Grenze der Strahlauslässe des Haupthilfsgases und jedes Nebenhilfsgases existiert, ändert sich der Hilfsgasstrahldruck oder die Strahlgeschwindigkeitsverteilung von der Vorderkante der Laserstrahldüse nicht kontinuierlich. Entsprechend sind die Strahlströme des Haupthilfsgases, jedes Nebenhilfsgases und der Umgebungsluft an der dicken Wand ihrer entsprechenden Grenze voneinander getrennt. Daher besteht ein anderes Problem darin, daß die Haupthilfsgasreinheit (Sauerstoffreinheit) abnimmt, da eine Vermischung des Haupt- und des Nebenhilfsgases durch Diffusion stattfindet und der Isolationseffekt zwischen dem äußersten Nebenhilfsgas und der Umgabeungsluft abnimmt.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, einen Bearbeitungskopf für eine Laserberarbeitungsvorrichtung anzugeben, mit dem die Rauhigkeit der Schneidfläche verringert und die Selbstverbrennung unterdrückt werden kann, mit dem Hilfsgas (Sauerstoffgas) mit nur einer geringen Menge an Umgebungsluft, einem hohen Reinheitsgrad und starker Turbulenz der Bearbeitungsfläche zugeführt werden kann, der die Oxidationsreaktion unterstützt und mit dem ein Werkstück stabil mit hoher Geschwindigkeit und hoher Qualität bearbeitet werden kann.

Die Aufgabe wird gelöst durch einen Bearbeitungskopf für eine Laserbearbeitungsvorrichtung, durch den ein Laserstrahl tritt, mit einer Haupthilfsgasdüse in einem Mittelbereich des Bearbeitungskopfes zur Zuführung eines Haupthilfsgases; und mindestens einer ringförmigen Nebenhilfsgasdüse, die die Haupthilfsgasdüse umgibt, wobei ein Strahlauslaß an einem innersten Durchmesser der ringförmigen Nebenhilfsgasdüse größer als oder gleich groß wie ein Strahlauslaß der Haupthilfsgasdüse ist.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist der Bearbeitungskopf dadurch gekennzeichnet, daß die Haupthilfsgasdüse mindestens ein Zirkulationsströmungs-Bildemittel aufweist, das eine Zirkulation eines Teils des Haupthilfsgases ermöglicht.

Der Bearbeitungkopf kann in vorteilhafter Weise so ausgebildet sein, daß das Zirkulationsströmungs-Bildemittel verwundene Flügel oder Rillen aufweist, die an einer Innenwand der Haupthilfsgasdüse vorgesehen sind.

Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung ist der Bearbeitungskopf dadurch gekennzeichnet, daß das Zirkulationsströmungs-Bildemittel eine Mehrzahl von Nebenstromdüsen aufweist, von denen jede einen Nebendüsenauslaß in der Haupthilfsgasdüse aufweist, und das Haupthilfsgas in Umfangsrichtung aus dem Nebendüsenauslaß ausstößt.

Gemäß einer weiteren Ausbildungsform ist der Strahlauslaß der Haupthilfsgasdüse stromaufwärts von den Strahlauslässen einer entsprechenden Nebenhilfsgasdüse positioniert.

Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung ist ein Bearbeitungskopf gekennzeichnet durch ein Statikdruckkonvertierungsmittel, um einen dynamischen Druck eines Hilfsgases, das durch Nebenhilfsgaszuführeinlässe in die Nebenhilfsgasdüse strömt, in einen statischen Druck zu konvertieren.

Der Bearbeitungskopf kann so ausgebildet sein, daß zu dem Statikdruckkonvertierungsmittel eine Statikdruckkonvertierungsfläche, die dem Nebenhilfsgaseinlaß gegenüberliegt; und eine Bank, die an der Innenkante der Statikdruckkonvertierungsfläche angeordnet ist und einen Raum bildet, in dem das Nebenhilfsgas bleibt, gehören.

Nach einer weiteren Ausführungsform ist der Bearbeitungskopf gekennzeichnet durch Nebenhilfsgaszuführeinlässe, die um den Haupthilfsgaszuführeinlaß herum angeordnet sind und den Nebenhilfsgasstrom einstellen, wobei das Haupthilfsgas und das Nebenhilfsgas dem Haupthilfsgaszuführeinlaß und den Nebenhilfsgaszuführeinlässen von einer gemeinsamen Quelle zugeführt werden.

Ein weiterer Bearbeitungskopf gemäß der vorliegenden Erfindung ist gekennzeichnet durch Öffnungsbereicheinstellmittel, die an den Nebenhilfsgaszuführeinlässen angeordnet sind, um den Nebenhilfsgasstrom einzustellen.

Außerdem kann ein Bearbeitungskopf mindestens einen Fluidwiderstandskörper, der an den Nebenhilfsgaszuführeinlässen angeordnet ist, um den Nebenhilfsgasstrom einzustellen, aufweisen.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist weiter gelöst durch eine Laserbearbeitungsvorrichtung, die eine Haupthilfsgasdüse und eine oder mehrere Nebenhilfsgasdüsen aufweist, mit mindestens einer Hilfsgasquelle zur Zuführung von Hilfsgas zu mindestens einem Haupthilfsgaseinlaß oder einem Nebenhilfsgaseinlaß; Sensoren zur Ermittlung einer Temperatur einer Bearbeitungsfläche, der Breite einer Schneidrille oder der Funkenmenge; und einer Strömungsmengensteuereinrichtung zur Einstellung der Strömungsmenge und des Strömungsdrucks des Hilfsgases während der Bearbeitung entsprechend den von den Sensoren kommenden Signalen.

Die Laserbearbeitungsvorrichtung kann eine Haupthilfsgasdüse und eine oder mehrere Nebenhilfsgasdüsen aufweisen, wobei ein Betriebssteuermittel zur Steuerung der Hilfsgasströmungsmenge und des Hilfsgasdruckes des von dem Bearbeitungskopf ausgestoßenen Hilfsgases unter Steuerung eines Programmes vorgesehen sind.

Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert. In der Zeichnung zeigt:

Fig. 1 einen Längsschnitt eines Bearbeitungskopfes einer Laserbearbeitungsvorrichtung gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;

Fig. 2 die Druckschwankungsverteilung des Hilfsgasstroms an der Bearbeitungsfläche der ersten Ausführungsform;

Fig. 3 das Prinzip zur Verbesserung der Schneidcharakteristik der ersten Ausführungsform;

Fig. 4 die Strömungsgeschwindigkeitsverteilung an der Bearbeitungsfläche bei einer Anordnung gemäß der ersten Ausführungsform;

Fig. 5 die Beziehung zwischen dem Druckschwankungswert des Hilfsgasstroms und der Rauhigkeit der Bearbeitungsfläche gemäß der vorliegenden Erfindung;

Fig. 6A und 6B einen Vergleich zwischen der Bearbeitungsgeschwindigkeit und der Toleranz für die Laserausgangsleistung der ersten Ausführungsform und einer herkömmlichen Ausführungsform;

Fig. 7 einen Längsschnitt eines Bearbeitungskopfs gemäß der ersten Ausführungsform, der die Positionierung der Strahlauslässe zueinander zeigt;

Fig. 8 die Beziehung des Druckschwankungswert des Hilfsgasstroms als eine Funktion des Abstandes L zwischen den Haupt- und Nebenauslässen der ersten Ausführungsform;

Fig. 9 einen Bearbeitungskopf gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;

Fig. 10A, 10B, 10C Schnittansichten und perspektivische Ansichten der Innenseite des Bearbeitungskopfes gemäß einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;

Fig. 11A, 11B Haupthilfsgasdüsen eines Bearbeitungskopfes gemäß einer vierten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;

Fig. 12A, 12B Haupthilfsgasdüsen eines Bearbeitungskopfes gemäß einer fünften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;

Fig. 13 einen Längsschnitt eines Bearbeitungskopfes gemäß einer sechsten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;

Fig. 14 einen Längsschnitt eines Bearbeitungskopfes gemäß einer siebten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;

Fig. 15 den Druckschwankungswert des Hilfsgasstroms an der Bearbeitungsfläche als Funktion des Abstandes in der Radialrichtung hinsichtlich der sechsten und siebten Ausführungsform und eines herkömmlichen Beispiels;

Fig. 16 einen Längsschnitt eines Bearbeitungskopfes gemäß einer achten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;

Fig. 17 einen Längsschnitt eines Bearbeitungskopfes gemäß einer neunten Ausführungsform;

Fig. 19A, und 19B Draufsichten anderer Beispiele von Formen kleiner Öffnungen für den Hilfsgaszuführeinlaß gemäß einer 10. Ausführungsform;

Fig. 21 eine teilweise perspektivische Ansicht eines Bearbeitungskopfes gemäß einer 11. Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;

Fig. 22 eine Draufsicht eines Öffnungsbereicheinstellmittels gemäß einer 13. Ausführungsform;

Fig. 23 eine Draufsicht eines Öffnungsbereicheinstellmittels einer 14. Ausführungsform;

Fig. 24 einen Längsschnitt eines Bearbeitungskopfes einer Laserbearbeitungsvorrichtung gemäß einer 15. Ausführungsform;

Fig. 25 den Aufbau einer Laserbearbeitungsvorrichtung gemäß einer 16. Ausführungsform;

Fig. 26 den Aufbau einer Laserbearbeitungsvorrichtung gemäß einer 17. Ausführungsform;

Fig. 27 den Aufbau einer Laserbearbeitungsvorrichtung gemäß einer 18. Ausführungsform;

Fig. 28 einen Längsschnitt eines Bearbeitungskopfes einer Laserbearbeitungsvorrichtung gemäß einer 19. Ausführungsform;

Fig. 29A und 29B Längsschnitte eines weiteren Bearbeitungskopfes einer Laserbearbeitungsvorrichtung gemäß der 19. Ausführungsform;

Fig. 30 einen Längsschnitt eines Bearbeitungskopfes einer Laserbearbeitungsvorrichtung gemäß einer 20. Ausführungsform; und

Fig. 31 einen Längsschnitt eines herkömmlichen Bearbeitungskopf einer Laserbearbeitungsvorrichtung.

1. Ausführungsform

Fig. 1 ist ein Längsschnitt eines Bearbeitungskopfes einer Laserbearbeitungsvorrichtung gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Der Bearbeitungskopf besitzt einen Haupthilfsgasstrahl- Düsenauslaß 1a, der nachfolgend Hauptdüsenauslaß genannt wird, mit einem Durchmesser D₁, der an einer innersten Stelle angeordnet ist, und eine Haupthilfsgasdüsenleitung 1b, die nachfolgend Hauptdüsenleitung genannt wird und neben dem Hauptdüsenauslaß 1a liegt. Durch die Haupthilfsgasdüse 1, die nachfolgend Hauptdüse genannt wird, tritt der Laserstrahl in einen Nebenhilfsgasstrahl-Düsenauslaß 2a, der nachfolgende Nebendüsenauslaß genannt wird. Der Nebendüsenauslaß 2a ist Teil einer Nebenhilfsgasdüse 2a - nachfolgende Nebendüse genannt - mit einem Durchmesser D₂ (D₂ D₁, D₂ < D₁ in diesem Fall), die außerhalb der Hauptdüse 1 vorgesehen ist, und eine Leitung 2b neben der Nebendüse 2 und bilden eine Mehrteilekonstruktion (in diesem Fall eine Zwei- Teilekonstruktion).

Der Strahlauslaß 1a der Hauptdüse 1 ist stromaufwärts des Strahlauslasses 2a der Nebendüse 2 angeordnet. Dieser Aufbau bewirkt, daß sich der Gasstrahldruck und die Gasstrahlströmungsgeschwindigkeit kontinuierlich an dem Strahlauslaß ändern und erlaubt, daß sowohl die Druck- als auch die Strömungsgeschwindigkeitsschwankungen des Haupthilfsgasstroms groß sind. Das Hilfsgas (Sauerstoffgas) wird durch den Kanal auf die Bearbeitungsfläche 3 geleitet, wie in der Figur durch die Pfeile angedeutet ist.

Fig. 2 stellt die Druckschwankungsverteilung des Hilfsgasstroms an der Bearbeitungsfläche 3 dar. Die vertikale Skala zeigt den Druckschwankungswert p/P (%) (p: Druckschwankung, P: absoluter Druck). Die Kurve entspricht der Positionierung des Strahlauslasses des Hilfsgases. Da die Strömungsgeschwindigkeitsverteilung des Hilfsgases, das durch die Hauptdüse strömt, groß ist, ist die Druckschwankung des Haupthilfsgases direkt unterhalb des Strahlauslasses 1a ebenfalls groß. Die Druckschwankung des Nebenhilfsgases wird direkt unterhalb des Strahlauslasses 2a niedrig gehalten. Die gewünschte Gasstrommenge wird der Schneidrille zugeführt, ohne daß der Anfangsdruck durch den Pumpeffekt der Druckschwankungen erhöht wird.

Die starke Schwankung der Strömungsgeschwindigkeit bedeutet, daß die Turbulenz des Sauerstoffgasstroms, der in die Schneidrille geführt wird, groß ist und sich der Gasstrom in einem turbulenten Zustand befindet. Nahe der Schneidfläche bilden ein Oxid, daß durch die Reaktion erzeugt wird, und Sauerstoff eine gemischte Schicht. Die Oxidationsgeschwindigkeit hängt von der Geschwindigkeit ab, mit der der Sauerstoff die Reaktionsfläche durch Dispersion durch die Innenseite der gemischten Schicht erreicht. Es ist entsprechend effektiv, dafür zu sorgen, daß sich der Gasstrom in einem turbulenten Strömungszustand befindet, und die gemischte Schicht instabil zu halten, um die Oxidationsreaktion zu beschleunigen.

Daher bewirkt ein Bearbeitungskopf mit einem′ Düsenaufbau, wie er zuvor beschrieben wurde, daß sich der Sauerstoffgasstrom in einem turbulenten Zustand befindet. Der Bearbeitungskopf der vorliegenden Erfindung bewirkt, daß die gemischte Schicht instabil ist, wie in Fig. 3 erläutert ist. Daher ist es möglich, Sauerstoffgas direkt in die Nähe der Reaktionsfläche zu führen und gleichzeitig das gemischte Gas mit einer hohen Sauerstoffkonzentration aus dem Reaktionsbereich wegzuführen. Entsprechend wird die Oxidierungsverbrennungsgeschwindigkeit durch die erhöhte Menge zugeführten Sauerstoffs bemerkbar erhöht wodurch eine hohe Schneidgeschwindigkeit möglich wird. Da das zugeführte Sauerstoffgas effektiv und kontinuierlich verbrannt wird, kann die Selbstverbrennung, die durch den Temperaturanstieg aufgrund des Lasers und das Ungleichgewicht der Oxidationsgeschwindigkeit verursacht wird, verhindert werden und eine stabile Bearbeitung erfolgen.

Da das Strömen von Umgebungsluft durch das Hilfsgas (Sauerstoffgas), das aus der Hilfsdüse strömt, verhindert wird, wird die Reinheit des Sauerstoffs in der Mittelströmung (nämlich das Haupthilfsgas), der in die Schneidrille strömt, beibehalten und es kann ein stabiles Schneiden durchgeführt werden.

Fig. 4 stellt die Strömungsgeschwindigkeitsverteilung auf der Schneidfläche des Werkstücks der ersten Ausführungsform dar. An der vertikalen Skala ist die Gasstrahlgeschwindigkeit U (m/s) an dem Hilfsgasstrahlauslaß aufgezeichnet. Da gemäß der vorliegenden Ausführungsform die Gasstrahldruck- und die Gasstrahlgeschwindigkeitsverteilung an dem Hilfsgasstrahlauslaß nahe des Mittelbereiches höher als in dem äußeren Bereich ist und sich kontinuierlich ändert, wie in Fig. 3 und Fig. 4 dargestellt ist, tritt keine Trennung zwischen dem Haupthilfsgasstrom und dem Nebenhilfsgasstrom an der Grenze mit der Umgebungsluft auf. Entsprechend kann das Problem gelöst werden, daß die Reinheit des Sauerstoffgases aufgrund einer Verringerung des Abschneideffekts des Nebenhilfsgases abnimmt.

Fig. 5 stellt die Beziehung zwischen der Rauhigkeit der Schneidfläche zu dem Druckschwankungswert des Hilfsgasstroms der vorliegenden Erfindung dar. An der horizontalen Achse ist der Druckschwankungswert (%) aufgetragen, der das Druckverhältnis der Druckschwankungskomponente p zu dem Druck P des Haupthilfsgases (p/P) an der Bearbeitungsfläche direkt unterhalb der Mittelachse darstellt. Die vertikale Achse zeigt die Schneidflächenrauhigkeit Rmax (µm).

Das Schneidmaterial ist Weichstahl SS400 mit einer Dicke von 12mm. Die Bearbeitungsbedingungen werden so festgelegt, daß die Laserleistung 1400 W und die Bearbeitungsgeschwindigkeit 0,7 m/min. beträgt.

Aus Fig. 5 ist klar ersichtlich, daß mit zunehmendem Druckschwankungswert die Schneidflächenrauhigkeit abnimmt. Fig. 5 stellt dar, daß ein Hochgeschwindigkeitsschneiden mit guter Qualität erreicht werden kann, indem ein Bearbeitungskopf mit einem Düsenaufbau der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung für die Bearbeitung verwendet wird.

Die Fig. 6A und 6B stellen die Toleranzen der Bearbeitungsgeschwindigkeit über der Laserausgangsleistung während eines Laserschneidtests bei der Verwendung eines Bearbeitungskopfes der vorliegenden Ausführungsform und eines herkömmlichen Bearbeitungskopfes dar.

An der vertikalen Achse ist die Bearbeitungsgeschwindigkeit (m/min) und an der horizontalen Achse die Laserausgangsleistung (kW) aufgetragen. Fig. 6A zeigt die Toleranz des herkömmlichen Bearbeitungskopfes (der Druckschwankungswert ist 0,1%), und Fig. 6B zeigt die des Bearbeitungskopfes der vorliegenden Ausführungsform. Die mit schrägen Linien bedeckten Bereiche in den Fig. 6A und 6B sind die Bereiche für eine normale Schneidbearbeitung.

Fig. 7 ist ein Längsschnitt, der die Positionierung der Strahlauslässe des Bearbeitungskopfes der ersten Ausführungsform zueinander darstellt. Genauer gesagt stellt Fig. 7 das Verhältnis zwischen den Positionen der Hauptdüsenauslässe 1a und der Hauptleitung 1b und auch das Abstandsverhältnis zwischen der Schneidbearbeitungsfläche 3 und der Unterkante der Düse (dem Strahlauslaß) dar. Der Buchstabe L bezeichnet in der Figur den Abstand zwischen dem Nebendüsenauslaß 2a und dem Hauptdüsenauslaß 1a, und der Buchstabe H in der Figur bezeichnet einen Abstand zwischen einer Schneidbearbeitungsfläche 3 und der Unterkante des Nebendüsenauslasses 2a (Strahlauslaß).

Fig. 8 stellt das Verhältnis des Druckschwankungswertes p/P (%) direkt unterhalb der Mittelachse der Düse zu dem Abstand L zwischen dem Hauptstrahlauslaß und dem Nebenstrahlauslaß der ersten Ausführungsform dar, während H geändert wird, wobei H der Abstand in mm der Schneidbearbeitungsfläche 3 von der Unterkante der Düse 2a ist. Der Test wird mit den Durchmessern D₁ = 1,5 mm und D₂ = 5 mm durchgeführt.

An der vertikalen Achse ist der Abstand L zwischen dem Hauptdüsenauslaß 1a und dem Nebendüsenauslaß 2a aufgetragen. Die mit O bezeichnete Kurve zeigt die Charakteristik für H = 4 mm, die mit Δ bezeichnete Kurve die Charakteristik für H = 2 mm und die mit bezeichnete Kurve die Charakteristik für H = 1 mm.

Aus Fig. 8 wird die Bedingung, bei dem der Druckschwankungswert größer als 0,8% ist, durch die Gleichung

H + L 5 D₁

erhalten. Wenn L 5 × D₁ ist, dann verbessert sich die Bearbeitungstoleranz über der Düsenhöhe H. Daher wird eine große Druckschwankung durch einen einfachen Aufbau erhalten.

2. Ausführungsform

Fig. 9 zeigt einen Bearbeitungskopf gemäß einer zweiten Ausführungsform. Der Bearbeitungskopf der obigen Ausführungsform weist eine Hauptdüse 1 und eine Nebendüse 2 auf, aber es braucht nicht erwähnt zu werden, daß die Nebendüse 2 einen Mehrfachaufbau haben kann, wie in dem Längsschnitt der Fig. 9 angedeutet ist. Wenn bei der zweiten Ausführungsform der Strahlauslaß 1a des Haupthilfsgases stromaufwärts von irgendeiner der Mehrzahl von Strahlauslässen 2a angeordnet ist, hat die zweite Ausführungsformen ähnliche Effekte wie die erste Ausführungsform.

3. Ausführungsform

Die Fig. 10A, 10B und 10C sind eine Schnittansicht und zwei perspektivische Ansichten der Innenseite des Bearbeitungskopfes gemäß einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Bei der dritten Ausführungsform ist eine Mehrzahl von statischen verwundenen Flügeln in einer Schraubenform an der Innenfläche der Hauptdüse 1 angeordnet, um verwundene Strömungen zu erzeugen, durch die die Druck- und die Strömungsgeschwindigkeitsverteilung des Haupthilfsgasstroms erhöht werden kann. Fig. 10 zeigt einen Längsschnitt des Bearbeitungskopfes der dritten Ausführungsform.

Fig. 10B zeigt eine perspektivische Ansicht der Innenseite der Hauptdüse 1. Eine Mehrzahl der verwundenen statischen Flügel 4 ist an dem gerade verlaufenden Bereich innerhalb der Leitungswand der Hauptdüse 1 installiert.

Diese statischen Flügel 4 erzeugen eine zirkulierende Gasströmung, die innerhalb der Hauptdüse 1 strömt. Der Strahlstrom hat eine starke turbulente Strömungsstärke an der Mittelachse, wenn er eine zirkulierende Komponente an dem Strahlauslaßbereich hat. Das Turbulenzverhältnis kann mehr als 10% erreichen, wenn der Abstand von der Düse zu der Bearbeitungsfläche im wesentlichen gleich dem Düsendurchmesser ist. Dies führt zu einer effektiven Oxidationsverbrennungsreaktion, die Oxidationsgeschwindigkeit wird erhöht und die Bearbeitungsqualität und -stabilität werden entsprechend verbessert. Ein Hochgeschwindigkeitsschneiden kann gleichzeitig erreicht werden.

Um bei dieser Ausführungsform zumindest einen Teil des Haupthilfsgasstroms zirkulieren zu lassen, ist es möglich, eine Strömungsgeschwindigkeitsschwankung in dem Haupthilfsgas zu erzeugen, selbst wenn der relative Abstand L von der Unterkante des Hauptdüse 1, d. h. von dem Strahlauslaß 1a, zu der Unterkante der Nebendüse 2, d. h. dem Strahlauslaß 2a, auf Null festgelegt wird.

Bei der zuvor erläuterten Ausführungsform muß der Durchmesser des Laserstrahls an der Unterkante der Hauptdüse groß sein, um das Haupthilfsgas enger an der Seite der optischen Bearbeitungslinse zu plazieren. Daher ist es verhältnismäßig schwierig, die Laserstrahlachse mit der Düsenmittelachse fluchtend auszurichten und den Abstand zwischen dem Laserstrahlbrennpunkt und der Bearbeitungsfläche einzustellen.

Bei dieser Ausführungsform kann die zuvor erläuterte Ausrichtung jedoch leicht erreicht werden, da die Strömungsgeschwindigkeit des Haupthilfsgases variiert, selbst wenn der relative Abstand L zwischen den Strahlauslässen beider Düsen auf Null festgelegt ist.

Fig. 10C ist eine perspektivische Ansicht der Innenseite des Bearbeitungskopfes der dritten Ausführungsform. Die statischen Flügel können an einem in Fig. 10C gezeigten Kontraktionsströmungsbereich des unteren Stroms der Hauptdüsen angebracht sein.

4. Ausführungsform

Die Fig. 11A und 11B sind perspektivische Ansichten, die die Hauptdüse des Bearbeitungskopfes gemäß einer 4. Ausführungsform zeigen. Bei der in Fig. 4A gezeigten 4. Ausführungsform sind eine Mehrzahl von verwundenen Rillen 5 an dem geraden Bereich an der Innenseite der Leitungswand der Hauptdüse 1 als Zirkulationsstrom-Bildemittel vorgesehen. Die Turbulenzstärke an dem Mittelteil des Haupthilfsgasstroms nimmt zu, da ein Teil des Haupthilfsgases (Sauerstoffgas) durch die Hauptdüse 1 strömt und eine zirkulierende Strömung entlang der verwundenen Rillen 5 erzeugt. Dadurch wird die Oxidationsgeschwindigkeit begünstigt und es kann die Schneidgeschwindigkeit und die Schneidqualität verbessert werden.

5. Ausführungsform

Die Fig. 12A und 12B zeigen Haupthilfsgasdüsen des Bearbeitungskopfes gemäß der 5. Ausführungsform. Fig. 12A ist deren Draufsicht und Fig. 12B ist ihr Längsschnitt.

Bei der 5. Ausführungsform sind Hauptdüsen 6a an der Innenwand der Hauptdüse 1 als Zirkulationsströmungs- Bildemittel angebracht. Nebendüsen 6 des Haupthilfsgases sind symmetrisch zueinander angeordnet und lassen Gas in einer Umfangsrichtung parallel zu der Hauptdüse 1 aus, d. h. der Nebenstrom des Haupthilfsgases wird in der Tangentialrichtung des Außenkreises des Hauptstroms des Haupthilfsgases ausgelassen.

Bei dieser Konstruktion wird ein Teil des Haupthilfsgases durch die Nebendüsen 6 für das Haupthilfsgas ausgelassen und das Haupthilfsgas zirkuliert entsprechend. Daher werden dieselben Effekte bei der 5. Ausführungsform erzielt wie bei der 3. und 4. Ausführungsform.

6. Ausführungsform

Fig. 13 ist ein Längsschnitt eines Bearbeitungskopfes gemäß der 6. Ausführungsform. Bei der 6. Ausführungsform ist ein Statikdruckkonvertierungsmittel (in diesem Fall eine Statikdruckkonvertierungsfläche 7), das den dynamischen Druck des Nebenhilfsgasstroms, welcher durch den Gaszuführeinlaß 2c zugeführt wird, in einen statischen Druck umwandelt, an der Steile angeordnet, an der der Gasstrom durch die Gasleitung 2b tritt. Durchbrochene Linien deuten in der Figur die Hilfsgasströme an. Da das Gas, das auf die Innenseite der Hilfsgasdüse 2b gerichtet ist, als statischer Druck gewonnen wird, nachdem es gegen die Statikdruckkonvertierungsfläche 7 geprallt ist, strömt das Hilfsgas homogen in dem unteren Strom der Statikdruckkonvertierungsfläche 7 und wird durch den Strahlauslaß 2a des Nebenhilfsgas ausgelassen. Daher wird der Gasstrom außerhalb der Düse homogen mit weniger Turbulenzen und es wird ein Einströmen von Umgebungsluft verhindert.

Bei der 6. Ausführungsform ist die Statikdruckkonvertierungsfläche 7 an dem flachen Bereich parallel zu der Bodenfläche des Düsenauslasses 2a angebracht. Ein ähnlicher Effekt kann erzielt werden, wenn die Statikdruckkonvertierungsfläche 7 nicht parallel zu der Bodenfläche liegt oder nicht an der flachen Fläche angebracht ist, wenn sie mit dem Gas kollidiert, das auf den Strömungskanal der Nebendüse gerichtet ist und bewirkt, daß der Gasstrom als statischer Druck gewonnen wird.

7. Ausführungsform

Fig. 14 ist ein Längsschnitt eines Bearbeitungskopfes gemäß einer 7. Ausführungsform. Bei der 7. Ausführungsform steht eine ringförmige Rückführwandfläche 8 von der Kante der Statikdruckkonvertierungfläche 7 vor, die innerhalb der Nebenleitung 2b der 6. Ausführungsform vorgesehen ist. Die Rückführwandfläche 8 bildet einen Gasverbleibungsraum 8a, wo die Oberkante der Rückführwandfläche 8 und die innere Düse eingestellt werden. Die Höhe wird so eingestellt, daß der geeignete Abstand zwischen der Oberkante der Rückführwandfläche 8 und der Außenwand der Hauptdüse 1 vorhanden ist.

Die durchbrochenen Pfeile in Fig. 14 zeigen die Richtungen der Gasströmung. Der durch den Gaszuführeinlaß 2c zugeführte Gasstrom füllt zeitweise den Gasverbleibungsraum 8a, der aus der Rückführwandfläche 8, der Innenwand der Nebendüse 2 und der Statikdruckkonvertierungsfläche 7 gebildet wird, und dann wird der Statikdruck des Gasstroms zurückgewonnen. Das Gas strömt mit homogener Strömungsgeschwindigkeit von der Oberkante der Rückführwandfläche 8 zu der Leitung 2b der Nebendüse. Dann wird das Gas zu der Außenseite durch den Strahlauslaß 2a ausgelassen. Dadurch wird der äußere Umfangsstrom ein gleichmäßiger und homogener Strom mit weniger Turbulenzen. Außerdem wird das Einströmen der Luft effektiver verbessert.

Fig. 15 zeigt eine Charakteristikkurve, die den Druckschwankungswert des Hilfsgasstrom an der Bearbeitungsfläche über dem Abstand der Mittelachse in der Radialrichtung für die 6. und 7. Ausführungsform und ein herkömmliches Beispiel. An der vertikalen Achse ist der Druckschwankungswert p/P (%) und an der horizontalen Achse der Abstand r (mm) von der Mittelachse der Düse in Radialrichtung aufgetragen.

In Fig. 15 zeigt die Vollinie die Charakteristikkurve für die 7. Ausführungsform, zeigt die durchbrochene Linie die charakteristische Kurve für die 6. Ausführungsform und die gestrichelte Linie die für das herkömmliche Beispiel.

In der Fig. 15 ist leicht erkennbar, daß bei der 7. Ausführungsform der Druckschwankungswert des Nebenhilfsgases an der Schneidfläche am kleinsten und der Gasstrom am homogensten bei gleichbleibendem Zustand ist. Daher wird die Menge einströmender Umgebungsluft verringert und die Sauerstoffreinheit auf einem hohen Niveau gehalten.

8. Ausführungsform

Fig. 16 ist ein Längsschnitt eines Bearbeitungskopfes der Laserbearbeitungsvorrichtung gemäß einer 8. Ausführungsform. Bei der 8. Ausführungsform ist ein erweiterter Strömungskanal 9 an der Vorderkante des Nebendüse 2 ausgebildet, wo sich der Strömungskanal allmählich in Richtung des Strahlauslasses 2a erweitert.

Bei dieser Ausführungsform wird das aus der Nebendüse 2 ausströmende Nebenhilfsgas (Sauerstoffgas) nicht beschleunigt und strömt parallel zu der Düsenmittelachse, ohne von der Düseninnenwand getrennt zu werden. Dadurch kann das Einströmen der Umgebungsluft direkt stromabwärts des Düsenauslasses minimiert werden und es kann eine hohe Sauerstoffreinheit beibehalten werden und dadurch eine gleichbleibende Bearbeitung erzielt werden.

Bei dieser Ausführungsform erweitert sich der Strömungskanal allmählich, aber ein ähnlicher Effekt wird erzielt, wenn der Strömungsquerschnitt konstant bleibt.

9. Ausführungsform

Fig. 17 ist ein Längsschnitt eines Bearbeitungskopfes gemäß einer 9. Ausführungsform. Bei der 9. Ausführungsform ist die äußerste der vielen Düsen, d. h. die Nebendüse 2, als ein konusförmiges Trapez ausgebildet, das einen virtuellen Spitzenwinkel R von weniger als 45° hat. Dadurch ist es möglich, die Menge Hilfsgas, die zwischen der Laserstrahldüse und der Bearbeitungsfläche bleibt, zu minimieren und eine Selbstverbrennung zu verhindern. Weiterhin ist es möglich, die Menge einströmender Umgebungsluft stromabwärts der umgebenden Düse, d. h. unterhalb von dem Nebendüsenauslaß, zu minimieren. Weiterhin wird eine hohe Sauerstoffreinheit beibehalten und kann eine stabile Bearbeitung erzielt werden.

10. Ausführungsform

Fig. 18 ist eine teilweise perspektivische Ansicht eines Bearbeitungskopfes gemäß einer 10. Ausführungsform. Bei der 10. Ausführungsform ist eine gemeinsame Hilfsgas- (Sauerstoff-)quelle 10 stromaufwärts der Düse vorgesehen. Das von der Hilfsgasquelle 10 zugeführte Gas verzweigt sich zu dem Hauptzuführeinlaß 1c und der Mehrzahl kleiner Öffnungen 11 an dem umgebenden ringförmigen Bereich der Hauptdüse 1 an der Mitteldüse. Das Hilfsgas strömt in die Nebenleitung 2b durch die kleinen Öffnungen 11.

Bei dieser Ausführungsform sind die von der Mitteldüse, d. h. der Hauptdüse 1, ausgelassene Menge des Haupthilfsgasstroms und die Menge des von der umgebenden Düse, d. h. der Nebendüse 2, ausströmenden Nebenhilfsgases entsprechend des vorgegebenen Wertes des Bereichs der kleinen Öffnungen 11 und der Anzahl der kleinen Öffnungen änderbar. Daher kann eine gewünschte Menge Haupthilfsgas und Nebenhilfsgas leicht erhalten werden, indem die geeignete Düse, d. h. die Düse mit einem geeigneten Querschnitt und einer geeigneten Anzahl kleiner Öffnungen 11, entsprechend der Qualität und Dicke des zu bearbeitenden Materials ausgewählt wird.

Die Fig. 19A und 19B sind Draufsichten, die andere Beispiele für Formen der kleinen Öffnungen für den Hilfsgaszuführeinlaß gemäß der 10. Ausführungsform zeigen. Bei der zuvor erläuterten Ausführungsform haben die kleinen Öffnungen 11 eine Kreisform. Es kann jedoch ein ähnlicher Effekt mit kleinen Öffnungen 11 rechteckiger oder ovaler Form, wie sie in den Fig. 19A und 19b gezeigt sind, erreicht werden.

11. Ausführungsform

Fig. 20 ist eine teilweise perspektivische Ansicht eines Bearbeitungskopfes gemäß einer 11. Ausführungsform. Bei der zuvor erläuterten 10. Ausführungsform wird der Strömungskanal eingestellt, indem kleine Öffnungen 11, die an dem ringförmigen Bereich angeordnet sind, der die Hautzuführeinlässe 1c und umgibt, und die das Nebenhilfsgas der Nebendüse 2 zuführen, vorgesehen sind.

Bei der 11. Ausführungsform wird die Durchflußmenge des Hilfsgases durch einen Fluidwiderstandskörper 12 der Netzart eingestellt, der an dem oberen ringförmigen Bereich angebracht ist, wie in Fig. 20 dargestellt ist. Der Fluidwiderstandskörper 12 kann aus einem porösen Material bestehen. Bei der 11. Ausführungsform ist der der Nebendüse 2 zugeführte Gasstrom homogen, und ein stabiler Gasstrom, der weniger turbulent ist, kann durch Auswahl einer geeigneten Maschengröße des Fluidwiderstandskörpers oder eines geeigneten porösen Materials verwirklicht werden.

12. Ausführungsform

Fig. 21 ist ein Längsschnitt eines Bearbeitungskopfes einer Laserbearbeitungsvorrichtung gemäß einer 12. Ausführungsform. Bei der 12. Ausführungsform ist ein Öffnungsbereicheinstellmittel 13 an dem Nebenhilfsgaszuführeinlaß - nachfolgend Nebenzuführeinlaß genannt - der Nebendüse 2 angebracht. Der Öffnungsbereich des Öffnungsbereicheinstellmittels 13 kann manuell oder automatisch mit einem Antrieb eingestellt werden. Durch Verwendung eines solchen Aufbaus kann die Durchflußmenge des Hilfsgases und das Strömungsverhältnis des Haupthilfsgases zu dem Nebenhilfsgas ohne einen Austausch der Düse eingestellt werden, so daß die Bearbeitung effektiver durchgeführt werden kann.

13. Ausführungsform

Fig. 22 ist eine Draufsicht eines Öffnungsbereicheinstellmittels gemäß einer 19. Ausführungsform, das den Haupthilfsgasstrom von dem Nebenhilfsgasstrom trennt.

Die 13. Ausführungsform stellt ein konkretes Beispiel des Aufbaus des Öffnungsbereicheinstellmittels 13 der zuvor erläuterten 12. Ausführungsform dar. Bei der Ausführungsform berührt eine ringförmige Scheibe 14 den ringförmigen Bereich, der eine Mehrzahl von kleinen Öffnungen 11 besitzt, um das Hilfsgas auf die Nebendüse 2 zu richten. Die ringförmige Scheibe 14 besitzt eine Mehrzahl von ähnlichen kleinen Öffnungen 15 und einen Knauf 16 an ihrer Außenseite. Die ringförmige Scheibe 14 wird manuell bewegt, um den Öffnungsbereich einzustellen, wo die kleinen Öffnungen 11 sich mit den kleinen Öffnungen 15 überlappen. Dadurch kann die Durchflußmenge des der Nebendüse 2 zuzuführenden Hilfsgases einfach eingestellt werden, indem die ringförmige Scheibe 14 bewegt und dadurch der Öffnungsbereich des Gasstromeinlasses verändert wird.

Die ringförmige Scheibe 14 kann auch automatisch verstellt werden, anstatt sie mit dem Knauf 16 zu bewegen.

14. Ausführungsform

Fig. 23 ist eine Draufsicht eines Öffnungsbereicheinstellmittels gemäß einer 14. Ausführungsform.

Die 14. Ausführungsform stellt ein anderes konkretes Beispiel für ein Öffnungsbereicheinstellmittel dar. Das Öffnungsbereicheinstellmittel der 14. Ausführungsform besitzt ein Durchflußeinschränkungsmittel 17, das die Mehrzahl von kleinen runden Öffnungen 11, die der Nebendüse 2 Hilfsgas zuführen, einschränkt. Das Öffnungsbereicheinstellmittel 17 hat auch einen Knauf 16, der eine manuelle Einstellung des Einschränkungsgrades des Öffnungsbereiches von der Außenseite der Düse her gestattet. Der Öffnungsbereich des Gaszuführeinlasses zur Zuführung des Nebenhilfsgases wird verändert, indem das Einschränkungsmittel 17 eingestellt wird, wodurch die Durchflußmenge des Zuführgases eingestellt werden kann.

Das Öffnungsbereicheinstellmittel kann auch automatisch mittels eines geeigneten Antriebs betätigt werden.

15. Ausführungsform

Fig. 24 ist ein Längsschnitt eines Bearbeitungskopfes einer Laserbearbeitungsvorrichtung gemäß einer 15. Ausführungsform. Bei der 15. Ausführungsform sind eine Gas-(Sauerstoff-)quelle für die Hauptdüse 1 und eine Gasquelle für die Nebendüse 2 getrennt vorgesehen. Daher ist es möglich, die geeignete Durchflußmenge des Hilfsgases zuzuführen und Sauerstoff mit einem geeigneten Durchflußmengenverhältnis des Haupthilfsgases zu dem Nebenhilfsgas zuzuführen.

16. Ausführungsform

Fig. 25 zeigt einen Aufbau einer Laserbearbeitungsvorrichtung gemäß einer 16. Ausführungsform. Die Bearbeitungsvorrichtung der Ausführungsform besitzt entsprechende Hilfsgasquellen (Sauerstoffquellen) 18, ein Steuermittel 20 und Sensoren 19. Die Hilfsgasquellen 18 führen dem Bearbeitungskopf, der ein wie in Fig. 24 gezeigte Düsenkonstruktion besitzt, Hilfsgas zu. Die Sensoren 19 ermitteln Informationen hinsichtlich der Temperatur der Materialoberfläche, der Rillenbreite und der Lumineszenzmenge aufgrund von Funken während der Bearbeitung. Das Steuermittel 20 stellt die Gasstrommenge und den Gasströmungsdruck des Haupthilfsgases und des Nebenhilfsgases, die von den Düsen abgegeben werden, in Abhängigkeit von den Informationen der Sensoren 19 ein. Mit diesem Aufbau ist es möglich, annormale Bearbeitungszustände zu vermeiden und eine stabile Bearbeitung zu gewährleisten.

Der Bearbeitungskopf mit einer Düsenkonstruktion hat entsprechende Hilfsgasquellen bei der 16. Ausführungsform. In dem Fall, daß dieselbe Hilfsgasquelle verwendet wird, kann derselbe Effekt erzielt werden, indem anstelle der in Fig. 25 gezeigten Steuervorrichtung eine Steuervorrichtung zur Steuerung der Vorrichtung vorgesehen wird, um die Steuervorrichtung für den Nebenhilfsgasstrom und den Gasstrom von derselben Gasquelle wie bei der 13. und 14. Ausführungsform zu betätigen.

17. Ausführungsform

Fig. 26 zeigt den Aufbau einer Laserbearbeitungsvorrichtung gemäß einer 17. Ausführungsform. Die Bearbeitungsvorrichtung der 17. Ausführungsform besitzt einen Sensor 19, der eine Selbstverbrennung ermittelt oder vorhersagt. Die Bearbeitungsvorrichtung senkt zumindest entweder den Gasdruck oder die Gasstrommenge des Haupthilfsgases und des Nebenhilfsgases, wenn eine Selbstverbrennung durch den Sensor 19 vorhergesagt oder ermittelt wird. Hierdurch ist es möglich, ein Ausbrechen der Selbstverbrennung zu vermeiden und eine stabile Bearbeitung zu erreichen.

18. Ausführungsform

Fig. 27 stellt einen Aufbau einer Laserbearbeitungsvorrichtung gemäß einer 18. Ausführungsform dar. Die Bearbeitungsvorrichtung der 18. Ausführungsform besitzt ein Betriebssteuermittel 21 zur Steuerung der Laserbearbeitungsvorrichtung und ein Durchflußsteuermittel 20 zur Steuerung des Hilfsgasquellen 18. Das Betriebssteuermittel 21 stellt die Gasströmungsmenge und den Gasdruck des Haupthilfsgases und des Nebenhilfsgases unter Verwendung einer Programmsteuerung beispielsweise während des Durchbohrens oder des Eckenschneidens ein. Dadurch ist es möglich, die Strömungsmenge während des Schneidens des Eckbereichs am Anfang des Bohrens einzustellen oder die Strömungsmenge während des Schneidens des Eckbereiches genau zu steuern. Mit diesem Aufbau ist es möglich, ein Ausbrechen einer Selbstverbrennung während des Bohrens und des Schneidens des Eckbereiches zu vermeiden und ein stabiles Schneiden zu erreichen.

19. Ausführungsform

Fig. 28 ist ein Längsschnitt eines Bearbeitungskopfes einer Laserbearbeitungsvorrichtung gemäß einer 19. Ausführungsform. Der Bearbeitungskopf der Ausführungsform besitzt eine Hauptdüse 1 und eine Nebendüse 2, die voneinander getrennt sind. Die Hauptdüse 1 ist an einem Bereich 22 angebracht und befestigt, der von der Innenseite der Nebendüse 2 herausragt, wie in Fig. 28 gezeigt ist.

Da bei diesem Aufbau die Hauptdüse 1 lösbar angebracht werden kann, sind viele Kombinationen unterschiedlicher Düsen mit unterschiedlichen Bereichen kleiner Öffnungen und unterschiedlicher Öffnungsanzahl zur Zuführung jedes Hilfsgases in Abhängigkeit von dem Material und der Dicke des Werkstückes möglich. Daher kann eine geeignete Strömungsmenge und ein geeignetes Strömungsverhältnis des Haupthilfsgases zu dem Nebenhilfsgas ausgewählt werden.

Bei der Ausführungsform wird eine Konstruktion mit einer Doppeldüse verwendet. Es kann jedoch auch ein ähnlicher Effekt mit einer Konstruktion mit einer Vielzahl von ringförmigen Düsen verwendet werden. Bei dem Aufbau mit mehreren ringförmigen Düsen ist jede Düse getrennt vorgesehen und an der Innenseite der Wand der Düse 2 befestigt. Der Befestigungsbereich kann nicht nur den in Fig. 28 gezeigten vorstehenden Bereich einschließen, sondern auch die in den Fig. 29A und 29b gezeigten Konstruktionen. Fig. 29A zeigt einen Höhenunterschied 22a innerhalb der Düse 2 und Fig. 29B zeigt einen geneigten Bereich 22b innerhalb der Düse 2.

20. Ausführungsform

Fig. 30 ist ein Längsschnitt eines Bearbeitungskopfes einer Laserbearbeitungsvorrichtung gemäß einer 20. Ausführungsform. Bei dieser Ausführungsform ist das Material der Hauptdüse 1 anders als das der Nebendüse 2. Das Material der Hauptdüse 1 ist ein Metall, beispielsweise Messing, das einfach zu bearbeiten ist. Das Material der Nebendüse 2, die am weitesten außen angeordnet ist, ist ein Metall, das einen hohen Schmelzpunkt und eine hohe Härte hat.

Gemäß diesem Aufbau wird der äußerste Bereich kaum durch Oxidspritzer, die bei der hohen Temperatur während des Schneidens auftreten, oder Spritzer geschmolzenen Metalls beschädigt und schützt die innere Düse 1, wodurch die Lebensdauer der Düse verlängert wird.

Die voranstehenden Erläuterungen gelten nicht nur für eine Laserbearbeitungsvorrichtung zum Schneiden, sondern auch für eine zum Schweißen.

Ein Bearbeitungskopf einer Laserbearbeitungsvorrichtung besitzt eine Haupthilfsgasdüse in dem Mittelbereich des Bearbeitungskopfes zur Zuführung eines Haupthilfsgases und eine oder mehrere ringförmige Nebenhilfsgasdüsen, die die Haupthilfsgasdüse umgeben und deren Strahlauslaß am innersten Durchmesser größer als oder gleich groß wie der Strahlauslaß des Haupthilfsgases ist. Der Strahlauslaß der Haupthilfsgasdüse ist stromaufwärts von Strahlauslässen der entsprechenden Nebenhilfsgasdüse angeordnet. Entsprechend dem obigen Aufbau ändern sich der Gasstrahldruck und die Gasstrahlgeschwindigkeit kontinuierlich an dem Hilfsgasstrahlauslaß und die Gasstrahldruck- und die Strömungsgeschwindigkeitsschwankungen des Haupthilfsgases werden erhöht.

Claims

1. Bearbeitungskopf für eine Laserbearbeitungsvorrichtung, durch den ein Laserstrahl tritt, mit:
einer Haupthilfsgasdüse (1) in einem Mittelbereich des Bearbeitungskopfes zur Zuführung eines Haupthilfsgases; und
mindestens einer ringförmigen Nebenhilfsgasdüse (2), die die Haupthilfsgasdüse (1) umgibt, wobei ein Strahlauslaß (2a) an einem innersten Durchmesser der ringförmigen Nebenhilfsgasdüse (2) nicht kleiner als ein Strahlauslaß (1a) der Haupthilfsgasdüse (1) ist, um den Druck- und den Strömungsschwankungswert der Haupthilfsgasströmung zu erhöhen.

2. Bearbeitungskopf nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Haupthilfsgasdüse (1) mindestens ein Zirkulationsströmungs-Bildemittel aufweist, das eine Zirkulation eines Teils des Haupthilfsgases ermöglicht.

3. Bearbeitungskopf nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Zirkulationsströmungs-Bildemittel verwundene Flügel (4) aufweist, die an einer Innenwand der Haupthilfsgasdüse (1) vorgesehen sind.

4. Bearbeitungskopf nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Zirkulationsströmungs- Bildemittel verwundene Rillen (5) aufweist, die an einer Innenwand der Haupthilfsgasdüse (1) vorgesehen sind.

5. Bearbeitungskopf nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Zirkulationsströmungs-Bildemittel eine Mehrzahl von Nebenstromdüsen (6) aufweist, von denen jede einen Nebendüsenauslaß in der Haupthilfsgasdüse (2b) aufweist und das Haupthilfsgas in Umfangsrichtung aus dem Nebendüsenauslaß ausstößt.

6. Bearbeitungskopf nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Strahlauslaß (1a) der Haupthilfsgasdüse (1) stromaufwärts von den Strahlauslässen (2a) einer entsprechenden Nebenhilfsgasdüse (2) positioniert ist, um kontinuierlich den Druck des Gasstrahls und den Strahlstrom an dem Strahlauslaß (1a) zu ändern.

7. Bearbeitungskopf nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Strahlauslaß (1a) der Haupthilfsgasdüse (1) stromaufwärts von den Strahlauslässen (2a) einer entsprechenden Nebenhilfsgasdüse (2) positioniert ist, um kontinuierlich den Druck des Gasstrahls und den Strahlstrom an dem Strahlauslaß (1a) zu ändern.

8. Bearbeitungskopf nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Strahlauslaß (1a) der Haupthilfsgasdüse (1) stromaufwärts von den Strahlauslässen (2a) einer entsprechenden Nebenhilfsgasdüse (2) positioniert ist, um kontinuierlich den Druck des Gasstrahls und den Strahlstrom an dem Strahlauslaß (1a) zu ändern.

9. Bearbeitungskopf nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Strahlauslaß (1a) der Haupthilfsgasdüse (1) stromaufwärts von den Strahlauslässen (2a) einer entsprechenden Nebenhilfsgasdüse (2) positioniert ist, um kontinuierlich den Druck des Gasstrahls und den Strahlstrom an dem Strahlauslaß (1a) zu ändern.

10. Bearbeitungskopf nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Strahlauslaß (1a) der Haupthilfsgasdüse (1) stromaufwärts von den Strahlauslässen (2a) einer entsprechenden Nebenhilfsgasdüse (2) positioniert ist, um kontinuierlich den Druck des Gasstrahls und den Strahlstrom an dem Strahlauslaß (1a) zu ändern.

11. Bearbeitungskopf nach einem der Ansprüche 1 bis 10, gekennzeichnet durch: ein Statikdruckkonvertierungsmittel (7), um einen dynamischen Druck eines Hilfsgases, das durch Nebenhilfsgaszuführeinlässe in die Nebenhilfsgasdüse (2) strömt, in einen statischen Druck zu konvertieren.

12. Bearbeitungskopf nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß zu dem Statikdruckkonvertierungsmittel (7) gehören: eine Statikdruckkonvertierungsfläche (7), die dem Nebenhilfsgaseinlaß gegenüberliegt; und eine Bank, die an der Innenkante der Statikdruckkonvertierungsfläche (7) angeordnet ist und einen Raum bildet (8a), in dem das Nebenhilfsgas bleibt.

13. Bearbeitungskopf nach einem der Ansprüche 1 bis 10, gekennzeichnet durch Nebenhilfsgaszuführeinlässe, die um den Haupthilfsgaszuführeinlaß herum angeordnet sind und den Nebenhilfsgasstrom einstellen.

14. Bearbeitungskopf nach Anspruch 11, gekennzeichnet durch Nebenhilfsgaszuführeinlässe, die um den Haupthilfsgaszuführeinlaß herum angeordnet sind und den Nebenhilfsgasstrom einstellen.

15. Bearbeitungskopf nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß das Haupthilfsgas und das Nebenhilfsgas dem Haupthilfsgaszuführeinlaß und dem Nebenhilfsgaszuführeinlaß von einer gemeinsamen Gasquelle zugeführt werden.

16. Bearbeitungskopf nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß das Haupthilfsgas und das Nebenhilfsgas dem Haupthilfsgaszuführeinlaß und dem Nebenhilfsgaszuführeinlaß von einer gemeinsamen Gasquelle zugeführt werden.

17. Bearbeitungskopf nach Anspruch 15, gekennzeichnet durch Öffnungsbereicheinstellmittel (13), die an den Nebenhilfsgaszuführeinlässen angeordnet sind, um den Nebenhilfsgasstrom einzustellen.

18. Bearbeitungskopf nach Anspruch 16, gekennzeichnet durch Öffnungsbereicheinstellmittel (13), die an den Nebenhilfsgaszuführeinlässen angeordnet sind, um den Nebenhilfsgasstrom einzustellen.

19. Bearbeitungskopf nach Anspruch 17, gekennzeichnet durch mindestens einen Fluidwiderstandskörper (12), der an den Nebenhilfsgaszuführeinlässen angeordnet ist, um den Nebenhilfsgasstrom einzustellen.

20. Bearbeitungskopf nach Anspruch 8, gekennzeichnet durch mindestens einen Fluidwiderstandskörper (12), der an den Nebenhilfsgaszuführeinlässen angeordnet ist, um den Nebenhilfsgasstrom einzustellen.

21. Laserbearbeitungsvorrichtung, die eine Haupthilfsgasdüse (1) und eine oder mehrere Nebenhilfsgasdüsen (2) aufweist, mit:
mindestens einer Hilfsgasquelle zur Zuführung von Hilfsgas zu mindestens einen Haupthilfsgaseinlaß oder einen Nebenhilfsgaseinlaß;
Sensoren (19) zur Ermittlung einer Temperatur einer Bearbeitungsfläche (3), der Breite einer Schneidrille oder der Zündmenge; und
einer Strömungsmengensteuereinrichtung (20) zur Einstellung der Strömungsmenge und des Strömungsdrucks des Hilfsgases während der Bearbeitung entsprechend von den Sensoren (19) kommenden Signale.

22. Laserbearbeitungsvorrichtung nach Anspruch 21, gekennzeichnet durch ein Betriebssteuermittel (21) zur Steuerung der Hilfsgasströmungsmenge und des Hilfsgasdruckes des von dem Bearbeitungskopf ausgestoßenen Hilfsgases unter Steuerung eines Programmes.