DE4336010A1 - Laserstrahlbearbeitungskopf - Google Patents
LaserstrahlbearbeitungskopfInfo
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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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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 (22)
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.
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.
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.
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DE4336010A Expired - Fee Related DE4336010C2 (de) | 1992-10-23 | 1993-10-21 | Laserstrahlbearbeitungskopf für eine Schneidbearbeitung, insbesondere einen Bearbeitungskopf für eine Laserbearbeitungsvorrichtung gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 und eine Laserbearbeitungsvorrichtung |
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