DE4437795A1 - Bearbeitungskopf und Laserbearbeitungseinrichtung - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Laserbearbeitungskopf für das Schneiden eines Werkstücks und eine Laserbearbeitungseinrichtung für die Steuerung des Laserbearbeitungskopfs.

Die Materialabnahme bzw. die Schneidarbeiten einer Laserbearbeitungseinrichtung wird durch Betriebsbedingungen beeinflußt, wie beispielsweise die Lage des Fokusierpunkts des Laserstrahls bezüglich der Werkstückoberfläche, der unterstützende Gasdruck sowie die Entfernung zwischen der Werkstückoberfläche und der Führungskante der Laserstrahldüse. Sie hängt ebenfalls von solchen Bedingungen ab, wie beispielsweise die Art des Materials, der Oberflächenzustand, die Qualität, die Zusammensetzung sowie die Dicke des Werkstücks. Bezüglich der Laserbearbeitungseinrichtung ist zu erwarten, daß in einem weiten Bereich von Bedingungen und für einen weiten Bereich von Materialien wie vorstehend beschrieben gearbeitet wird, und daß eine gleichbleibende, stabile Bearbeitungsqualität erreicht wird. Insbesondere für den Fall des Stahlschneidens usw., wird das durch die direkte Laserstrahlhitze aufgeschmolzene Metall nicht nur durch einen Sauerstoffstrahlfluß ausgeblasen, welcher als ein Hilfs- bzw. Schutzgas verwendet wird, sondern es wird auch sublimiert oder aufgeschmolzen durch eine starke oxidierende Verbrennungsreaktion, welche die Schneideffizienz verbessert. Aus diesem Grund hängt die Querschnittsqualität der Werkstückfläche wesentlich von der oxidierenden Verbrennungsgeschwindigkeit ab.

Je höher die Geschwindigkeit der Oxidationsverbrennung nämlich ist, je geringer ist die Rauigkeit der Querschnittsfläche. Da zugeführter Sauerstoff kontinuierlich verbraucht wird, kann eine Selbstverbrennung bzw. Selbstentzündung (das Phänomen, bei dem eine starke Selbstverbrennung explosionsartig bei Abwesenheit eines Laserstrahls eintritt, so daß die Querschnittsqualität verschlechtert wird) infolge von übermäßigem Sauerstoff selten auftreten. Da auch die Schneidgeschwindigkeit erhöht wird, kann ein Hochgeschwindigkeitsschneiden geführt werden. Aus diesem Grund ist es äußerst wichtig, die Gasversorgungsbedingung zu optimieren und die Oxidationsverbrennungsgeschwindigkeit zu erhöhen. Basierend auf den vorstehend genannten Zuständen, wurden viele Verbesserungsvorschläge bezüglich der Gasversorgungsdüse gemacht.

Die Fig. 46 ist eine Längsquerschnittsansicht einer Laserstrahldüse, welche in dem Bearbeitungskopf einer herkömmlichen Laserbearbeitungseinrichtung installiert ist. Die Laserstrahldüse wird beispielsweise in der Japanischen Patentschrift Nr. 61-60 757 offenbart. In der Figur bezeichnet die Nr. 1 eine Haupthilfsgasdüse, die Nr. 2 eine Nebenhilfsgasdüse, die Nr. 3 eine Fläche des zu schneidenden Materials, sowie die Nr. 10 eine Hilfsgasquelle. Der Betrieb der Laserstrahlbearbeitungseinrichtung wird im folgenden beschrieben. Die in einer herkömmlichen Laserstrahlbearbeitungseinrichtung installierte Laser­ strahldüse ist wie vorstehend erwähnt konstruiert. Die Düse hat eine Vielfachstruktur, welche einen Gasströmungspfad an der Mittelachse sowie konzentrische mehrfach- Gaströmungspfade umfaßt, welche um den mittleren Gasströmungspfad herum angeordnet sind. Der zum Material geförderte Sauerstoff, welches von dem Gasströmungspfad auf der Mittelachse ausgeschnitten werden soll, hat einen verhältnismäßig hohen Druck und wird bei einer hoher Geschwindigkeit ausgedrückt. Der Sauerstoff wird hauptsächlich in die Schneidfurche gefördert und teilweise für die Oxidationsverbrennungsreaktion verwendet. Der übrigbleibende Sauerstoff wird dazu benutzt, das aufgeschmolzene und oxidierte Material auszublasen und zu eliminieren. Der von dem äußeren Strömungspfad zugeführte Sauerstoff strömt mit einer vergleichsweise geringen Geschwindigkeit. Die Luft, welche von außen einströmt, stabilisiert die Gasströmung nahe der Mittelachse und hält die Sauerstoffkonzentration auf einen hohen Niveau. Über dies ist die Richtung der Strahlströmung von dem Auslaß für das Nebenhilfsgas parallel zu dem Auslaß für das Haupthilfsgas angeordnet, und hält das Hilfsgas in einer laminaren Strömung. Da an dem Rand der Auslasse des Haupthilfsgases und dem Auslaß eines jeden Nebenhilfsgases die Wände besonders dick sind, und da auch die Störung zwischen dem Haupthilfsgas und dem Nebenhilfsgas unterdrückt wird, wird das Haupthilfsgas dementsprechend unter laminaren Strömungsverhältnissen gehalten.

Bei der Laserbearbeitung ist es notwendig, fortlaufend eine benötigte Menge von Hilfsgas (Sauerstoffgas) in die schmale Schnittfurche zu fördern, dessen Breite geringer als 1 mm während des Schneidvorganges des Werkstücks beträgt, obgleich die Oxidationsverbrennungsreaktion infolge des Hilfsgases (Sauerstoffgases) eintritt, welches der Schneidfläche des Metalls zugeführt wird, welches auf eine hohe Temperatur durch die Energie des Laserstrahls erhitzt wird. Verbrennungsprodukte (Gas oder geschmolzenes Metall) werden nach der Schneidfläche infolge der Oxidationsreaktion erzeugt. Wenn die Strahlströmung des Hilfsgases (Sauerstoffgas) in einem laminaren Zustand gehalten wird, muß das Hilfsgas das Material durch Zerstreuen durch die umgebenden Verbrennungsprodukte bzw. Rückstände (Gaszusammensetzung) erreichen. Es ist daher effektiv, eine Strahlströmung an Hilfsgas turbulent zu halten, um die Grenzschicht in dem Verbrennungsreaktionsbereich nahe der Schneidfläche zu stören und die Verbrennungsprodukte (Gaszusammensetzungen) durch frisches Hilfsgas zu ersetzen, um die Verbrennungsgeschwindigkeit zu erhöhen. Die in den Bearbeitungskopf einer herkömmlichen Laserbearbeitungseinrichtung installierten Laserstrahldüse ist derart angeordnet, daß die Strahlrichtung des Neben- Hilfsgasauslasses zu der des Haupthilfsgasauslasses parallel ist, wobei das Nebenhilfsgas in einer laminaren Strömung ausgedrückt wird, so daß Interferenzen mit dem Haupthilfsgas in hervorragender Weise unterdrückbar sind. Aus diesem Grund wird das Haupthilfsgas in einer Laminarströmung gehalten und stabilisiert, obgleich die Reinheit des Hilfgases (Sauerstoffreinheit) auf einem hohen Niveau gehalten wird. Da der Gasstrom an dem Mittelabschnitt stabilisiert wird, ist es doch notwendig, den Versorgungsdruck des Haupthilfsgases zu erhöhen, um das Hilfsgas (Sauerstoffgas) in effektiver Weise in die schmale Schneidfurche zu leiten. Da eine Grenzschicht aus einer niedrigen Hilfsgaskonzentration (Sauerstoffkonzentration) an der Oxidationsreaktionsfläche des Metalls infolge der geringen Fluktuationsgeschwindigkeit (Stärke an Turbulenzen) des Mittenabschnitts der Düsenströmung gebildet wird, ist es für das frische Hilfsgas (Sauerstoffgas) schwierig, die Reaktionsfläche direkt zu erreichen. Aus diesem Grund tritt ein Problem auf, daß das zugeführte Hilfsgas (Sauerstoffgas) nicht in effektiver Weise zu der Oxidationsreaktion beträgt. Des weiteren tritt ein anderes Problem auf, daß die Selbstverbrennung auftreten kann, falls der Sauerstoff, welcher nicht effektiv genutzt wird, in der schmalen Schneidfurche infolge einiger Strömungsquantitätsbedingungen verbleibt. Da an der Grenze der Strahlauslässe für das Haupthilfsgas und eines jeden Nebenhilfsgases eine dicke Wandung existiert, variiert der Hilfsgasstrahldruck bzw. die Strahlgeschwindigkeitsverteilung ausgehend von der Vorderkante der Laserstrahldüse nicht kontinuierlich. Folglich werden die Strahlströmungen des Haupthilfsgases, eines jeden Nebenhilfsgases sowie der umgebenden Luft an der dicken Wand ihrer jeweiligen Grenzen getrennt. Aus diesem Grund tritt ein weiteres Problem auf, daß nämlich die Haupthilfsgasreinheit (Sauerstoffreinheit) verringert wird, da eine Diffusionsvermischung zwischen dem Haupthilfsgas und dem Nebenhilfsgas gesteigert wird, sowie der Isolationseffekt zwischen dem äußeren Nebenhilfsgas und der umgebenden Luft verringert wird.

Es ist eine Hauptaufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Bearbeitungskopf in einer Laserbearbeitungseinrichtung zu schaffen, welcher die Rauigkeit der Schneidfläche verringern kann, ein Unterdrücken der Selbstverbrennung erzielen kann, Hilfsgas (Sauerstoffgas) mit einer geringen Strömungsquantität an Umgebungsluft, hoher Reinheit und großer Turbulenz zu der Werkstückoberfläche zuführen kann, eine Oxidationsreaktion fördern kann und die Bearbeitung des Werkstücks stabil, bei hoher Geschwindigkeit und mit hoher Qualität gewährleisten kann und auch die Bearbeitung des Werkstücks stabil und präzise bei Verwendung eines Bearbeitungskopfs halten kann.

Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Bearbeitungskopf einer Laserbearbeitungseinrichtung geschaffen, in dem der Laserstrahl hindurch verläuft, wobei der Bearbeitungskopf folgende Bauteile aufweist: Eine Haupthilfsgasdüse an einem Mittelabschnitt des Bearbeitungskopfs für das Zuführen eines Haupthilfsgases, sowie zumindest eine ringförmige Unter- bzw. Nebenhilfsgasdüse, die die Haupthilfsgasdüse umgibt, einen Strahlauslaß an einem innersten Durchmesser der ringförmigen Nebenhilfsgasdüse, welcher nicht kleiner ist, als ein Strahlauslaß der Haupthilfsgasdüse, wobei der Gasdruck und die Gasströmungsgeschwindigkeit an dem Strahlauslaß fortlaufend geändert wird, und die Druckschwankung sowie der Strömungsschwankungswert der Haupthilfsgasdüse erhöht wird, sowie Einrichtungen für das Einstellen der Strömungsgeschwindigkeitsverteilung an dem Nebenhilfsgasdüsenauslaß.

Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Bearbeitungskopf geschaffen, wobei die Einrichtung für das Einstellen der Strömungsgeschwindigkeitsverteilung folgende Bauteile umfaßt:
Eine Anzahl von kleinen Räumen, die in Radiusrichtung durch Teilwände unterteilt sind.

Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Bearbeitungskopf geschaffen, wobei die Einrichtungen für das Einstellen der Strömungsgeschwindigkeitsverteilung eine Anzahl von Gasversorgungseinlässen aufweisen, welche jeweils der Anzahl von kleinen Räumen entspricht.

Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Bearbeitungskopf geschaffen, wobei die Einrichtung für das Einstellen der Strömungsgeschwindigkeitsverteilung die folgenden Bauteile aufweist:
Ein Nebenhilfsgasversorgungseinlaß, eine ringförmige Scheidewand für das Unterteilen der Innenseite der Nebenhilfsgasdüse in Achsrichtung,
eine ringförmige flache Platte, welche drehbar mit der Seitenfläche der stromabwärtigen ringförmigen Scheidewand in Kontakt ist, wobei sie einen Teil des Gasversorgungseinlasses unterbricht und ein Teil von dieser gekerbt ist, zwei Teilungsplatten, welche an beiden Endabschnitten der ringförmigen flachen Platte bzw. Brett befestigt sind, die Innenseite der Nebenhilfsgasdüse stromab von der ringförmigen Teilungswand unterteilen, sowie mit der ringförmigen flachen Platte rotieren,
eine Antriebseinrichtung für das Antreiben der ringförmigen flachen Platte und eine Steuer- oder Regeleinrichtung für das Betreiben der Antriebseinrichtung.

Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird eine Laserbearbeitungseinrichtung mit dem Bearbeitungskopf geschaffen, welche folgende Bauteile aufweist:
Informationssensoren für das Erfasse einer Temperatur der Bearbeitungsfläche, der Breite der Schnittfurche, oder der Menge an Funken, sowie eine Betriebssteuer- oder Regeleinrichtung für das Einstellen der Gasarten, der Strömungsquantität und dem Druck des Hilfsgases, welches von dem Bearbeitungskopf aus im Ansprechen auf die Signale des Informationssensors abgegeben wird.

Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird eine Laserbearbeitungseinrichtung mit dem Bearbeitungskopf geschaffen, wobei die Betätigungsregel- oder Steuereinrichtung durch ein Programm gesteuert wird.

Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird eine Laserbearbeitungseinrichtung mit dem Bearbeitungskopf geschaffen, welche desweiteren folgende Bauteile hat:
Einrichtungen für das Messen der Werkstückdicke, eine Betätigungssteuereinrichtung für das Justieren der Strömungsquantität und dem Druck des Hilfgases, welches vom Bearbeitungskopf aus im Ansprechen an ein Ausgangssignal der Dickenmeßeinrichtung abgegeben wird.

Die vorliegende Erfindung wird nachstehend anhand einiger bevorzugter Ausführungsbeispiele unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert.

Fig. 1 zeigt eine Längsschnittansicht, die einen Bearbeitungskopf einer Laserbearbeitungseinrichtung darstellt, welche einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung entspricht,

Fig. 2 zeigt eine Druckschwankungsverteilung eines Hilfsgasstroms auf der zu schneidenden Werkstückfläche gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel.

Fig. 3 zeigt das Prinzip für die Verbesserung der Schneidcharakteristik des ersten Ausführungsbeispiels.

Fig. 4 zeigt eine Strömungsgeschwindigkeits­ verteilung auf der zu schneidenden bzw. span zu bearbeitenden Werkstückfläche in einer Anordnung gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel.

Fig. 5 zeigt die Beziehung zwischen dem Druckschwankungswert des Hilfgasstroms und der Rauheit der zu schneidenden bzw. spanabzuhebenden Fläche in der vorliegenden Erfindung.

Fig. 6A und 6B zeigen einen Vergleich zwischen der Bearbeitungsgeschwindigkeit und der Toleranz für die Laserausgangsleistung des ersten Ausführungsbeispiels und den konventionellen Beispiel.

Fig. 7 ist eine Längsschnittansicht, die die Lagebeziehung zwischen den Strahlauslässen des Bearbeitungskopfs gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel zeigt.

Fig. 8 zeigt die Beziehung des Druckschwankungswerts des Hilfsgasstroms als eine Funktion von der Distanz L zwischen den Haupt- und Nebenstrahlauslässen des ersten Ausführungsbeispiels.

Fig. 9 zeigt einen Bearbeitungskopf gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel.

Fig. 10A, 10B, 10C sind eine Querschnittsansicht und Perspektivenansichten, die die Innenseite eines Bearbeitungskopfes gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel darstellen.

Fig. 11A, 11B zeigen Haupthilfsgasdüsen eines Bearbeitungskopfs gemäß einem vierten Ausführungsbeispiel.

Fig. 12A, 12B zeigen Haupthilfsgasdüsen eines Bearbeitungskopfs gemäß einem fünften Ausführungsbeispiel.

Fig. 13 ist eine Längsschnittansicht, die einen Bearbeitungskopf gemäß einem sechsten Ausführungsbeispiel darstellt.

Fig. 14 ist eine Längsschnittansicht, die einen Bearbeitungskopf gemäß einem siebten Ausführungsbeispiel darstellt.

Fig. 15 zeigt den Druckschwankungswert des Hilfsgasstroms auf der Werkstückfläche als eine Funktion der Distanz in einer radialen Richtung mit Bezug auf das sechste und siebte Ausführungsbeispiel sowie einem konventionellen Beispiel.

Fig. 16 ist eine Längsschnittansicht, die einen Bearbeitungskopf gemäß einem achten Ausführungsbeispiel der Erfindung darstellt.

Fig. 17 ist eine Längsschnittansicht, die einen Bearbeitungskopf gemäß einem neunten Ausführungsbeispiel darstellt.

Fig. 18 ist eine teilweise perspektiven Ansicht, die einen Bearbeitungskopf gemäß einem zehnten Ausführungsbeispiel darstellt.

Fig. 19 zeigt die Differenz der Totaldruckschwankung, welche durch das Nebenhilfsgas erzeugt wird, das kleine Löcher an einem Gasauslaßabschnitt einer unteren Furche gemäß dem zehnten Ausführungsbeispiel einleitet.

Fig. 20 zeigt die Differenz der Bearbeitungstoleranz zwischen dem Laseroutput und der Bearbeitungsgeschwindigkeit für den Fall, daß die eingeführten kleinen Löcher unterschiedlich sind.

Fig. 21 zeigt einen geeigneten Totalstrom entsprechend der Dicke des Werkstückmaterials während des Schneidens der Dickenplatte.

Fig. 22 zeigt eine geeignete Strömungsgeschwindigkeit an dem Auslaß der Haupthilfsgasdüsenströmung während des Schneidens der dicken Platte.

Fig. 23 zeigt eine geeignete Strömungsgeschwindigkeit an dem Auslaß der Nebenhilfsgasdüsenströmung während des Schneidens der dicken Platte.

Fig. 24 zeigt einen Anzahlbereich an kleinen Löchern, welche für die Realisierung der Strömungsquantität und der Strömungsgeschwindigkeit bei der Verwendung der erfindungsgemäßen Düse notwendig sind.

Fig. 25A und 25B sind Planansichten, welche andere Beispiele kleiner Lochformen für einen Hilfsgasversorgungseinlaß gemäß dem zehnten Ausführungsbeispiel darstellen.

Fig. 26 ist eine teilweise Perspektivenansicht, die einen Bearbeitungskopf gemäß einem elften Ausführungsbeispiel darstellt.

Fig. 27 ist eine Längsschnittansicht, die einen Bearbeitungskopf gemäß einem zwölften Ausführungsbeispiel darstellt.

Fig. 28 ist eine Draufsicht, die eine Öffnungsbereichseinstelleinrichtung gemäß einem dreizehnten Ausführungsbeispiel darstellt.

Fig. 29 ist eine Draufsicht, die eine Öffnungsbereichseinstelleinrichtung gemäß einem vierzehnten Ausführungsbeispiel darstellt.

Fig. 30 ist eine Längsschnittansicht, die einen Bearbeitungskopf einer Laserbearbeitungseinrichtung gemäß einem fünfzehnten Ausführungsbeispiel darstellt.

Fig. 31 ist eine teilweise Querschnitts­ perspektivenansicht, die eine Laserbearbeitungsdüse gemäß einem sechzehnten Ausführungsbeispiel darstellt.

Fig. 32 ist eine teilweise Querschnittsperspekivenansicht, die einen weiteren Bearbeitungskopf gemäß einem sechzehnten Ausführungsbeispiel darstellt.

Fig. 33A ist eine Längsschnittansicht der vorliegenden Erfindung, die eine Laserbearbeitungsdüse gemäß einem siebzehnten Ausführungsbeispiel zeigt.

Fig. 33B ist eine Querschnittsansicht einer Laserbearbeitungsdüse und zwar von oberhalb der Schnittlinie B-B in Fig. 33A ausgesehen.

Fig. 34 zeigt eine Hilfsgasversorgungseinrichtung, die das Hilfsgas zum Bearbeitungskopf des siebzehnten Ausführungsbeispiels fördert.

Fig. 35 zeigt eine weitere Hilfsgasversorgungseinrichtung, die das Hilfsgas zum Bearbeitungskopf des siebzehnten Ausführungsbeispiels fördert.

Fig. 36 zeigt einen Gasversorgungszustand in der Gasströmungsquantitätskontrolle, unter Verwendung des Bearbeitungskopfes des siebzehnten Ausführungsbeispiels.

Fig. 37A ist eine teilweise Querschnitts­ perspektivenansicht des Bearbeitungskopfs gemäß einem achtzehnten Ausführungsbeispiel.

Fig. 37B ist eine Längsschnittansicht des Bearbeitungskopfs gemäß dem achtzehnten Ausführungsbeispiel.

Fig. 38 zeigt die Konstruktion einer Laserbearbeitungseinrichtung gemäß einem neunzehnten Ausführungsbeispiel.

Fig. 39 zeigt eine Konstruktion einer Laserbearbeitungseinrichtung gemäß einem zwanzigsten Ausführungsbeispiel.

Fig. 40 zeigt eine Konstruktion einer Laserbearbeitungseinrichtung gemäß einem einundzwanzigsten Ausführungsbeispiel.

Fig. 41 zeigt eine Konstruktion einer Laserbearbeitungseinrichtung gemäß einem zweiundzwanzigsten Ausführungsbeispiel.

Fig. 42 zeigt eine Konstruktion einer Laserbearbeitungseinrichtung gemäß einem dreiundzwanzigsten Ausführungsbeispiel.

Fig. 43 ist eine Längsschnittansicht, die einen Bearbeitungskopf der Laserbearbeitungseinrichtung gemäß einem vierundzwanzigsten Ausführungsbeispiel darstellt.

Fig. 44A und 44B sind Längsschnittansichten, die weitere Beispiele eines Bearbeitungskopfs einer Laserbearbeitungseinrichtung gemäß einem vierundzwanzigsten Ausführungsbeispiels darstellen.

Fig. 45 ist eine Längsschnittansicht, die einen Bearbeitungskopf einer Laserbearbeitungseinrichtung gemäß einem fünfundzwanzigsten Ausführungsbeispiel darstellt.

Fig. 46 ist eine Längsschnittansicht, die einen konventionellen Bearbeitungskopf einer Laserbearbeitungseinrichtung darstellt.

1. Ausführungsbeispiel

Fig. 1 ist eine Längsschnittansicht, die einen Bearbeitungskopf einer Laserbearbeitungseinrichtung gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung darstellt. Der Bearbeitungskopf hat einen Haupthilfsgasstrahldüsenauslaß 1A mit einem Durchmesser von D₁, welcher an einer innersten Position angeordnet ist, sowie einen Haupthilfsgasdüsenanschluß 1B, der angrenzend zu dem Haupthilfsgasstrahldüsenauslaß 1A angeordnet ist. Die Haupthilfsgasdüse 1 ist da, wo der Laserstrahl hindurch verläuft, nämlich innerhalb eines Nebenhilfs­ gasdüsenstrahlauslasses 2. Der Nebenhilfsgasdüsen­ strahlauslaß 2 hat eine Nebenhilfsgasdüse 2A mit einem Durchmesser von D₂ (D₂ D₁ : D₂ < D₁ in diesem Beispiel) und ist außerhalb der Haupthilfsgasdüse 1 angeordnet, sowie einen Anschluß 2B, der angrenzend an die Haupthilfgasdüse 2A angeordnet ist, wobei eine Mehrfachteilkonstruktion (in diesem Beispiel eine zweiteilige Konstruktion) ausgebildet wird. Der Strahlauslaß 1A der Haupthilfsgasdüse 1 ist stromauf zu dem Strahlauslaß 2A der Nebenhilfsgasdüse 2 angeordnet. Diese Konstruktion bewirkt bezüglich des Strahlgasdrucks und der Strahlgasströmungsgeschwindigkeit, kontinuierlich an dem Strahlauslaß zu variieren und erlaubt sowohl der Druckschwankung wie auch der Strömungsgeschwindigkeitsschwankung der Haupthilfsgas­ strömung groß zu sein. Das Hilfsgas (Sauerstoffgas) wird auf eine zu schneidende bzw. zu bespanende Werkstückfläche 3 durch den Pfad gefördert, wie er durch die Pfeile in der Fig. angezeigt ist. Die Fig. 2 zeigt eine Druckschwankungsverteilung des Hilfsgasstroms auf der zu bearbeitenden Werkstückoberfläche 3. Die Vertikalskala zeigt die Druckschwankung p/P (%) (p: Druckschwankung, P: Absolutdruck). Die Kurve entspricht der Anordnung des Strahlauslasses für das Hilfsgas. Das die Strömungsgeschwindigkeitsschwankung des Hilfsgases, welches durch die Haupthilfsgasdüse strömt groß ist, wird die Druckschwankung des Haupthilfsgases gerade unterhalb des Strahlauslasses 1A groß, wobei die Druckschwankung des Nebenhilfsgas gerade unterhalb des Strahlauslasses 2A abwechselend auf niedrig geregelt wird. Die gewünschte Menge des Gasstroms wird zu der Schneidfurche gefördert, ohne den ursprünglichen Druck durch den Pumpeffekt der Druckschwankung zu erhöhen. Die große Schwankung der Strömungsgeschwindigkeit bedeutet, daß die Turbulenz der Sauerstoffgasströmung, die in die Schnittfurche geleitet wird, groß ist und die Gasströmung in einem Zustand turbulenter Strömung sich befindet. In der Nähe der Schnittfläche des Werkstücks bilden ein Oxid, das durch die Reaktion erzeugt wird, sowie der Sauerstoff eine vermischte Schicht, wobei die Oxidationsreaktionsgeschwindigkeit von der Geschwindigkeit abhängt, bei welcher der Sauerstoff die Reaktionsfläche durch Zerstreuen durch das Innere der vermischten Schicht erreicht. Es ist dementsprechend effektiv, die Gasströmung dazu zu verleiten, den Zustand einer turbulenten Strömung anzunehmen, und die durchmischte Schicht dazu verleiten, instabil hinsichtlich der Erhöhung der Rate der Oxidationsreaktion zu sein. Aus diesem Grund bewirkt der Bearbeitungskopf mit einer Düsenkonstruktion wie vorstehend beschrieben, daß die Sauerstoffgasströmung in den Zustand einer turbulenten Strömung annimmt. Der Bearbeitungskopf gemäß der vorliegenden Erfindung verleitet die durchmischte Schicht dazu, wie anhand der Fig. 3 nochmal beschrieben wird, instabil zu sein. Aus diesem Grunde ist es möglich, Sauerstoffgas unmittelbar in die Nähe der Reaktionsfläche zu fördern und gleichzeitig das Gasgemisch mit einer hohen Oxidkonzentration aus dem Reaktionsbereich zu entfernen. Dementsprechend wird die Oxidationsverbrennungsrate merklich erhöht, infolge einer erhöhten Menge an zugeführtem Sauerstoff, wobei ein Hochgeschwindigkeitsschneiden möglich wird. Da das zugeführte Sauerstoffgas fortlaufende in effektiver Weise verbraucht wird, kann die Selbstverbrennung, verursacht durch die Temperaturerhöhung infolge des Lasers sowie das Ungleichgewicht der Oxidationsreaktionsrate verhindert werden, wobei eine stabile Bearbeitung ausgeführt werden kann.

Da die Strömung an Umgebungsluft durch das Hilfsgas (Sauerstoffgas) verhindert wird, welches von dem Hilfsgasdüsenstrahl aus fließt, kann die Reinheit des Sauerstoffs am mittleren Strom (nämlich dem Haupthilfsgas), welcher in die Schneidfurche strömt, aufrechterhalten werden, wobei ein stabiles Schneiden erreicht werden kann. Die Fig. 4 zeigt eine Strömungsgeschwindigkeitsverteilung auf der zu bearbeitenden Werkstückfläche des ersten Ausführungsbeispiels. Die vertikale Skala zeigt die Strahlgasstromgeschwindigkeit U (m/s ) entsprechend dem Hilfsgasstrahlauslaß an. Da gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel der Strahlgasdruck und die Strahlgasgeschwindigkeitsverteilung an dem Hilfsgasstrahlauslaß nahe dem Mittelabschnitt höher ist, als am äußeren Abschnitt und wie in den Fig. 3 und 4 dargestellt ist, sich kontinuierlich verändert, tritt keine Teilung zwischen dem Haupthilfsgasstrom und dem Nebenhilfsgasstrom sowie eine Abgrenzung von der umgebenden Luft auf. Aus diesem Grund kann das Problem aufkommen, daß die Reinheit des Sauerstoffgases (Sauerstoffreinheit) infolge der Verringerung des Luftgrenzeffekts des Nebenhilfsgases verringert wird.

Die Fig. 5 zeigt die Beziehung zwischen der Rauigkeit der zu bearbeitenden Oberfläche bezüglich dem Druckschwankungswert der Hilfsgasstroms gemäß der Erfindung. Die horizontale Skala zeigt den Druckschwankungswert (%) welcher das Druckverhältnis der Druckschwankungskomponente b bezüglich dem Druck P des Haupthilfsgases (b/P) auf der Werkstückfläche gerade unter der Mittelachse ist. Die vertikale Skala bezeichnet die Schnittflächenrauhigkeit R max. (µm). Das Schnittmaterial ist unedeler Stahl SS400 mit einer Dicke von 12 mm. Die Bearbeitungsbedingung wird so definiert, daß die Laserenergie 1400 W beträgt und die Bearbeitungsgeschwindigkeit 0.7 m/min. ist. Aus der Fig. 5 dürfte klar zu entnehmen sein, daß je größer der Druckschwankungswert ist, desto rauher die Schnittfläche ist. Die Fig. 5 zeigt nämlich, daß ein Hochgeschwindigkeitsschneiden in guter Qualität durch eine Bearbeitung unter Verwendung eines Bearbeitungskopfs mit einer Düsenkonstruktion gemäß dem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung erreicht werden kann.

Die Fig. 6A und 6B zeigen Toleranzen, der Bearbeitungsgeschwindigkeit bezüglich der Laserausgangsleistung während eines Laserschnittes, bei dem der Bearbeitungskopf des vorliegenden Ausführungsbeispiels und der konventionelle Bearbeitungskopf Verwendung fanden. Die vertikale Skala bezeichnet die Bearbeitungsgeschwindigkeit (m/min.) während die horizontale Skala die Laserausgangsleistung (kw) zeigt. Das verwendet Material ist SS400 mit einer Dicke von 12 mm. Fig. 6A bezeichnet die Toleranz des konventionellen Bearbeitungskopfs (Druckschwankungswert beträgt 0.1 (%)) und die Fig. 6B zeigt jene, des Bearbeitungskopfs gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel. Die Bereiche, welche mit schrägen Linien in den Fig. 6A, 6B bedeckt sind, sind Bereiche für die normale Schneidbearbeitung. Wie aus den Figuren zu ersehen ist, läßt sich auf einfache Weise verstehen, daß ein Hochgeschwindigkeitsschneiden bei Verwendung des Bearbeitungskopfs gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel erzielt werden kann.

Die Fig. 7 ist eine Längsschnittansicht, die die Lagebeziehung zwischen den Strahlauslässen des Bearbeitungskopfs gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel zeigt. Präzise ausgedrückt, zeigt die Fig. 7 die Beziehung zwischen den Positionen der Haupthilfsgas­ düsenstrahlauslässe 1A und der Haupthilfsgasdüsenanschluß 1B sowie auch die Beziehung der Entfernung zwischen der zu bearbeitenden Werkstückfläche 3 und der unteren Kante der Düse (Strahlauslaß). Der Buchstabe L in der Figur bezeichnet die Entfernung zwischen dem Nebenhilfsgasstrahlauslaß 2A und dem Haupthilfsgasdüsenstrahlauslaß 1A, wobei der Buchstabe H in der Figur eine Entfernung zwischen einer zu bearbeitenden Werkstückfläche 3 und der unteren Kante des Nebenhilfsgasstrahlauslasses 2A (Strahlauslaß) bezeichnet.

Die Fig. 8 zeigt das Verhältnis des Druckschwankungswerts p/P (%) gerade unterhalb der Mittelachse der Düse zu der Distanz L zwischen dem Hauptstrahlauslaß und dem Nebenstrahlauslaß gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel, während H verändert wird, wo H eine Distanz in mm zwischen der zu schneidenden Werkstückfläche 3 und der unteren Kante der Düse 2A ist. Der Test wird unter der Bedingung ausgeführt, bei der die Durchmesser bezüglich D₁ = 1,5 mm und D₂ = 5 mm betragen. Die vertikale Skala bezeichnet einen Druckschwankungswert p/P (%), die horizontale Skala bezeichnet eine Distanz L zwischen dem Hauptstrahlauslaß 1A und dem Nebenstrahlauslaß 2A. Die mit O bezeichnete Kurve zeigt eine Charakteristik für H = 4 mm, die mit Δ be­ zeichnete Kurve zeigt eine Charakteristik für H = 2 mm, und die mit bezeichnete Kurve zeigt eine Charakteristik für H = 1 mm an.

Gemäß der Fig 8 wird die Bedingung, in welcher der Druckschwankungswert größer als 0,8% beträgt, erhalten durch:

H + L 5 D₁

Wenn L 5×D₁ beträgt, verbessert sich die Bearbeitungstoleranz gegenüber der Düsenhöhe H. Aus diesem Grund wird ein große Druckschwankung durch eine einfache Konstruktion erhalten.

2. Ausführungsbeispiel

Fig. 9 zeigt einen Bearbeitungskopf gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel. Obgleich der Bearbeitungskopf in dem vorstehenden Ausführungsbeispiel eine Haupthilfsgasdüse 1 und eine Nebenhilfsgasdüse 2 hat, ist es unnötig zu sagen, daß die Nebenhilfsgasdüse 2 aus einer Mehrfachkonstruktion wie in der Längsschnittansicht von Fig. 9 ausgebildet sein kann. Wenn in dem zweiten Ausführungsbeispiel der Strahlauslaß 1A für das Haupthilfsgas stromauf von jeder der Mehrzahl von Strahlauslässen 2A angeordnet ist, weist das zweite Ausführungsbeispiel ähnliche Effekte auf, wie jene gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel.

3. Ausführungsbeispiel

Die Fig. 10A, 10B und 10C sind Querschnittsansichten und zwei perspektiven Ansichten, die die Innenseite des Bearbeitungskopfs gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel darstellen. Gemäß dem dritten Ausführungsbeispiel sind eine Anzahl von statischen bzw. unbeweglichen Flügeln in einer Schraubenform an der Innenfläche der Haupthilfsdüse 1 befestigt, um ein Tordieren bzw. Verwinden der Ströme zu verursachen, was zu einer Erhöhung des Drucks und der Strömungsgeschwindigkeitsschwankung des Haupthilfsgasstroms führt. Die Fig. 10A zeigt eine Längsschnittansicht, des Bearbeitungskopfs in diesem dritten Ausführungsbeispiel. Die Fig. 10B zeigt eine Perspektivenansicht, welche die Innenseite der Haupthilfsgasdüse 1 darstellt. Eine Mehrzahl von gewundenen statischen Flügeln 4 sind an einem geraden Abschnitt innerhalb der Leitungswand der Haupthilfsgasdüse 1 installiert. Diese statischen Flügel 4 erzeugen eine zirkulierende Gasströmung, welche innerhalb der Haupthilfsgasdüse strömt. Die Strahlströmung hat eine große Turbulenzströmungsstärke an der Mittelachse, wenn die eine Zirkulationskomponente am Strahlauslaßabschnitt aufweist. Das Turbulenzverhältnis kann mehr als 10% für den Fall erreichen, bei dem die Distanz zwischen der Düse und der zu bearbeitenden Werkstückoberseite im wesentlichen gleich dem Düsendurchmesser ist. Aus diesem Grund wird die Oxidationsverbrennungsreaktion effektiv bewirkt, die Oxidationsgeschwindigkeit beschleunigt und die Bearbeitungsqualität und die Stabilität dementsprechend verbessert. Das Hochgeschwindigkeitsschneiden bzw. Hochgeschwindigkeitsspanabnehmen kann gleichzeitig erreicht werden. In dem Ausführungsbeispiel für die Zirkulation zumindest eines Teils bzw. Abschnitts des Haupthilfsgasstroms ist es möglich, eine Strömungsgeschwindigkeitsschwankung in dem Haupthilfsgas selbst dann zu erzeugen, wenn die Relativdistanz L zwischen der unteren Kante der Haupthilfsgasdüse (nämlich dem Strahlauslaß 1A) und der unteren Kante der Nebenhilfsgasdüse (nämlich dem Strahlauslaß 2A) auf Null gesetzt ist. Gemäß dem vorstehenden Ausführungsbeispiel muß der Durchmesser des Laserstrahls an der unteren Kante der Haupthilfsgasdüse groß sein, um das Haupthilfsgas näher an die Bearbeitungsoptischelinsenseite zu positionieren. Aus diesem Grund ist es verhältnismäßig schwierig, die Laserstrahlachse mit der Düsenmittelachse auszurichten und die Distanz zwischen dem Laserstrahl-Fokussierpunkt und der Werkstückfläche einzustellen. In diesem Ausführungsbeispiel jedoch kann die vorstehend genannte Einstellung auf einfache Weise erreicht werden, da die Strömungsgeschwindigkeit des Haupthilfsgases selbst dann variiert, wenn die Relativdistanz L zwischen den Strahlauslässen beider Düsen auf Null gesetzt ist. Die Fig. 10C ist eine Perspektivenansicht, die die Innenseite des Bearbeitungskopfs gemäß dem dritten Ausführungsbeispiel zeigt. Die statischen bzw. unbeweglichen Flügel können an einem Kontraktionsstromabschnitt des unteren Stroms der Haupthilfsgasdüsen wie in der Fig. 10C gezeigt wird installiert werden.

4. Ausführungsbeispiel

Die Fig. 11A, 11B sind Perspektivenansichten, die die Haupthilfsgasdüse des Bearbeitungskopfs gemäß einem vierten Ausführungsbeispiel zeigen. In diesem vierten Ausführungsbeispiel, welches in der Fig. 11A dargestellt wird, sind eine Mehrzahl von tordierenden bzw. geschraubten (gezogenen) Nuten 5 an einem geraden Abschnitt innerhalb der Leitungswand der Haupthilfsgasdüse 1 als zirkulationsstromausbildende Einrichtungen vorgesehen. Die Turbulenzstromstärke an dem Mittenabschnitt der Haupthilfsgasstrahlströmung erhöht sich, da ein Teil des Haupthilfsgases (Sauerstoffgas) durch die Haupthilfsgasdüse 1 strömt und ein Zirkulationsstrom entlang der geschraubten Nuten 5 erzeugt. Aus diesem Grund wird für diesen Fall die Oxidationsgeschwindigkeit gesteigert, wobei die Schneid­ bzw. Spanabhebegeschwindigkeit und die Schneidqualität verbessert werden. Die geschraubte Nut 5 kann in einem Kontraktionsströmungsabschnitt installiert werden, der sich an dem unteren Strom der Haupthilfsgasdüse 1 wie in der Fig. 11B dargestellt wird befindet.

5. Ausführungsbeispiel

Die Fig. 12a und 12B zeigen Haupthilfsgasdüsen des Bearbeitungskopfes gemäß dem fünften Ausführungsbeispiel. Die Fig. 12A ist eine Draufsicht, während die Fig. 12B eine Längsschnittansicht ist. Gemäß dem fünften Ausführungsbeispiel sind die Haupthilfsgasdüsen 6A an der Innenwand der Haupthilfsgasdüse 1 als die zirkulations­ strombildenden Einrichtungen installiert, wobei Nebenstromdüsen 6 für das Haupthilfsgas symmetrisch zueinander angeordnet sind, welche Gas in einer Kreisumfangsrichtung parallel zu der Haupthilfsgasdüse 1 (nämlich der Nebenstrom des Haupthilfsgas wird in die Tangentialrichtung des äußeren Kreises der Hauptströmung des Haupthilfsgases ausgedrückt) auslassen. In der vorstehend genannten Konstruktion wird ein Teil des Haupthilfsgases durch die Nebenstromdüsen 6 des Haupthilfsgases ausgelassen, wobei das Haupthilfsgas dementsprechend in Zirkulation bzw. Umlauf gesetzt wird. Aus diesem Grund werden die gleichen Effekte in diesem fünften Ausführungsbeispiel erzielt, wie jene gemäß dem dritten und vierten Ausführungsbeispiel.

6. Ausführungsbeispiel

Die Fig. 13 ist eine Längsschnittansicht, die den Bearbeitungskopf gemäß dem sechsten Ausführungsbeispiel darstellt. In diesem sechsten Ausführungsbeispiel ist eine statische Druckkonvertiereinrichtung (eine statische Druckkonvertierfläche 7 in diesem Fall), welcher den dynamischen Druck der Nebenhilfsgasströmung, die durch den Gasversorgungseinlaß 2C gefördert wird, in einen statischen Druck konvertiert, an einer Stelle installiert, an der der Gasstrom durch die Gasleitung 2B strömt. Gestrichelte Pfeile zeigen die Hilfsgasströme an. Da das Gas, welches zu der Innenseite der Hilfsgasdüse 2B geleitet wird zum statischen Druck wiedergekehrt ist, nachdem es gegen die statische Druckkonvertierfläche 7 kollidiert ist, strömt das Hilfsgas in homogener Weise in den unteren Lauf der Statikdruckkonvertierfläche 7 und wird durch den Strahlauslaß 2A des Nebenhilfsgas entlassen. Der Gasstrom außerhalb der Düse wird daher Homogen mit wenigen Turbulenzen wobei der Zustrom von Umgebungsluft in effektiver Weise verhindert wird. In dem sechsten Ausführungsbeispiel wird die Statikdruckkonvertierfläche 7 an dem flachen Abschnitt parallel zu der Bodenfläche des Düsenauslasses 2A installiert. Jedoch wird ein ähnlicher Effekt erreicht, wenn die Statikdruckkonvertierfläche 7 nicht parallel zur Bodenfläche 2A ausgerichtet ist, oder nicht an der flachen Oberfläche installiert ist, sofern sie mit dem Gas kollidiert, welches zum Strömungspfad der Kreisumfangsströmungsdüse gerichtet ist (nämlich die Nebenhilfsgasdüse) und dabei den Gasstrom dazu verleitet, zum statischen Druck zurückzukehren.

7. Ausführungsbeispiel

Die Fig. 14 ist eine Längsschnittansicht, die einen Bearbeitungskopf gemäß einem siebten Ausführungsbeispiel darstellt. In diesem siebten Ausführungsbeispiel steht eine ringförmige Umkehrwandfläche 8 an der Kante der Statikdruckkonvertierfläche 7 vor, welche innerhalb der Nebenhilfsgasleitung 2B gemäß dem sechsten Ausführungsbeispiel vorgesehen ist. Die Umkehrwandfläche 8 bildet einen Gasaufenthalts- oder Speicherraum 8A, wo die obere Kante der Umkehrwandfläche und die innere Kreisumfangsdüse eingestellt werden. In dem gezeigten Fall wird die Höhe derart eingestellt, daß der geeignete Hohlraum zwischen der oberen Kante der Umkehrwandfläche 8 und der äußeren Wand der Haupthilfsgasdüse 1 existiert. Die gestrichelten Pfeile in Fig. 14 zeigen die Richtungen des Gasstroms. Der Gasstrom, welcher durch den Gasversorgungseinlaß 2C geleitet wird, füllt zeitweilig den Gasaufenthalts- bzw. Speicherraum 8A, welcher von der Umkehrwandfläche 8, der Innenwand der Nebenhilfsgasdüse 2 und der Statikdruckkonvertierfläche 7 umfaßt wird, wobei dann der statische Druck der Gasströmung wieder erlangt wird. Das Gas strömt mit einer homogenen Strömungsgeschwindigkeit von der oberen Kante der Umkehrwandfläche 8 zu der Leitung 2B der Nebenhilfsgasdüse, wobei das Gas dann durch den Strahlauslaß 2A nach außen abgegeben wird. Aus diesem Grund erhält der außenseitige Kreisumfangsstrom eine gleichmäßige und homogene Strömung wird wenigen Turbulenzen, wobei der Zufluß von Luft noch effektiver verbessert wird.

Die Fig. 15 zeigt eine charakteristische Kurve, welche den Druckschwankungswert der Hilfsgasströmung auf der Werkstückfläche bezüglich der Distanz zwischen der Mittelachse und der Radialrichtung mit Bezug auf das 6. und 7. Ausführungsbeispiel und einem konventionellen Beispiel zeigt. Die vertikale Skala zeigt den Druckschwankungswert p/P (%) an, während die horizontale Skala die Distanz r (mm) von der Mittelachse der Düse in Radiusrichtung anzeigt. Gemäß der Fig. 15 zeigt die durchgezogene Linie die charakteristische Kurve für das siebte Ausführungsbeispiel, die gestrichelte Linie jene charakteristische Kurve des sechsten Ausführungsbeispiels und die strichpunktierte Linie jene charakteristische Kurve des konventionellen Beispiels. Gemäß dieser Figur im Falle des siebten Ausführungsbeispiels ist es einfach zu verstehen, daß der Druckschwankungswert des Nebenhilfsgases an der zu schneidenden Werkstückfläche am geringsten ist und die Gasströmungen in beständiger Weise am homogensten sind. Aus diesem Grunde wird die Zuflußmenge von umgebender Luft verringert und die Sauerstoffreinheit auf einem hohen Niveau gehalten.

8. Ausführungsbeispiel

Die Fig. 16 ist eine Längsschnittansicht, die einen Bearbeitungskopf der Laserbearbeitungseinrichtung gemäß einem achten Ausführungsbeispiel darstellt. Gemäß diesem achten Ausführungsbeispiel ist ein erweiterter Strömungspfad 9 an einer Vorderkante der Nebenhilfsgasdüse 2 ausgebildet, wo der Strömungspfad graduell in Richtung des Nebenhilfsgasdüsenstrahlauslasses 2A expandiert. Gemäß der vorstehenden Konstruktion wird das Nebenhilfsgas (Sauerstoffgas), welches von der Nebenhilfsgasdüse 2 ausgelassen wird, nicht beschleunigt, und fließt parallel zu der Düsenmittelachse ohne von der inneren Düsenwand abgetrennt zu werden. Aus diesem Grund kann der Zustrom von umgebender Luft in den Umgebungsstrom unmittelbar stromab des Düsenstrahlauslasses minimiert werden, wobei eine hohe Sauerstoffreinheit aufrechterhalten werden kann und eine gleichbleibende Bearbeitung aufrechterhalten werden kann. Gemäß diesem Ausführungsbeispiel erweitert sich der Strömungspfadbereich graduell, wobei jedoch ein ähnlicher Effekt erzielbar ist, wenn der Strömungspfadbereich konstant bleibt.

9. Ausführungsbeispiel

Die Fig. 17 ist eine Längsschnittansicht, die einen Bearbeitungskopf gemäß einem neunten Ausführungsbeispiel darstellt. Gemäß dem neunten Ausführungsbeispiel wird die äußerste Wand der Mehrfachdüsen, nämlich der Nebenhilfsgasdüse 2 als ein konisch geformtes Trapezoid ausgebildet, welches einen virtuellen Spitzenwinkel Omega geringer als 45% hat. Gemäß der vorstehenden Konstruktion ist es möglich, die Menge an Hilfsgas zu minimieren, welche zwischen der Laserstrahldüse und der Werkstückfläche sich befindet, um die Selbstverbrennung zu verhindern. Über dies ist es möglich, die Zustrommenge an Umgebungsluft stromab der Umgebungsdüse zu minimieren, nämlich vom Nebenhilfsgasdüsenauslaß. Über dies wird eine hohe Sauerstoffreinheit beibehalten und es kann eine stabile Bearbeitung erreicht werden.

10. Ausführungsbeispiel

Die Fig. 18 ist teilweise eine Perspektivenansicht, die einen Bearbeitungskopf gemäß einem zehnten Ausführungsbeispiel darstellt. Gemäß diesem zehnten Ausführungsbeispiel ist eine gemeinsame Hilfsgasquelle 10 (Sauerstoffgas) stromab der Düse installiert. Das Gas, welches von der Hilfsgasquelle 10 gefördert wird, zweigt sich zum Haupthilfsgasversorgungseinlaß 1C und zu der Mehrzahl von kleinen Löchern 11 an dem umgebenden Geringabschnitt der Haupthilfsgasdüse 1 an der Mitteldüse ab. Das Hilfsgas (Sauerstoffgas) strömt in die Nebenhilfsgasdüsenleitung 2B durch die kleinen Löcher 11. Gemäß diesem Ausführungsbeispiel ist die Menge der Haupthilfsgasströmung (Sauerstoffgas) die von der Mittelstromdüse, nämlich der Haupthilfsgasdüse 1 ausgelassen wird, sowie die Menge der Nebenhilfsgasströmung (Sauerstoffgas), die von der umgebenden Strömungsdüse, nämlich der Nebenhilfsgasdüse 2 ausgelassen wird, entsprechend dem voreingestellten Bereichswert für die kleinen Löcher 11 und der Anzahl der kleinen Löcher 11 variable. Aus diesem Grund kann eine gewünschte Menge an Haupthilfsgas und Nebenhilfsgas auf einfache Weise durch Auswahl der geeigneten Düse, nämlich der Düse mit der geeigneten Fläche und der geeigneten Anzahl von kleinen Löchern 11 entsprechend der Qualität und Dicke des zu bearbeitenden Materials erreicht werden. Die Bearbeitungskopfdüse gemäß diesem Ausführungsbeispiel hat besonders signifikante Wirkungen beim Zerschneiden einer dicken Platte. Für den Fall einer weichen unlegierten Stahlplatte, welche durch die Verwendung von Sauerstoffgas als Hilfsgas für gewöhnlich zerschnitten wird, wird, da die Materialtemperatur unterhalb der Schnittfurche gering ist, die Viskosität des Oxids erhöht, die Auslaßgeschwindigkeit verringert und die Verbrennungsreaktion unterdrückt, wobei die Zeitverzögerung an der Vorderfläche des zu bearbeitenden Materials entsprechend der Dickenquantität erhöht wird. Um dementsprechend die Bearbeitung bei einer hohen Geschwindigkeit und einem stabilen Zustand zu halten, ist es notwendig, ein Hochgeschwindigkeitssauerstoffgas zu einem Abschnitt zu bringen, der eine Zeitverzögerung hat und das Oxidmaterial wegzuschaffen, sowie die Oxidationsreaktion herbeizuführen. Durch Festlegen einer geeigneten Nebenhilfsgasdüsenstromrate unter Verwendung der Bearbeitungskopfdüse gemäß diesem Ausführungsbeispiel ist es möglich, die vorstehende Bedingung zu erfüllen.

Die Fig. 19 zeigt Charakteristiken einer Totaldruckverteilung von Gas entlang der Furchenrichtung, welches von der Fußseite der Furche aus zugeführt wird, während das Gas in die Schneidfurche unter Verwendung der Bearbeitungskopfdüse gemäß diesem Ausführungsbeispiel zugeführt wird. Gemäß der Fig. 19 zeigt die Horizontalskala eine Distanz X (mm) von der Vorderfläche des Nutenraums und die vertikale Skala zeigt einen Totalgasdruck P (kg/cm²) an einer unteren Kante der Nut. Die dicke der Platte beträgt 25 mm, wobei bezüglich jeder Dimension der Düse ein innerer Durchmesser der Nebenhilfsgasdüse D₂ = 4 mm, ein Innendurchmesser der Haupthilfsgasdüse D₁ = 1,5 mm, und ein Innendurchmesser eines kleinen Lochs 11 1 mm beträgt. Die durchgezogene Linie zeigt eine charakteristische Kurve für den Fall von 11 einlassenden kleinen Löchern und die Strichlinie zeigt eine charakteristische Kurve für den Fall von 24 einlassenden kleinen Löchern. Aus der Fig. 19 läßt sich einfach entnehmen, daß die Strömungsquantität und Strömungsgeschwindigkeit des Nebenhilfsgases größer ist, wobei ein hoher Druck über den breiten Bereich des unteren Abschnitts der Furche in Abhängigkeit der Zeitverzögerung erreicht wird, wenn viele kleine Löcher existieren.

Die Fig. 20 zeigt den Unterschied einer Bearbeitungstoleranz zwischen der Laserausgangsleistung und der Bearbeitungsgeschwindigkeit für den Fall, daß die einlassenden kleinen Löcher unterschiedlich sind. Die Horizontalskala zeigt die Bearbeitungsgeschwindigkeit (m/min.) und die Vertikalskala zeigt den Laseroutput (Kw). Als ein zu bearbeitendes Material wird SS400 Plattenmaterial mit einer Dicke von 25 mm verwendet. Jede Abmessung der Düse ist die gleiche wie jene von Fig. 19. Hinsichtlich der Dimensionierung der Düse beträgt der Innendurchmesser der Nebenhilfsgasdüse D₂ = 4 mm, ein Innendurchmesser der Haupthilfsgasdüse D₁ = 1,5 mm, der Innendurchmesser eines kleinen Lochs 11 1 mm. Der Bereich A zeigt einen geeigneten Bearbeitungsbereich für den Fall von acht einlassenden kleinen Löchern während ein Bereich B einen geeigneten Bearbeitungsbereich für den Fall von 24 einlassenden kleinen Löchern zeigt. Aus den Figuren ist offensichtlich, daß die Bearbeitungstoleranz sich ausdehnt, wobei Hochgeschwindigkeitsschneiden entsprechend einer Vergrößerung der einlassenden Löcher möglich wird. Wenn die Strömungsquantität und Strömungsgeschwindigkeit des Nebenhilfsgases zu groß ist, existiert ein vernünftiger Bereich an Strömungsquantität und Strömungsgeschwindigkeit für das Nebenhilfsgas, welche eine hochqualitative Bearbeitung realisiert, da eine lokale Selbstverbrennung an der Schnittfläche erzeugt wird.

Die Fig. 21 zeigt eine geeignete Totalströmung entsprechend der dicke eines Werkstückmaterials während des Schneidens der dicken Platte. In der Figur zeigt die horizontale Skala eine dicke (mm) des Werkstücks und die vertikale Skala eine Total-Strömungsquantität N (l/min.) an Hilfsgas. Derjenige Bereich, welcher durch gestrichelte Linien gekennzeichnet ist, wird als ein guter Schnittbereich empfohlen. Die Fig. 22 zeigt eine geeignete Strömungsgeschwindigkeit an dem Auslaß der Haupthilfsgaszwischenströmung während des Schneidens der dicken Platte. Die Schrägschraffur zeigt ein empfohlener Bereich für einen geeigneten Schnittbereich.

Die Fig. 23 zeigt eine geeignete Strömungsgeschwindigkeit an einem Auslaß für die Nebenhilfsgasdüsenströmung während des Schneidens der dicken Platte. Die Schrägschraffur zeigt einen empfohlenen Bereich für einen geeigneten Schnittbereich.

Wenn die Bearbeitungskopfdüse der Erfindung verwendet wird, ist es möglich, die Platte zu zerschneiden, und zwar in einem hohen Qualitätszustand ohne Schmelz- oder Abfallanklebungen innerhalb der Stromquantität sowie bei einer Strömungsgeschwindigkeit gemäß der Fig. 21 bis 23. Aus diesem Grund kann der Durchmesser und die Anzahl der kleinen Löcher so ausgewählt werden, daß die geeignete Strömungsquantität und Strömungsgeschwindigkeit realisierbar ist.

Die Fig. 24 zeigt einen Bereich für eine Anzahl von kleinen Löchern 11, welche für ein Realisieren der vorstehend genannten Strömungsqualität und Strömungsgeschwindigkeit unter Verwendung der erfindungsgemäßen Düse notwendig sind. Die Vertikalskala zeigt die Anzahl der kleinen Löcher und die Horizontalskala zeigt eine Dicke (mm) der Platte. Die Abmessung der Düse ist die gleiche wie jene gemäß Fig. 19, wobei ein innerer Durchmesser der Nebenhilfsgasdüse D₂ = 4 mm, ein innerer Durchmesser der Haupthilfsgasdüse D₁ = 1,5 mm sowie der Innendurchmesser eines kleinen Lochs 11 1 mm ist. Für eine andere Dimensionierung als diese Bedingung, ist es natürlich möglich, die Platte in einem hohen Qualitätszustand ohne Schmelz- oder Abfallanklebungen zu schneiden, wenn Bedingungen ausgewählt werden, die der Strömungsquantität und der Strömungsgeschwindigkeit gemäß der Fig. 21 bis 23 entsprechen. Die Fig. 25A, 25B sind Draufsichten, die andere Beispiele von Formen der kleinen Löcher für den Hilfsgasversorgungseinlaß gemäß einem zehnten Ausführungsbeispiel zeigen. In dem vorstehenden Ausführungsbeispiel haben die kleinen Löcher 11 eine Kreisform. Es ist jedoch unnötig zu sagen, daß ein ähnlicher Effekt erhalten werden kann, wenn jede beliebige Form für die kleinen Löcher 11 verwendet wird, zum Beispiel eine rechtwinklige oder ovale Form wie in den Draufsichten gemäß der Fig. 25A, bzw. 25B dargestellt wird.

11. Ausführungsbeispiel

Die Fig. 26 ist eine teilweise Perspektivenansicht, die einen Bearbeitungskopf gemäß einem elften Ausführungsbeispiel darstellt. Im vorstehend beschriebenen zehnten Ausführungsbeispiel wird der Strömungspfad durch Installieren kleiner Löcher 11 eingestellt, welche an dem Kreisabschnitt angeordnet sind, der die Haupthilfsgasversorgungseinlässe IC umgibt und die das Nebenhilfsgas zu der Nebenhilfsgasdüse 2 leiten.

Gemäß dem elften Ausführungsbeispiel jedoch wird die Strömungsquantität an Hilfsgas durch einen maschenartigen Strömungswiderstandskörper 12 eingestellt, der an dem vorstehend erwähnten Kreisabschnitt wie in der Fig. 26 dargestellt wird installiert ist. Der Fluidwiderstandskörper 12 kann ein poröses Material sein. Gemäß dem elften Ausführungsbeispiel ist der Gasstrom, welcher zu der Nebenhilfsgasdüse 2 geleitet wird, homogen, wobei ein stabiler Gasstrom mit geringer Turbulenz durch eine geeignete Auswahl der Maschengröße des Fluidwiderstandskörpers oder des porösen Materials realisiert werden kann.

12. Ausführungsbeispiel

Die Fig. 27 ist eine Längsschnittansicht, die einen Bearbeitungskopf der Laserbearbeitungseinrichtung gemäß einem zwölften Ausführungsbeispiel darstellt. Gemäß dem zwölften Ausführungsbeispiel ist eine Öffnungsbereichs- Einstellungseinrichtung 13 an dem Nebenhilfs­ gasversorgungseinlaß der Nebenhilfsgasdüse 2 installiert. Der Öffnungsbereich des Öffnungsbereichs- Einstelleinrichtung 13 kann manuell oder automatisch unter Verwendung einer Antriebseinrichtung justiert werden. Durch Verwendung einer solchen Konstruktion kann die Strömungsquantität an Hilfsgas, sowie das Stromverhältnis des Haupthilfsgas bezüglich dem Nebenhilfsgas ohne ein Versetzen der Düse eingestellt werden, so daß eine Arbeit noch effektiver ausgeführt werden kann.

13. Ausführungsbeispiel

Die Fig. 28 ist eine Draufsicht, die eine Öffnungsbereichseinstelleinrichtung gemäß einem dreizehnten Ausführungsbeispiel darstellt, welche den Haupthilfsgasstrom von dem Nebenhilfsgasstrom abtrennt. Gemäß dem dreizehnten Ausführungsbeispiel wird ein konkretes Beispiel für die Konstruktion der Öffnungsbereichs-Einstelleinrichtung 13 gemäß dem Ausführungsbeispiel 12 dargestellt. In diesem Ausführungsbeispiel berührt eine Kreisscheibe 14 den Kreisabschnitt, welcher eine Mehrzahl von kleinen Löchern 11 für das Leiten von Hilfsgas zu der Nebenhilfsgasdüse hat. Die Kreisscheibe 14 hat eine Mehrzahl von ähnlichen kleinen Löchern 15 und hat desweiteren an deren Außenseite einen Knopf 16. Die Kreisscheibe 14 wird manuell bewegt, um den Öffnungsbereich einzustellen, wo die kleinen Löcher 11 durch die kleinen Löcher 15 überlappt werden, welche das Nebenhilfsgas zu der Nebenhilfsgasdüse zuführen. Aus diesem Grund kann die Strömungsquantität des Hilfsgases, welches zu den Nebenhilfsgasdüse geleitet wird, auf einfache Weise durch ein Bewegen der Kreisscheibe 14 eingestellt werden, welche den Öffnungsbereich des Gasströmungseinlasses verändert. Obgleich die Kreisscheibe 14 manuell über den Knopf 16 betätigbar ist, der gemäß diesem Ausführungsbeispiel an die Außenseite der Düse befestigt ist, ist es unnötig zu sagen, daß auch eine automatische Antriebseinrichtung verwendbar ist.

14. Ausführungsbeispiel

Die Fig. 29 ist eine Draufsicht, die eine Öffnungsbereichs-Einstelleinrichtung gemäß einem vierzehnten Ausführungsbeispiel darstellt. Gemäß dem vierzehnten Ausführungsbeispiel wird ein weiteres konkretes Beispiel einer Öffnungsbereichs-Einstelleinrichtung dargestellt. Die Öffnungsbereichs-Einstelleinrichtung gemäß diesem vierzehnten Ausführungsbeispiel hat eine Strombeschränkungs-Einrichtung 17 welche die Anzahl der kleinen runden Löcher 11 einschränkt bzw. beschränkt, welche das Hilfsgas zu der Nebenhilfsgasdüse leiten. Die Öffnungsbereichs-Einstelleinrichtung 17 hat desweiteren einen Knopf 16 der eine manuelle Einstellung des Beschränkungsgrades hinsichtlich des Öffnungsbereichs von außerhalb der Düse zuläßt. Der Öffnungsbereich des Gasversorgungseinlasses für das Zuführen von Nebenhilfsgas wird durch die Einstellung der Beschränkungseinrichtung variiert, wodurch der Versorgungsgasstrom Quantität eingestellt werden kann. Obgleich die Öffnungsbereichseinstelleinrichtung 17 durch den Kopf 16 manuell betätigbar ist, der in diesem Ausführungsbeispiel außerhalb der Düse befestigt ist, ist es unnötig zu sagen, daß auch eine automatische Antriebseinrichtung verwendbar ist.

15. Ausführungsbeispiel

Die Fig. 30 ist ein Längsschnittansicht, die einen Bearbeitungskopf einer Laserbearbeitungseinrichtung gemäß einem fünfzehnten Ausführungsbeispiel darstellt. Gemäß dem fünfzehnten Ausführungsbeispiel ist eine Gasquelle (Sauerstoffgas) für die Haupthilfsgasdüse 1 und eine Gasquelle für die Nebenhilfsgasdüse 2 getrennt voneinander vorgesehen. Aus diesem Grund wird es möglich, die geeignete Stromquantität an Hilfsgas zuzuleiten und Sauerstoff mit einem geeigneten Strömungsquantitätsverhältnis zwischen dem Haupthilfsgas zum Nebenhilfsgas zuzuleiten.

16. Ausführungsbeispiel

Die Fig. 31 ist eine teilweise Querschnittsperspektivenansicht, die eine Laserbearbeitungsdüse gemäß einem sechzehnten Ausführungsbeispiel darstellt. Ein Hilfsgasversorgungseinlaß 30 ist an der Fläche der inneren Wand der Nebenhilfsgasdüse 2 vorgesehen, wobei die Nebenhilfsgasdüse 2 durch eine Mehrzahl von Trennwänden 31 unterteilt und ein kleiner Raum 32 ausgebildet wird. Das Hilfsgas strömt in die Nebenhilfsgasdüse 2 ausgehend vom Hilfsgasversorgungseinlaß 30 und wird dann in jede der kleinen Räume 32 unter Verringerung der Energie aufgrund des Widerstands der Trennwand 31 verteilt. Aus diesem Grund wird die Strömungsgeschwindigkeitsverteilung in Kreisumfangsrichtung an dem Auslaß der Nebenhilfsgasdüse homogen. Eine asymmetrische Strömung am Nebenhilfsgasauslaß, erzeugt durch einen schräggestellten Nebenhilfsgas­ versorgungseinlaß, kann hierbei vermieden werden. In der Fig. 31 gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel ist der Gasversorgungseinlaß an einer Stelle vorgesehen, wobei gleiche Trennwände in einer achssymmetrischen Weise angeordnet sind. Es ist jedoch möglich, die Trennwände frei an dem Auslaß der Nebenhilfsgasdüse durch Veränderung des Bereichs der Trennwände, ihrer Höhe und Abstände entsprechend der Anordnung der Anzahl von Gasversorgungseinlässen auszubilden. Wie in der teilweise perspektiven Ansicht gemäß Fig. 32 dargestellt wird, ist die Höhe der Trennwände nahe des Gasversorgungseinlasses geringer und dafür höher und schmäler in einer Entfernung zwischen den Teilungswänden in Abhängigkeit von der Zunahme des Abstands von dem Gasversorgungseinlaß, wodurch es möglich wird, eine Auslaßströmung an dem Hilfsgasdüsenauslaß zu vergleichmäßigen.

17. Ausführungsbeispiel

Die Fig. 33A ist eine Längsschnittansicht, gemäß der vorliegenden Erfindung, welche eine Laserbearbeitungsdüse gemäß einem siebzehnten Ausführungsbeispiel zeigt. Die Fig. 33B ist eine Querschnittsansicht der Laserbearbeitungsdüse welche eine Schnittfläche von einer Oberseite aus betrachtet, welche der Linie B-B in Fig. 33A entspricht. Eine Mehrzahl von Hilfsgasversorgungseinlässen 30 sind radial an der Fläche der Innenwand der Nebenhilfsgasdüse 2 angebracht. In diesem Beispiel ist die Anzahl der Nebenhilfsgaseinlässe 30 vier, wobei kleine Räume 32 durch Trennwände 31 unterteilt sind, für die die gleiche Anzahl vorgesehen ist wie diejenige für die Hilfsgasversorgungseinlässe 30. Wie in der Fig. 34 gezeigt wird, ist jeder Hilfsgasversorgungseinlaß 30 mit jeweils voneinander abgetrennten Hilfsgasversorgungsquellen 18 verbunden, wobei der Gasstrom von jeder Versorgungsquelle 18 durch eine Stromregeleinrichtung 20 geregelt wird. Gemäß der Fig. 35 ist jeder Hilfsgasversorgungseinlaß mit der Versorgungsquelle 18 über Ventile 33 verbunden, wobei die Ventile 33 durch eine Betätigung der Regeleinrichtung 21 jeweils geöffnet oder geschlossen werden. In dem vorliegenden Ausführungsbeispiel kann die Hilfsgasströmungsgeschwindigkeitsverteilung an dem Auslaß der Nebenhilfsgasdüse frei eingestellt werden, durch Einstellung der Quantität des Gasstroms, welcher jedem kleinen Raum zugeführt wird. Wie beispielsweise in der Fig. 36 dargestellt wird, wird die Stromgeschwindigkeit rückseitig der Bewegungsrichtung der Düse groß eingestellt, während die Strömungsgeschwindigkeit vorderseitig der Bewegungsrichtung der Düse klein eingestellt wird, in dem Gas in den kleinen Raum 32 eingeleitet wird, welcher sich rückseitig der Bewegungsrichtung der Düse befindet. Das Hilfsgas wird dann auf einfache Weise innerhalb der Furche eingeleitet, wobei ein hoher Druck auf den untersten Abschnitt der Furche aufbringbar ist. Da das Hilfsgas eine Komponente zur Bearbeitungsrichtung des Gasstroms hat, wird die Trennung des Gasstroms an der vorderen Fläche des Werkstücks unterdrückt und eine Verbrennungsreaktion erzeugt, so daß die Bearbeitungsqualität verbessert wird. In diesem Ausführungsbeispiel sind vier kleine Räume vorgesehen. Es ist jedoch unnötig zu sagen, daß ein ähnlicher Effekt erzielbar ist, wenn mehr als vier oder weniger als vier kleine Räume vorgesehen sind. Es ist auch unnötig zu sagen, daß ein ähnlicher Effekt erzielbar ist, wenn die Anzahl an Hilfsgasversorgungseinlässen 30, welche das Hilfsgas zu jedem kleinen Raum 32 leiten mehr als zwei beträgt. Obgleich in diesem Ausführungsbeispiel eine Gasversorgungsquelle oder eine Anzahl von Versorgungsquellen das Gas zu einem Gaseinlaß führen, kann eine Mehrzahl von Versorgungsquellen jeweils das Gas zu einer Mehrzahl von Gasversorgungseinlässen leiten.

18. Ausführungsbeispiel

Die Fig. 37A, 37B zeigen Laserbearbeitungsdüsen gemäß einem achtzehnten Ausführungsbeispiel. Die Fig. 37A ist eine teilweise Querschnittsperspektivenansicht, während die Fig. 37B eine Längsschnittansicht ist. Gemäß den Figuren ist eine Kreisplatte oder eine fächerförmige Platte 35A anmontiert, welche die Seitenfläche an einer stromabwärtigen Stelle der kreisförmigen Teilungswandung berührt, welche eine Anzahl von kleinen Löchern 11 hat, die das Nebenhilfsgas leiten. Die fächerförmige Platte 35A unterbricht den Nebenhilfsgasstrom durch Unterbrechung eines teils des kleinen Lochs 11, welches das Nebenhilfsgas fördert. Trennplatten 35B sind fest an dem Endabschnitt der fächerförmigen Platte 35A angebaut, um einen einheitlichen Körper auszubilden. Diese Teilungsplatten 35B entsprechen den Trennwänden 31 in den Ausführungsbeispielen 16 und 17, welche kleine Räume innerhalb der Nebenhilfsgasdüse 2 ausbilden. Die fächerförmige Platte 35A und die Teilungsplatten 35B sind drehbar um die Düsenachse ausgebildet. Die Laserbearbeitungsdüse hatte desweiteren eine Antriebseinrichtung 36, welcher die fächerförmige bzw. ventilatorförmige Platte 35A und die Teilungsplatten 35B antreibt, sowie eine Kontroll- bzw. Regeleinheit 37, welche die Antriebseinrichtung 36 betreibt. Das Nebenhilfsgas strömt in die kleinen Räume 32, welche durch die Teilungsplatten 35B, die Innenwand der Nebenhilfsgasdüse 2 sowie die Außenwand der Haupthilfsgasdüse ausgebildet werden und zwar durch die kleinen Löcher 11 an jener Stelle, wo die kleinen Löcher 11 nicht durch die fächerförmige Platte 35A unterbrochen sind und strömt schließlich von dem Nebenhilfsgasdüsenauslaß aus.

Dementsprechend wird ein ähnlicher Effekt zu jenem gemäß dem Ausführungsbeispiels 17 durch Regelung der kleinen Räume erreicht, welche hinter der Bearbeitungsrichtung angeordnet sind.

19. Ausführungsbeispiel

Die Fig. 38 zeigt eine Konstruktion einer Laserbearbeitungseinrichtung gemäß einem neunzehnten Ausführungsbeispiel. Die Bearbeitungseinrichtung dieses Ausführungsbeispiels hat jeweils Hilfsgasquellen 18 (Sauerstoffgas) eine Kontroll- bzw. Regeleinrichtung 20 und Sensoren 19. Die Hilfsgasquellen 18 fördern Hilfsgas zu einem Bearbeitungskopf, der eine Düsenkonstruktion wie in der Fig. 30 gezeigt wird aufweist. Die Sensoren 19 fassen Informationen bezüglich der Temperatur der Materialoberfläche, der Nutenbreite sowie der Menge an Lumineszenz infolge von Funken während der Bearbeitung. Die Regeleinrichtung 20 regelt die Gasströmungsquantität und den Gasstromdruck des Haupthilfsgases sowie des Nebenhilfsgases, welcher von den Düsen in Abhängigkeit der Information von dem Sensor 19 ausgedrückt werden. Gemäß dieser Konstruktion ist es möglich, eine abnormale Bearbeitung zu vermeiden und eine stabile Bearbeitung zu erreichen. Der Bearbeitungskopf mit einer Düsenkonstruktion hat jeweils eine Hilfsgasquelle in dem neunzehnten Ausführungsbeispiel. Für den Fall jedoch, daß die gleiche Hilfsgasquelle verwendet wird, wird der gleiche Effekt durch die Schaffung einer Regeleinrichtung für die Regelung der Einrichtung für das automatische Betreiben der Nebenhilfsgasströmungsregeleinrichtung sowie durch den Gasstrom von der gleichen Gasquelle wie jene in dem dreizehnten und fünfzehnten Ausführungsbeispielen anstelle der Regeleinrichtung gemäß der Fig. 38 erreicht.

20. Ausführungsbeispiel

Die Fig. 39 zeigt eine Konstruktion einer Laserbearbeitungseinrichtung gemäß einem zwangzigsten Ausführungsbeispiel. Die Bearbeitungseinrichtung des zwangzigsten Ausführungsbeispiels hat einen Sensor 19, der eine Selbstverbrennung voraussagt oder erfaßt. Die Bearbeitungseinrichtung wird betätigt, um zumindest den Gasdruck oder die Gasströmungsquantität des Haupthilfsgases und des Nebenhilfsgases zu verringern, wenn eine Selbstverbrennung entsprechen der Information des Sensors 19 vorhersagbar oder erfaßt wird. Entsprechend dieser Konstruktion ist es möglich, den Ausbruch einer Selbstverbrennung zu vermeiden und eine stabile Bearbeitung zu gewährleisten.

21. Ausführungsbeispiel

Die Fig. 40 zeigt die Konstruktion einer Laserbearbeitungseinrichtung gemäß einem einundzwanzigsten Ausführungsbeispiel. Die Bearbeitungseinrichtung des einundzwanzigsten Ausführungsbeispiels hat eine Betriebsregeleinrichtung 21 zur Regelung bzw. Steuerung der Laserbearbeitungseinrichtung sowie eine Stromregeleinrichtung 20 für die Regelung des Hilfsgasquellen 18. Die Betriebsregeleinrichtung 21 stellt die Gasstromquantität und den Gasdruck des Haupthilfsgases sowie des Nebenhilfsgases unter Verwendung von Regelprogrammen als eine Bearbeitungsanfangsbedingung zum Beispiel gemäß der Materialart, der Bearbeitungsgeschwindigkeit, der Plattendicke ein.

Die Betriebsregel- bzw. Steuereinrichtung 21 stellt des weiteren die Gasstromquantität und den Gasdruck des Haupthilfsgases sowie des Nebenhilfsgases unter Verwendung von Steuerprogrammen gemäß einem Bearbeitungsverfahren bzw. Prozeß zum Beispiel durch Stechen, gerades Schneiden, Winkel für Ecken ausschneiden, Krümmungen für Kurvenschneiden, und Durchmesser für Kreisschneiden, halbkreisförmiges Schneiden sowie ovalförmiges Schneiden. Hierdurch wird es möglich den Benutzer daran zu hindern, die Strömungsquantität in geeigneter Weise einzustellen und desweiteren eine hohe Stabilität der Bearbeitungsqualität und Zuverlässigkeit zu erreichen.

22. Ausführungsbeispiel

Die Fig. 41 zeigt eine Konstruktion eines zweiundzwanzigsten Ausführungsbeispiels der Erfindung. In diesem Ausführungsbeispiel fördern Gasversorgungsquellen 18A eines bestimmten Gases A sowie Gasversorgungsquellen 18B einer anderen Art von Gas B mit Haupthilfsgas sowie Nebenhilfsgas. Ventile 23 regeln die Änderung der Gasströmung von den Versorgungsquellen 18A, 18B zu den Einlässen des Bearbeitungskopfs. Die Ventile 23 werden durch die Betriebsregeleinrichtung 21 gesteuert. Durch diese Konstruktion wird die Art des Haupthilfsgases oder Nebenhilfsgases geschaltet von zum Beispiel Sauerstoffgas auf Nitrogengas je nach dem ob beispielsweise Einstechen, gerades Schneiden, Winkel für Ecken schneiden, Krümmungen für Kurven schneiden und Durchmesser für Kreise schneiden, halbkreisförmiges Schneiden oder ovalförmiges Schneiden vorgesehen ist. Aus diesem Grund ist es möglich, das Ausbrechen von einer Selbstverbrennung durch Regelung des Gasverbrennung zu vermeiden. Dementsprechend es möglich, das Werkstück stabiler zu bearbeiten.

In dem vorliegenden Ausführungsbeispiel sind zwei Arten von Gasen genannt. Es ist aber unnötig zu sagen, daß mehr als drei Gassorten verwendet werden können.

23. Ausführungsbeispiel

Die Fig. 42 zeigt eine Konstruktion eines dreiundzwanzigsten Ausführungsbeispiels der Erfindung. Diese Konstruktion umfaßt einen dicken Meßsensor 40, welcher die Dickes eines zu bearbeitenden Werkstücks mißt. In diesem Ausführungsbeispiel ist der Dickenmeßsensor 40 auf dem Maschinenkopf angeordnet. Der Dickenmeßsensor 40 erfaßt die Dicke der Werkstückplatte vor deren Bearbeitung und gibt das Ergebnis zu der Betriebsregeleinrichtung 21 aus. Eine Stromregeleinrichtung 20 regelt das Haupthilfsgas und das Nebenhilfsgas auf eine geeignete Strömungsquantität und Strömungsgeschwindigkeit entsprechend der Dicke der Werkstückplatte, welche von der Betriebsregeleinrichtung 21 ausgegeben wurde. Hierdurch ist es möglich, den Betreiber daran zu hindern, in geeigneter Weise den Gasdruck einzustellen und desweiteren eine hocheffiziente Bearbeitungseinrichtung mit hoher Zuverlässigkeit zu erhalten. Der Dickenmeßsensor 40 ist an bzw. auf dem Bearbeitungskopf in diesem Ausführungsbeispiel angeordnet. Die Plazierung des Dickenmeßsensors 40 ist jedoch solange nicht beschränkt, solange die Dicke tatsächlich meßbar ist.

24. Ausführungsbeispiel

Die Fig. 43 ist eine Längsschnittansicht, die einen Bearbeitungskopf der Laserbearbeitungseinrichtung gemäß einem vierundzwanzigsten Ausführungsbeispiel darstellt. Der Bearbeitungskopf gemäß diesem Ausführungsbeispiel hat eine Haupthilfsgasdüse 1 und eine Nebenhilfsgasdüse 2 welche voneinander getrennt sind. Die Haupthilfsgasdüse 1 ist an einem Abschnitt 22 montiert und befestigt, welcher von der Innenseite der Nebenhilfsgasdüse 2 gemäß der Fig. 43 vorsteht. Da gemäß dieser Konstruktion die Haupthilfsgasdüse 1 entfernbar montiert werden kann, können viele Kombinationen von unterschiedlichen Düsen mit unterschiedlichen schmalen Löcherbereichen und Gesamtanzahlen für die Zuführung von Hilfsgas in Abhängigkeit von dem Material sowie der Werkstückdicke frei ausgewählt werden. Aus diesem Grund kann eine geeignete Strömungsquantität und ein geeignetes Stromverhältnis zwischen dem Haupthilfsgas und dem Nebenhilfsgas gewählt werden. Obgleich eine Doppelringdüsenkonstruktion in dem vierundzwanzigsten Ausführungsbeispiel beschrieben ist, kann ein ähnlicher Effekt für den Fall einer Mehrfach- Ringdüsenkonstruktion erzielt werden. In der Mehrfach- Ringdüsenkonstruktion ist jede Düse getrennt vorgesehen und innerhalb der Wandung der Düse 2 befestigt. Der Befestigungsabschnitt kann nicht nur der vorstehende Abschnitt wie in der Fig. 43 gezeigt wird sein, sondern auch die Konstruktion gemäß der Fig. 44A und 44B. Die Fig. 44A zeigt einen Niveaudifferenz 22A innerhalb der Düse 2 und die Fig. 44B zeigt ein sich verjüngender Abschnitt 22B innerhalb der Düse 2.

25. Ausführungsbeispiel

Die Fig. 45 ist eine Längsschnittansicht, die einen Bearbeitungskopf einer Laserbearbeitungseinrichtung gemäß einem fünfundzwanzigsten Ausführungsbeispiel darstellt. Gemäß diesem Ausführungsbeispiel ist das Material des Haupthilfsgasdüse 1 unterschiedlich von jenem der Nebenhilfsgasdüse 2. Das Material der Haupthilfsgasdüse ist ein Metall (zum Beispiel Messing) welcher einfacher zu bearbeiten ist. Das Material der am weitesten außerhalb angeordneten Nebenhilfsgasdüse 2 ist ein Metall, welches einen hohen Schmelzpunkt sowie eine hohe Härte aufweist. Gemäß dieser Konstruktion wird der äußerste Bereich nur schwer durch Oxidspritze, die bei der hohen Temperatur während des Schneidens auftreten, oder durch Spritze geschmolzenen Metalls beschädigt, so daß die innere Düse 1 geschützt wird, wodurch die Lebensdauer der Düse verlängert wird. Obgleich die Laserschneideinrichtung anhand der vorstehenden Ausführungsbeispiel beschrieben ist, ist es unnötig zu sagen, daß ein ähnlicher Effekt auch bei Laserschweißeinrichtungen erzielbar ist, welche die gleiche Konstruktion wie die Laserbearbeitungseinrichtung aufweisen.

Der Fachmann dürfte Erkennen, daß viele Weiterentwicklungen der vorstehenden Beschreibung ausgeführt werden können, ohne vom Kern der Erfindung abzuweichen. Die vorstehende Beschreibung wird daher als beispielhaft und nicht als beschränkend erachtet. Der Kern der Erfindung, wird im übrigen in den anliegenden Ansprüchen und entsprechenden Äquivalenten definiert.

Beispielsweise kann der Bearbeitungskopf eine Zirkulationsströmungseinrichtung haben, während der Auslaßbereich der Nebenhilfsgasdüse der gleiche ist, wie jener der Haupthilfsgasdüse, wobei eine Zirkulationsströmungsausbildungseinrichtung sowie eine Statikdruckkonvertiereinrichtung vorgesehen sein können, welche die gleichen Wirkungen aufweisen. Viele Arten von Bearbeitungsköpfen und Bearbeitungseinrichtungen können entsprechend dem Werkstück (Materialart, Plattendicke), der Bearbeitungsbedingung für das Ausführen von einer Schneidarbeit sowie der Bearbeitungsweise verwendet werden.

Bearbeitungskopf für eine Laserbearbeitungseinrichtung zum Einstellen der Strömungsgeschwindigkeitsverteilung mit:
einem Nebehilfsgasversorgungseinlaß; einer ringförmigen Trennwand für das Unterteilen der Innenseite der Nebenhilfsgasdüse in Axialrichtung; einer ringförmigen flachen Platte, welche drehbar die Seitenfläche des stromabwärtigen Teils der ringförmigen Trennwand berührt und ein Teil des Gasversorgungseinlasses unterbricht und deren einer Teil eingekerbt ist; zwei Trennplatten, welche an beiden Endabschnitten der ringförmigen flachen Platte befestigt sind, die Innenseite der Nebenhilfsgasdüse stromab der ringförmigen Trennwand unterteilt und mit der ringförmigen flachen Platte rotiert; einer Antriebseinrichtung für das Antreiben der ringförmigen flachen Platte; sowie eine Regeleinrichtung für das Betreiben der Antriebseinrichtung.

Claims (7)

1. Bearbeitungskopf für eine Laserbearbeitungseinrichtung durch den ein Laserstrahl tritt, mit:
einer Haupthilfsgasdüse in einem Mittelbereich des Bearbeitungskopfs zur Zuführung eines Haupthilfsgases; und
zumindest einer ringförmigen Nebenhilfsgasdüse, die die Haupthilfsgasdüse umgibt, wobei ein Strahlauslaß an einem innersten Durchmesser der ringförmigen Nebenhilfsgasdüse nicht kleiner als ein Strahlauslaß der Haupthilfsgasdüse ist, wobei der Gasdruck sowie die Gasströmungsgeschwindigkeit an dem Strahlauslaß kontinuierlich veränderbar ist und die Druckschwankung sowie der Stromschwankungswert der Haupthilfsgasströmung erhöhbar ist; und
Mittel für das Einstellen der Strömungsgeschwindigkeitsverteilung an den Nebenhilfsgasdüsenauslaß.

2. Bearbeitungskopf gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel für das Einstellen der Strömungsgeschwindigkeitsverteilung eine Anzahl von kleinen Räumen hat, die in Radialrichtung durch Trennwände unterteilt sind.

3. Bearbeitungskopf nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das die Mittel zur Einstellung der Strömungsgeschwindigkeitsverteilung eine Anzahl von Gasversorgungseinlässen hat, welche der Anzahl von kleinen Räumen jeweils entspricht.

4. Bearbeitungskopf nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel für das Einstellen der Strömungsgeschwindigkeitsverteilung folgende Bauteile umfassen:
einen Nebenhilfsgasversorgungseinlaß;
eine ringförmige Trennwand für das Unterteilen der Innenseite der Nebenhilfsgasdüse in axialer Richtung;
eine ringförmige flache Platte oder Brett, welche drehbar die Seitenfläche des stromabwärtigen Teils der ringförmigen Trennwand berührt und einen Teil des Gasversorgungseinlasses unterbricht, wobei dessen einer Teil gekerbt ist;
zwei Trennplatten, welche an beiden Endabschnitten der ringförmigen flachen Platte befestigt sind, um die Innenseite der Haupthilfsgasdüse stromab der ringförmigen Trennwand zu unterteilen und mit der ringförmigen flachen Platte zu rotieren;
eine Antriebseinrichtung für das Antreiben der ringförmigen flachen Platte; und
eine Regel- oder Steuereinrichtung für das Betätigen der Antriebseinrichtung.

5. Laserbearbeitungseinrichtung mit einem der Bearbeitungsköpfe gemäß den Ansprüchen 1 bis 4, gekennzeichnet durch
Informationssensoren für das Erfassen der Temperatur der Bearbeitungsoberfläche, der Breite der Schneidnut, oder der Menge an Funken; und
eine Betätigungsregeleinrichtung für das Einstellen der Gasarten, der Strömungsquantität sowie des Drucks des Hilfsgases, welches vom Bearbeitungskopf im Ansprechen auf die Signale von dem Informationssensor gefördert wird.

6. Laserbearbeitungseinrichtung mit einem der Bearbeitungsköpfe gemäß Anspruch 1 bis 4, gekennzeichnet durch
Einrichtungen für das Messen der Werkstückdicke;
eine Betriebsregeleinrichtung für das Einstellen der Strömungsquantität und des Drucks des Hilfsgases, welches vom Bearbeitungskopf im Ansprechen auf das Ausgangssignal der Dickenmeßeinrichtung gefördert wird.

7. Laserbearbeitungseinrichtung mit einem der Bearbeitungsköpfe gemäß den Ansprüche 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Betätigungsregeleinrichtung von einem Programm gesteuert wird.