EP1976658A1 - Laserbearbeitungsdüse - Google Patents

Laserbearbeitungsdüse

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Publication number
EP1976658A1
EP1976658A1 EP06818852A EP06818852A EP1976658A1 EP 1976658 A1 EP1976658 A1 EP 1976658A1 EP 06818852 A EP06818852 A EP 06818852A EP 06818852 A EP06818852 A EP 06818852A EP 1976658 A1 EP1976658 A1 EP 1976658A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
laser processing
component
processing nozzle
nozzle
workpiece
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP06818852A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Nicolai Speker
Florian Sepp
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Trumpf Werkzeugmaschinen SE and Co KG
Original Assignee
Trumpf Werkzeugmaschinen SE and Co KG
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Filing date
Publication date
Family has litigation
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Application filed by Trumpf Werkzeugmaschinen SE and Co KG filed Critical Trumpf Werkzeugmaschinen SE and Co KG
Priority to EP06818852A priority Critical patent/EP1976658A1/de
Publication of EP1976658A1 publication Critical patent/EP1976658A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K26/00—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring
    • B23K26/36—Removing material
    • B23K26/38—Removing material by boring or cutting
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
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    • B23K26/04—Automatically aligning, aiming or focusing the laser beam, e.g. using the back-scattered light
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    • B23K26/1435—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring using a fluid stream, e.g. a jet of gas, in conjunction with the laser beam; Nozzles therefor involving specially adapted flow control means
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    • B23K26/1438—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring using a fluid stream, e.g. a jet of gas, in conjunction with the laser beam; Nozzles therefor involving specially adapted flow control means for directional control
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    • B23K26/14—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring using a fluid stream, e.g. a jet of gas, in conjunction with the laser beam; Nozzles therefor
    • B23K26/1462—Nozzles; Features related to nozzles
    • B23K26/1464—Supply to, or discharge from, nozzles of media, e.g. gas, powder, wire

Definitions

  • the invention relates to a laser processing nozzle for use with a Abstandungsgegeiung.
  • Such a laser processing nozzle has become known, for example, from DE19906442.
  • Known laser processing nozzles are made entirely of an electrically conductive material, since the position of the laser processing head is measured by means of a capacitive Abstandgegeiung on the distance of the laser machining nozzle to the workpiece.
  • the laser processing nozzle is opposite to the rest of the
  • Capacity change and the resulting change in distance are shown in Figure 5b.
  • This principle of distance control can be used reliably for distances of the laser machining nozzle to the workpiece from 0.3 mm to 35 mm.
  • the known distance control works with the known laser processing nozzle due to the greater susceptibility not satisfactorily enough together.
  • the sensor of the distance control determines measured values, which are evaluated by the distance control as a collision of the laser machining nozzle with the workpiece.
  • the distance control operates towards smaller distances in a characteristic range with a larger slope. This means that the distance is controlled much more sensitively at low values, as z. B. at 1.0 mm is the case.
  • a laser processing nozzle of the aforementioned type wherein the laser processing nozzle has a first component used for the distance control and a second component at least partially enveloping the first component, the distance control defined influencing component, wherein the second component via the first component in the longitudinal direction Laser processing nozzle protrudes.
  • the distance control is based, for example, on the change in capacitance between the laser machining nozzle and the workpiece and the second component is made of a dielectric material, the capacitance of the resonant circuit laser processing nozzle is reduced according to the invention.
  • Workpiece by increasing the distance from a comparable capacity of a one-piece metal laser machining nozzle. This has the consequence that disturbances are not evaluated as sensitive and thus the laser machining nozzle is guided more constant over the workpiece (sheet).
  • the backward displacement of the one component (core nozzle) relative to the other component (enveloping gas cap) causes the first component (core nozzle) to be arranged in a distance range in which the known control based on the capacitance measurement can work reliably. In this distance range capacity changes can be well processed and used for control. The susceptibility is low.
  • the laser processing nozzle according to the invention is significantly less susceptible to interference than the known arrangement due to the mechanical and electrical insulation.
  • the fault is further away from the capacitive surface.
  • the sensitivity of the distance control is reduced, and very small distances between the laser processing nozzle and the workpiece can be realized.
  • the invention consists in that the laser processing nozzle has two components (inner part, in particular made of copper, outer part made of a dielectric), the distance control taking place between the inner part and the workpiece.
  • the outer part is located at a small distance from the workpiece ( ⁇ 0.4 mm) during laser processing, so that the positive flow characteristics of the laser processing nozzle are still maintained, while the distance control can operate in a region of lower sensitivity.
  • These flow characteristics are understood to mean the following:
  • the laser processing nozzle may have a cavity arranged in the area of the mouth of the gas supply space of the laser processing nozzle, ie in the area between the dielectric cap and the set back copper nozzle, which is open only in the direction of the workpiece to be machined Opening has a wedge-shaped edge.
  • the effect of this design of the laser processing nozzle according to the invention aims to obtain a greater degree of coverage of the cutting front, without the mouth diameter of the laser processing nozzle must be increased. This avoids that in effect a diffuser arises, which has a lower impulse on the melt.
  • the wedge-shaped edge leads to the formation of a roller flow.
  • the roll flow causes the main gas jet first flows into a volume (storage volume), the pressure of which is increased in relation to the environment.
  • the processing gas thereby achieved in comparison to known laser processing nozzles a higher outflow velocity from the mouth, whereby an improved momentum transfer to the plate or on the cutting front is possible.
  • the friction losses between the main gas jet and the environment are reduced in comparison to known laser processing nozzles.
  • the roll flow also has a supporting effect for the main gas jet in the area above the workpiece. Another support effect is created inside the kerf.
  • the main gas jet dissolves in comparison to known laser processing nozzles only further down from the cutting front. This leads to an improved cutting edge.
  • the cavity is arranged rotationally symmetrical to the mouth of the gas supply space.
  • the processing gas can be very well stowed and flow into the cavity.
  • Figure 1 shows the structure of a laser cutting machine
  • FIG. 2 shows a first longitudinal section of a first laser processing nozzle according to the invention
  • FIGS. 3a, 3b further laser processing nozzles according to the invention.
  • FIGS. 4a, 4b show further laser processing nozzles according to the invention
  • Figures 5a, 5b the principle of the distance control between the laser processing nozzle according to the invention and the workpiece.
  • FIG. 1 shows the construction of a laser processing system 1 for laser cutting with a CO 2 laser 2, a laser processing head 4 (laser processing nozzle 4 a) and a workpiece support 5.
  • a generated laser beam 6 is guided by means of deflection mirrors to the laser processing head 4 and directed by means of mirrors on a workpiece 8.
  • the laser beam 6 Before a continuous kerf is formed, the laser beam 6 must penetrate the workpiece 8.
  • the sheet 8 must be spot-molten or oxidized at one point, and the melt must be blown out.
  • Both piercing and laser cutting are assisted by the addition of a gas.
  • a gas oxygen, nitrogen, compressed air and / or application-specific gases can be used. Which gas is ultimately used depends on which materials are cut and what quality requirements are placed on the workpiece. Resulting particles and gases can be sucked by means of a suction device 10 from a suction chamber 11.
  • the laser processing nozzle 4a is constructed from two components 12 and 13 which are connected to one another.
  • the laser processing nozzle 4a designed as a hole nozzle has a central feed space 14 for the cutting gas and the laser beam.
  • a cylindrical mouth 15 of the hole nozzle 4 a is withdrawn behind a nozzle tip 16 as seen in the flow direction.
  • an annular cavity 17 is provided for receiving cutting gas.
  • the cavity 17 is only to the bottom of the laser processing nozzle 4a, i. towards the workpiece and the mouth 15 out, open and has a circular bottom 18.
  • the storage volume available for the cutting gas thus spreads radially and also beyond the nozzle orifice 15.
  • Arrows (main gas jet 19 and jammed gas jet 19 ') indicate in FIG. 2 the flow of the cutting gas.
  • the laser processing nozzle 4a has a diameter much larger than the mouth 15 itself.
  • the additional storage space provided by means of the cavity 17 is therefore mounted and shaped so that parts of the radially outflowing Gas are recycled via a "roll flow” and encase the cutting gas jet.
  • For the formation of the roll flow is primarily the wedge-shaped tapered edge 18 'at the bottom of the laser processing nozzle 4a responsible. Radial outflowing processing gas is partially deflected from here into the cavity 17 and flows along the inner surfaces 17 'and 17 "of the cavity 17 via the outlet edge 18" back to the main gas jet 19.
  • the wedge-shaped geometry causes the flow separation of the radially outflowing processing gas and, on the other hand, acts as a flow-guiding geometry for the formation of the roll flow.
  • the shape of the cavity 17 and the extent of the cavity 17 to behind the nozzle orifice 15 for the formation of the roll flow are relevant.
  • the cutting distance that is the distance between the nozzle lower edge of the nozzle tip 16 and the sheet surface, must be relatively small ( ⁇ 0.7 mm, the best cutting distance being 0.3 to 0.5 mm) become. If the cutting distance is greater, a pressure cushion is created on the sheet surface, which prevents effective momentum transfer of the processing gas. In addition, it no longer comes to the formation of the roll flow.
  • the inside of the cavity 17, which adjoins the nozzle opening may be inclined outwardly.
  • the deflection of the radially outflowing gas takes place so lossless, the greater the inclination, ie the more acute the angle of inclination.
  • the geometry in the region of the bottom 18 and the subsequent flanks 18 ' can be circular or elliptical.
  • FIGS. 3a and 3b show alternatives to the hole nozzle 4a according to FIG. 1.
  • a laser machining nozzle 20 has a conical mouth 21 (Laval nozzle).
  • a laser processing nozzle 22 has an annular gap 23.
  • FIGS. 4a and 4b show alternatives to the storage volume of the laser processing nozzle 4a according to FIG. 1. As shown in FIGS. 4a and 4b, angular shapes of the cavity in the laser processing nozzles 24 (cavity 25) and 26 (cavity 27) are conceivable in addition to round geometries.
  • FIG. 5a illustrates the use of the laser processing nozzle according to the invention according to FIG. 2 in combination with a distance control, as is known, for example, from DE19906442. The use of the laser processing nozzle according to FIG. 2 described below can be transferred analogously to the laser processing nozzles according to FIGS. 3 a to 4 b.
  • the laser processing nozzle 4a comprises the component 12 as an inner part made of an electrically conductive material (metal) and the component 13 as an outer part made of a dielectric material (plastic or ceramic).
  • the distance control is based on the evaluation of the capacitance between the workpiece 8 and the component 12 of the laser processing nozzle 4a.
  • a sensor of the distance control permanently measures the capacitance between the component 12 and the workpiece 8. This results in a depiction of the change in the distance D between the component 12 and the workpiece 8 by means of the measured capacitance C.
  • the increase in the capacitance C x-axis
  • D y-axis
  • the laser processing nozzle 4a can be used in a distance range (distance E ⁇ 0.3 mm), which is indicated by dashed lines in FIG. 5b.
  • This distance range uses high-power laser cutting nozzles. To work with this small distance range, ie to cut on the one hand with high precision and on the other hand to use a reproducible distance control is possible because the actual required for capacitance measurement component 12 has a greater distance D to the workpiece 8, which allows a reliable capacitance measurement.
  • This component 12 enclosing the distance range.
  • High-power laser processing required component 13 has a smaller distance E to the workpiece 8, which allows a high-power laser processing. Consequently, the laser processing nozzle 4a according to the invention can be used in a small distance range to the workpiece 8.
  • the flow conditions described above can be adjusted while the distance control is optimized at the same time. Trained as Hüllgaskappe component 13 acts mechanically and electrically insulating.
  • this component 13 Due to the dielectric property of the component 13, this component 13 is indeed taken into account in the distance measurement. Due to the material, the contribution is low, constant and predictable.
  • the actual nozzle (component 12) made of copper is set back relative to the component 13 by about 1 mm. At a measured distance of 1 mm, the component 13 completely closes off with the workpiece. There will be a gas injection of almost 100% reached. At a selected distance of 1.3 mm, a distance of 0.3 mm is effectively effected. In this case, the distance control can work in the optimum range. Sporadically occurring plasma igniters hardly affect the distance control.

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Description

B E SC H R E I B U N G
Laserbearbeitungsdüse
Die Erfindung betrifft eine Laserbearbeitungsdüse zur Verwendung mit einer Abstandsregeiung.
Eine derartige Laserbearbeitungsdüse ist beispielsweise durch die DE19906442 bekannt geworden.
Bekannte Laserbearbeitungsdüsen sind komplett aus einem elektrisch leitenden Werkstoff gefertigt, da die Position des Laserbearbeitungskopfes mithilfe einer kapazitiven Abstandsregeiung über den Abstand der Laserbearbeitungsdüse zum Werkstück gemessen wird. Die Laserbearbeitungsdüse ist gegenüber dem Rest der
Laserbearbeitungsmaschine (und damit auch dem Werkstück; meist Blech) elektrisch isolierend (dielektrisch) befestigt. Mithilfe eines Sensors der Abstandsregeiung wird die Kapazität des Systems „Düse-Blech" permanent gemessen. Aus der Vergrößerung der Kapazität wird auf eine Abstandsverringerung geschlossen. Eine Auswertung der
Kapazitätsänderung und die sich daraus ergebende Abstandsänderung sind in Figur 5b dargestellt. Dieses Prinzip der Abstandsregelung kann für Abstände der Laserbearbeitungsdüse zum Werkstück von 0,3 mm bis 35 mm zuverlässig eingesetzt werden. Im Abstandsbereich < 0,4 mm, der für eine Hochleistungsbearbeitung relevant sein kann, arbeitet die bekannte Abstandsregelung mit der bekannten Laserbearbeitungsdüse aufgrund der größeren Störanfälligkeit nicht mehr befriedigend genug zusammen. Der Sensor der Abstandsregelung ermittelt Messwerte, die von der Abstandsregelung als Kollision der Laserbearbeitungsdüse mit dem Werkstück bewertet werden. Hinzu kommt, dass die Abstandsregelung hin zu kleineren Abständen in einem Kennlinienbereich mit größerer Steigung arbeitet. D. h., dass der Abstand bei kleinen Werten deutlich sensitiver geregelt wird, als dies z. B. bei 1,0 mm der Fall ist. Kommt es nun zu einer geringen Störung des elektromagnetischen Feldes, z. B. durch Gasplasma, zieht dies eine sofortige Veränderung des Abstandes mit sich. Diese Nachregelungen sind im optimierten Arbeitsbereich der Abstandsregelung (0,8 mm - 6 mm) ohne Folgen für den Schneidprozess. Bei Sonderprozessen bei geringem Abstand, wie z. B. mithilfe einer Hochleistungsbearbeitungsdüse („Quality Cut Nozzle" : QCN), bewirken diese Auslenkungen, dass der Schmelzaustrieb verschlechtert wird und sich im schlimmsten Fall ein Schnittabriss bzw. eine Kollisionsmeldung einstellt. Gerade in diesem Abstandsbereich ist daher eine geringe Störanfälligkeit zwingend erforderlich. Es soll die Aufgabe gelöst werden, eine Laserbearbeitungsdüse derart weiterzubilden, dass eine Hochleistungsbearbeitung bei einem geringen Abstand zum Werkstück kontrolliert möglich ist.
Diese Aufgabe wird durch eine Laserbearbeitungsdüse der eingangs genannten Art gelöst, wobei die Laserbearbeitungsdüse ein erstes für die Abstandsregelung verwendetes Bauteil und ein zweites das erste Bauteil zumindest teilweise umhüllendes, die Abstandsregelung definiert beeinflussendes Bauteil aufweist, wobei das zweite Bauteil über das erste Bauteil in Längsrichtung der Laserbearbeitungsdüse hinausragt.
Es wird vorgeschlagen, mindestens zwei oder auch drei Bauteile der Laserbearbeitungsdüse unter Einbringung eines Werkstoffs bei einem Bauteil auszubilden, der die Abstandsregelung nur wenig beeinflusst, und eine Kerndüse als weiteres Bauteil gegenüber diesem Bauteil zurückzuversetzen. Dadurch erreicht man, dass die Messwerte von einem größeren Abstand zum Werkstück abhängen als der Abstand, den die gesamte Laserbearbeitungsdüse eigentlich zum Werkstück aufweist. Wenn die Abstandsregelung beispielsweise auf der Kapazitätsänderung zwischen Laserbearbeitungsdüse und Werkstück beruht und das zweite Bauteil aus einem dielektrischen Werkstoff hergestellt ist, so verringert sich erfindungsgemäß die Kapazität des Schwingkreises Laserbearbeitungsdüse- Werkstück durch die Vergrößerung des Abstands gegenüber einer vergleichbaren Kapazität einer einteiligen Laserbearbeitungsdüse aus Metall. Dies hat zur Folge, dass Störungen nicht so sensitiv ausgewertet werden und somit die Laserbearbeitungsdüse konstanter über das Werkstück (Blech) geführt wird.
Die Zurückversetzung des einen Bauteils (Kerndüse) gegenüber dem anderen Bauteil (Hülllgaskappe) bewirkt, dass das erste Bauteil (Kerndüse) in einem Abstandsbereich angeordnet ist, in dem die bekannte Regelung auf der Basis der Kapazitätsmessung zuverlässig arbeiten kann. In diesem Abstandsbereich können Kapazitätsänderungen gut verarbeitet und zur Regelung genutzt werden. Die Störanfälligkeit ist gering.
Da der Sensor der Abstandsregelung durch den dielektrischen Werkstoff kaum beeinflusst wird, lassen sich auch problemlos reale Düsenabstände < 0,3 mm erreichen.
Des Weiteren ist die erfindungsgemäße Laserbearbeitungsdüse aufgrund der mechanischen und elektrischen Isolierung deutlich störungsunempfindlicher als die bekannte Anordnung. Die Störung ist weiter weg von der kapazitiven Fläche. Mithilfe der erfindungsgemäßen Laserbearbeitungsdüse wird die Empfindlichkeit der Abstandsregelung reduziert, und sehr geringe Abstände der Laserbearbeitungsdüse zum Werkstück lassen sich realisieren.
Die Erfindung besteht zusammengefasst darin, dass die Laserbearbeitungsdüse zwei Bauteile (Innenteil insbesondere aus Kupfer, Außenteil aus einem Dielektrikum) aufweist, wobei die Abstandsregelung zwischen dem Innenteil und dem Werkstück stattfindet. Das Außenteil ist während der Laserbearbeitung in einem geringen Abstand zum Werkstück (< 0,4 mm) angeordnet, so dass die positiven Strömungseigenschaften der Laserbearbeitungsdüse weiterhin erhalten bleiben, während die Abstandsregelung in einem Bereich geringerer Sensitivität arbeiten kann. Unter diesen Strömungseigenschaften wird Folgendes verstanden: Die Laserbearbeitungsdüse kann einen im Bereich der Mündung des Gaszuführungsraums der Laserbearbeitungsdüse, d.h. im Bereich zwischen dielektrischer Kappe und zurück gesetzter Kerndüse aus Kupfer, angeordneten Hohlraum aufweisen, welcher nur in Richtung des zu bearbeitenden Werkstücks offen ist, wobei die Öffnung eine keilförmige Kante aufweist. Die Wirkung dieser Ausbildung der erfindungsgemäßen Laserbearbeitungsdüse zielt darauf ab, einen größeren Überdeckungsgrad der Schneidfront zu erhalten, ohne dass der Mündungsdurchmesser der Laserbearbeitungsdüse vergrößert werden muss. Dabei wird vermieden, dass in der Wirkung ein Diffusor entsteht, welcher einen geringeren Impuls auf die Schmelze zur Folge hat. Mithilfe der keilförmigen Kante kommt es zur Ausbildung einer Walzenströmung. Die Walzenströmung führt dazu, dass der Hauptgasstrahl zunächst in ein Volumen (Stauvolumen) einströmt, dessen Druck gegenüber der Umgebung erhöht ist. Das Bearbeitungsgas erreicht dadurch im Vergleich zu bekannten Laserbearbeitungsdüsen eine höhere Ausströmgeschwindigkeit aus der Mündung, wodurch ein verbesserter Impulsübertrag auf das Blech bzw. auf die Schneidfront möglich wird. Durch die gleichgerichteten Geschwindigkeiten im Übergangsbereich zwischen der Walzenströmung und dem Hauptgasstrahl werden die Reibungsverluste zwischen dem Hauptgasstrahl und der Umgebung im Vergleich zu bekannten Laserbearbeitungsdüsen vermindert. Die Walzenströmung hat zudem eine Stützwirkung für den Hauptgasstrahl im Bereich über dem Werkstück. Ein weiterer Stützeffekt entsteht im Inneren des Schnittspalts. Der Hauptgasstrahl löst sich im Vergleich zu bekannten Laserbearbeitungsdüsen erst weiter unten von der Schneidfront. Dies führt zu einer verbesserten Schneidkante.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist der Hohlraum rotationssymmetrisch zur Mündung des Gaszuführungsraums angeordnet.
Durch diese Anordnung ergibt sich eine Ummantelung des Bearbeitungsgasstrahls mit einem Stauvolumen von Bearbeitungsgas. Dies erzeugt eine rotationssymmetrische Überdeckung der Schneidfront.
Wenn die Mündung des Gaszuführungsraums hinter die Düsenspitze der Laserbearbeitungsdüse zurückgezogen ist, kann das Bearbeitungsgas sehr gut gestaut werden und in den Hohlraum einströmen.
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung schematisch dargestellt und werden nachfolgend mit Bezug zu den Figuren der Zeichnung näher erläutert. Es zeigt im Einzelnen :
Figur 1 den Aufbau einer Laserschneidanlage;
Figur 2 eine erste erfindungsgemäße Laserbearbeitungsdüse im Längsschnitt;
Figuren 3a, 3b weitere erfindungsgemäße Laserbearbeitungsdüsen;
Figuren 4a, 4b weitere erfindungsgemäße Laserbearbeitungsdüsen; Figuren 5a, 5b das Prinzip der Abstandsregelung zwischen der erfindungsgemäßen Laserbearbeitungsdüse und dem Werkstück.
Aus der Figur 1 ist der Aufbau einer Laserbearbeitungsanlage 1 zum Laserschneiden mit einem CO2-Laser 2, einem Laserbearbeitungskopf 4 (Laserbearbeitungsdüse 4a) und einer Werkstückauflage 5 ersichtlich. Ein erzeugter Laserstrahl 6 wird mithilfe von Umlenkspiegeln zum Laserbearbeitungskopf 4 geführt und mithilfe von Spiegeln auf ein Werkstück 8 gerichtet.
Bevor eine durchgängige Schnittfuge entsteht, muss der Laserstrahl 6 das Werkstück 8 durchdringen. Das Blech 8 muss an einer Stelle punktförmig geschmolzen oder oxidiert werden, und die Schmelze muss ausgeblasen werden.
Sowohl das Einstechen als auch das Laserschneiden werden durch Hinzufügen eines Gases unterstützt. Als Schneidgase 9 können Sauerstoff, Stickstoff, Druckluft und/oder anwendungsspezifische Gase eingesetzt werden. Welches Gas letztendlich verwendet wird, ist davon abhängig, welche Materialien geschnitten und welche Qualitätsansprüche an das Werkstück gestellt werden. Entstehende Partikel und Gase können mithilfe einer Absaugeinrichtung 10 aus einer Absaugkammer 11 abgesaugt werden.
Gemäß Figur 2 ist die erfindungsgemäße Laserbearbeitungsdüse 4a aus zwei miteinander verbundenen Bauteilen 12 und 13 aufgebaut. Die als Lochdüse ausgebildete Laserbearbeitungsdüse 4a weist einen zentralen Zuführungsraum 14 für das Schneidgas und den Laserstrahl auf.
Eine zylindrische Mündung 15 der Lochdüse 4a ist in Strömungsrichtung gesehen hinter eine Düsenspitze 16 zurückgezogen. Rotationssymmetrisch zur Mündung 15 ist ein ringförmig verlaufender Hohlraum 17 zur Aufnahme von Schneidgas vorgesehen. Der Hohlraum 17 ist nur zur Unterseite der Laserbearbeitungsdüse 4a, d.h. zum Werkstück und zur Mündung 15 hin, offen und weist einen rund ausgebildeten Boden 18 auf. Das für das Schneidgas zur Verfügung stehende Stauvolumen breitet sich somit radial und auch hinter die Düsenmündung 15 hin aus. Pfeile (Hauptgasstrahl 19 und gestauter Gasstrahl 19') deuten in der Figur 2 die Strömung des Schneidgases an. An der Düsenspitze 16 hat die Laserbearbeitungsdüse 4a einen vielfach größeren Durchmesser als die Mündung 15 selbst.
Das zusätzlich mithilfe des Hohlraums 17 angebrachte Stauvolumen ist deshalb so angebracht und ausgeformt, dass Teile des radial abströmenden Gases über eine "Walzenströmung" rückgeführt werden und den Schneidgasstrahl ummanteln. Je näher die Düsenspitze 16 zum zu bearbeitenden Blech angeordnet ist, umso höher wird der Strömungswiderstand und um so wirkungsvoller lässt sich das Staudruckprofil radial ausweiten. Für die Entstehung der Walzenströmung ist in erster Linie die keilförmig zulaufende Kante 18' an der Unterseite der Laserbearbeitungsdüse 4a verantwortlich. Radial abströmendes Bearbeitungsgas wird von hier teilweise in den Hohlraum 17 umgelenkt und strömt entlang der Innenflächen 17' und 17" des Hohlraums 17 über die Auslaufkante 18" zum Hauptgasstrahl 19 zurück. Die keilförmige Geometrie bewirkt einerseits die Strömungsablösung des radial abströmenden Bearbeitungsgases und wirkt andererseits als Strömungsleitgeometrie zur Ausbildung der Walzenströmung. Neben der Kante 18' sind die Form des Hohlraums 17 und die Erstreckung des Hohlraums 17 bis hinter die Düsenmündung 15 für die Ausbildung der Walzenströmung relevant.
Damit die Walzenströmung entsteht, muss außerdem der Schneidabstand, das heißt der Abstand zwischen der Düsenunterkante der Düsenspitze 16 und der Blechoberfläche, verhältnismäßig klein (< 0,7 mm, wobei sich der beste Schneidabstand für 0,3 bis 0,5 mm ergibt) gewählt werden. Ist der Schneidabstand größer, entsteht auf der Blechoberfläche ein Druckpolster, das einen effektiven Impulsübertrag des Bearbeitungsgases verhindert. Außerdem kommt es nicht mehr zur Ausbildung der Walzenströmung.
Dies ergibt einen höheren Überdeckungsgrad der Schneidfront, der sich positiv auf
- Qualität (Schmelzschnitt anstelle Plasmaschnitt im Dickblechbereich, gleichförmige Riefenstruktur);
- Vorschub ( + 10 bis +20%, in Einzelfällen +80 bis +100%); - Plasmaschwelle (Schmelzschnitt im Dickblechbereich);
- Gasverbrauch
auswirkt.
Bei gleichem Mündungsdurchmesser liegt der Schneidgasverbrauch unter den derzeitigen Standardwerten. Erste Untersuchungen lassen erkennen, dass zudem mit kleineren Mündungsdurchmessern geschnitten werden kann, so dass der Schneidgasverbrauch weiter reduziert werden kann.
Für eine zufrieden stellende Funktion der Laserbearbeitungsdüse 4a kann die Innenseite des Hohlraums 17, welche an die Düsenöffnung anschließt, nach außen geneigt sein. Abhängig vom Neigungswinkel, d.h. dem Winkel zwischen der Innenseite 17' und dem Werkstück, erfolgt die Umlenkung des radial abströmenden Gases um so verlustfreier, je größer die Neigung, d.h. je spitzer der Neigungswinkel, ist. Zur bestmöglichen Ausformung der Walzenströmung ist es notwendig, das Stauvolumen hinter die Ebene des Mündungsbereichs zurückzuziehen. Die Geometrie im Bereich des Bodens 18 und der anschließenden Flanken 18' kann dabei kreisrund oder elliptisch ausgebildet sein.
Die Figuren 3a und 3b zeigen Alternativen zur Lochdüse 4a gemäß Figur 1. Wie in Figur 3a gezeigt, besitzt eine Laserbearbeitungsdüse 20 eine konische Mündung 21 (Lavaldüse). Wie in Figur 3b dargestellt, besitzt eine Laserbearbeitungsdüse 22 einen Ringspalt 23. Diese alternativen Ausführungsformen sind mit einem bezüglich der Laserbearbeitungsdüse 4a gemäß Figur 1 unveränderten Stauvolumen kombiniert. Die erfindungsgemäße Funktionsweise bleibt daher erhalten.
Die Figuren 4a und 4b zeigen Alternativen zu dem Stauvolumen der Laserbearbeitungsdüse 4a gemäß Figur 1. Wie in Figur 4a und 4b gezeigt, sind außer runden Geometrien auch eckige Ausbildungen des Hohlraums bei den Laserbearbeitungsdüsen 24 (Hohlraum 25) und 26 (Hohlraum 27) denkbar. Figur 5a veranschaulicht die Verwendung der erfindungsgemäßen Laserbearbeitungsdüse gemäß Figur 2 in Kombination mit einer Abstandsregelung, wie sie beispielsweise aus der DE19906442 bekannt ist. Die nachfolgend beschriebene Verwendung der Laserbearbeitungsdüse gemäß Figur 2 ist analog übertragbar auf die Laserbearbeitungsdüsen gemäß den Figuren 3a bis 4b. Die Laserbearbeitungsdüse 4a umfasst das Bauteil 12 als Innenteil aus einem elektrisch leitenden Werkstoff (Metall) und das Bauteil 13 als Außenteil aus einem dielektrischen Werkstoff (Kunststoff oder Keramik). Der Abstandsregelung liegt die Auswertung der Kapazität zwischen dem Werkstück 8 und dem Bauteil 12 der Laserbearbeitungsdüse 4a zugrunde. Ein Sensor der Abstandsregelung misst permanent die Kapazität zwischen dem Bauteil 12 und dem Werkstück 8. Es ergibt sich daraus eine Darstellbarkeit der Änderung des Abstands D zwischen dem Bauteil 12 und dem Werkstück 8 mithilfe der gemessenen Kapazität C. Wie in Figur 5b schematisch dargestellt ist, kann die Zunahme der Kapazität C (x-Achse) als Maß für die Zunahme des Abstands D (y- Achse) herangezogen werden. Bei großer Entfernung der Laserbearbeitungsdüse 4a misst man eine geringere Kapazität C als bei einer geringen Entfernung. Aufgrund der Herstellung des Bauteils 13 aus einem dielektrischen Werkstoff kann die erfindungsgemäße Laserbearbeitungsdüse 4a in einem Abstandbereich (Abstand E < 0,3 mm) eingesetzt werden, der in der Figur 5b gestrichelt gekennzeichnet ist. In diesem Abstandsbereich werden Hochleistungslaserschneiddüsen eingesetzt. Bei diesem geringen Abstandbereich zu arbeiten, d.h. einerseits mit hoher Präzision zu schneiden und andererseits eine reproduzierbare Abstandsregelung zu verwenden, ist deshalb möglich, weil das eigentliche zur Kapazitätsmessung benötigte Bauteil 12 einen größeren Abstand D zum Werkstück 8 aufweist, der eine zuverlässige Kapazitätsmessung ermöglicht. Das weitere dieses Bauteil 12 umhüllende zur
Hochleistungslaserbearbeitung benötigte Bauteil 13 besitzt einen geringeren Abstand E zum Werkstück 8, der eine Hochleistungslaserbearbeitung ermöglicht. Folglich kann die erfindungsgemäße Laserbearbeitungsdüse 4a in einem geringen Abstandsbereich zum Werkstück 8 eingesetzt werden. Es lassen sich die oben beschriebenen Strömungsverhältnisse einstellen, während gleichzeitig die Abstandsregelung optimiert wird. Das als Hüllgaskappe ausgebildete Bauteil 13 wirkt mechanisch und elektrisch isolierend.
Durch die dielektrische Eigenschaft des Bauteils 13 wird dieses Bauteil 13 bei der Abstandsmessung zwar berücksichtigt. Aufgrund des Materials ist der Beitrag gering, konstant und berechenbar. Die eigentliche Düse (Bauteil 12) aus Kupfer ist gegenüber dem Bauteil 13 ca. 1 mm zurückversetzt. Bei einem gemessenen Abstand von 1 mm schließt das Bauteil 13 mit dem Werkstück komplett ab. Es wird eine Gaseinkopplung von nahezu 100% erreicht. Bei einem gewählten Abstand von 1,3 mm wird effektiv ein Abstand von 0,3 mm bewirkt. In diesem Fall kann die Abstandsregelung im optimalen Bereich arbeiten. Sporadisch auftretende Plasmazünder beeinflussen die Abstandsregelung kaum.

Claims

P AT E N TA N S P R Ü C H E
1. Laserbearbeitungsdüse (4a; 20; 22; 24; 26) zur Verwendung mit einer kapazitiven Abstandsregelung zwischen der Laserbearbeitungsdüse und dem Werkstück (8), dadurch gekennzeichnet, dass die Laserbearbeitungsdüse (4a; 20; 22; 24; 26) ein erstes für die Abstandsregelung verwendetes Bauteil (12) und ein zweites das erste Bauteil (12) zumindest teilweise umhüllendes, die Abstandsregelung definiert beeinflussendes Bauteil (13) aufweist, wobei das zweite Bauteil (13) über das erste
Bauteil (12) in Längsrichtung der Laserbearbeitungsdüse (4a; 20; 22; 24; 26) hinausragt.
2. Laserbearbeitungsdüse nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Bauteil (13) als Kappe ausgebildet ist.
3. Laserbearbeitungsdüse nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Bauteil (12) aus einem elektrisch leitenden Werkstoff und das zweite Bauteil (13) aus einem dielektrischen Werkstoff hergestellt ist.
4. Laserbearbeitungsdüse nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Bauteil (12) aus Metall ist.
5. Laserbearbeitungsdüse einen der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Bauteil (13) aus Kunststoff ist.
6. Laserbearbeitungsdüse nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zweite Bauteil (13) aus
Keramik ist.
7. Laserbearbeitungsdüse nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Bauteil (13) aus einem hochtemperaturbeständigen Werkstoff gefertigt ist.
8. Laserbearbeitungsdüse nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Bauteil (13) aus einem UV/Infrarot-beständigen Werkstoff hergestellt ist.
9. Laserbearbeitungsdüse nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Laserbearbeitungsdüse einen im Bereich der Mündung des Gaszuführungsraums der Laserbearbeitungsdüse, d.h. im Bereich zwischen dielektrischem Bauteil und zurück gesetztem Bauteil, angeordneten Hohlraum aufweist, welcher nur in Richtung des zu bearbeitenden Werkstücks offen ist, wobei die Öffnung eine keilförmige Kante aufweist.
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