EP4688323A1 - Düse für eine laserschneideinrichtung sowie verfahren zum laserschneiden eines werkstücks - Google Patents

Düse für eine laserschneideinrichtung sowie verfahren zum laserschneiden eines werkstücks

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Publication number
EP4688323A1
EP4688323A1 EP24712034.8A EP24712034A EP4688323A1 EP 4688323 A1 EP4688323 A1 EP 4688323A1 EP 24712034 A EP24712034 A EP 24712034A EP 4688323 A1 EP4688323 A1 EP 4688323A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
nozzle
cooling
cooling fluid
laser beam
channel
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
EP24712034.8A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Manuel Huber
Tobias Kaiser
Jenny Domaschke
Alexander Huber
Tobias Kluehspies
Daniel Mock
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
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Trumpf Werkzeugmaschinen SE and Co KG filed Critical Trumpf Werkzeugmaschinen SE and Co KG
Publication of EP4688323A1 publication Critical patent/EP4688323A1/de
Pending legal-status Critical Current

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    • B23K26/00—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring
    • 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
    • B23K26/1476—Features inside the nozzle for feeding the fluid stream through the nozzle
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
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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
    • 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
    • B23K26/1482—Detachable nozzles, e.g. exchangeable or provided with breakaway lines
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    • B23K26/00—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring
    • B23K26/36—Removing material
    • B23K26/38—Removing material by boring or cutting

Definitions

  • the invention relates to a nozzle for a laser cutting device and two methods for laser cutting a workpiece.
  • a cutting nozzle is sometimes illuminated very widely by a laser beam. This can cause the cutting nozzle to heat up considerably, which can lead to the melting of a very narrow nozzle cross-section and can also have a negative effect on the accuracy of capacitive distance control. This is to be counteracted by actively cooling the cutting nozzle by keeping the nozzle temperature constant.
  • a nozzle that is cooled with a cooling fluid is known, for example, from EP 3 925 726 A1, CN 210 524 185 U and JP 2014 136 233 A.
  • the object of the present invention is to provide a solution which enables particularly good cooling of a nozzle for a laser cutting device.
  • the invention relates to a nozzle for a laser cutting device, whereby the nozzle can also be referred to as a cutting nozzle.
  • the laser cutting device is designed to provide a laser beam by means of which a workpiece can be cut.
  • the nozzle comprises a nozzle channel which extends in particular through a nozzle base body of the nozzle.
  • the nozzle channel opens into the environment via a nozzle outlet opening.
  • the nozzle channel can be connected to the provided
  • the laser beam is emitted from the nozzle in one direction via the nozzle outlet opening.
  • the laser beam can be directed at the workpiece to be cut using the nozzle.
  • the nozzle comprises at least one cooling channel.
  • a cooling fluid can flow through this cooling channel.
  • the cooling fluid can in particular be water or a gas, such as air.
  • the nozzle can in particular be cooled both by means of the cutting gas flowing in the nozzle channel and by means of the cooling fluid flowing in the at least one cooling channel.
  • the cooling channel has an inflow region, an adjoining deflection region and an outflow region adjoining the deflection region.
  • the deflection region is arranged downstream of the inflow region in the flow direction of the cooling fluid through the cooling channel and the outflow region is arranged downstream of the deflection region. Cooling fluid flowing in the cooling channel is guided at least partially in the direction of emission in the inflow region, deflected in the deflection region and then guided into the outflow region. This means that in the deflection region, by deflecting the cooling fluid, a flow direction of the cooling fluid is changed in relation to the nozzle channel or the laser beam radiating through the nozzle channel.
  • the inflow region of the cooling channel runs radially next to the nozzle channel starting from a central axis of the nozzle channel, whereby the nozzle can be cooled in a particularly large length region running in the axial direction of the nozzle, in which the inflow region of the cooling channel extends.
  • the at least one cooling channel thus covers the nozzle channel at least in regions and at least in one length section radially outwards.
  • the flow direction of the cooling fluid in the inflow area forms an acute angle with the direction of emission of the laser beam.
  • the flow direction of the cooling fluid is deflected in particular by an angle of more than 90°.
  • the cooling channel in the deflection area is designed at a particularly acute angle with respect to its longitudinal extension.
  • the cooling fluid in the the cooling fluid guided through the cooling channel can flow out of the cooling channel.
  • the cooling fluid flows out of the outflow area via an outflow opening with a flow direction that forms an angle of > 90° with the direction of emission of the laser beam from the nozzle outlet opening. This can prevent the cooling fluid flowing in the cooling channel from hitting the laser's impact point on the workpiece to be cut and thus influencing the cutting process.
  • the risk of the cooling fluid mixing with the cutting gas can be kept particularly low.
  • the nozzle is further provided with a collar which, when installed as intended, is placed on a cutting head of the laser cutting device.
  • the collar is arranged on the nozzle in particular on a side opposite the nozzle outlet opening in the axial direction.
  • the collar can be designed in particular as a flange and provides a front side of the nozzle facing the cutting head in the installed position.
  • the at least one cooling channel can be supplied with cooling fluid in the installed position by the cutting head via the collar resting on the cutting head.
  • the cooling channel can be aligned with its inflow area towards the cutting head, in particular with an inflow opening of the cooling channel, via which the inflow area opens into the environment.
  • the collar serves in particular as a stop, whereby a position of the nozzle in the axial direction relative to the cutting head is precisely specified.
  • the collar or the entire front surface of the nozzle also serves as a point of heat transfer from the nozzle to potentially cooled components of the cutting head. In this way, the nozzle can be cooled in addition to air cooling when the laser power is particularly high.
  • the cooling channel By deflecting the cooling fluid in the deflection area of the cooling channel, the cooling channel has a particularly large axial length in the nozzle, which in turn allows a particularly large heat exchange surface to be achieved between the cooling fluid and the nozzle. As a result of this particularly large heat exchange surface, the nozzle can be cooled particularly efficiently using the cooling fluid. In addition, it is possible to set the temperature of the nozzle particularly precisely using the cooling fluid flowing in the cooling channel. In a possible development of the invention, it is provided that the nozzle comprises a plurality of cooling channels distributed around a central axis of the nozzle, which are completely separated from one another over their entire length.
  • the respective cooling channels cover the nozzle channel of the nozzle at least in regions and at least in an axial length section in the radial outward direction.
  • the plurality of cooling channels are separated from one another over their entire length, so that mixing of the cooling fluid does not occur as long as it flows in the respective cooling channels.
  • the plurality of cooling channels can be arranged evenly distributed over the circumference of the nozzle for particularly uniform cooling of the nozzle.
  • the respective cooling channels can be arranged and designed point-symmetrically to one another. Because the cooling channels are completely separated from one another over their entire length, the respective partial flows of cooling fluid flowing in the cooling channels can be adjusted particularly precisely and guided through the base body of the nozzle.
  • the outflow region of the at least one cooling channel runs in such a way that cooling fluid flowing in the outflow region of the cooling channel is guided at least partially against the direction of emission.
  • the cooling fluid flows out of the outflow opening arranged at one end of the outflow region in a flow direction, this flow direction enclosing an obtuse angle with the direction of emission.
  • the collar has a circumferential annular groove, whereby cooling fluid can flow from the cutting head into the annular groove when installed as intended.
  • the collar has the annular groove on a front face which, in the installed position, rests against the cutting head.
  • the circumferential annular groove is to be understood as running around the central axis of the nozzle, in particular around the nozzle channel.
  • the at least one cooling channel opens into the annular groove with one end, whereby the cooling fluid from the Ring groove can flow into the inflow area of the cooling channel.
  • the ring groove is used to distribute the cooling fluid to all of the nozzle's cooling channels, since all of the cooling channels open into the ring groove with their respective inflow areas.
  • the ring groove thus enables the cooling fluid received by the cutting head to be evenly distributed to all of the nozzle's cooling channels.
  • the ring-shaped design of this ring groove enables the cooling fluid to be distributed particularly quickly and evenly to the cooling channels.
  • the nozzle can be designed without a ring groove on the collar, particularly if the cutting head has a circumferential ring groove which is designed to distribute the cooling fluid to the cooling channels when the collar of the nozzle rests against the cutting head.
  • a length of the at least one cooling channel is at least 30%, in particular at least 50%, in particular at least 100% of the length of the nozzle from the collar to the nozzle outlet opening.
  • the length of the at least one cooling channel can be up to approximately 200% of the length of the nozzle from the collar to the nozzle outlet opening.
  • the inflow area can extend from the collar to a tip of the nozzle having the nozzle outlet opening, the deflection area in the tip of the nozzle and the outflow area from the tip of the nozzle to the collar. The longer the at least one cooling channel is, the larger a heat exchange surface over which heat can be exchanged between the cooling fluid and the nozzle.
  • the length of the nozzle runs from the collar to the nozzle outlet opening. The length corresponds to an axial distance between the nozzle outlet opening and the collar of the nozzle.
  • the at least one cooling channel has a fluid guide structure by means of which a flow property of the cooling fluid can be adjusted when flowing through the cooling channel.
  • the fluid guide structure is arranged in the interior of the at least one cooling channel.
  • the fluid guide structure can be arranged on an inner wall of the cooling channel that delimits the cooling channel.
  • a degree of turbulence of the flow can be adjusted between a laminar flow and a turbulent flow.
  • the fluid guide structure is designed to increase a degree of turbulence of the cooling fluid in the cooling channel, since with increasing turbulence of the cooling fluid, an improved heat transfer from the nozzle to the cooling fluid can be achieved.
  • the inflow area and the outflow area are provided by respective bores. This means that when the nozzle is manufactured, a first bore providing the inflow area is introduced into the nozzle base body and a second bore providing the outflow area is introduced into the nozzle base body.
  • the at least one cooling channel is thus provided by making the bores in the nozzle base body. The at least one cooling channel can thus be introduced into the nozzle particularly easily.
  • the nozzle base body is made solid in a partial area adjacent to the nozzle outlet opening, so that the cooling channel or the cooling channels do not extend into this area of the nozzle base body.
  • the deflection area of the cooling channel or the cooling channels is arranged above the solid partial area of the nozzle base body in the direction of emission of the laser beam.
  • the nozzle can be made slim in the area of the nozzle outlet opening so that it has a small external interference contour, for example with regard to collisions with tilted cut workpiece parts.
  • the nozzle is also sufficiently stable due to the solid partial area in the event of collisions.
  • the length of the solid partial area in the longitudinal direction of the nozzle is at least 5 mm.
  • the length of the solid section in the longitudinal direction of the nozzle is a maximum of 30%, preferably a maximum of 25% of the total length of the nozzle.
  • the wall thickness of the solid section is never less than 2.5 mm. The wall thickness of the nozzle in the solid section is thus also sufficiently large to enable heat to be dissipated along the nozzle wall in the direction of the cooling channels.
  • the nozzle channel extending through the nozzle body adjacent to the nozzle outlet opening is cylindrical and in particular has a diameter between 0.7 mm and 2.0 mm, preferably between 1.4 mm and 2.0 mm.
  • the nozzle channel forms a parallel-walled reflection section for the laser beam adjacent to the nozzle outlet opening. If the focal point of a laser beam passing through the nozzle is inside or far below the nozzle, edge areas of the laser beam can be reflected on the inner wall of the nozzle base body as it passes through the reflection section. In comparison to a conical nozzle inner contour, the absorption of the laser radiation and thus the heating of the nozzle can be reduced in this way.
  • the length of the reflection section in the direction of the nozzle's longitudinal axis is preferably at least 2 mm and in particular between 3 mm and 4 mm and is thus large enough to achieve these advantageous effects. If the nozzle channel has a circular cross-section in the reflection section, this advantageously improves the reflection properties in this area of the nozzle.
  • the cylindrical reflection section of the nozzle channel is particularly preferably arranged within the solid part of the nozzle.
  • the invention further relates to a first method for laser cutting a workpiece, in which a laser beam is directed onto the workpiece to be cut by means of a laser cutting device.
  • the laser cutting device comprises a nozzle as has already been described in connection with the nozzle according to the invention. Cooling fluid can be guided to the nozzle by means of a cutting head of the laser cutting device, whereby the cooling fluid can flow through at least one cooling channel of the nozzle during laser cutting of the workpiece. As a result, the nozzle is cooled by means of the cooling fluid flowing in the at least one cooling channel during laser cutting of the workpiece. In this way, overheating of the nozzle, in particular local overheating, can be particularly well avoided and, as a result, a particularly high cutting quality of a cut of the workpiece made by means of the laser cutting device can be achieved.
  • the invention further relates to a second method for laser cutting a workpiece, in which a laser beam is directed onto the workpiece to be cut by means of a laser cutting device.
  • the laser cutting device comprises a nozzle with a nozzle channel which opens into the environment via a nozzle outlet opening.
  • the nozzle channel can be irradiated by a laser beam, wherein the laser beam radiates out of the nozzle in a radiation direction via the nozzle outlet opening.
  • the nozzle is cooled directly and/or indirectly by means of both cutting gas and a cooling fluid.
  • the cutting gas can flow through the nozzle channel and flow out of the nozzle via the nozzle outlet opening, in particular onto the workpiece to be cut.
  • the cooling fluid is by means of the laser cutting device, in particular by means of a cutting head, to the nozzle.
  • the laser cutting device provides the laser beam with a laser power of at least 6 kW.
  • the cutting gas has a cutting pressure of less than 3 bar, in particular less than 1.5 bar.
  • a distance of a focal plane of the laser beam to the nozzle outlet opening of the nozzle is at least 4 mm, in particular at least 8 mm.
  • the nozzle outlet opening can also be referred to as the nozzle mouth.
  • the laser cutting device provides the laser beam with a particularly high power, whereby a particularly large amount of heat can develop in the nozzle when the laser beam comes into contact with the nozzle.
  • the cutting gas has a particularly low pressure in the method, it may be that the cooling effect of the cutting gas alone is not sufficient for the nozzle given the high heat input.
  • the distance between the focal plane of the laser beam and the nozzle outlet opening of the nozzle is at least 4 mm, in particular at least 8 mm, it may happen that respective edge areas of the laser beam hit a wall delimiting the nozzle channel of the nozzle, whereby heat is introduced into the nozzle.
  • the heat input into the nozzle can be increased by other factors, such as reflection of the laser beam on the workpiece to be cut and absorption of reflected laser beams by the nozzle. Because the nozzle is additionally cooled directly and/or indirectly using the cooling fluid as part of this process, overheating of the nozzle, in particular local overheating of the nozzle, can be particularly well avoided. As a result, local melting of the nozzle can be particularly well avoided. In addition, a particularly high level of accuracy of capacitive distance control between the laser cutting device and the workpiece can be ensured.
  • a further development of the invention can provide that a laser beam diameter within which 86% of the laser beam power is collected is at least 70%, in particular at least 80%, in particular at least 90% of a narrowest inner diameter of the nozzle and thus of the narrowest inner diameter of the nozzle channel.
  • the larger the laser beam diameter of the laser beam within which 86% of the laser beam power is collected the larger the outer portion of the circumference of the laser beam which comes into contact with the wall of the nozzle delimiting the nozzle channel and in particular is reflected by this is absorbed.
  • the laser beam diameter of the laser beam within which 86% of the laser beam power is collected is also referred to below as the 86% laser beam diameter.
  • the laser cutting device has a nozzle as has already been described in connection with the nozzle according to the invention for a laser cutting device. Due to the geometry of the at least one cooling channel, the nozzle can thus be cooled particularly efficiently by means of the cooling fluid flowing through the at least one cooling channel, whereby overheating of the nozzle can be particularly reliably avoided.
  • Fig. 1 is a schematic sectional view of a nozzle for a laser cutting device in a first embodiment
  • FIG. 2 is a schematic sectional view of the nozzle for the laser cutting device in a second embodiment.
  • Figures 1 and 2 show a respective nozzle 10 for a laser cutting device in different embodiments.
  • the nozzle 10 is designed to be attached to a nozzle holder of a cutting head of the laser cutting device.
  • the nozzle 10 comprises a nozzle base body 12 through which a nozzle channel 14 extends.
  • This nozzle channel 14 is irradiated by a laser beam in an emission direction 16 when the laser cutting device is in operation.
  • the emission direction 16 coincides with a central axis 18 of the nozzle channel 14.
  • the central axis 18 of the nozzle channel 14 is simultaneously the central axis of the entire nozzle 10.
  • the entire nozzle 10 is in particular rotationally symmetrical.
  • An axial direction 20 of the nozzle 10 coincides with a longitudinal extension direction of the central axis 18.
  • the radial direction of the nozzle 10 is perpendicular to the axial direction 20 and a circumferential direction of the nozzle 10 runs circularly in the axial direction 20.
  • the nozzle channel 14 opens into the environment via a nozzle outlet opening 22.
  • the laser beam can radiate out of the nozzle channel 14 in the radiation direction 16 via the nozzle outlet opening 22, in particular onto the workpiece to be cut using the laser cutting device.
  • a cutting gas can flow through the nozzle channel 14, which can also flow out of the nozzle channel 14 via the nozzle outlet opening 22.
  • the nozzle 10 With an end 24 opposite the nozzle outlet opening 22 in the axial direction 20, the nozzle 10 can be attached to the cutting head when used as intended.
  • the nozzle 10 has a nozzle 26 at the end 24, which can be inserted into an opening in the cutting head.
  • the nozzle 10 also has a collar 28, which rests on the cutting head when the nozzle 26 is inserted into the opening in the cutting head. The collar 28 thus provides an axial stop for the nozzle 10. By means of the collar 28, the nozzle 10 can thus be fixed in its position in the axial direction 20 relative to the cutting head.
  • nozzles 10 with different diameters of the nozzle channel 14 can be used. There can be process windows in which the laser beam within the nozzle 10 with its 86% laser beam diameter reaches a similar or larger diameter than the nozzle channel 14.
  • the 86% laser beam diameter characterizes a region of the diameter of the laser beam which has the central axis of the laser beam as its center and in which 86% of the power of the laser beam is concentrated. This means that outside the 86% laser beam diameter, a ring runs around this 86% laser beam diameter, which comprises 14% of the power of the laser beam.
  • a portion of the laser power transported by the laser beam can be absorbed by a wall in the nozzle 10 that delimits the nozzle channel 14.
  • the nozzle base body 12 absorbs a portion of the laser power of the laser beam.
  • the nozzle base body 12 heats up. This can have a negative impact on the quality of a cut of the workpiece carried out by means of the laser cutting device.
  • the laser cutting device provides the laser beam with a laser power of at least 6 kW and/or the cutting gas has a cutting gas pressure of less than 3 bar, in particular less than 1.5 bar and thus the nozzle 10 cannot be sufficiently cooled by means of the cutting gas, and a distance of a focal plane of the laser beam to the nozzle outlet opening 22 is at least 4 mm, in particular at least 8 mm and thus the cross-section of the nozzle channel 14 is illuminated by the laser beam over a particularly large area, since the 86% laser beam diameter covers a particularly large portion of the cross-section of the nozzle channel 14, the nozzle base body 12 can heat up considerably.
  • the nozzle 10 comprises at least one, in particular several cooling channels 30.
  • the nozzle 10 in both embodiments shown in the figures comprises a plurality of cooling channels 30 which are arranged around the circumference of the nozzle 10 around the nozzle channel 14.
  • the respective cooling channels 30 adjacent in the circumferential direction are at the same distance from one another.
  • the cooling channels 30 are arranged evenly distributed over the circumference of the nozzle 10.
  • the respective cooling channels 30 are designed to have a cooling fluid flow through them, wherein heat is absorbed by the cooling fluid from the nozzle base body 12, whereby the nozzle 10 is cooled.
  • a gas in particular air, is used as the cooling fluid.
  • the plurality of cooling channels 30 are separated from one another over their entire length.
  • Each of the cooling channels 30 comprises an inflow region 32, a deflection region 34 and an outflow region 36.
  • the cooling fluid first flows through the inflow region 32, is then deflected in the deflection region 34 and then flows through the outflow region 36.
  • the cooling fluid flows into the cooling channel 30 via the inflow region 32 and flows out of the cooling channel 30 via the outflow region 36.
  • the respective cooling channels 30 can, as shown in the first embodiment in Fig. 1, open directly into the environment at the collar 28.
  • the collar 28 can, as shown in the second embodiment in Fig.
  • the cooling fluid has a first flow direction 40.
  • the cooling fluid has a second flow direction 42.
  • the cooling fluid has the first flow direction 40 at least in the region of an inflow opening through which the cooling fluid flows into the inflow region 32 of the respective cooling channel 30, and/or the cooling fluid has the second flow direction 42 at least in the region of an outflow opening through which the cooling fluid flows out of the outflow region 36 of the respective cooling channel 30 into the surroundings of the nozzle 10.
  • the first flow direction 40 has an axial direction component which is greater than 0 and coincides with the jet direction 16. This means that the component of the first flow direction 40 running in the axial direction 20 coincides with the jet direction 16.
  • the first flow direction 40 and the jet direction 16 together form an acute angle a and thus an angle of less than 90°.
  • the second flow direction 42 may not have a directional component running in the axial direction 20 and thus may form an angle ß of approximately 90° with the jet direction 16.
  • the second flow direction 42 as shown in Fig. 2, may have a directional component running in the axial direction 20 which runs counter to the jet direction 16. This means that the second
  • Flow direction 42 forms an angle ß greater than 90° and thus an obtuse angle with the jet direction 16.
  • the cooling fluid flowing out of the respective outflow openings of the cooling channels 30 is particularly well separated from the The cutting gas flowing out of the nozzle outlet opening 22 is guided away, whereby the risk of the cooling fluid mixing with the cutting gas can be kept particularly low. The risk of the cooling fluid influencing the cut made on the workpiece by the laser cutting device can thus be kept particularly low.
  • the cooling fluid is sharply deflected in the deflection region 34. This means that the first flow direction 40 and the second flow direction 42 together enclose an angle y of more than 90° and thus an obtuse angle. If the outflow region 36 of the respective cooling channels 30 runs in such a way that cooling fluid flowing in the outflow region 36 is guided at least partially against the jet direction 16, as shown in Fig. 2, then in a length region 44 of the nozzle 10 running in the axial direction 20, the cooling fluid is first guided in the first flow direction 40 through the inflow region 32 and then in the second flow direction 42 through the outflow region 36. The cooling fluid therefore flows through the length region 44 twice via each of the cooling channels 30.
  • the nozzle 10 can be cooled particularly well.
  • This double routing of the at least one cooling channel 30 in the length region 44 means that the cooling channel 30 can have a particularly great length. Depending on the design of the cooling channel 30, this can have a length of at least 30%, in particular at least 50%, in particular at least 100%, in particular of up to 200% of the length of the nozzle 10 from the collar 28 to the nozzle outlet opening 22, this length being marked L in Fig. 2.
  • the respective inflow areas 32 can be provided by a first bore and the respective outflow areas 36 can be provided by a second bore, with the deflection area 34 resulting from the first bore and the second bore meeting one another.
  • the respective cooling channels 30 can be introduced into the nozzle base body 12 particularly easily.
  • At least one fluid guide structure is arranged in the respective cooling channels 30.
  • a flow property of the cooling fluid can be adjusted when flowing through the cooling channel 30 while the cooling fluid flows along the fluid guide structure.
  • a laser beam can thus be directed at the workpiece to be cut using a laser cutting device, the laser cutting device having the nozzle 10 described in connection with Figures 1 and 2.
  • the workpiece can be cut using a laser cutting device which has a different nozzle to the nozzle 10.
  • the laser beam is directed at the workpiece to be cut using the laser cutting device.
  • the nozzle 10 of the laser cutting device can be cooled directly and/or indirectly using both cutting gas and the cooling fluid.
  • the cooling fluid can be guided to the nozzle 10 using the laser cutting device, in particular using the cutting head.
  • the laser cutting device provides the laser beam with a laser power of at least 6 kW.
  • the cutting gas has a cutting gas pressure of less than 3 bar, in particular less than 1.5 bar.
  • a distance of a focal plane of the laser beam to the nozzle outlet opening 22 of the nozzle 10 is at least 4 mm, in particular at least 8 mm.
  • an 86% laser beam diameter of the laser beam provided by the laser cutting device can be at least 70%, in particular at least 80%, in particular at least 90% of a narrowest inner diameter of the nozzle 10.
  • the nozzle 10 is a cutting nozzle for a laser cutting device that is suitable for use with high laser power and a large illumination of the diameter of the nozzle channel 14 by the laser beam.
  • the large illumination means that the laser beam has a similar beam diameter to the diameter of the nozzle channel 14.
  • This nozzle 10 can be used in particular when cutting is to be carried out with high focus positions, in particular with a focus within the nozzle 10, or particularly low focus positions, a large beam diameter and/or laser radiation with a high divergence.
  • Metallic workpieces in particular can be cut using the laser cutting device.
  • the laser beam in the nozzle 10 grazes apertures, particularly since the laser beam usually has a Gaussian-like power distribution in the radial direction and thus power components of the laser beam are located at a greater distance from the beam axis. Especially when radiating through the nozzle 10, the laser beam can graze the inner contour of the nozzle 10.
  • Blocking out edge radiation to areas of the laser beam can be advantageous for a cutting process, but can lead to heating of the nozzle 10 at a high laser power. This heating can have a negative effect on achievable cutting edge qualities. It is therefore provided that the cooling fluid, for example nitrogen, gas or a gas-water mixture, flows through the nozzle 10 via the cooling channels 30.
  • the cooling fluid for example nitrogen, gas or a gas-water mixture
  • the nozzle 10 described in connection with the figures enables particularly good cooling of the nozzle 10, whereby heating of the nozzle 10 can be reduced and a particularly high cutting quality can be achieved when cutting with high laser power and high or low focus position.
  • the nozzle 10 is designed in such a way that the cooling fluid, in particular a cooling gas or a cooling gas-water mixture, flows through through-flow holes distributed radially in the nozzle base body 12 and flows out of the nozzle 10 through adjoining outlet holes.
  • the respective inflow areas 32 of the cooling channels 30 are provided by the through-flow holes and the respective outflow areas 36 of the cooling channels 30 are provided by the outlet holes.
  • the outlet holes are arranged at a different angle to the central axis 18 of the nozzle 10 than the through-flow holes, so that the cooling fluid is diverted at a connection point between a through-flow hole and an outlet hole connected to this through-flow hole. In this way, the cooling fluid travels a particularly long path through the nozzle 10, so that a particularly high cooling effect can be achieved.
  • the respective outflow areas 36 of cooling channels 30 in the second embodiment shown in Fig. 2 guide the cooling fluid at least partially against the direction of emission 16, it can be achieved that cooling fluid flowing out of the cooling channels 30 does not interact with the cutting gas.
  • the cooling fluid is thus kept away from a process zone and thus does not interfere with a cutting process or does so very little.
  • the respective outflow areas 36 are designed in such a way that the second flow direction 42 causes the cooling fluid flowing out of the respective cooling channels 30 to flow upwards along an outer surface of the nozzle in order to exert a cooling effect on the nozzle 10 in this way.
  • the laser beam is directed downwards
  • the second flow direction 42 and the jet direction 16 can enclose an angle of at least 105°, in particular an angle between 120° and 150°.
  • cooling channels 30 are arranged radially around the central axis 18 of the nozzle 10 in the nozzle base body 12.
  • a cylindrical section 46 Adjacent to the nozzle outlet opening 22, a cylindrical section 46 is arranged inside the nozzle 10 as shown in Figures 1 and 2 as part of the nozzle channel 14.
  • the cylindrical section 46 has a length of at least 2 mm, in particular between 3 mm and 4 mm.
  • the cylindrical section 46 acts as a reflection section for the laser beam, so that edge regions of the laser beam, which within the cylindrical section 46 with its 86% laser beam diameter reaches a similar or larger diameter than the nozzle channel 14, can be reflected on the inner wall of the nozzle base body 12.
  • the cylindrical section 46 is arranged in a solid partial region 47 of the nozzle base body 12, into which the cooling channels 30 do not extend.
  • the deflection region 34 of the cooling channels 30 is therefore arranged above the solid partial region 47 in the longitudinal direction of the nozzle 10.
  • the length L1 of the solid partial area 47 in the longitudinal direction of the nozzle 10 is at least 5 mm, in particular at least 7 mm, but not more than 30%, preferably not more than 25% of the total length of the nozzle 10.
  • the wall thickness of the solid partial area 47 does not fall below a value of 2.5 mm at any point. In this way, sufficient heat dissipation from the reflection section 46 via the solid partial area 47 to the cooling channels 30 is achieved while at the same time the nozzle 10 has a slim and stable shape.
  • the nozzle 10 is actively cooled during laser cutting.
  • the cooling effect of the cutting gas on the nozzle 10 may not be sufficient to dissipate the heat that is absorbed by the nozzle base body 12 when the laser beam is absorbed or diffusely reflected.
  • the cooling fluid flows through or over the nozzle 10 and/or a nozzle holder of the nozzle 10 on the cutting head for additional cooling.
  • a nozzle holder with water or oil flowing through it can be provided on the cutting head.
  • cooling water or oil flows through the holder or holder for the nozzle 10 on the cutting head and the nozzle 10 is thus indirectly cooled.
  • a particularly simple cooling structure is possible, since cooling water for cooling other components on the cutting head is usually already available.
  • a closed cooling circuit is formed so that cooling fluid does not leak out when the nozzle is changed.
  • a nozzle that is cooled directly with liquid cooling fluid does not have a closed cooling circuit. Furthermore, water or a water/air mixture flows through or over the nozzle. Cooling can be achieved through evaporative cooling, with the water ideally evaporating completely. It must be ensured that no water on the workpiece surface has a negative effect on the cutting process.
  • the heat absorbed during the expansion of the cooling gas can be used for cooling.
  • the cooling gas can flow over or through the nozzle 10. If air is used as the cooling fluid, it can be provided that the air flows through the cooling channels 30 of the nozzle 10 at an air volume flow of at least 50 liters/minute.
  • nozzle diameters may be required on the process side in order to achieve the highest cutting quality and, on the other hand, focus positions and focus diameters may be required for laser processing, which lead to a large beam cross-section of the laser beam in the nozzle 10 in relation to the nozzle diameter.
  • a multi-part cutting nozzle can be used as nozzle 10 or the nozzle 10 can have finely structured structures on the inside which are designed to To increase cutting quality or cutting productivity or to reduce cutting gas consumption, although due to their thin-walled shape these nozzle components can possibly be destroyed when they come into contact with the laser beam.
  • very high or very low focus positions are critical here.
  • Very high focus diameters are critical if a beam waist is in the nozzle 10, very large divergences are critical if the beam waist is outside the nozzle 10.
  • the problem of heating up cutting nozzles can be exacerbated by a laser beam that is not exactly centered on the central axis 18 of the nozzle 10, by thermal focus shift or by operator interventions and thus by parameter changes. Heating up the nozzle 10 can reduce cutting quality because with capacitive distance control the distance between the nozzle 10 and the sheet surface changes. A significant influence on the cutting result can be expected at the latest when the nozzle 10 melts.
  • the disadvantages described can be particularly well avoided by the active cooling of the nozzle 10 described.
  • the cooling effect on the nozzle 10 is achieved in this case by, for example, blowing air from a cutting head into the annular groove 38.
  • the multiple cooling channels 30 run from this circumferential annular groove 38 in the nozzle 10 in the direction of the nozzle underside.
  • the cooling fluid is guided radially or upwards away from a process zone by means of the outflow areas 36.
  • the cooling effect is achieved by a particularly long path of the cooling fluid through the cooling channels 30.
  • a large number of cooling channels 30 around the circumference of the nozzle 10 enables a particularly high cooling performance.
  • the respective outflow openings of the cooling channels 30 are directed steeply upwards in particular in order to allow the cooling fluid flowing out of the cooling channels 30 to flow along the outside of the nozzle 10.
  • the outside of the nozzle 10 and components of the laser cutting device located further up can also be cooled by means of the cooling fluid. Furthermore, this keeps the cooling fluid away from the process zone, which ensures a cutting process undisturbed by the cooling fluid.
  • the cooling effect can be additionally increased by spraying a small amount of water into the cooling fluid flow, by increasing a cooling fluid volume flow, by increasing the number of cooling channels 30 over the circumference and/or by extending the respective cooling channels 30 and thus a respective cooling section.
  • the invention shows how an air-cooled cutting nozzle and a cutting process with such a nozzle 10 can be provided.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Düse (10) für eine Laserschneideinrichtung, mit einem Düsenkanal (14), welcher über eine Düsenaustrittsöffnung (22) in die Umgebung mündet, und welcher von einem Laserstrahl durchstrahlt werden kann, wobei der Laserstrahl in einer Ausstrahlrichtung (16) über die Düsenaustrittsöffnung (22) aus der Düse (10) ausstrahlt, wenigstens einem Kühlkanal (30), welcher von einem Kühlfluid durchströmt werden kann und welcher einen Einströmbereich (32), einen daran anschließenden Umlenkbereich (34) und einen an den Umlenkbereich (34) anschließenden Ausströmbereich (36) aufweist, wobei in dem Kühlkanal (30) strömendes Kühlfluid in dem Einströmbereich (32) zumindest anteilig in Ausstrahlrichtung (16) geführt wird, in dem Umlenkbereich (34) umgelenkt wird und danach in dem Ausströmbereich (36) geführt wird, und einem Kragen (28), welcher bei bestimmungsgemäßem Einbau an einen Schneidkopf angelegt ist, wodurch der wenigstens eine Kühlkanal (30) in Einbaulage von dem Schneidkopf mit Kühlfluid versorgt werden kann.

Description

DÜSE FÜR EINE LASERSCHNEIDEINRICHTUNG SOWIE VERFAHREN ZUM LASERSCHNEIDEN EINES WERKSTÜCKS
Die Erfindung betrifft eine Düse für eine Laserschneideinrichtung sowie zwei Verfahren zum Laserschneiden eines Werkstücks.
Beim Laserschneiden wird, je nach verwendeten Schneidparametern, eine Schneiddüse von einem Laserstrahl teilweise sehr groß ausgeleuchtet. Hierdurch kann sich die Schneiddüse stark erwärmen, was zum Aufschmelzen eines engsten Düsenquerschnitts führen kann und sich zudem negativ auf die Genauigkeit einer kapazitiven Abstandsregelung auswirken kann. Dem soll durch eine aktive Kühlung der Schneiddüse entgegengewirkt werden, indem durch diese Kühlung die Düsentemperatur konstant gehalten wird. Eine mit einem Kühlfluid zu kühlende Düse ist beispielsweise aus der EP 3 925 726 A1 , der CN 210 524 185 U sowie der JP 2014 136 233 A bekannt.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Lösung zu schaffen, welche eine besonders gute Kühlung einer Düse für eine Laserschneideinrichtung ermöglicht.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Gegenstände der unabhängigen Ansprüche gelöst. Weitere mögliche Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen, der Beschreibung und der Zeichnung angegeben. Merkmale, Vorteile und mögliche Ausgestaltungen, die im Rahmen der Beschreibung für einen der Gegenstände der unabhängigen Ansprüche dargelegt sind, sind zumindest analog als Merkmale, Vorteile und mögliche Ausgestaltungen des jeweiligen Gegenstands der anderen unabhängigen Ansprüche sowie jeder möglichen Kombination der Gegenstände der unabhängigen Ansprüche, gegebenenfalls in Verbindung mit einem oder mehr der Unteransprüche, anzusehen.
Die Erfindung betrifft eine Düse für eine Laserschneideinrichtung, wobei die Düse auch als Schneiddüse bezeichnet werden kann. Die Laserschneideinrichtung ist dazu eingerichtet, einen Laserstrahl bereitzustellen, mittels welchem ein Werkstück geschnitten werden kann. Die Düse umfasst einen Düsenkanal, welcher sich insbesondere durch einen Düsengrundkörper der Düse hindurcherstreckt. Der Düsenkanal mündet über eine Düsenaustrittsöffnung in die Umgebung. Der Düsenkanal kann von dem bereitgestellten Laserstrahl durchstrahlt werden. Hierbei tritt der Laserstrahl in einer Ausstrahlrichtung über die Düsenaustrittsöffnung aus der Düse aus. Insbesondere kann der Laserstrahl mittels der Düse auf das zu schneidende Werkstück ausgerichtet werden.
Zusätzlich zu dem aus der Düsenaustrittsöffnung der Düse ausstrahlenden Laserstrahl kann Schneidgas über die Düsenaustrittsöffnung aus der Düse ausströmen. Hierbei kann eine Strömungsrichtung des Schneidgases mit der Ausstrahlrichtung der Laserstrahls zusammenfallen. Um eine Überhitzung der Düse zu vermeiden, ist es vorgesehen, dass die Düse wenigstens einen Kühlkanal umfasst. Dieser Kühlkanal kann von einem Kühlfluid durchströmt werden. Bei dem Kühlfluid kann es sich insbesondere um Wasser oder um ein Gas, wie beispielsweise Luft, handeln. Die Düse kann insbesondere sowohl mittels des in dem Düsenkanal strömenden Schneidgases als auch mittels des in dem wenigstens einen Kühlkanal strömenden Kühlfluids gekühlt werden.
Der Kühlkanal weist einen Einströmbereich, einen daran anschließenden Umlenkbereich und einen an den Umlenkbereich anschließenden Ausströmbereich auf. Der Umlenkbereich ist in Strömungsrichtung des Kühlfluids durch den Kühlkanal stromab des Einströmbereichs angeordnet und der Ausströmbereich ist stromab des Umlenkbereichs angeordnet. In dem Kühlkanal strömendes Kühlfluid wird in dem Einströmbereich zumindest anteilig in Ausstrahlrichtung geführt, in dem Umlenkbereich umgelenkt und danach in den Ausströmbereich geführt. Das bedeutet, dass in dem Umlenkbereich durch Umlenken des Kühlfluids eine Strömungsrichtung des Kühlfluids in Relation zu dem Düsenkanal beziehungsweise dem den Düsenkanal durchstrahlenden Laserstrahl geändert wird. Durch das Führen des Kühlfluids in dem Einströmbereich zumindest anteilig in Ausstrahlrichtung verläuft der Einströmbereich des Kühlkanals ausgehend von einer Mittelachse des Düsenkanals radial neben dem Düsenkanal, wodurch die Düse in einem besonders großen in axialer Richtung der Düse verlaufenden Längenbereich, in welchem sich der Einströmbereich des Kühlkanals erstreckt, gekühlt werden kann. Der wenigstens eine Kühlkanal überdeckt somit den Düsenkanal zumindest bereichsweise und zumindest in einem Längenabschnitt radial nach außen.
Die Strömungsrichtung des Kühlfluids in dem Einströmbereich schließt mit der Ausstrahlrichtung des Laserstrahls einen spitzen Winkel ein. In dem Umlenkbereich wird die Strömungsrichtung des Kühlfluids insbesondere um einen Winkel von mehr als 90° umgelenkt. Das bedeutet, dass der Kühlkanal in dem Umlenkbereich besonders spitzwinklig hinsichtlich seiner Längserstreckung ausgebildet ist. Über den Ausströmbereich kann das in dem Kühlkanal geführte Kühlfluid aus dem Kühlkanal ausströmen. Insbesondere strömt das Kühlfluid aus dem Ausströmbereich über eine Ausströmöffnung mit einer Strömungsrichtung aus, welche mit der Ausstrahlrichtung des Laserstrahls aus der Düsenaustrittsöffnung einen Winkel von > 90° einschließt. Hierdurch kann vermieden werden, dass das in dem Kühlkanal strömende Kühlfluid auf einem Auftreffpunkt des Lasers auf dem zu schneidenden Werkstück auftrifft und somit den Schneidprozess beeinflusst. Darüber hinaus kann eine Gefahr eines Mischens des Kühlfluids mit dem Schneidgas besonders geringgehalten werden.
Bei der Düse ist es weiterhin vorgesehen, dass diese einen Kragen umfasst, welcher bei bestimmungsgemäßem Einbau an einem Schneidkopf der Laserschneideinrichtung angelegt ist. Der Kragen ist insbesondere auf einer in axialer Richtung gegenüberliegenden Seite zu der Düsenaustrittsöffnung an der Düse angeordnet. Der Kragen kann insbesondere als Flansch ausgebildet sein und stellt eine in Einbaulage dem Schneidkopf zugewandte Stirnseite der Düse bereit. Über den an dem Schneidkopf anliegenden Kragen kann der wenigstens eine Kühlkanal in Einbaulage von dem Schneidkopf mit Kühlfluid versorgt werden. Um das Kühlfluid von dem Schneidkopf entgegenzunehmen und somit zu ermöglichen, dass das von dem Schneidkopf bereitgestellte Kühlfluid in den Kühlkanal einströmt, kann der Kühlkanal mit seinem Einströmbereich zu dem Schneidkopf hin ausgerichtet sein, insbesondere mit einer Einströmöffnung des Kühlkanals, über welche der Einströmbereich in die Umgebung mündet. Der Kragen dient insbesondere als Anschlag, wodurch eine Position der Düse in axialer Richtung relativ zu dem Schneidkopf präzise vorgegeben ist. Der Kragen bzw. die gesamte Stirnfläche der Düse dient auch als Stelle des Wärmeübergangs von der Düse hin zu potenziell gekühlten Komponenten des Schneidkopfs. Über diesen Weg kann die Düse bei besonders großer Laserleistung zusätzlich zur Luftkühlung gekühlt werden.
Durch das Umlenken des Kühlfluids in dem Umlenkbereich des Kühlkanals weist der Kühlkanal eine besonders große axiale Länge in der Düse auf, wodurch wiederum eine besonders große Wärmetauschfläche zwischen dem Kühlfluid und der Düse erreicht werden kann. In Folge dieser besonders großen Wärmetauschfläche kann die Düse mittels des Kühlfluids besonders effizient gekühlt werden. Darüber hinaus wird ermöglicht, dass mittels des in dem Kühlkanal strömenden Kühlfluids eine Temperatur der Düse besonders präzise eingestellt werden kann. In einer möglichen Weiterbildung der Erfindung ist es vorgesehen, dass die Düse mehrere um eine Mittelachse der Düse verteilt angeordnete Kühlkanäle umfasst, welche über deren gesamte Länge vollständig voneinander getrennt sind. Insbesondere überdecken die jeweiligen Kühlkanäle den Düsenkanal der Düse zumindest bereichsweise und zumindest in einem axialen Längenabschnitt in radialer Richtung nach außen. Die mehreren Kühlkanäle sind über deren gesamte Länge voneinander getrennt, sodass eine Vermischung des Kühlfluids, solange dieses in den jeweiligen Kühlkanälen strömt, nicht auftritt. Die mehreren Kühlkanäle können für eine besonders gleichmäßige Kühlung der Düse gleichmäßig über den Umfang der Düse verteilt angeordnet sein. Insbesondere können die jeweiligen Kühlkanäle punktsymmetrisch zueinander angeordnet sowie ausgestaltet sein. Dadurch, dass die Kühlkanäle über deren gesamte Länge vollständig voneinander getrennt sind, können jeweilige in den Kühlkanälen strömende Teilströme an Kühlfluid besonders präzise eingestellt und durch den Grundkörper der Düse geführt werden.
In einer weiteren möglichen Ausgestaltung der Erfindung ist es vorgesehen, dass der Ausströmbereich des wenigstens einen Kühlkanals derart verläuft, dass in dem Ausströmbereich des Kühlkanals strömendes Kühlfluid zumindest anteilig entgegen der Ausstrahlrichtung geführt wird. Das Kühlfluid strömt in einer Strömungsrichtung aus der an einem Ende des Ausströmbereichs angeordneten Ausströmöffnung aus, wobei diese Strömungsrichtung mit der Ausstrahlrichtung einen stumpfen Winkel einschließt. Das bedeutet, dass die Strömungsrichtung des Kühlfluids beim Strömen über die Ausströmöffnung aus dem Ausströmbereich heraus mit der Ausstrahlrichtung des Laserstrahls aus der Düsenaustrittsöffnung einen Winkel von > 90° einschließt. Hierdurch wird gewährleistet, dass das aus der Ausströmöffnung aus dem Kühlkanal ausströmende Kühlfluid zuverlässig von dem zu schneidenden Werkstück wegströmt sowie eine Vermischung von Schneidgas mit dem Kühlfluid besonders gut vermieden werden kann. Hierdurch kann eine besonders hohe Schnittqualität eines mittels der Laserschneideinrichtung geschnittenen Werkstücks erreicht werden.
In einer weiteren möglichen Ausgestaltung der Erfindung ist es vorgesehen, dass der Kragen eine umlaufende Ringnut aufweist, wodurch bei bestimmungsgemäßem Einbau Kühlfluid von dem Schneidkopf in die Ringnut einströmen kann. Insbesondere weist der Kragen die Ringnut an einer Stirnfläche auf, welche in Einbaulage an dem Schneidkopf anliegt. Unter dem Umlaufen der Ringnut ist zu verstehen, dass diese einmal um die Mittelachse der Düse, insbesondere um den Düsenkanal herum verläuft. Es ist vorgesehen, dass der wenigstens eine Kühlkanal mit einem Ende in die Ringnut mündet, wodurch das Kühlfluid aus der Ringnut in den Einströmbereich des Kühlkanals einströmen kann. Mittels der Ringnut wird somit das Kühlfluid auf sämtliche Kühlkanäle der Düse verteilt, da alle Kühlkanäle mit ihren jeweiligen Einströmbereichen in die Ringnut münden. Die Ringnut ermöglicht somit ein gleichmäßiges Aufteilen des von dem Schneidkopf entgegengenommenen Kühlfluids auf sämtliche Kühlkanäle der Düse. Die ringförmige Ausgestaltung dieser Ringnut ermöglicht eine besonders schnelle und gleichmäßige Verteilung des Kühlfluids auf die Kühlkanäle. Alternativ kann die Düse ohne Ringnut am Kragen ausgestaltet sein, insbesondere dann, wenn der Schneidkopf eine umlaufende Ringnut aufweist, welche dazu eingerichtet ist, das Kühlfluid auf die Kühlkanäle zu verteilen, wenn der Kragen der Düse an dem Schneidkopf anliegt.
In einer weiteren möglichen Ausgestaltung der Erfindung ist es vorgesehen, dass eine Länge des wenigstens einen Kühlkanals mindestens 30 %, insbesondere mindestens 50 %, insbesondere mindestens 100 % der Länge der Düse vom Kragen bis zur Düsenaustrittsöffnung beträgt. Insbesondere kann die Länge des wenigstens einen Kühlkanals bis zu annähernd 200 % der Länge der Düse vom Kragen bis zur Düsenaustrittsöffnung betragen. Hierbei kann sich der Einströmbereich vom Kragen bis zu einer die Düsenaustrittsöffnung aufweisenden Spitze der Düse, der Umlenkbereich in der Spitze der Düse und der Ausströmbereich von der Spitze der Düse bis zu dem Kragen erstrecken. Je länger der wenigstens eine Kühlkanal ausgebildet ist, desto größer ist eine Wärmetauschfläche, über welche zwischen dem Kühlfluid und der Düse Wärme ausgetauscht werden kann. Je größer die Wärmetauschfläche ist, desto mehr Wärme kann mittels des Kühlfluids von der Düse aufgenommen werden, wodurch die Düse besonders effizient mittels des Kühlfluids gekühlt werden kann. Die Länge der Düse verläuft vom Kragen bis zur Düsenaustrittsöffnung. Dabei entspricht die Länge einem axialen Abstand der Düsenaustrittsöffnung zu dem Kragen der Düse.
In einer weiteren möglichen Ausgestaltung der Erfindung ist es vorgesehen, dass der wenigstens eine Kühlkanal eine Fluidleitstruktur aufweist, mittels welcher eine Strömungseigenschaft des Kühlfluids beim Durchströmen des Kühlkanals eingestellt werden kann. Insbesondere ist die Fluidleitstruktur im Inneren des wenigstens einen Kühlkanals angeordnet. Dabei kann die Fluidleitstruktur an einer den Kühlkanal begrenzenden Innenwand des Kühlkanals angeordnet sein. Mittels der Fluidleitstruktur kann ein Turbulenzgrad der Strömung zwischen einer laminaren Strömung und einer turbulenten Strömung eingestellt werden. Insbesondere ist die Fluidleitstruktur dazu eingerichtet, einen Turbulenzgrad des Kühlfluids in dem Kühlkanal zu erhöhen, da mit ansteigender Turbulenz des Kühlfluids ein verbesserter Wärmeübergang von der Düse an das Kühlfluid erreicht werden kann.
In einer weiteren möglichen Ausgestaltung der Erfindung ist es vorgesehen, dass der Einströmbereich und der Ausströmbereich durch jeweilige Bohrungen bereitgestellt sind. Das bedeutet, dass bei einem Herstellen der Düse eine den Einströmbereich bereitstellende erste Bohrung in den Düsengrundkörper eingebracht wird und eine den Ausströmbereich bereitstellende zweite Bohrung in den Düsengrundkörper eingebracht wird. Es wird somit der wenigstens eine Kühlkanal durch das Vornehmen der Bohrungen an dem Düsengrundkörper bereitgestellt. Der wenigstens eine Kühlkanal kann hierdurch besonders einfach in die Düse eingebracht werden.
In einer weiteren möglichen Ausgestaltung der Erfindung ist es vorgesehen, dass der Düsengrundkörper in einem an die Düsenaustrittsöffnung angrenzenden Teilbereich massiv ausgeführt ist, dass sich also der Kühlkanal bzw. die Kühlkanäle nicht in diesen Bereich des Düsengrundkörpers hinein erstreckt bzw. erstrecken. Der Umlenkbereich des Kühlkanals bzw. der Kühlkanäle ist hierzu in der Ausstrahlrichtung des Laserstrahls oberhalb des massiven Teilbereichs des Düsengrundkörpers angeordnet. Auf diese Weise kann die Düse im Bereich der Düsenaustrittsöffnung schlank ausgeführt werden, so dass sie eine geringe äußere Störkontur aufweist, beispielsweise hinsichtlich Kollisionen mit verkippten geschnittenen Werkstückteilen. Trotz des geringen Außendurchmessers der Düse angrenzend an die Düsenaustrittsöffnung ist die Düse durch den massiven Teilbereich außerdem ausreichend stabil beim Auftreten von Kollisionen. Die Länge des massiven Teilbereichs in Düsenlängsrichtung beträgt mindestens 5 mm. Um eine ausreichende Kühlwirkung durch das in den Kühlkanälen strömende Kühlfluid zu gewährleisten, beträgt die Länge des massiven Teilbereichs in Düsenlängsrichtung maximal 30 %, bevorzugt maximal 25 % der Gesamtlänge der Düse. Um eine ausreichende Stabilität der Düse zu gewährleisten, unterschreitet die Wandstärke des massiven Teilbereichs einen Wert von 2,5 mm an keiner Stelle. Die Wandstärke der Düse im massiven Teilbereich ist auf diese Weise auch ausreichend groß, um eine Wärmeabfuhr entlang der Düsenwand in Richtung der Kühlkanäle zu ermöglichen.
In einer weiteren möglichen Ausgestaltung der Erfindung ist es vorgesehen, dass der sich durch den Düsengrundkörper hindurch erstreckende Düsenkanal angrenzend an die Düsenaustrittsöffnung zylindrisch ausgeführt ist und insbesondere einen Durchmesser zwischen 0,7 mm und 2,0 mm, bevorzugt zwischen 1,4 mm und 2,0 mm, aufweist. Der Düsenkanal bildet auf diese Weise angrenzend an die Düsenaustrittsöffnung einen parallelwandigen Reflexionsabschnitt für den Laserstrahl aus. Liegt der Fokuspunkt eines durch die Düse hindurchtretenden Laserstrahls innerhalb oder weit unterhalb der Düse, so können Randbereiche des Laserstrahls beim Durchlaufen des Reflexionsabschnitts an der Innenwand des Düsengrundkörpers reflektiert werden. Gegenüber einer konischen Düseninnenkontur kann auf diese Weise die Absorption der Laserstrahlung und damit die Erwärmung der Düse verringert werden. Die Länge des Reflexionsabschnitts in Richtung der Düsenlängsachse beträgt vorzugsweise wenigstens 2 mm und insbesondere zwischen 3 mm und 4 mm und ist damit groß genug, um diese vorteilhaften Effekte zu erreichen. Wenn der Düsenkanal in dem Reflexionsabschnitt einen kreisförmigen Querschnitt aufweist, verbessert dies vorteilhafterweise die Reflexionseigenschaften in diesem Bereich der Düse. Besonders bevorzugt ist der zylindrische Reflexionsabschnitt des Düsenkanals innerhalb des massiven Teilbereichs der Düse angeordnet.
Die Erfindung betrifft des Weiteren ein erstes Verfahren zum Laserschneiden eines Werkstücks, bei welchem mittels einer Laserschneideinrichtung ein Laserstrahl auf das zu schneidende Werkstück gerichtet wird. Hierbei umfasst die Laserschneideinrichtung eine Düse wie sie bereits im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Düse beschrieben worden ist. Mittels eines Schneidkopfs der Laserschneideinrichtung kann Kühlfluid zu der Düse geführt werden, wodurch das Kühlfluid wenigstens einen Kühlkanal der Düse während des Laserschneidens des Werkstücks durchströmen kann. Infolgedessen wird die Düse mittels des in dem wenigstens einen Kühlkanal strömenden Kühlfluids beim Laserschneiden des Werkstücks gekühlt. Hierdurch kann eine insbesondere lokale Überhitzung der Düse besonders gut vermieden werden und infolgedessen eine besonders hohe Schnittqualität eines mittels der Laserschneideinrichtung vorgenommenen Schnitts des Werkstücks erreicht werden.
Die Erfindung betrifft des Weiteren ein zweites Verfahren zum Laserschneiden eines Werkstücks, bei welchem mittels einer Laserschneideinrichtung ein Laserstrahl auf das zu schneidende Werkstück gerichtet wird. Die Laserschneideinrichtung umfasst eine Düse mit einem Düsenkanal, welcher über eine Düsenaustrittsöffnung in die Umgebung mündet. Der Düsenkanal kann von einem Laserstrahl durchstrahlt werden, wobei der Laserstrahl in einer Ausstrahlrichtung über die Düsenaustrittsöffnung aus der Düse ausstrahlt. Bei dem Verfahren ist es vorgesehen, dass die Düse sowohl mittels Schneidgas als auch mittels eines Kühlfluids direkt und/oder indirekt gekühlt wird. Hierbei kann das Schneidgas den Düsenkanal durchströmen und über die Düsenaustrittsöffnung aus der Düse ausströmen, insbesondere auf das zu schneidende Werkstück. Das Kühlfluid wird bei dem Verfahren mittels der Laserschneideinrichtung, insbesondere mittels eines Schneidkopfs zu der Düse geführt. Bei dem Verfahren ist es weiterhin vorgesehen, dass die Laserschneideinrichtung den Laserstrahl mit einer Laserleistung von mindestens 6 kW bereitstellt. Weiterhin ist es vorgesehen, dass das Schneidgas einen Schneiddruck von unter 3 bar, insbesondere von unter 1 ,5 bar aufweist. Darüber hinaus ist es vorgesehen, dass ein Abstand einer Fokusebene des Laserstrahls zu der Düsenaustrittsöffnung der Düse mindestens 4 mm, insbesondere mindestens 8 mm beträgt. Die Düsenaustrittsöffnung kann auch als Düsenmündung bezeichnet werden.
Bei dem zweiten Verfahren ist es somit vorgesehen, dass die Laserschneideinrichtung den Laserstrahl mit einer besonders großen Leistung bereitstellt, wodurch bei einem Kontakt des Laserstrahls mit der Düse eine besonders große Wärmeentwicklung in der Düse auftreten kann. Dadurch, dass bei dem Verfahren das Schneidgas einen besonders geringen Druck aufweist, kann es sein, dass für die Düse bei dem hohen Wärmeeintrag eine Kühlwirkung des Schneidgases alleine nicht ausreichend ist. Dadurch, dass der Abstand der Fokusebene des Laserstrahls zu der Düsenaustrittsöffnung der Düse mindestens 4 mm, insbesondere mindestens 8 mm, beträgt, kann es vorkommen, dass jeweilige Randbereiche des Laserstrahls auf eine den Düsenkanal der Düse begrenzende Wand auftreffen, wodurch der Wärmeeintrag in die Düse erfolgt. Der Wärmeeintrag in die Düse kann durch weitere Faktoren, wie beispielsweise einer Reflektion des Laserstrahls an dem zu schneidenden Werkstück und einer Absorption von reflektierten Laserstrahlen mittels der Düse verstärkt werden. Dadurch, dass im Rahmen dieses Verfahrens die Düse zusätzlich mittels des Kühlfluids direkt und/oder indirekt gekühlt wird, kann eine Überhitzung der Düse, insbesondere eine lokale Überhitzung der Düse, besonders gut vermieden werden. Infolgedessen kann ein lokales Aufschmelzen der Düse besonders gut vermieden werden. Darüber hinaus kann eine besonders hohe Genauigkeit einer kapazitiven Abstandsregelung zwischen der Laserschneideinrichtung und dem Werkstück gewährleistet werden.
In diesem Zusammenhang kann es in einer Weiterbildung der Erfindung vorgesehen sein, dass ein Laserstrahldurchmesser, innerhalb welchem 86 % Leistung des Laserstrahls gesammelt sind, mindestens 70 %, insbesondere mindestens 80 %, insbesondere mindestens 90 % eines engsten Innendurchmessers der Düse und somit des engsten Innendurchmessers des Düsenkanals beträgt. Je größer der Laserstrahldurchmesser des Laserstrahls ist, innerhalb welchem 86 % Leistung des Laserstrahls gesammelt sind, desto größer ist der außenseitige Anteil am Umfang des Laserstrahls, welcher in Kontakt mit der den Düsenkanal begrenzenden Wandung der Düse tritt und insbesondere von dieser absorbiert wird. Der Laserstrahldurchmesser des Laserstrahls, innerhalb welchem 86 % Leistung des Laserstrahls gesammelt sind, wird im Folgenden auch als 86 %- Laserstrahldurchmesser bezeichnet. Da Laserstrahlen oftmals eine über den Umfang gaußförmig verteilte Intensität mit einem Intensitätsmaximum in der Mitte aufweisen, steigt mit steigendem 86 %-Laserstrahldurchmesser auch die bei Absorption des Randbereichs des Laserstrahls durch die Wandung der Düse von der Düse absorbierte Leistung des Laserstrahls und infolgedessen der Wärmeeintrag in die Düse. Je größer der 86 %- Laserstrahldurchmesser ist, desto stärker ist die Düse zu kühlen, um eine Überhitzung, insbesondere ein Aufschmelzen der Düse zu vermeiden. Mittels des Kühlfluids, mit welchem die Düse zusätzlich zu dem Schneidgas direkt und/oder indirekt gekühlt wird, kann das Überhitzen der Düse auch bei großen 86 %-Laserstrahldurchmessern besonders gut vermieden werden.
In einer weiteren möglichen Ausgestaltung der Erfindung ist es vorgesehen, dass die Laserschneideinrichtung als Düse eine Düse, wie sie bereits im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Düse für eine Laserschneideinrichtung beschrieben worden ist, aufweist. Aufgrund der Geometrie des wenigstens einen Kühlkanals kann somit die Düse mittels des den wenigstens einen Kühlkanal durchströmenden Kühlfluids besonders effizient gekühlt werden, wodurch eine Überhitzung der Düse besonders zuverlässig vermieden werden kann.
Weitere Merkmale der Erfindung können sich aus der nachfolgenden Figurenbeschreibung sowie anhand der Zeichnung ergeben. Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung und/oder in den Figuren allein gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.
Die Zeichnung zeigt in:
Fig. 1 eine schematische Schnittansicht einer Düse für eine Laserschneideinrichtung in einer ersten Ausführungsform; und
Fig. 2 eine schematische Schnittansicht der Düse für die Laserschneideinrichtung in einer zweiten Ausführungsform. In den Figuren 1 und 2 ist eine jeweilige Düse 10 für eine Laserschneideinrichtung in unterschiedlichen Ausführungsformen gezeigt. Die Düse 10 ist dazu eingerichtet, an einer Düsenhalterung eines Schneidkopfs der Laserschneideinrichtung befestigt zu werden. Die Düse 10 umfasst einen Düsengrundkörper 12, durch welchen sich ein Düsenkanal 14 hindurcherstreckt. Dieser Düsenkanal 14 wird im Betrieb der Laserschneideinrichtung von einem Laserstrahl in einer Ausstrahlrichtung 16 durchstrahlt. Hierbei fällt die Ausstrahlrichtung 16 mit einer Mittelachse 18 des Düsenkanals 14 zusammen. Die Mittelachse 18 des Düsenkanals 14 ist gleichzeitig die Mittelachse der gesamten Düse 10. Die gesamte Düse 10 ist insbesondere rotationssymmetrisch ausgebildet. Eine axiale Richtung 20 der Düse 10 fällt mit einer Längserstreckungsrichtung der Mittelachse 18 zusammen. Die radiale Richtung der Düse 10 steht senkrecht auf der axialen Richtung 20 und eine umfangsseitige Richtung der Düse 10 verläuft kreisförmig in die axiale Richtung 20.
Der Düsenkanal 14 mündet über eine Düsenaustrittsöffnung 22 in die Umgebung. Über die Düsenaustrittsöffnung 22 kann der Laserstrahl in der Ausstrahlrichtung 16 aus dem Düsenkanal 14 herausstrahlen, insbesondere auf das mittels der Laserschneideinrichtung zu schneidende Werkstück. Zusätzlich kann der Düsenkanal 14 von einem Schneidgas durchströmt werden, welches ebenfalls über die Düsenaustrittsöffnung 22 aus dem Düsenkanal 14 ausströmen kann. Mit einem der Düsenaustrittsöffnung 22 in axialer Richtung 20 gegenüberliegenden Ende 24 kann die Düse 10 bei bestimmungsgemäßer Verwendung an dem Schneidkopf befestigt werden. Insbesondere weist die Düse 10 an dem Ende 24 einen Stutzen 26 auf, welcher in eine Öffnung des Schneidkopfs eingesteckt werden kann. Die Düse 10 weist weiterhin einen Kragen 28 auf, welcher im eingesteckten Zustand des Stutzens 26 in die Öffnung des Schneidkopfs an dem Schneidkopf anliegt. Der Kragen 28 stellt somit einen axialen Anschlag für die Düse 10 bereit. Mittels des Kragens 28 kann somit die Düse 10 in ihrer Position in axialer Richtung 20 relativ zu dem Schneidkopf fixiert werden.
Je nach Schneidprozess und verwendetem Parameterfenster können jeweilige Düsen 10 mit unterschiedlichen Durchmessern des Düsenkanals 14 zum Einsatz kommen. So kann es Prozessfenster geben, bei denen der Laserstrahl innerhalb der Düse 10 mit seinem 86 %- Laserstrahldurchmesser einen ähnlichen oder größeren Durchmesser erreicht wie der Düsenkanal 14. Der 86 %-Laserstrahldurchmesser charakterisiert einen Bereich des Durchmessers des Laserstrahls, welcher die Mittelachse des Laserstrahls als Zentrum hat und in welchem 86 % der Leistung des Laserstrahls gebündelt sind. Das bedeutet, dass außerhalb des 86 %-Laserstrahldurchmessers ein Ring um diesen 86 %- Laserstrahldurchmesser verläuft, welcher 14 % Leistung des Laserstrahls umfasst. Je nach Verhältnis des 86 %-Laserstrahldurchmessers zu dem Durchmesser des Düsenkanals 14, insbesondere an einer engsten Stelle des Düsenkanals 14, kann ein Teil der von dem Laserstrahl transportierten Laserleistung von einer den Düsenkanal 14 begrenzenden Wandung in der Düse 10 absorbiert werden. Das bedeutet, dass der Düsengrundkörper 12 einen Teil der Laserleistung des Laserstrahls absorbiert. Je größer der 86 %- Laserstrahldurchmesser des Laserstrahls im Vergleich zu dem Durchmesser des Düsenkanals 14 ist, desto größer ist der Anteil an Laserleistung der von dem Düsengrundkörper 12 absorbiert wird. In Folge des Absorbierens der Laserleistung erwärmt sich der Düsengrundkörper 12. Hierdurch kann eine Qualität eines mittels der Laserschneideinrichtung durchgeführten Schnitts des Werkstücks negativ beeinflusst werden.
Insbesondere wenn die Laserschneideinrichtung den Laserstrahl mit einer Laserleistung von mindestens 6 kW bereitstellt und/oder das Schneidgas einen Schneidgasdruck von unter 3 bar, insbesondere von unter 1,5 bar aufweist und somit die Düse 10 nicht ausreichend mittels des Schneidgases gekühlt werden kann, sowie ein Abstand einer Fokusebene des Laserstrahls zu der Düsenaustrittsöffnung 22 mindestens 4 mm, insbesondere mindestens 8 mm beträgt und somit der Querschnitt des Düsenkanals 14 besonders großflächig von dem Laserstrahl ausgeleuchtet wird, da der 86 %-Laserstrahldurchmesser einen besonders großen Anteil des Querschnitts des Düsenkanals 14 überdeckt, kann sich der Düsengrundkörper 12 stark erwärmen. Um diese Erwärmung der Düse 10 zu begrenzen ist es vorgesehen, dass die Düse 10 wenigstens einen, insbesondere mehrere Kühlkanäle 30 umfasst.
Vorliegend umfasst die Düse 10 in beiden in den Figuren gezeigten Ausführungsformen mehrere Kühlkanäle 30, welche über den Umfang Düse 10 um den Düsenkanal 14 herum angeordnet sind. Hierbei weisen die jeweiligen in Umfangsrichtung benachbarten Kühlkanäle 30 vorliegend einen gleichen Abstand zueinander auf. Mit anderen Worten sind die Kühlkanäle 30 gleichmäßige über den Umfang der Düse 10 verteilt angeordnet. Die jeweiligen Kühlkanäle 30 sind dazu eingerichtet, von einem Kühlfluid durchströmt zu werden, wobei mittels des Kühlfluids Wärme von dem Düsengrundkörper 12 aufgenommen wird, wodurch die Düse 10 gekühlt wird. Als Kühlfluid wird vorliegend ein Gas, insbesondere Luft, verwendet. Die mehreren Kühlkanäle 30 sind über deren gesamte Länge voneinander separiert. Das bedeutet, dass ein Vermischen von dem in jeweiligen Kühlkanälen 30 geführten Kühlfluid so lange nicht erfolgt, wie das Kühlfluid durch die jeweiligen Kühlkanäle 30 strömt. Jeder der Kühlkanäle 30 umfasst einen Einströmbereich 32, einen Umlenkbereich 34 sowie einen Ausströmbereich 36. Beim Durchströmen des jeweiligen Kühlkanals 30 durchströmt das Kühlfluid als erstes den Einströmbereich 32, wird dann im Umlenkbereich 34 umgelenkt und durchströmt anschließend den Ausströmbereich 36. Über den Einströmbereich 32 strömt das Kühlfluid in den Kühlkanal 30 ein und über den Ausströmbereich 36 strömt das Kühlfluid aus dem Kühlkanal 30 aus. Die jeweiligen Kühlkanäle 30 können, wie in der ersten Ausführungsform in Fig. 1 gezeigt ist, an dem Kragen 28 unmittelbar in die Umgebung münden. Alternativ kann der Kragen 28, wie in der zweiten Ausführungsform in Fig. 2 gezeigt ist, eine umlaufende Ringnut 38 aufweisen, in welche sämtliche Kühlkanäle 30 mit ihren Einströmbereichen 32 münden. Das Kühlfluid kann somit von dem Schneidkopf in die Ringnut 38 geführt werden und mittels der Ringnut 38 auf sämtliche Kühlkanäle 30 aufgeteilt werden. Das Kühlfluid durchströmt somit die Ringnut 38 und strömt aus der Ringnut 38 in sämtliche Kühlkanäle 30 ein.
In den jeweiligen Einströmbereichen 32 weist das Kühlfluid eine erste Strömungsrichtung 40 auf. In den jeweiligen Ausströmbereichen 36 weist das Kühlfluid eine zweite Strömungsrichtung 42 auf. Insbesondere weist das Kühlfluid die erste Strömungsrichtung 40 zumindest im Bereich einer Einströmöffnung auf, über welche das Kühlfluid in den Einströmbereich 32 des jeweiligen Kühlkanals 30 einströmt, und/oder das Kühlfluid weist zumindest in dem Bereich einer Ausströmöffnung, über welche das Kühlfluid aus dem Ausströmbereich 36 des jeweiligen Kühlkanals 30 in die Umgebung der Düse 10 ausströmt, die zweite Strömungsrichtung 42 auf. Die erste Strömungsrichtung 40 weist einen axialen Richtungsanteil auf, welcher größer als 0 ist und mit der Ausstrahlrichtung 16 zusammenfällt. Das bedeutet, dass der in axialer Richtung 20 verlaufende Anteil der ersten Strömungsrichtung 40 mit der Ausstrahlrichtung 16 zusammenfällt. Die erste Strömungsrichtung 40 und die Ausstrahlrichtung 16 schließen vorliegend gemeinsam einen spitzen Winkel a und somit einen Winkel kleiner 90° gemeinsam ein. Die zweite Strömungsrichtung 42 kann, wie in Fig. 1 gezeigt ist, keinen in axialer Richtung 20 verlaufenden Richtungsanteil aufweisen und somit mit der Ausstrahlrichtung 16 einen Winkel ß von ca. 90° einschließen. Alternativ kann die zweite Strömungsrichtung 42, wie in Fig. 2 gezeigt ist, einen in axialer Richtung 20 verlaufenden Richtungsanteil aufweisen, welcher entgegen der Ausstrahlrichtung 16 verläuft. Das bedeutet, dass die zweite
Strömungsrichtung 42 mit der Ausstrahlrichtung 16 einen Winkel ß größer 90° und somit einen stumpfen Winkel einschließt. Hierbei wird das aus den jeweiligen Ausströmöffnungen der Kühlkanäle 30 ausströmende Kühlfluid besonders gut vom über die Düsenaustrittsöffnung 22 ausströmenden Schneidgas weggeführt, wodurch eine Gefahr eines Mischens des Kühlfluids mit dem Schneidgas besonders geringgehalten werden kann. Einer Gefahr einer Beeinflussung des mittels der Laserschneideinrichtung an dem Werkstück vorgenommenen Schnitts durch das Kühlfluid kann somit besonders geringgehalten werden.
In dem Umlenkbereich 34 wird das Kühlfluid scharf umgelenkt. Das bedeutet, dass die erste Strömungsrichtung 40 und die zweite Strömungsrichtung 42 gemeinsam einen Winkel y von mehr als 90° und somit einen stumpfen Winkel einschließen. Verläuft der Ausströmbereich 36 der jeweiligen Kühlkanäle 30 derart, dass in dem Ausströmbereich 36 strömendes Kühlfluid zumindest anteilig entgegen der Ausstrahlrichtung 16 geführt wird, wie in Fig. 2 gezeigt ist, dann wird in einem in axialer Richtung 20 verlaufenden Längenbereich 44 der Düse 10 das Kühlfluid erst in der ersten Strömungsrichtung 40 durch den Einströmbereich 32 und anschließend in der zweiten Strömungsrichtung 42 durch den Ausströmbereich 36 geführt. Der Längenbereich 44 wird somit über jeden der Kühlkanäle 30 zweimal von dem Kühlfluid durchströmt. Hierdurch kann besonders viel Wärme mittels des Kühlfluids von der Düse 10 aufgenommen werden, insbesondere in dem Längenbereich 44. Infolgedessen kann die Düse 10 besonders gut gekühlt werden. Durch diese doppelte Führung des wenigstens einen Kühlkanals 30 in dem Längenbereich 44 kann der Kühlkanal 30 eine besonders große Länge aufweisen. Je nach Ausgestaltung des Kühlkanals 30 kann dieser eine Länge von mindestens 30 %, insbesondere mindestens 50 %, insbesondere mindestens 100 %, insbesondere von bis zu 200 % der Länge der Düse 10 vom Kragen 28 bis zur Düsenaustrittsöffnung 22 betragen, wobei diese Länge in Fig. 2 mit L gekennzeichnet ist.
Um die jeweiligen Kühlkanäle 30 besonders einfach in den Düsengrundkörper 12 einbringen zu können, können die jeweiligen Einströmbereiche 32 durch eine erste Bohrung bereitgestellt werden und die jeweiligen Ausströmbereiche 36 durch eine zweite Bohrung bereitgestellt werden, wobei sich der Umlenkbereich 34 durch ein Aufeinandertreffen der ersten Bohrung und der zweiten Bohrung ergibt. Durch das Vorsehen der Bohrungen können die jeweiligen Kühlkanäle 30 besonders einfach in den Düsengrundkörper 12 eingebracht werden.
Um Strömungseigenschaften des Kühlfluids in den jeweiligen Kühlkanälen 30 besonders präzise einstellen zu können, kann es vorgesehen sein, dass in den jeweiligen Kühlkanälen 30 wenigstens eine Fluidleitstruktur angeordnet ist. Mittels der wenigstens einen Fluidleitstruktur kann eine Strömungseigenschaft des Kühlfluids beim Durchströmen des Kühlkanals 30 eingestellt werden, während das Kühlfluid an der Fluidleitstruktur entlangströmt.
Für ein Laserschneiden eines Werkstücks kann somit mittels einer Laserschneideinrichtung ein Laserstrahl auf das zu schneidende Werkstück gerichtet werden, wobei die Laserschneideinrichtung die im Zusammenhang mit den Figuren 1 und 2 beschriebene Düse 10 aufweist. Alternativ kann das Werkstück mittels einer Laserschneideinrichtung geschnitten werden, welche eine zu der Düse 10 unterschiedliche sonstige Düse aufweist. Hierbei wird mittels der Laserschneideinrichtung der Laserstrahl auf das zu schneidende Werkstück gerichtet. Die Düse 10 der Laserschneideinrichtung kann sowohl mittels Schneidgas als auch mittels des Kühlfluids direkt und/oder indirekt gekühlt werden. Das Kühlfluid kann hierbei mittels der Laserschneideinrichtung, insbesondere mittels des Schneidkopfs, zu der Düse 10 geführt werden. Die Laserschneideinrichtung stellt dabei den Laserstrahl mit einer Laserleistung von mindestens 6 kW bereit. Das Schneidgas weist einen Schneidgasdruck von unter 3 bar, insbesondere von unter 1,5 bar auf. Ein Abstand einer Fokusebene des Laserstrahls zu der Düsenaustrittsöffnung 22 der Düse 10 beträgt mindestens 4 mm, insbesondere mindestens 8 mm. Hierbei kann ein 86 %- Laserstrahldurchmesser des von der Laserschneideinrichtung bereitgestellten Laserstrahls mindestens 70 %, insbesondere mindestens 80 %, insbesondere mindestens 90 % eines engsten Innendurchmessers der Düse 10 betragen.
Bei der Düse 10 handelt es sich um eine Schneiddüse für eine Laserschneideinrichtung, die geeignet ist für die Anwendung mit hoher Laserleistung und einer großen Ausleuchtung des Durchmessers des Düsenkanals 14 durch den Laserstrahl. Unter der großen Ausleuchtung ist zu verstehen, dass der Laserstrahl einen ähnlichen Strahldurchmesser aufweist wie der Durchmesser des Düsenkanals 14. Diese Düse 10 kann insbesondere eingesetzt werden, wenn mit hohen Fokuslagen, insbesondere mit einem Fokus innerhalb der Düse 10, oder besonders niedrigen Fokuslagen, großem Strahldurchmesser und/oder Laserstrahlung hoher Divergenz geschnitten werden soll. Mittels der Laserschneideinrichtung können insbesondere metallische Werkstücke geschnitten werden.
Beim Laserschneiden ergeben sich durch eine steigende Laserleistung von verfügbaren Strahlquellen neue Bereiche von Prozessparametern, insbesondere Prozessfenstern, in denen ein optimales Schneidergebnis mit schneller Schneidgeschwindigkeit und guter Schnittqualität erreichbar ist. Insbesondere können besonders hohe oder niedrige Fokuslagen vorteilhaft sein, um gute Schnittkantenqualitäten zu erreichen. Bei der Wahl einer sehr hohen oder sehr niedrigen Fokuslage streift der Laserstrahl in der Düse 10 an Aperturen, insbesondere da der Laserstrahl üblicherweise eine gaußähnliche Leistungsverteilung in radialer Richtung aufweist und sich somit Leistungsanteile des Laserstrahls in größerer Entfernung zur Strahlachse befinden. Speziell beim Durchstrahlen der Düse 10 kann der Laserstrahl die Innenkontur der Düse 10 streifen. Ein Ausblenden von Randstrahlung zu Bereichen des Laserstrahls kann vorteilhaft für einen Schneidprozess sein, kann aber bei einer hohen Laserleistung zu einer Erwärmung der Düse 10 führen. Diese Erwärmung kann sich negativ auf erreichbare Schnittkantenqualitäten auswirken. Es ist somit vorgesehen, dass die Düse 10 über die Kühlkanäle 30 von dem Kühlfluid, beispielsweise Stickstoff, Gas oder ein Gas- Wasser-Gemisch durchströmt wird.
Die im Zusammenhang mit den Figuren beschriebene Düse 10 ermöglicht ein besonders gutes Kühlen der Düse 10, wodurch eine Erwärmung der Düse 10 verringert werden und beim Schneiden mit hoher Laserleistung und hoher oder niedriger Fokuslage eine besonders hohe Schnittqualität erreicht werden kann. Die Düse 10 ist derart gestaltet, dass das Kühlfluid, insbesondere ein Kühlgas oder ein Kühlgas-Wasser-Gemisch, durch radial im Düsengrundkörper 12 verteilt angeordnete Durchströmbohrungen strömt und durch daran anschließende Austrittsbohrungen aus der Düse 10 nach außen abströmt. Von den Durchströmbohrungen werden die jeweiligen Einströmbereiche 32 der Kühlkanäle 30 bereitgestellt und durch die Austrittsbohrungen werden die jeweiligen Ausströmbereiche 36 der Kühlkanäle 30 bereitgestellt. Die Austrittsbohrungen sind unter einem anderen Winkel zur Mittelachse 18 der Düse 10 angeordnet als die Durchströmbohrungen, sodass an einer Verbindungsstelle zwischen einer Durchströmbohrung und einer mit dieser Durchströmbohrung verbundenen Austrittsbohrung eine Umlenkung des Kühlfluids erfolgt. Auf diese Weise legt das Kühlfluid einen besonders langen Weg durch die Düse 10 zurück, sodass eine besonders hohe Kühlwirkung erreicht werden kann.
Dadurch, dass jeweilige Ausströmbereiche 36 von Kühlkanälen 30 bei der in Fig. 2 gezeigten zweiten Ausführungsform das Kühlfluid zumindest anteilig entgegen der Ausstrahlrichtung 16 führen, kann erreicht werden, dass aus den Kühlkanälen 30 ausströmendes Kühlfluid nicht in Wechselwirkung mit dem Schneidgas tritt. Das Kühlfluid wird somit von einer Prozesszone ferngehalten und stört einen Schneidprozess somit nicht beziehungsweise besonders wenig. Insbesondere werden die jeweiligen Ausströmbereiche 36 derart gestaltet, dass die zweite Strömungsrichtung 42 bewirkt, dass das aus den jeweiligen Kühlkanälen 30 ausströmende Kühlfluid entlang einer Düsenaußenfläche nach oben strömt, um auf diese Weise eine kühlende Wirkung auf die Düse 10 auszuüben. Hierbei ist der Laserstrahl nach unten ausgerichtet. Insbesondere können die zweite Strömungsrichtung 42 und die Ausstrahlrichtung 16 einen Winkel von mindestens 105°, insbesondere einen Winkel zwischen 120° und 150° miteinander einschließen.
Vorliegend ist es vorgesehen, dass acht Kühlkanäle 30 radial um die Mittelachse 18 der Düse 10 in dem Düsengrundkörper 12 angeordnet sind.
Anschließend an die Düsenaustrittsöffnung 22 ist im Inneren der Düse 10 gemäß den Figuren 1 und 2 als Teil des Düsenkanals 14 ein zylindrischer Abschnitt 46 angeordnet. Der zylindrische Abschnitt 46 weist eine Länge von mindestens 2 mm, insbesondere zwischen 3 mm und 4 mm auf. Der zylindrische Abschnitt 46 wirkt als Reflexionsabschitt für den Laserstrahl, so dass Randbereiche des Laserstrahls, der innerhalb des zylindrischen Abschnitts 46 mit seinem 86 %-Laserstrahldurchmesser einen ähnlichen oder größeren Durchmesser erreicht wie der Düsenkanal 14, an der Innenwand des Düsengrundkörpers 12 reflektiert werden können. Der zylindrische Abschnitt 46 ist in einem massiven Teilbereich 47 des Düsengrundkörpers 12 angeordnet, in den sich die Kühlkanäle 30 nicht hinein erstrecken. Der Umlenkbereich 34 der Kühlkanäle 30 ist also in Längserstreckungsrichtung der Düse 10 oberhalb des massiven Teilbereichs 47 angeordnet. Die Länge L1 des massiven Teilbereichs 47 in Längserstreckungsrichtung der Düse 10 beträgt mindestens 5 mm, insbesondere mindestens 7 mm, jedoch nicht mehr als 30 %, bevorzugt nicht mehr als 25 % der Gesamtlänge der Düse 10. Die Wandstärke des massiven Teilbereichs 47 unterschreitet einen Wert von 2,5 mm an keiner Stelle. Auf diese Weise wird eine ausreichende Wärmeabfuhr aus dem Reflexionsabschnitt 46 über den massiven Teilbereich 47 zu den Kühlkanälen 30 bei gleichzeitig schlanker und stabiler Form der Düse 10 erreicht.
Bei dem Verfahren, im Rahmen von welchem das Werkstück mittels der Laserschneideinrichtung geschnitten wird, wird die Düse 10 während des Laserschneidens aktiv gekühlt. Insbesondere bei Schneidprozessen mit einem niedrigen Druck des Schneidgases innerhalb der Düse 10 kann die Kühlwirkung des Schneidgases auf die Düse 10 unter Umständen nicht ausreichen, um die Wärme abzuführen, die bei Absorption oder diffuser Reflektion des Laserstrahls von dem Düsengrundkörper 12 aufgenommen wird. Bei einem Schneidprozess mit einer großen Ausleuchtung der Düse 10 durch den Laserstrahl und einem geringen Schneidgasdruck wird somit bei Verwenden der beschriebenen Düse 10 mittels des Kühlfluids für eine zusätzliche Kühlung die Düse 10 und/oder eine Düsenhalterung der Düse 10 am Schneidkopf durch- oder überströmt. Für das Kühlen der Düse 10 gibt es unterschiedliche, im Folgenden genannte Möglichkeiten. Es kann eine wasser- oder öldurchflossene Düsenaufnahme an dem Schneidkopf vorgesehen sein. Hierbei wird die Aufnahme beziehungsweise Halterung für die Düse 10 am Schneidkopf mit Kühlwasser oder Öl durchströmt und die Düse 10 somit indirekt gekühlt. Bei dieser Variante ist ein besonders einfacher Aufbau der Kühlung möglich, da Kühlwasser für die Kühlung anderer Bauteile am Schneidkopf in der Regel bereits vorhanden ist. Es wird ein geschlossener Kühlkreislauf gebildet, sodass es bei einem Düsenwechsel nicht zu einem Austreten von Kühlfluid kommt.
Bei einer direkt mit flüssigem Kühlfluid gekühlten Düse liegt kein geschlossener Kühlkreislauf vor. Weiterhin wird die Düse insbesondere von Wasser beziehungsweise einem Wasser/Luft-Gemisch durch- oder überströmt. Die Kühlung kann durch Verdunstungskälte erfolgen, wobei optimalerweise das Wasser vollständig verdunstet. Hierbei ist sicherzustellen, dass kein Wasser auf der Werkstückoberfläche eine negative Wirkung auf den Schneidprozess ausübt.
Bei einer Kühlung der Düse 10 mit einem Kühlgas kann die bei der Expansion des Kühlgases aufgenommene Wärme zum Kühlen genutzt werden. Die Düse 10 kann von dem Kühlgas über- oder durchströmt werden. Wird Luft als Kühlfluid eingesetzt, dann kann vorgesehen sein, dass die Luft mit einem Luftvolumenstrom von mindestens 50 Liter/Minute durch die Kühlkanäle 30 der Düse 10 strömt.
Insbesondere bei einem Sauerstoffbrennschnitt mit geringen Schneidgasdrücken, welche typischerweise unter 3 bar liegen oder bei einem Stickstoff-Schmelzschnitt mit Schneidgasdrücken von weniger als 10 bar kann eine ausreichende Kühlung der Düse 10 allein durch das Schneidgas gegebenenfalls nicht gewährleistet werden, weshalb bei der beschriebenen Düse 10 die Kühlkanäle 30 vorgesehen sind, welche von dem Kühlfluid durchströmbar sind, wodurch das ausreichende Kühlen der Düse 10 beim Laserschneiden gewährleistet werden kann.
Zum einen können prozessseitig teilweise kleine Düsendurchmesser erforderlich sein, um höchste Schnittqualitäten zu erzielen und zum anderen können Fokuslagen und Fokusdurchmesser zur Laserbearbeitung erforderlich sein, die zu einem im Verhältnis zum Düsendurchmesser großen Strahlquerschnitt des Laserstrahls in der Düse 10 führen. Weiterhin kann als Düse 10 eine mehrteilige Schneiddüse eingesetzt werden oder die Düse 10 kann im Inneren feingliedrige Strukturen aufweisen, welche dazu eingerichtet sind, eine Schnittqualität beziehungsweise eine Schnittproduktivität zu erhöhen oder einen Schneidgasverbrauch zu reduzieren, wobei aufgrund ihrer dünnwandigen Form diese Düsenbauteile bei Kontakt mit dem Laserstrahl jedoch gegebenenfalls zerstört werden können. Konkret sind hier sehr hohe beziehungsweise sehr tiefe Fokuslagen kritisch. Sehr hohe Fokusdurchmesser sind kritisch, wenn eine Strahltaille in der Düse 10 liegt, sehr große Divergenzen sind kritisch, wenn die Strahltaille außerhalb der Düse 10 liegt. Das Problem sich erwärmender Schneiddüsen kann durch eine nicht exakt zur Mittelachse 18 der Düse 10 zentrierten Laserstrahl, durch thermischen Fokusshift oder durch Bedieneingriffe und somit durch Parameteränderungen verstärkt werden. Durch die Erwärmung der Düse 10 kann eine Schnittqualität reduziert werden, da sich bei einer kapazitiven Abstandsregelung ein Abstand zwischen Düse 10 und Blechoberfläche ändert. Spätestens mit dem Anschmelzen der Düse 10 ist mit einer signifikanten Beeinflussung des Schneidergebnisses zu rechnen. Die beschriebenen Nachteile können durch die beschriebene aktive Kühlung der Düse 10 besonders gut vermieden werden.
Die Kühlwirkung an der Düse 10 wird vorliegend erzielt, indem beispielsweise Luft von einem Schneidkopf in die Ringnut 38 geblasen wird. Von dieser umlaufenden Ringnut 38 in der Düse 10 verlaufen die mehreren Kühlkanäle 30 in Richtung der Düsenunterseite. Mittels der Ausströmbereiche 36 wird das Kühlfluid radial oder nach oben gerichtet weg von einer Prozesszone geleitet. Die Kühlwirkung wird durch einen besonders langen Weg des Kühlfluids durch die Kühlkanäle 30 erreicht. Eine Vielzahl von Kühlkanälen 30 um den Umfang der Düse 10 ermöglicht eine besonders hohe Kühlleistung. Jeweilige Ausströmöffnungen der Kühlkanäle 30 sind insbesondere steil nach oben gerichtet, um das aus den Kühlkanälen 30 ausströmende Kühlfluid entlang der Außenseite der Düse 10 strömen zu lassen. Bei dieser Ausrichtung der Ausströmöffnungen des jeweiligen Kühlkanals 30 kann zusätzlich die Außenseite der Düse 10 sowie weiter oben verortete Komponenten der Laserschneideinrichtung, wie beispielsweise ein Düsenhalter, mittels des Kühlfluids gekühlt werden. Weiterhin wird hierdurch das Kühlfluid von der Prozesszone ferngehalten, was einen von dem Kühlfluid ungestörten Schnittprozess gewährleistet.
Die Kühlwirkung kann zusätzlich durch Einsprühen von einer geringen Menge an Wasser in den Kühlfluidstrom, durch eine Erhöhung eines Kühlfluidvolumenstroms, durch eine Erhöhung der Anzahl an Kühlkanälen 30 über den Umfang und/oder durch eine Verlängerung der jeweiligen Kühlkanäle 30 und somit einer jeweiligen Kühlstrecke erhöht werden. Insgesamt zeigt die Erfindung wie eine luftgekühlte Schneiddüse und ein Schneidprozess mit einer solchen Düse 10 bereitgestellt werden können.
BEZUGSZEICHENLISTE
10 Düse
12 Düsengrundkörper
14 Düsenkanal
16 Ausstrahlrichtung
18 Mittelachse
20 axiale Richtung
22 Düsenaustrittsöffnung
24 Ende
26 Stutzen
28 Kragen
30 Kühlkanal
32 Einströmbereich
34 Umlenkbereich
36 Ausströmbereich
38 Ringnut
40 erste Strömungsrichtung
42 zweite Strömungsrichtung
44 Längenbereich
46 zylindrischer Abschnitt
47 massiver Teilbereich

Claims

PATENTANSPRÜCHE
1 . Düse (10) für eine Laserschneideinrichtung, mit einem Düsenkanal (14), welcher über eine Düsenaustrittsöffnung (22) in die Umgebung mündet, und welcher von einem Laserstrahl durchstrahlt werden kann, wobei der Laserstrahl in einer Ausstrahlrichtung (16) über die Düsenaustrittsöffnung (22) aus der Düse (10) ausstrahlt,
- wenigstens einem Kühlkanal (30), welcher von einem Kühlfluid durchströmt werden kann und welcher einen Einströmbereich (32), einen daran anschließenden Umlenkbereich (34) und einen an den Umlenkbereich (34) anschließenden Ausströmbereich (36) aufweist, wobei in dem Kühlkanal (30) strömendes Kühlfluid in dem Einströmbereich (32) zumindest anteilig in Ausstrahlrichtung (16) geführt wird, in dem Umlenkbereich (34) umgelenkt wird und danach in dem Ausströmbereich (36) geführt wird, einem Kragen (28), welcher bei bestimmungsgemäßem Einbau an einen Schneidkopf angelegt ist, wodurch der wenigstens eine Kühlkanal (30) in Einbaulage von dem Schneidkopf mit Kühlfluid versorgt werden kann.
2. Düse (10) nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Düse (10) mehrere um eine Mittelachse der Düse (10) verteilt angeordnete Kühlkanäle (30) umfasst, welche über deren gesamte Länge vollständig voneinander getrennt sind.
3. Düse (10) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Ausströmbereich (36) des wenigstens einen Kühlkanals (30) derart verläuft, dass in dem Ausströmbereich (36) des Kühlkanals (30) strömendes Kühlfluid zumindest anteilig entgegen der Ausstrahlrichtung (16) geführt wird.
4. Düse (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Kragen (28) eine umlaufende Ringnut (38) aufweist, wodurch bei bestimmungsgemäßem Einbau Kühlfluid von dem Schneidkopf in die Ringnut (38) einströmen kann, wobei der wenigstens eine Kühlkanal (30) einenends in die Ringnut (38) mündet, wodurch das Kühlfluid aus der Ringnut (38) in den Einströmbereich (32) des Kühlkanals (30) einströmen kann.
5. Düse (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Länge des wenigstens einen Kühlkanals (30) mindestens 30 %, insbesondere mindestens 50 %, insbesondere mindestens 100 % der Länge der Düse (10) vom Kragen (28) bis zur Düsenaustrittsöffnung (22) beträgt.
6. Düse (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der wenigstens eine Kühlkanal (30) eine Fluidleitstruktur aufweist, mittels welcher eine Strömungseigenschaft des Kühlfluids beim Durchströmen des Kühlkanals (30) eingestellt werden kann.
7. Düse (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Einströmbereich (32) und der Ausströmbereich (34) durch jeweilige Bohrungen bereitgestellt sind.
8. Düse (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Düsengrundkörper (12) angrenzend an die Düsenaustrittsöffnung (22) einen massiven Teilbereich (47) aufweist, in den sich der wenigstens eine Kühlkanal (30) nicht hinein erstreckt.
9. Düse (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass anschließend an die Düsenaustrittsöffnung (22) im Inneren der Düse (10) als Teil des Düsenkanals (14) ein zylindrischer Abschnitt (46) angeordnet ist.
10. Verfahren zum Laserschneiden eines Werkstücks, bei welchem mittels einer Laserschneideinrichtung ein Laserstrahl auf das zu schneidende Werkstück gerichtet wird, wobei die Laserschneideinrichtung eine Düse (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche aufweist.
11. Verfahren zum Laserschneiden eines Werkstücks, bei welchem mittels einer Laserschneideinrichtung ein Laserstrahl auf das zu schneidende Werkstück gerichtet wird, wobei eine Düse (10) der Laserschneideinrichtung sowohl mittels Schneidgas als auch mittels eines Kühlfluids direkt und/oder indirekt gekühlt wird und das Kühlfluid mittels der Laserschneideinrichtung zu der Düse (10) geführt wird, die Laserschneideinrichtung den Laserstrahl mit einer Laserleistung von mindestens 6 kW bereitstellt, das Schneidgas einen Schneidgasdruck von unter 3 bar, insbesondere von unter 1 ,5 bar aufweist, ein Abstand einer Fokusebene des Laserstrahls zu der Düsenaustrittsöffnung (22) der Düse (10) mindestens 4 mm, insbesondere mindestens 8 mm beträgt.
12. Verfahren nach Anspruch 11 , dadurch gekennzeichnet, dass ein Laserstrahldurchmesser, innerhalb welchem 86 % der Leistung des Laserstrahls gesammelt sind, mindestens 70 %, insbesondere mindestens 80 %, insbesondere mindestens 90 % eines engsten Innendurchmessers der Düse (10) beträgt.
13. Verfahren nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Laserschneideinrichtung als Düse (10) eine Düse nach einem der Ansprüche 1 bis 9 aufweist.
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