WO1995019865A1 - Düsenanordnung für das laserstrahlschneiden - Google Patents

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WO1995019865A1
WO1995019865A1 PCT/DE1995/000050 DE9500050W WO9519865A1 WO 1995019865 A1 WO1995019865 A1 WO 1995019865A1 DE 9500050 W DE9500050 W DE 9500050W WO 9519865 A1 WO9519865 A1 WO 9519865A1
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Hartmut Zefferer
Dirk Petring
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    • B23K26/1436—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 pressure control
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    • 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

Definitions

  • the invention relates to a nozzle arrangement for laser beam cutting, which has a frusto-conical nozzle body adapted to the focused laser beam and surrounding it, with a passage bore for the laser beam, with a nozzle sleeve concentrically surrounding the nozzle body and thus forming an annular gap the through-bore has an opening for a cutting gas jet of the annular gap connected to a gas source, the outlet bore being arranged on the workpiece side in front of the through-bore and provided with a diameter exceeding the diameter of the through-bore.
  • a nozzle arrangement with the aforementioned features is known from JP 5-84589 A in: "Patents Abstracts of Japan” 1993, Vol.l7 / No.410, See. M-1455 known.
  • the wall of the nozzle sleeve forming the annular gap protrudes more than 0.5 to 5 mm above the end of the nozzle body in order to achieve perfect shielding against ambient air.
  • a nozzle arrangement for laser beam cutting is known from US Pat. No. 4,121,085, which has a frusto-conical nozzle that is adapted to the focused laser beam and surrounds it. has a body with a passage hole for the laser beam, with a nozzle sleeve concentrically surrounding the nozzle body at a distance, which has an outlet opening for a cutting gas jet which is coaxial with the passage hole and which is arranged on the workpiece side in front of the passage hole of the nozzle body.
  • the outlet cross section of the outlet opening should be smaller than the inlet cross section in the space between the nozzle body and the nozzle sleeve. In this way, a gas backflow is to be generated through the passage bore with the aim of avoiding the air supply to the workpiece.
  • the cross section of the space between the nozzle body and the nozzle sleeve is not optimized in terms of flow.
  • a nozzle arrangement for laser beam cutting which has a frusto-conical nozzle body which is adapted to the focused laser beam and surrounds it and has a passage bore for the laser beam, with a nozzle sleeve which concentrically surrounds the nozzle body and thus forms an annular gap has an outlet opening coaxial with the through-bore for a cutting gas jet of the annular gap connected to a gas source.
  • the nozzle sleeve is screwed onto the nozzle body and provided with individual longitudinal grooves which are separate from one another on the sleeve inner jacket.
  • the annular gap surrounds the passage bore of the nozzle body at a distance which is determined by the wall thickness of the nozzle body in the area of the passage bore.
  • the emerging cutting gas jet is hollow cylindrical. This known nozzle arrangement can also be used for cutting, but is not specialized in this and produces a comparatively large cutting gap because of the hollow cylindrical fuel gas jet.
  • a nozzle arrangement with a nozzle sleeve which concentrically surrounds a frusto-conical nozzle body and has a bore which is arranged on the workpiece side in front of the passage bore.
  • the known nozzle arrangement is a Negative pressure on the workpiece surface is brought into effect by suctioning off the annular gap between the nozzle sleeve and the nozzle body.
  • This nozzle arrangement is not suitable for laser beam cutting, in particular if the cutting is to be carried out with high powers and / or high cutting gas pressures, for example with laser powers of over 3 kW and pressures of more than 10 bar.
  • Such a nozzle arrangement for laser beam cutting is known from DE 36 30 127 A1, which has a frusto-conical nozzle body which is adapted to the focused laser beam and surrounds it and has a passage bore for the laser beam and which has a nozzle sleeve concentrically surrounding the nozzle body and having the nozzle body forms a plurality of gas flow channels connected to a gas source, which, on the workpiece side, open from the passage hole for the laser beam into a union chamber formed by the nozzle body and by the nozzle sleeve, from which a single gas jet passes through an outlet hole with appropriate measurement of the pressure of the gas flows out at supersonic speed.
  • the outlet bore is formed by a protective cap which is screwed to the nozzle sleeve and is intended to keep away dirt which occurs during cutting.
  • the diameter of the outlet bore is smaller than the diameter of the through bore for the laser beam. The result is a gas flow which can still be improved with regard to flow losses and with regard to the course of the cutting gas flow in the cutting gap.
  • the invention is therefore based on the object of providing a nozzle arrangement with the features mentioned at the outset. Improve that the gas jet leaving the nozzle is led from the nozzle mouth to the material with minimal flow losses, namely impulse and mass flow losses.
  • the gas jet which is present in the form of a ring through the annular gap, is deflected parallel in the direction of the nozzle axis and flows as a closed free jet fully out of the nozzle mouth or out of the outlet bore of the nozzle.
  • the redirection of the ring-shaped jet in the area of the nozzle orifice takes place with a minimum of pulse losses, since there is no formation of compression surges. Only outside the nozzle mouth does the free jet expand in the direction of the laser beam axis to supersonic speed.
  • the leakage gas jet is minimized by the laser passage bore.
  • the low leakage gas jet reduces the admixture of ambient air into the gas jet.
  • the nozzle arrangement is designed in such a way that the annular gap and the gas pressure are dimensioned in such a way that the gas is at most due to the gap cross-sectional area decreasing towards the outlet bore is accelerated to the speed of sound. Compression surges can be avoided with certainty, so that flow losses are minimized.
  • a further reduction in flow losses can be achieved in that the transition cross section of the annular gap to the outlet bore is reduced as continuously as possible by shaping the wall of the nozzle sleeve.
  • the nozzle arrangement is designed such that the gap width of the annular gap is dimensioned approximately as follows:
  • the nozzle be at a slightly greater distance from the workpiece. It must be ensured that the gas jet does not expand and maintains its mechanical action in the cutting gap.
  • the nozzle arrangement is designed such that the outlet bore transfers the cutting gas jet into a nozzle recess, the design of which allows the jet to expand to supersonic speed.
  • the diameter of the passage opening of the nozzle body should be made as small as possible so that an influence on the gas flow is avoided and the leakage losses through the interior of the nozzle can be kept small.
  • An expedient embodiment of the nozzle arrangement in this respect is characterized in that the diameter of the passage bore is equal to or greater than 1.5 times the laser beam diameter in the region of the passage bore.
  • Nozzle arrangements are designed differently with regard to the means focusing the laser beam.
  • the nozzle assembly is in connection with such an end window which allows the laser beam to pass through, it makes sense to design it in such a way that the interior of the nozzle body, which is closed off by a transmitting element in the access area of the laser beam, is provided with pressure relief bores.
  • the pressure relief bores can in particular reduce any pressure peaks, so that the transmitting end window or the focusing lens cannot be damaged.
  • the nozzle arrangement can be designed such that the interior of the nozzle body, which is closed off by a transmitting element in the access area of the laser beam, is connected to a gas source.
  • the interior of the nozzle body is acted upon in a conventional manner with gas, which flows out through the passage hole for the laser beam and continues to flow centrally in the gas of the annular gap.
  • the nozzle arrangement can be developed in such a way that the frustoconical nozzle sleeve is surrounded by an outer sleeve, which thus forms a further coaxial annular gap, and that the two annular gaps are connected to the same or to different fluid sources.
  • This configuration is particularly suitable for nozzle arrangements which are used in conjunction with mirror optics.
  • the two annular gaps are connected to the same gas source, the resulting cutting gas jet can be formed with pressure and / or flow conditions which differ over the cross section.
  • a liquid can also be used as the fluid instead of a gas.
  • the nozzle arrangement described above can be further developed in that the further annular gap opens into the outlet bore or has a separate gap mouth surrounding the outlet bore at a distance.
  • the fluid flowing in from the outside becomes a component of the central gas jet, and the formation of the mouth furthermore Annular gap influence on the formation of the gas jet can be exerted.
  • there is a separate beam which is used, for example, to influence, for example, shield, workpiece areas around the cutting beam.
  • An additional gas jet often has to meet very different requirements.
  • the gas consumption may be low.
  • the nozzle arrangement can also be designed in such a way that the nozzle sleeve has a vertical slot extending from the annular gap, into which the outlet bore is integrated.
  • Fig.l is a schematic cross section of a Du senanix to explain its basic components
  • FIG. 3, 4 use variants of the nozzle arrangement according to FIG. 1 with and without a transmitting end window,
  • the nozzle arrangement 34 essentially consists of a nozzle body 10 which has an interior 16 which is adapted accordingly to the focused laser beam (not shown), that is to say it tapers correspondingly to the focused laser beam.
  • the nozzle body 10 At the lower, workpiece-side end of the nozzle body 10 in the illustration, there is a passage bore 11 for the laser beam.
  • the diameter d of this passage bore 11 should be designed as small as possible and is based on the diameter of the focused laser beam d at this point. The following rule of thumb applies: d> 1.5 x di,
  • the nozzle body 10 is surrounded by a nozzle sleeve 13, which has a complex structure.
  • the nozzle sleeve 13 is designed in a frustoconical manner similar to that of the nozzle body 10. However, it is at a short distance from the outer circumference 10 'of the nozzle body 10, so that an annular gap 12 is formed.
  • This annular gap 12 extends from a boiler space 23 connected to a gas inlet 25 to a nozzle orifice 26, where an outlet bore 14 is present in the nozzle sleeve 13. There is a continuous flow connection between the gas inlet 25 and the nozzle orifice 26.
  • the boiler space 23 is an annular space surrounding the nozzle body 10, to which, in addition to the gas inlet, a connection bore 27 is connected for a pressure measurement.
  • a cutting gas can be supplied through the gas inlet 25 as a function of a pressure measurement in such a way that the working gas pressure which builds up inside the nozzle reaches or does not exceed a predetermined value and does not drop below it.
  • the build-up of the working gas pressure takes place because of the decreasing flow cross-section of the annular gap 12 from the boiler space 23 to the nozzle mouth 26. In this the cutting gas is accelerated to at most the speed of sound.
  • the through 2d in various in Figures 2a Substituted ⁇ staltungen shown detail Z of Fig.l concerns mainly the design of the transition of the Strömungsquer- section of the annular gap 12 to the flow cross-section of the training 2a.
  • the transition cross-section is determined in FIG. 2a by the fact that the nozzle body 10 is designed in the shape of a truncated cone, while the nozzle sleeve 13 is also in the shape of a truncated cone on the outside, but on the inside has a shape of the wall 36 which is essentially funnel-shaped and in the transition area between Annular gap 12 and nozzle mouth 26 is continuously curved so that a peripheral edge does not occur.
  • the transition cross-section is continuously reduced, as can be seen from the diagram adjacent to FIG. 2a, in which the flow cross-sectional area A is shown as a function of the running coordinate u.
  • the flow cross-sectional area Ai which is larger than a flow cross-section area A 2 at the run coordinate U 2 at the nozzle mouth 26.
  • the diagram represents the desired continuous reduction of the transition cross-section. It was assumed that the lateral surface of the Nozzle body 10 is completely present up to the cone tip 38, so there is no effective disturbance by the passage bore 11 shown. It can be seen that the flow cross-sectional area towards the nozzle mouth 26 is reduced without a jump.
  • the passage bore 11 and the outlet bore 14 are each shown in a cylindrical configuration in FIGS. 2c, d. These designs are the easiest to manufacture.
  • the width of the annular gap 12 is constant up to the cylindrical outlet bore 14.
  • FIGS. 2c and 2d it can be seen that the outer lateral surface of the nozzle body 10 is in each case the same and lies the same.
  • the transition cross-section from the annular gap 12 to the outlet bore 14 results here by definition at the peripheral edge 39 of the nozzle sleeve 13 and is perpendicular to the outer circumferential surface of the nozzle body 10.
  • the transition cross-section was designated by 40 in FIGS. 2c, 2d.
  • the diameter D of the outlet bore 14 is larger than the diameter d of the through bore 11 for the laser beam.
  • the gap width s according to FIG. 2 is also important. All of the quantities mentioned must be linked to one another in such a way that the annular gas jet formed by the annular gap 12 is deflected in the direction of the laser beam axis 28 with as little loss as possible. The following relationship is assumed:
  • the diameter of the outlet bore 14 is usually 2 mm.
  • 2a corresponds in the illustration of the nozzle orifice 26 to the illustration in FIG. 2a, but shows a nozzle crown 42 which is provided at the nozzle tip 43. The nozzle crown 42 is fastened to the nozzle tip 43, for example, by joining. One-piece training is also possible. What is essential is a nozzle recess 37, which allows the cutting gas jet to expand to supersonic speed from the exit bore 14.
  • FIG. 2b shows the dependence of the flow cross-sectional area A on the running coordinate u within the nozzle crown 42, the increase in the cross-sectional area outside the area of the nozzle orifice 26 being evident.
  • FIG. 3 shows a nozzle arrangement which is used in conjunction with a nozzle holder 29 together with a mirror optic 35 which guides the laser beam in accordance with the dashed or dash-dotted line.
  • the dash-dotted line relates to the laser beam axis 28 of the focused laser beam, which is directed through the nozzle arrangement 34 or through the nozzle body 10 onto the workpiece to be cut.
  • the laser beam is focused with a transmitting element 15, namely a lens, which closes the interior space 16 of the nozzle body 10 at the top.
  • a cutting gas jet is formed with a static pressure which is independent of the mechanical destruction threshold of the transmitting element 15.
  • pressure relief holes 32 may be present. For some cutting applications it may be necessary to
  • a transmitting closure element 15 is required for the central supply of gas, as was shown in FIG.
  • the gas supply of the gas type 1 takes place through the bore 30 of the nozzle holder 29 and the bore 31 serves for the pressure measurement 1 of this gas.
  • the second type of gas is carried out through the gas inlet 25 of the sleeve 13, at whose bore 27 the associated second pressure measurement takes place.
  • a transmitting terminal element 15 according to Figure 5 can not be realized, a nozzle used according to Fig.6, which has in addition to the nozzle sleeve 13 is a surrounding this white ⁇ tere outer sleeve 18, which with the outer periphery of the sleeve
  • FIG. 13 shows that the further annular gap 17 has a gap opening 20 which is at a distance 19 from the outlet bore 14 and thus surrounds the latter with this distance 19. A corresponding formation of separate concentric gas jets is to be expected.
  • a nozzle arrangement according to FIG. 8 has a comparatively large consumption of gas due to the outer, spaced-apart additional gas jet. If this gas consumption is to be reduced, a nozzle arrangement according to FIG. 9 can be used, in which the annular gap 12 not only feeds the outlet bore 14, but also a bore 21, which is arranged parallel to the jet axis 28 at a distance and accordingly one second beam of comparable cross-section generated.
  • the additional gas jet in such a way that it is both at a distance from the laser beam axis 28 and is connected to the gas jet of the outlet bore 14.
  • the nozzle sleeve 13 is provided with a vertical slot 22 extending from the annular gap 12 with an elongated hole-like opening into which the outlet bore 14 is integrated. This is shown in Fig.10.

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Abstract

Düsenanordnung (34) für das Laserstrahlschneiden, die einen dem fokussierten Laserstrahl angepaßten, diesen umgebenden kegelstumpfförmigen Düsenkörper (10) mit einer Durchlaßbohrung (11) für den Laserstrahl hat, mit einer den Düsenkörper (10) konzentrisch umgebenden und damit einen Ringspalt (12) bildenden Düsenhülse (13), die eine mit der Durchlaßbohrung (11) gleichachsige Austrittsbohrung (14) für einen Schneidgasstrahl des an eine Gasquelle angeschlossenen Ringspalts (12) aufweist, wobei die Austrittsbohrung (14) werkstückseitig vor der Durchlaßbohrung (11) angeordnet und mit einem den Durchmesser (d) der Durchlaßbohrung (11) übersteigenden Durchmesser (D) versehen ist. Um zu erreichen, daß die Umlenkung des Gasstrahls aus der Düse parallel zur Achse des Laserstrahls mit einem Minimum an Strömungsverlusten erfolgt, wird die Düsenanordnung so ausgebildet, daß der Austrittsquerschnitt der Austrittsbohrung (14) etwa gleich dem Übergangsquerschnitt des Ringspalts (12) zur Austrittsbohrung (14) ist.

Description

Düsenanordnunσ für das Laserstrahlschneiden
Die Erfindung bezieht sich auf eine Düsenanordnung für das Laserstrahlschneiden, die einen dem fokussierten Laser- strahl angepaßten, diesen umgebenden kegelstumpfförmigen Dü¬ senkörper mit einer Durchlaßbohrung für den Laserstrahl hat, mit einer den Düsenkörper konzentrisch umgebenden und damit einen Ringspalt bildenden Düsenhülse, die eine mit der Durchlaßbohrung gleichachsige Austrittsöffnung für einen Schneidgasstrahl des an eine Gasquelle angeschlossenen Ring¬ spalts aufweist, wobei die Austrittsbohrung werkstückseitig vor der Durchlaßbohrung angeordnet und mit einem den Durch¬ messer der Durchlaßbohrung übersteigenden Durchmesser verse¬ hen ist.
Eine Düsenanordnung mit den vorgenannten Merkmalen ist aus JP 5-84589 A in: "Patents Abstracts of Japan" 1993, Vol.l7/No.410, See. M-1455 bekannt. Die Wand der den Ringspalt bildenden Düsenhülse steht mehr als 0,5 bis 5mm über das Ende des Düsenkörpers vor, um eine perfekte Abschir¬ mung gegen Umgebungsluft zu erreichen.
Aus der US 4 121 085 ist eine Düsenanordnung für das La¬ serstrahlschneiden bekannt, die einen dem fokussierten Laser- strahl angepaßten, diesen umgebenden kegelstumpfförmigen Du- senkörper mit einer Durchlaßbohrung für den Laserstrahl hat, mit einer den Düsenkörper konzentrisch mit Abstand umgebenden Düsenhülse, die eine mit der Durchlaßbohrung gleichachsige Austrittsöffnung für einen Schneidgasstrahl aufweist, die werkstückseitig vor der Durchlaßbohrung des Düsenkörpers an¬ geordnet ist. Der Auslaßquerschnitt der Austrittsöffnung soll kleiner sein, als der Einlaßquerschnitt in den zwischen dem Düsenkörper und der Düsenhülse vorhandenen Raum. Auf diese Weise soll ein Gasrückstrom durch die Durchlaßbohrung erzeugt werden mit dem Ziel, die LuftZuführung zum Werkstück zu ver¬ meiden. Der Querschnitt des Raums zwischen dem Düsenkörper und der Düsenhülse ist nicht strömungsmäßig optimiert.
Aus der DE 36 37 568 AI ist eine Düsenanordnung für das Laserstrahlschneiden bekannt, die einen dem fokussierten La¬ serstrahl angepaßten, diesen umgebenden kegelstumpfförmigen Düsenkörper mit einer Durchlaßbohrung für den Laserstrahl hat, mit einer den Düsenkörper konzentrisch umgebenden und damit einen Ringspalt bildenden Düsenhülse, die eine mit der Durchlaßbohrung gleichachsige Austrittsöffnung für einen Schneidgasstrahl des an eine Gasquelle angeschlossenen Ring¬ spalts aufweist. Bei dieser bekannten Düsenanordnung ist die Düsenhülse auf den Düsenkörper aufgeschraubt und am Hül- seninnenmantel mit einzelnen, voneinander getrennten Längsnu- ten versehen. Wird die Hülse etwas abgeschraubt, so entsteht zwischen ihr und dem Düsenkörper ein konischer Ringspalt. Der Ringspalt umgibt die Durchlaßbohrung des Düsenkörpers mit ei¬ nem Abstand, der durch die Wandstärke des Düsenkörpers im Be¬ reich der Durchlaßbohrung bestimmt ist. Der austretende Schneidgasstrahl ist hohlzylindrisch. Diese bekannte Düsen¬ ordnung kann auch zum Schneiden eingesetzt werden, ist aber hierauf nicht spezialisiert und erzeugt wegen des hohlzylin- drischen Brenngasstrahls einen vergleichsweise großen Schneidspalt.
Aus der DE 38 24 047 AI ist eine Düsenanordnung mit ei¬ ner Düsenhülse bekannt, die einen kegelstumpfförmigen Düsen¬ körper konzentrisch umgibt und eine Bohrung aufweist, die werkstückseitig vor der Durchlaßbohrung angeordnet ist. Mit Hilfe dieser Bohrung der bekannten Düsenanordnung wird ein Unterdruck auf der Werkstückoberfläche zur Wirkung gebracht, indem der Ringspalt zwischen Düsenhülse und Düsenkörper abge¬ saugt wird. Es findet eine erhebliche Strahlstörung im Be¬ reich der Austrittsbohrung statt, so daß diese Düsenanordnung für das Laserstrahlschneiden insbesondere dann nicht geeignet ist, wenn das Schneiden mit hohen Leistungen und/oder hohen Schneidgasdrücken durchgeführt werden soll, also beispiel¬ weise mit Laserleistungen von über 3 kW und Drücken von mehr als 10 bar.
Um Werkstücke mit hoher Arbeitsgeschwindigkeit schneiden zu können, ist es zum Ausblasen des Materials aus der Schneidfuge bekannt, ein Schneidgas zu verwenden, das mit ho¬ her Geschwindigkeit zugeführt wird. Die Schneidgasgeschwin- digkeit liegt im Überschallbereich. Aus der DE 36 30 127 AI ist eine solche Düsenanordnung für das Laserstrahlschneiden bekannt, die einen dem fokussierten Laserstrahl angepaßten, diesen umgebenden kegelstumpfförmigen Düsenkörper mit einer Durchlaßbohrung für den Laserstrahl hat und die eine den Dü- senkörper konzentrisch umgebende Düsenhülse aufweist, welche mit dem Düsenkörper mehrere an eine Gasquelle angeschlossene Gasströmungskanäle bildet, die werkstückseitig von der Durch¬ laßbohrung für den Laserstrahl in eine von dem Düsenkörper und von der Düsenhülse gemeinsam gebildete Vereinigungskammer münden, von der aus ein einziger Gasstrahl durch eine Aus¬ trittsbohrung bei entsprechender Bemessung des Drucks des Gases mit Überschallgeschwindigkeit ausströmt. Dabei ist eine wesentlich langsamer strömende Gashülle zum Schutz gegen das Mitreißen von Gas aus der umgebenden Atmosphäre vorhanden. Die Austrittsbohrung ist von einer mit der Düsenhülse ver¬ schraubten Schutzkappe gebildet, die beim Schneiden auftre¬ tende Verschmutzungen fernhalten soll. Bei der vorgenannten Düsenanordnung ist der Durchmesser der Austrittsbohrung klei¬ ner, als der Durchmesser der Durchlaßbohrung für den Laser- strahl. Es ergibt sich eine Gasströmung, die im Hinblick auf Strömungsverluste und im Hinblick auf die Verläufe der Schneidgasströmung im Schneidspalt noch zu verbessern ist.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Dü- senanordnung mit den eingangs genannten Merkmalen so zu ver- bessern, daß der die Düse verlassende Gasstrahl mit möglichst minimalen Strömungsverlusten, nämlich Impuls- und Massestrom¬ verlusten, aus der Düsenmündung zum Werkstoff geführt wird.
Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß der Austritts¬ querschnitt der Austrittsbohrung etwa gleich dem Übergangs¬ querschnitt des Ringspalts zur Austrittsbohrung ist.
Für die Erfindung ist von Bedeutung, daß eine Strömungs- Optimierung im Düsenauslaßbereich erfolgt. Im Austritt des konvergenten Spalts wird der durch den Ringspalt in Ringform vorliegende Gasstrahl in Richtung der Düsenachse parallel um¬ gelenkt und strömt als geschlossener Freistrahl voll aus der Düsenmündung bzw. aus der Austrittsbohrung der Düse. Die Um- lenkung des ringförmigen Strahls im Bereich der Düsenmündung erfolgt mit einem Minimum an Impulsverlusten, da es nicht zu einer Ausbildung von Verdichtungsstößen kommt. Erst außerhalb der Düsenmündung expandiert der Freistrahl in Richtung der Laserstrahlachse auf Überschallgeschwindigkeit.
Infolge der Strömungsverlustarmen Umlenkung des Ring¬ strahls in die Austrittsbohrung wird auch erreicht, daß der Leck-Gasstrahl durch die Laserdurchgangsbohrung minimiert wird. Der geringe Leckgasstrahl verringert eine Beimischung von Umgebungsluft in den Gasstrahl.
Um zu erreichen, daß innerhalb der Düsenanordnung eine optimale Schneidgasströmung auftritt, deren Strömungsverluste also möglichst gering sind, wird die Düsenanordnung so ausge- bildet, daß der Ringspalt und der Gasdruck derart bemessen sind, daß das Gas infolge der sich zur Austrittsbohrung hin verkleinernden Spaltquerschnittsfläche höchstens auf Schall¬ geschwindigkeit beschleunigt wird. Verdichtungsstöße können mit Sicherheit vermieden werden, so daß Strömungsverluste minimiert werden.
Eine weitere Verringerung von Strömungsverlusten läßt sich dadurch erreichen, daß der Übergangsquerschnitt des Ringspalts zur Austrittsbohrung durch eine Formgebung der Wand der Düsenhülse möglichst kontinuierlich verkleinert ist. Um eine zutreffende Dimensionierung der Austrittsbohrung zu erreichen, wird die Düsenanordnung so ausgebildet, daß die Spaltweite des Ringspalts etwa wie folgt dimensioniert ist:
s = D/(2 cos (Ofe) ) * (1- (1-cos (Cfe) ) °-5) s = Spaltweite
D = Durchmesser der Austrittsbohrung (χs = Neigungswinkel des Ringspalts.
Damit ergeben sich für die technische Umsetzung einfach an¬ wendbare Konstruktionsrichtlinien.
Insbesondere bei höheren Schneidgeschwindigkeiten ist es wünschenswert, daß die Düse einen etwas größeren Abstand vom Werkstück hat. Dabei muß gewährleistet bleiben, daß der Gas¬ strahl sich nicht aufweitet und seine mechanische Wirkung im Schneidspalt beibehält. Um das zu erreichen, wird die Düsena¬ nordnung so ausgebildet, daß die Austrittsbohrung den Schneidgasstrahl in eine Düsenausnehmung überleitet, deren Ausgestaltung den Strahl geführt auf Überschallgeschwindig¬ keit expandieren läßt.
Der Durchmesser der Durchlaßöffnung des Düsenkörpers sollte so klein wie möglich ausgebildet werden, damit eine Einflußnahme auf die Gasströmung vermieden wird, und damit die Leckverluste durch den Düseninnenraum klein gehalten wer¬ den können. Eine zweckmäßige Ausgestaltung der Düsenannord¬ nung in dieser Hinsicht zeichnet sich dadurch aus, daß der Durchmesser der Durchlaßbohrung gleich oder größer dem 1,5- fachen des Laserstrahldurchmessers im Bereich der Durchla߬ bohrung ist.
Düsenanordnungen werden hinsichtlich der den Laserstrahl fokussierenden Mittel unterschiedlich ausgebildet. Beim Ein¬ satz von fokussierenden Linsen ist es erforderlich, die Dü¬ senanordnung so auszugestalten, daß die Fokussierlinse und/oder ein den Laserstrahl transmittierendes Abschlußfen¬ ster durch den maximal möglichen Schneidgasdruck nicht zer- stört werden. Wird die Düsenanordnung also in Verbindung mit einem solchen, den Laserstrahl durchlassenden Abschlußfenster versehen, so ist es sinnvoll, sie so auszubilden, daß der im Zutrittsbereich des Laserstrahls von einem transmittierenden Element abgeschlossene Innenraum des Düsenkörpers mit Druck- entlastungsbohrungen versehen ist. Die Druckentlastungsboh¬ rungen können insbesondere etwaige Druckspitzen abbauen, so daß das transmittierende Abschlußfenster bzw. die Fokussier- linse nicht beschädigt werden können.
Die Düsenanordnung kann so ausgebildet werden, daß der im Zutrittsbereich des Laserstrahls von einem transmittieren¬ den Element abgeschlossene Innenraum des Düsenkörpers an eine Gasquelle angeschlossen ist. Dabei wird der Innenraum des Dü¬ senkörpers in herkömmlicher Weise mit Gas beaufschlagt, das durch die Durchlaßbohrung für den Laserstrahl ausströmt und zentral im Gas des Ringspalts weiterströmt.
Die Düsenanordnung kann so weitergebildet werden, daß die kegelstumpfförmige Düsenhülse von einer damit einen wei- teren koaxialen Ringspalt bildenden äußeren Hülse umgeben ist, und daß die beiden Ringspalte an dieselbe oder an unter¬ schiedliche Fluidquellen angeschlossen sind. Diese Ausgestal¬ tung ist insbesondere für Düsenanordnungen geeignet, die in Verbindung mit einer Spiegeloptik eingesetzt werden. Bei An- Schluß der beiden Ringspalte an dieselbe Gasquelle kann der resultierende Schneidgasstrahl mit über den Querschnitt un¬ terschiedlichen Druck- und/oder Durchflußverhältnissen ausge¬ bildet werden. Bei Anschluß der beiden Ringspalte an unter¬ schiedliche Gasquellen ergeben sich entsprechende Druck- und/oder Durchflußverhältnisse der zusammengeführten unter¬ schiedlichen Einzelstrahlen. In Sonderfällen kann anstelle eines Gases auch eine Flüssigkeit als Fluid eingesetzt wer¬ den.
Die vorbeschriebene Düsenanordnung kann dadurch weiter¬ gebildet werden, daß der weitere Ringspalt in die Austritts¬ bohrung mündet oder eine davon separate, die Austrittbohrung mit Abstand umgebende Spaltmündung hat. Im ersten Fall wird das außen zuströmende Fluid Bestandteil des zentralen Gas- Strahls, wobei über die Ausbildung der Mündung des weiteren Ringspalts Einfluß auf die Formung des Gasstrahls genommen werden kann. Im zweiten Fall ergibt sich ein separater Strahl, der beispielsweise eingesetzt wird, um Werkstückbe¬ reiche um den Schneidstrahl herum zu beeinflussen, z.B. abzu- schirmen.
Ein Zusatzgasstrahl hat häufig ganz unterschiedlichen Anforderungen zu entsprechen. Beispielsweise kann es sein, daß der Gasverbrauch gering sein soll. Für diesen Fall ist es zweckmäßig, die Düsenanordnung so auszugestalten, daß ein Ringspalt zur Ausbildung eines Zusatzgasstrahls an eine Boh¬ rung angeschlossen ist, die neben der Austrittsbohrung mün¬ det. Diese Bohrung ist vorzugsweise düsenachsparallel .
Für ähnliche Sonderzwecke kann die Düsenanordnung auch so gestaltet sein, daß die Düsenhülse einen vom Ringspalt ausgehenden vertikalen Schlitz hat, in den die Austrittsboh¬ rung integriert ist.
Die Erfindung wird anhand von in der Zeichnung darge¬ stellten Ausführungsbeispielen erläutert. Es zeigen:
Fig.l einen schematischen Querschnitt einer Du senanordnung zur Erläuterung ihrer grund sätzlichen Bestandteile,
Fig.2a-d die Einzelheit Z der Fig.l in unterschied¬ lichen Ausgestaltungen, Fig.3, 4 Einsatzvarianten der Düsenanordnung gemäß Fig.l mit und ohne transmittierendem Ab- schlußfenster,
Fig.5, 6 unterschiedliche Ausbildungen der Düsenan¬ ordnung zu radialen und axialen Mischung unterschiedlicher Gase, Fig.7, 8 unterschiedliche Ausbildungen der Düsenan- Ordnung zur Erzeugung konzentrischer Zu¬ satzstrahlen, und Fig.9, 10 unterschiedliche Ausgestaltungen einer Dü- anordnung mit nichtkonzentrischen Zusatz¬ gasstrahlen. Die erfindungsgemäße Düsenanordnung 34 besteht im we¬ sentlichen aus eine Düsenkörper 10, der einen Innenraum 16 hat, welcher dem nicht dargestellten fokussierten Laserstrahl entsprechend angepaßt ist, sich also dem fokussierten Laser- strahl entsprechend verjüngt. Am in der Darstellung unteren, werkstückseitigen Ende des Düsenkörpers 10 ist eine Durchla߬ bohrung 11 für den Laserstrahl vorhanden. Der Durchmesser d dieser Durchlaßbohrung 11 sollte so klein wie möglich ausge¬ legt werden und orientiert sich am Durchmesser des fokussier- ten Laserstrahl d an dieser Stelle. Als Faustformel gilt etwa: d > 1,5 x di,
Der Düsenkörper 10 ist von einer Düsenhülse 13 umgeben, die einen komplexen Aufbau hat. Im Bereich des unteren Endes des Düsenkörpers 10 ist die Düsenhülse 13 ähnlich kegel- stumpfförmig ausgebildet, wie der Düsenkörper 10. Sie hat je¬ doch einen geringen Abstand zum Außenumfang 10 ' des Düsenkör¬ pers 10, so daß ein Ringspalt 12 gebildet wird. Dieser Ringspalt 12 erstreckt sich von einem mit einem Gaseinlaß 25 verbundenen Kesselraum 23 bis zu einer Düsenmündung 26, wo eine Austrittsbohrung 14 in der Düsenhülse 13 vorhanden ist. Es ergibt sich eine durchgehend strömungsmäßige Verbindung zwischen dem Gaseinlaß 25 und der Düsenmündung 26. Der Kes¬ selraum 23 ist ein den Düsenkörper 10 umgebender Ringraum, an den außer dem Gaseinlaß auch eine Anschlußbohrung 27 für eine Druckmessung angeschlossen ist. Infolgedessen kann eine Schneidgaszufuhr durch den Gaseinlaß 25 in Abhängigkeit von einer Druckmessung so durchgeführt werden, daß der sich dü¬ senintern aufbauende Arbeitsgasdruck einen vorbestimmten Wert erreicht bzw. nicht überschreitet und nicht unterschreitet. Der Aufbau des Arbeitsgasdrucks erfolgt wegen des sich von Kesselraum 23 bis zur Düsenmündung 26 verringernden Strö¬ mungsquerschnitts des Ringspalts 12. In diesem wird das Schneidgas bis höchstens auf Schallgeschwindigkeit beschleu- nigt.
Die in den Figuren 2a bis 2d in unterschiedlichen Ausge¬ staltungen dargestellte Einzelheit Z der Fig.l betrifft hauptsächlich die Gestaltung des Übergangs des Strömungsquer- Schnitts des Ringspalts 12 zum Strömungsquerschnitt der Aus- trittsbohrung 14. Der Übergangsquerschnitt wird in Fig.2a da¬ durch bestimmt, daß der Düsenkörper 10 in Kegelstumpfform ausgebildet ist, während die Düsenhülse 13 außen ebenfalls kegelstumpfförmig ist, innen aber eine Formgebung der Wand 36 aufweist, die im wesentlichen bogentrichterförmig und im Übergangsbereich zwischen Ringspalt 12 und Düsenmündung 26 kontinuierlich gekrümmt ist, so daß eine umlaufende Kante nicht auftritt. Dementsprechend wird der Übergangsquerschnitt kontinuierlich verkleinert, wie sich aus dem der Fig.2a ne- benstehenden Diagramm ablesen läßt, in dem die Strömungsquer¬ schnittsfläche A in Abhängigkeit von der Laufkoordinate u dargestellt ist. Bei der Laufkoordinate ui ist eine Strö¬ mungsquerschnittsfläche Ai vorhanden, die größer ist, als eine Strömungsquerschnittsfläche A2 bei der Laufkoordinate U2 an der Düsenmündung 26. Das Diagrammm stellt die gewünschte kontinuierliche Verkleinerung des Übergangsquerschnitts dar. Dabei wurde angenommen, daß die Mantelfläche des Düsenkörpers 10 bis zur Kegelspitze 38 komplett vorhanden ist, eine effek¬ tive Störung durch die dargestellte Durchlaßbohrung 11 also nicht stattfindet. Es ist ersichtlich, daß sich die Strö¬ mungsquerschnittsfläche zur Düsenmündung 26 hin sprunglos verkleinert.
In den Figuren 2c, d sind die Durchlaßbohrung 11 und die Austrittsbohrung 14 jeweils in zylindrischer Ausbildung dar¬ gestellt. Diese Ausgestaltungen sind am einfachsten herzu¬ stellen. Die Weite des Ringspalts 12 ist bis zur zylindri¬ schen Austrittsbohrung 14 konstant. Durch Vergleich der Figu¬ ren 2c und 2d ist erkennbar, daß die äußere Mantelfläche des Düsenkörpers 10 jeweils gleich ist und gleich liegt. Der Übergangsquerschnitt vom Ringspalt 12 zur Austrittsbohrung 14 ergibt sich hier definitionsgemäß an der Umlaufkante 39 der Düsenhülse 13 und liegt senkrecht zur äußeren Mantelfläche des Düsenkörpers 10. Der Übergangsquerschnitt wurde in den Figuren 2c, 2d mit 40 bezeichnet. Durch Vergleich der Figuren 2c, 2d ist des weiteren ersichtlich, daß die Unterkante 41 des Düsenkörpers 10 umso näher an der Umlaufkante 39 liegt, je kleiner der Durchmesser d der Durchtrittsbohrung 11 ist. Je kleiner der Durchmesser d ist, desto relativ tiefer taucht der Düsenkörper 10 bei ungeänderter Lage seiner Mantelfläche in Richtung Austrittsbohrung 14 ein.
Darüberhinaus ist aber in erster Linie von Bedeutung, daß der Durchmesser D der Austrittsbohrung 14 größer ist, als der Durchmesser d der Durchlaßbohrung 11 für den Laserstrahl. Außerdem ist die Spaltweite s gemäß Fig.2 von Bedeutung. Alle genannten Größen müssen so miteinander verknüpft werden, daß der durch den Ringspalt 12 geformte ringförmige Gasstrahl möglichst verlustfrei in Richtung der Laserstrahlachse 28 um¬ gelenkt wird. Dabei wird von folgender Beziehung ausgegangen:
AD = πD2/4
Des weiteren gilt:
As = πs(D-s cos (ots) )
D = Durchmesser der Austrittsbohrung 14 d = Durchmesser der Durchlaßbohrung 11 für den Laserstrahl s = Spaltweite CXs = Neigungswinkel des Spaltes
As = Austrittsfläche des Spaltes AD = Austrittsfläche der Austrittsbohrung
14.
Wenn man nun davon ausgeht, daß es für ein möglichst verlustfreies Strömungsverhalten des Gasstrahls von Bedeutung ist, daß As etwa gleich AD ist, so folgt aus den beiden vorge¬ nannten Gleichungen:
s = D/ (2 cos(θfe) ) * (1- (l-cos(θfe) ) °-5)
Der Durchmesser der Austrittsbohrung 14 liegt üblicher¬ weise bei 2 mm. Der Winkel 0Cs sollte möglichst spitz ausge¬ führt werden. Da jedoch die Form des fokussierten Laser¬ strahls den Winkel OCs begrenzt, muß üblicher Weise ein Winkel in der Größenordnung von OCs = 30° zugestanden werden. Daraus ergibt sich die erforderliche Spaltweite mit s = 0,73 mm. Fig.2b entspricht in der Darstellung der Düsenmündung 26 der Darstellung in Fig.2a, läßt jedoch eine Düsenkrone 42 er¬ kennen, die an der Düsenspitze 43 vorgesehen ist. Die Befe- stigung der Düsenkrone 42 an der Düsenspitze 43 erfolgt z.B. durch Fügen. Auch eine einstückige Ausbildung ist möglich. Wesentlich ist eine Düsenausnehmung 37, die den Schneidgas¬ strahl von der Austrittsbohrung 14 an geführt auf Überschall¬ geschwindigkeit expandieren läßt. Das ist z.B. bei Anwendun- gen von Vorteil, bei denen der Schneidgasstrahl über eine längere Strecke zwischen dem Bearbeitungskopf und dem Werk¬ stück konstante Eigenschaften behalten soll. Er soll sich also insbesondere nicht aufweiten und im Schneidspalt die ge¬ wünschten mechanischen Eigenschaften beim Ausblasen des ver- brannten Werkstoffs entfalten. Das der Fig.2b nebengeordnete Diagramm stellt die Abhängigkeit der Strömungsquerschnittflä¬ che A von der Laufkoordinate u innerhalb der Düsenkrone 42 dar, wobei das Anwachsen der Querschnittsfläche außerhalb des Bereichs Düsenmündung 26 ersichtlich ist.
Die vorbeschriebenen Grundausbildungen der Düse lassen sich vorteilhaft in unterschiedlichen Konfigurationen anwen¬ den. Fig.3 zeigt eine Düsenanordnung, die in Verbindung mit einer Düsenhalterung 29 zusammen mit einer Spiegeloptik 35 eingesetzt wird, die den Laserstrahl der gestrichelten bzw. der strichpunktierten Linie entsprechend führt. Die strich¬ punktierte Linie betrifft die Laserstrahlachse 28 des fokus¬ sierten Laserstrahls, der durch die Düsenanordnung 34 bzw. durch den Düsenkörper 10 auf das zu schneidende Werkstück ge- richtet wird.
In Fig.4 wird der Laserstrahl mit einem transmittieren- den Element 15, nämlich einer Linse fokussiert, die den In¬ nenraum 16 des Düsenkörpers 10 nach oben abschließt. Es wird ein Schneidgasstrahl mit einem Ruhedruck ausgebildet, der un¬ abhängig von der mechanischen Zerstörschwelle des transmit- tierenden Elements 15 ist. Zur Druckentlastung des transmit- tierenden Elements bzw. der Linse 15 können Druckentlastungs¬ bohrungen 32 vorhanden sein. Für einige Schneidanwendungen kann es notwendig sein, im
Zentrum des Gasstrahls eine andere Gasart einzustellen, als am Rand des Gasstrahls. Das ist z.B. beim Brennschneiden von Vorteil, wenn in der Nähe der Gasstrahlmitte, die mit der La- serstrahlachse zusammenfällt, zur Verbesserung der Energie¬ einkopplung reiner Sauerstoff eingesetzt wird, während am Rand des Gasstrahls ein den Oxidationsprozeß hemmendes Gas, wie Stickstoff oder ein Fluid, wie Wasser eingesetzt wird. Eine radiale Mischung oder Schichtung kann dadurch erreicht werden, daß ein Gas oder ein Gasgemisch zentral zugeführt wird, und zwar durch den Innenraum 16 des Düsenkörpers 10, durch den auch der fokussierte Laserstrahl geschickt wird. Die zweite Komponente des Gasstrahls wird durch den Ringspalt
12 zugeführt, so daß sich der gewünschte zusammenhängende, aber radial und axial unterschiedlich durchmischte Gasstrahl ergibt. Die Dosierung der Durchmischung erfolgt über das Druck- und/oder Durchflußverhältnis der zusammengeführten einzelnen Gasströme. Zusätzlich kann die Dosierung bzw. der Durchfluß durch eine mechanische Verstellung des Spalts im Sinne einer Änderung der Spaltweite eingestellt werden. Für die zentrale Zuführung von Gas ist ein transmittierendes Ab¬ schlußelement 15 erforderlich, wie es in Fig.5 dargestellt wurde. Durch die Bohrung 30 der Düsenhalterung 29 erfolgt die Gaszufuhr der Gassorte 1 und die Bohrung 31 dient der Druck- messung 1 dieses Gases. Die zweite Gassorte wird hingegen durch den Gaseinlaß 25 der Hülse 13 vorgenommen, an deren Bohrung 27 die zugehörige zweite Druckmessung erfolgt.
Ist ein transmittierendes Abschlußelement 15 gemäß Fig.5 nicht realisierbar, kann gemäß Fig.6 eine Düse eingesetzt werden, die außer der Düsenhülse 13 eine diese umgebende wei¬ tere äußere Hülse 18 hat, die mit dem Außenumfang der Hülse
13 einen weiteren koaxialen Ringspalt 17 einschließt. Während der innere Ringspalt 12 an den Kesselraum 231 angeschlossen ist, steht der äußere Ringspalt 17 mit einem weiteren Kessel¬ raum 232 in Verbindung, die jeweils einen separaten Gaseinlaß für die beiden Gassorten aufweisen und jeweils auch einen An¬ schluß 271 und 272 zur Druckmessung haben. Die beiden Gassorten werden der Ausbildung der Düsenmün¬ dung entsprechend zusammengeführt. Gemäß Fig.6 mündet der äu¬ ßere Ringspalt 17 in die Austrittsbohrung 14. Demgegenüber zeigt Fig.7, daß der weitere Ringspalt 17 eine Spaltmündung 20 aufweist, die Abstand 19 von der Austrittsbohrung 14 hat und letztere also mit diesem Abstand 19 umgibt. Eine dement- sprechende Ausbildung von getrennten konzentrischen Gasstrah¬ len ist zu erwarten.
Eine gleichermaßen konzentrische Ausbildung voneiander getrennter Gasstrahlen ist bei einer Ausgestaltung der Düse gemäß Fig.8 zu erwarten. Diese weist jedoch die Besonderheit auf, daß beide Ringspalte 12,17 an denselben Kesselraum 23 angeschlossen sind, wobei der Ringspalt 17 über den Umfang verteilte Versorgungsbohrungen 33 hat.
Es versteht sich, daß eine Düsenanordnung gemäß Fig.8 einen vergleichsweise großen Verbrauch an Gas durch den äuße- ren beabstandeten Zusatzgasstrahl hat. Wenn dieser Gasver¬ brauch reduziert werden soll, kann eine Düsenanordnung gemäß Fig.9 zum Einsatz kommen, bei der der Ringspalt 12 nicht nur die Austrittsbohrung 14 speist, sondern auch eine Bohrung 21, die parallel zur Strahlachse 28 mit Abstand angeordnet ist und dementsprechend einen zweiten Strahl vergleichbar großen Querschnitts erzeugt.
Es ist möglich, den Zusatzgasstrahl so auszugestalten, daß er sowohl mit Abstand von der Laserstrahlachse 28 vorhan- den ist, als auch mit dem Gasstrahl der Austrittsbohrung 14 in Verbindung steht. Zu diesem Zweck wird die Düsenhülse 13 mit einem vom Ringspalt 12 ausgehenden vertikalen Schlitz 22 mit einer langlochartigen Mündung versehen, in die die Aus¬ trittsbohrung 14 integriert ist. Das wird in Fig.10 darge- stellt.

Claims

Ansprüche:
1. Düsenanordnung (34) für das Laserstrahlschneiden, die einen dem fokussierten Laserstrahl angepaßten, diesen umgebenden kegelstumpfförmigen Düsenkörper (10) mit ei- ner Durchlaßbohrung (11) für den Laserstrahl hat, mit einer den Düsenkörper (10) konzentrisch umgebenden und damit einen Ringspalt (12) bildenden Düsenhülse (13) , die eine mit der Durchlaßbohrung (11) gleichachsige Austrittsbohrung (14) für einen Schneidgasstrahl des an eine Gasquelle angeschlossenen Ringspalts (12) aufweist, wobei die Austrittsbohrung (14) werkstückseitig vor der Durchlaßbohrung (11) angeordnet und mit einem den Durch¬ messer (d) der Durchlaßbohrung (11) übersteigenden Durchmesser (D) versehen ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Austrittsquerschnitt der Austrittsbohrung (14) etwa gleich dem Übergangsquerschnitt des Ringspalts (12) zur Austrittsbohrung (14) ist.
2. Düsenanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Ringspalt (12) und der Gasdruck derart bemessen sind, daß das Gas infolge der sich zur Austrittsbohrung (14) hin verkleinernden Spaltquerschnittsfläche höchstens auf Schallgeschwindigkeit beschleunigt wird.
3. Düsena Ordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn¬ zeichnet, daß der Übergangsquerschnitt des Ringspalts (12) zur Austrittsbohrung (14) durch eine Formgebung der Wand (36) der Düsenhülse (13) möglichst kontinuierlich verkleinert ist.
Düsenanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Spaltweite (s) des Ringspalts (12) wie folgt dimensioniert ist: s = D/ (2 cos (Ofe) ) * ( 1- ( l-cos (Cfe) ) ° - 5) s = Spaltweite
D = Durchmesser der Austrittsbohrung
OCs = Neigungswinkel des Ringspalts
5. Düsenanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Austrittsbohrung (14) den Schneidgasstrahl in eine Düsenausnehmung (37) überlei¬ tet, deren Ausgestaltung den Strahl geführt auf Über- Schallgeschwindigkeit expandieren läßt.
6. Düsenanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Durchmesser (d) der Durchlaßboh¬ rung (11) gleich oder größer dem 1,5-fachen des Laser- Strahldurchmessers im Bereich der Durchlaßbohrung (11) ist.
7. Düsenanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der im Zutrittsbereich des Laser- Strahls von einem transmittierenden Element (15) abge¬ schlossene Innenraum (16) des Düsenkörpers (10) mit Druckentlastungsbohrungen (32) versehen ist.
8. Düsenanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der im Zutrittsbereich des Laser¬ strahls von einem transmittierenden Elements (15) abge¬ schlossene Innenraum (16) des Düsenkörpers (10) an eine Gasquelle angeschlossen ist.
9. Düsenanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die kegelstumpfförmige Düsenhülse
(13) von einer damit einen weiteren koaxialen Ringspalt (17) bildenden äußeren Hülse (18) umgeben ist, und daß die beiden Ringspalte (12,17) an dieselbe oder an unter- schiedliche Fluidquellen angeschlossen sind.
10. Düsenanordnung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der weitere Ringspalt (12) in die Austrittsbohrung
(14) mündet oder eine davon separate, die Austrittsboh- rung (14) mit Abstand (19) umgebende Spaltmündung (20) hat.
11. Düsenanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, da- durch gekennzeichnet, daß ein Ringspalt (17) zur Ausbil¬ dung eines Zusatzgasstrahls an eine Bohrung (21) ange¬ schlossen ist, die neben der Austrittsbohrung (14) mün¬ det.
12. Düsenanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, da¬ durch gekennzeichnet, daß die Düsenhülse (13) einen vom Ringspalt (12) ausgehenden vertikalen Schlitz (22) hat, in den die Austrittsbohrung (14) integriert ist.
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JP51928995A JP3658406B2 (ja) 1994-01-25 1995-01-18 レーザビームカッティング用のノズル装置
DE59500856T DE59500856D1 (de) 1994-01-25 1995-01-18 Düsenanordnung für das laserstrahlschneiden
GR970402715T GR3025121T3 (en) 1994-01-25 1997-10-23 Nozzle assembly for laser beam cutting

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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP0924022A3 (de) * 1997-12-22 2001-09-12 Esse. A. S.a.s. di Achiluzzi Stefano & C. Endgruppe für Laservorrichtungen, insbesondere zum Schneiden von Blechen

Families Citing this family (48)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6060686A (en) * 1996-10-15 2000-05-09 General Electric Company Underwater laser welding nozzle
RU2121912C1 (ru) * 1997-02-24 1998-11-20 Акционерное общество закрытого типа "Технолазер" Устройство формирования струи для лазерной резки
DE19725256A1 (de) 1997-06-13 1998-12-17 Lt Ultra Precision Technology Düsenanordnung für das Laserstrahlschneiden
DE19840926B4 (de) * 1998-09-08 2013-07-11 Hell Gravure Systems Gmbh & Co. Kg Anordnung zur Materialbearbeitung mittels Laserstrahlen und deren Verwendung
JP4162772B2 (ja) * 1998-09-09 2008-10-08 日酸Ｔａｎａｋａ株式会社 レーザピアシング方法およびレーザ切断装置
US6822187B1 (en) 1998-09-09 2004-11-23 Gsi Lumonics Corporation Robotically operated laser head
DE19848152B4 (de) * 1998-10-20 2007-05-24 Universität Stuttgart Institut für Strahlwerkzeuge Bearbeitungskopf für eine Vorrichtung zum Bearbeiten, insbesondere Schneiden oder Bohren, von Werkstücken mit Licht- oder Teilchenstrahlen
US20090168111A9 (en) * 1999-09-01 2009-07-02 Hell Gravure Systems Gmbh Printing form processing with fine and coarse engraving tool processing tracks
DE19953685A1 (de) * 1999-11-09 2001-05-10 Abb Patent Gmbh Verteiler
JP4155489B2 (ja) * 2000-09-28 2008-09-24 株式会社東芝 水中レーザ補修溶接装置
US6667459B1 (en) 2000-11-21 2003-12-23 Hypertherm, Inc. Configurable nozzle baffle apparatus and method
FR2822399B1 (fr) * 2001-03-26 2003-06-27 Commissariat Energie Atomique Installation de soudage au laser a forte puissance
EP1459835B1 (de) * 2003-03-15 2013-04-24 TRUMPF Werkzeugmaschinen GmbH + Co. KG Laserbearbeitungsverfahren mit einem Laserbearbeitungskopf zum Laserschneiden und zum Laserschweissen
DE102004018280B4 (de) * 2004-04-15 2006-08-17 Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V. Verfahren sowie Düse zur Bearbeitung oder Analyse eines Werkstücks oder einer Probe mit einem energetischen Strahl
US20060279793A1 (en) * 2004-07-30 2006-12-14 Hell Gravure Systems Gmbh Printing form processing with a plurality of engraving tool tracks forming lines
ATE416878T1 (de) * 2004-08-06 2008-12-15 Trumpf Werkzeugmaschinen Gmbh Laserbearbeitungskopf
DE102004041273A1 (de) 2004-08-23 2006-03-02 Alstom Technology Ltd Bohrvorrichtung
US7550693B2 (en) * 2005-02-04 2009-06-23 Honeywell International Inc. Hand-held laser welding wand with improved optical assembly serviceability features
DE102005028243C5 (de) * 2005-06-17 2020-07-09 Precitec Gmbh & Co. Kg Düsenanordnung für einen Laserbearbeitungskopf
US20070084839A1 (en) * 2005-10-18 2007-04-19 Wenwu Zhang Thermal forming systems and active cooling processes
CN1981976B (zh) * 2005-12-12 2012-07-18 普雷茨特两合公司 激光加工设备及运行控制这样一个激光加工设备的方法
US7913351B2 (en) * 2006-08-28 2011-03-29 Tokyo Electron Limited Cleaning apparatus and cleaning method
DE102006045554A1 (de) * 2006-09-25 2008-04-03 Keysystech Gmbh Schutzvorrichtung für die Optik eines Laserschweißscanners
DE102008030783B3 (de) * 2008-06-28 2009-08-13 Trumpf Werkzeugmaschinen Gmbh + Co. Kg Verfahren zum Laserstrahlschrägschneiden und Laserbearbeitungsmaschine
DE102008053729C5 (de) * 2008-10-29 2013-03-07 Trumpf Werkzeugmaschinen Gmbh + Co. Kg Laserbearbeitungsdüse zum Bearbeiten von Blechen
US20100207038A1 (en) * 2009-02-13 2010-08-19 Loughborough University Apparatus and method for laser irradiation
DE102009042199B4 (de) * 2009-09-18 2014-01-02 Anton Kasenbacher Laserstrahl-Ausrichteinheit und Laserbearbeitungsgerät zur Bearbeitung eines Materials
DE102010029385A1 (de) * 2010-05-27 2011-12-01 Robert Bosch Gmbh Laserinduzierte Fremdzündung für eine Brennkraftmaschine
JP5609500B2 (ja) * 2010-10-01 2014-10-22 スズキ株式会社 レーザ溶接装置
FR2997883B1 (fr) 2012-11-09 2014-12-26 Air Liquide Buse laser avec element mobile interne et coiffe externe
FR2997881B1 (fr) 2012-11-09 2015-04-17 Air Liquide Buse laser a element mobile externe
CN104708198B (zh) * 2015-03-02 2016-09-14 大族激光科技产业集团股份有限公司 切割嘴气流腔装置及切割嘴系统
WO2017146424A1 (ko) * 2016-02-25 2017-08-31 주식회사 에이치케이 레이저 가공용 노즐
KR101946898B1 (ko) 2016-02-25 2019-02-11 주식회사 에이치케이 레이저 가공용 노즐
FR3054971B1 (fr) * 2016-08-12 2019-01-25 Accelinn Procede de protection, par soufflage fluidique, d'un appareil d'emission et/ou de reception des ondes electromagnetiques, dispositif convenant a sa mise en œuvre et un tel appareil equipe dudit dispositif
JP6542848B2 (ja) 2017-07-28 2019-07-10 株式会社アマダホールディングス レーザ切断用ノズル製造方法
WO2019142239A1 (ja) * 2018-01-16 2019-07-25 三菱電機株式会社 レーザ加工装置
JP7201343B2 (ja) * 2018-06-19 2023-01-10 株式会社ディスコ レーザー加工装置
JP6731464B2 (ja) * 2018-11-09 2020-07-29 株式会社アマダ アシストガス流量の計算装置及び計算方法
DE102019103659B4 (de) * 2019-02-13 2023-11-30 Bystronic Laser Ag Gasführung, Laserschneidkopf und Laserschneidmaschine
JP6793214B2 (ja) * 2019-02-15 2020-12-02 株式会社アマダ レーザ加工用ノズル及びレーザ加工装置
JP6609392B2 (ja) * 2019-04-22 2019-11-20 株式会社アマダホールディングス レーザ切断用ノズル及びレーザ切断加工方法
DE102019135375A1 (de) * 2019-12-20 2021-06-24 Precitec Gmbh & Co. Kg Düse für eine Laserbearbeitungsvorrichtung und Laserbearbeitungsvorrichtung mit derselben
US12059747B1 (en) * 2020-10-29 2024-08-13 Gregory Lee Burns Laser cutter with assist gas mixer and method of mixing assist gases
EP4035822A1 (de) * 2021-01-29 2022-08-03 Bystronic Laser AG Laserschneidmaschine
KR102810526B1 (ko) * 2023-04-24 2025-05-23 한국기계연구원 선택적으로 용접 및 절단 가공이 가능한 복합 레이저 가공 장치 및 이에 의한 가공 방법
CN118875530B (zh) * 2024-09-30 2025-01-10 浙江摩克激光智能装备有限公司 一种穿孔检测激光切割头
CN121083072A (zh) * 2025-10-17 2025-12-09 东莞市雷宇激光设备有限公司 激光加工头以及激光加工装置

Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH0584589A (ja) * 1991-09-27 1993-04-06 Mitsubishi Electric Corp レーザ加工装置の加工ヘツド

Family Cites Families (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4121085A (en) * 1976-05-07 1978-10-17 Caterpillar Tractor Co. Gas nozzle for laser welding
JPS5987996A (ja) * 1982-11-10 1984-05-21 Ishikawajima Harima Heavy Ind Co Ltd レ−ザ・ガス切断装置
DE3630127A1 (de) * 1985-09-17 1987-03-26 Bias Forschung & Entwicklung Vorrichtung zum schneiden von werkstuecken mittels eines energiereichen strahles
DE3637568A1 (de) * 1986-11-04 1988-05-05 Trumpf Gmbh & Co Laser-bearbeitungsmaschine
DE3824047A1 (de) * 1988-07-15 1990-01-18 Fraunhofer Ges Forschung Vorrichtung zum bearbeiten von werkstuecken mit strahlung
DE4016181A1 (de) * 1990-05-19 1991-11-21 Linde Ag Verfahren und vorrichtung zum laserstrahlbrennschneiden
DE4016200A1 (de) * 1990-05-19 1991-11-21 Linde Ag Duese zum laserstrahlschweissen oder laserstrahlschneiden
DE4133198C3 (de) * 1991-10-07 1996-03-21 Precitec Gmbh Düse für ein Werkzeug zur Materialbearbeitung
FR2685922B1 (fr) * 1992-01-07 1995-03-24 Strasbourg Elec Buse coaxiale de traitement superficiel sous irradiation laser, avec apport de materiaux sous forme de poudre.

Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH0584589A (ja) * 1991-09-27 1993-04-06 Mitsubishi Electric Corp レーザ加工装置の加工ヘツド

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
PATENT ABSTRACTS OF JAPAN vol. 017, no. 410 (M - 1455) *

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP0924022A3 (de) * 1997-12-22 2001-09-12 Esse. A. S.a.s. di Achiluzzi Stefano & C. Endgruppe für Laservorrichtungen, insbesondere zum Schneiden von Blechen

Also Published As

Publication number Publication date
JPH09507657A (ja) 1997-08-05
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DE4402000A1 (de) 1995-07-27
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