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Die Erfindung betrifft eine Düsenanordnung für einen Laserbearbeitungskopf, insbesondere für einen Laserbearbeitungskopf für die Laserbearbeitung von Werkstücken mit fokussierender Spiegeloptik.
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Bei der Laserbearbeitung von Werkstücken, insbesondere beim Schneiden von Blechen mit Laserstrahlung ist es erforderlich unmittelbar vor der zentralen Öffnung der Schneiddüse einen genügend hohen Schneidgasdruck aufzubauen, unabhängig davon, ob der Laserbearbeitungskopf mit fokussierenden Spiegeln oder fokussierenden Linsen arbeitet oder ob ein die fokussierende Optik schützendes Schutzglas oder dergleichen vorgesehen ist.
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Wird bei der Laserbearbeitung von Werkstücken mit fokussierenden Spiegeln gearbeitet, dann besteht anders als bei Laserbearbeitungsköpfen mit fokussierenden Linsen, das zusätzliche Problem, dass kein bis auf die Düsenöffnung im wesentlichen abgeschlossener Raum innerhalb der Schneiddüse vorliegt, in dem sich ein Schneidgasdruck unmittelbar vor der zentralen Öffnung der Schneiddüse einfach aufbauen kann.
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Deshalb müssen insbesondere beim Schneiden mit Laserbearbeitungsköpfen, die fokussierende Spiegeloptiken einsetzen, Düsen verwendet werden, bei denen der Schneidgasdruck über einen Ringspalt oder über mehrere ringförmig um die zentrale Düsenöffnung herum angeordnete Kanäle aufgebaut wird.
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Aus der
DE 36 30 127 A1 ist eine Düse zum Schneiden von Werkstücken mittels Laserstrahlung bekannt, die einen Grundkörper mit einem Durchgangskanal für einen Arbeitslaserstrahl aufweist, der sich von einem engsten Abschnitt trichterförmig erweitert. In den sich trichterförmig erweiternden Abschnitt münden auf einer Kegelmantelfläche um die Achse des Durchgangskanals herum angeordnete Schneidgaszuführkanäle, die von entsprechenden Nuten in einer Kegelmantelfläche des Düsenkörpers gebildet werden. Eine konische Überwurfhülse begrenzt die Schneidgaszuführkanäle und trägt an ihrer Spitze eine Düsenkappe mit einem Durchgang für den Laserstrahl und das Schneidgas, der einen sich konisch verjüngenden Abschnitt aufweist, an den sich ein zylindrischer Auslassabschnitt anschließt.
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Die Winkel der konischen Abschnitte des Durchgangskanals im Düsenkörper und in der Düsenkappe sind dabei so gewählt, dass das aus den Schneidgaszuführkanälen strömende Schneidgas trichterförmig in den zylindrischen Auslassabschnitt einströmt.
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Die
DE 36 37 568 A1 betrifft eine Laser-Bearbeitungsmaschine und zeigt eine Düsenanordnung mit einem Düsenkörper mit einem Durchgangskanal für einen Laserstrahl, wobei der Düsenkörper laserstrahlaustrittsseitig einen konischen Abschnitt aufweist, auf dessen Außenumfang zur Düsenspitze verlaufende Rillen vorgesehen sind, die mit einer entsprechenden Außenhülse Schneidgaskanäle bilden, die um die Austrittsöffnung des Laserstrahls herum ins Freie münden. Einlassseitig sind die Schneidgaskanäle mit einem den Düsenkörper konzentrisch umgebenden Ringkanal zur Schneidgaszufuhr verbunden.
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Hier münden also die Schneidgaskanäle ins Freie und die ausströmenden Schneidgasströme bilden sozusagen einen Schneidgasfokus, der im Bereich des Laserfokus liegen soll.
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Aus der
JP 05-84589 A ist eine weitere Düsenanordnung für einen Laserbearbeitungskopf bekannt, bei dem die Schneiddüse auslassseitig einen sich konisch verjüngenden Abschnitt aufweist. Um den inneren Düsenkörper herum ist dabei eine äußere Düsenhülse vorgesehen, deren Auslassöffnung einen größeren Durchmesser aufweist als die Auslassöffnung des Laserdurchgangskanals im inneren Düsenkörper. Zwischen dem inneren und äußeren Düsenkörper ist entweder ein konischer Ringspaltkanal oder eine Vielzahl von um den Laserdurchgangskanal angeordneten Schneidgaskanälen vorgesehen. Sowohl der Ringspaltkanal als auch die einzelnen Kanäle münden dabei außerhalb der Auslassöffnung des inneren Düsenkörpers in die Auslassöffnung des äußeren Düsenkörpers.
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Im Betrieb des Laserbearbeitungskopfes werden sowohl durch den Laserdurchgangskanal als auch durch die Schneidgaskanäle Schneidgasströme in den Bereich der Wechselwirkungszone zwischen Laserstrahl und Werkstück geleitet.
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Aus der
EP 0 741 627 B1 ist eine weitere Düsenanordnung für das Laserstrahlschneiden bekannt, die einen dem fokussierten Laserstrahl angepassten, diesen umgebenden kegelstumpfförmigen Düsenkörper mit einer Durchlassbohrung für den Laserstrahl aufweist. Der Düsenkörper wird konzentrisch von einer Düsenhülse umgeben und bildet mit dieser einen Ringspalt. Die Düsenhülse besitzt eine mit der Durchlassbohrung gleichachsige Austrittsbohrung für einen Schneidgasstrahl des an eine Gasquelle angeschlossenen Ringspalts. Die Austrittsbohrung ist dabei werkstückseitig vor der Durchlassbohrung angeordnet und mit einem Durchmesser versehen, der größer als der Durchmesser der Durchlassbohrung ist. Möglichst geringe Strömungsverluste sowohl hinsichtlich Impuls als auch Masse sollen dabei dadurch realisiert werden, dass der Austrittsquerschnitt der Austrittsbohrung etwa gleich dem Übergangsquerschnitt des Ringspalts zur Austrittsbohrung ist.
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Die
DE 39 41 608 A1 beschreibt eine Vorrichtung zum Bearbeiten von Werkstücken mittels Laserstrahlen mit einer Schneiddüse, die unter einem Winkel von 20° bis 40° zur Laserstrahlachse angeordnete Bohrungen als Schneidgaskanäle aufweist, deren Mittelachsen innerhalb der Düse zusammentreffen. Somit liegt der Punkt, in dem die einzelnen Gasströmungen sich zu einem axialen Gasstrahl vereinigen innerhalb der Düse. Der axiale Gasstrahl tritt dann aus einer Düsenöffnung eines konisch zusammen laufendem zentralen Durchgangskanal aus.
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Die
JP 07 214 368 A beschreibt eine Düsenanordnung für einen Laserschneidkopf. Hier wird Luft neben der Düse in einen aufgeweiteten Austrittsabschnitt durch einen Hilfsdurchlass durch eine Saugkraft eingesaugt, die entsteht, wenn Gas von einer Hauptpassage durch einen Verjüngungsabschnitt vor einem aufgeweiteten Austrittsabschnitt ausgeblasen wird.
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Die
DE 83 37 305 U1 beschreibt eine weitere Vorrichtung zum Schneiden von Werkstücken durch einen Laserstrahl mit einem Düseneinsatz, der in seinem Inneren eine kegelstumpfartige Durchgangsbohrung aufweist, die sich zur Laseraustrittsöffnung hin verjüngt. Die Neigung der kegeligen Durchgangsbohrung ist derart gewählt, dass ihre Wandungen in etwa parallel zu dem fokussierten Laserstrahl verlaufen. Um die Durchgangsbohrung für den Laserstrahl herum sind im Düseneinsatz drei Gasaustrittsdüsen schräg liegend angeordnet, die gegen die Längsachse des Düseneinsatzes geneigt sind.
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Damit die Gasaustrittsöffnungen der Gasaustrittsdüsen an der Unterseite des Düseneinsatzes rechtwinklig zur Längsachse der Gasaustrittsdüsen verläuft, ist die Unterkante des Düseneinsatzes mit einer kegelig umlaufenden Anfasung versehen.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine weitere Düsenanordnung für einen Laserbearbeitungskopf für die Laserbearbeitung von Werkstücken bereitzustellen, die es bei einfachem Aufbau ermöglicht, hohe Schneidgasdrücke unmittelbar vor der Austrittsöffnung der Schneiddüse aufzubauen.
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Diese Aufgabe wird durch eine Düsenanordnung gemäß Patentanspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen beschrieben.
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Erfindungsgemäß ist also bei einer Düsenanordnung mit einem Düsenkörper, der einen zentralen Durchgangskanal für einen Arbeitslaserstrahl mit einem konischen Eintrittsabschnitt, einem Austrittsabschnitt und einem dazwischen liegenden Drosselabschnitt mit einem Durchmesser, der kleiner ist als der Durchmesser des Austrittsabschnitts und zumindest einen einlassseitig mit einer Schneidgasquelle verbundenen Schneidgaskanal aufweist, vorgesehen, dass der zumindest eine Schneidgaskanal im Bereich des Austrittsabschnitts in den Durchgangskanal mündet. Dabei ist die Querschnittsfläche des Drosselabschnitts kleiner als die Summe der Querschnittsflächen des zumindest einen Schneidgas- oder Prozessgaskanals.
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Diese erfindungsgemäße Anordnung des zumindest einen Düsenkanals, ermöglicht es allein durch eine geeignete Gasführung, also durch eine geeignete Einstellung der zugeführten Gasmenge und der jeweiligen Drücke, zu erreichen, dass dem Laserbearbeitungsbereich eine gewünschte Gasmenge mit entsprechendem Druck und entsprechender Geschwindigkeit zugeführt werden kann, ohne dass eine Gefahr besteht, dass das Prozessgas durch Fremdluft verunreinigt wird. Die Ausbildung eines Drosselabschnitts im Durchgangskanal für den Arbeitslaserstrahl vor der Einmündung der Prozesskanäle in den Austrittsabschnitt des Durchgangskanals vereinfacht die Gasführung weiter, und ermöglicht einen wirtschaftlichen Einsatz des Prozess- oder Schneidgases, da keine übermäßigen Leckströme in Kauf genommen werden müssen, die insbesondere dann auftreten könnten, wenn fokussierende Spiegel zum Einsatz kommen.
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Eine derartige Düsenanordnung lässt sich mit jeder Art von Laserbearbeitungskopf in vorteilhafter Weise verwenden, besonders zweckmäßig ist ihr Einsatz jedoch bei Laserbearbeitungsköpfen mit fokussierender Spiegeloptik, da für den Druckaufbau kein definierter, bis auf die Düsenöffnung im wesentlichen abgeschlossener Raum innerhalb der Düse Anordnung vorhanden zu sein braucht.
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Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass der Austrittsabschnitt zylindrisch ist. Diese Ausgestaltung lässt sich besonders einfach fertigen.
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Erfindungsgemäß ist dabei vorgesehen, dass eine Vielzahl von Schneidgaskanälen vorgesehen ist, die in Umfangsrichtung gleichmäßig um den zentralen Durchgangskanal herum angeordnet sind, wobei die Schneidgaskanäle auf einer Kegelmantelfläche angeordnet sind, die sich in Laserstrahlrichtung verjüngt.
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Dabei ist es zweckmäßig, wenn die Winkel zwischen den Achsen der Schneidgaskanäle im Bereich ihrer Mündungsöffnungen in den Durchgangskanal im Bereich zwischen 30° und 10° liegen. Diese Anordnung ermöglicht es, das Prozessgas in der Weise zuzuführen, dass sich im Bereich der Austrittsöffnung des Durchgangskanals für den Arbeitslaserstrahl nicht nur ein Gasstrom mit gewünschtem Druck und gewünschter Geschwindigkeit einstellt, sondern auch dass sich dort auch eine Art „Prozessgasbrennpunkt“ bildet, der insbesondere durch Wahl eines geeigneten Öffnungswinkels des von den Schneidgaskanälen definierten Kegels relativ zum Laserfokus und damit relativ zur Wechselwirkungszone zwischen Arbeitslaserstrahl und Werkstück einstellen lässt.
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Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist ferner vorgesehen, dass die Querschnittsfläche des Austrittsabschnitts etwa gleich der Summe der Querschnittsflächen der Schneidgaskanäle ist. Hierdurch lässt sich erreichen, dass das Prozess- oder Schneidgas aus der Vielzahl der Gaskanäle ohne Strömungsverluste aus, der Austrittsöffnung des Durchgangskanals austreten kann.
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Die Erfindung wird im Folgenden beispielsweise anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:
- 1: eine schematische Schnittdarstellung einer Düsenanordnung, deren Erläuterung nützlich für das Verständnis der Erfindung ist,
- 2: eine schematische Schnittdarstellung einer Düsenanordnung gemäß der vorliegenden Erfindung,
- 3: eine schematische Schnittdarstellung einer Düsenanordnung ähnlich der in 2, und
- 4: eine Draufsicht auf die Düsenanordnung in 3.
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In den verschiedenen Figuren der Zeichnung sind einander entsprechende Elemente mit gleichen Bezugszeichen versehen.
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1 zeigt eine Düsenanordnung, wie sie an einem Laserbearbeitungskopf vorgesehen ist, um im Austrittsbereich eines Arbeitslaserstrahls eine geeignete Schneidgaszufuhr zu gewährleisten. Die Düsenanordnung weist einen Düsenkörper 10 mit einem Befestigungsabschnitt 11, einem mit im wesentlichen zylindrischen Mittelabschnitt 12 und einem sich zur Austrittsrichtung eines Arbeitslaserstrahls hin verjüngenden Spitzenabschnitt 13 auf. Zur Befestigung der Düsenanordnung an einem Laserbearbeitungskopf ist beispielsweise am Außenumfang des Befestigungsabschnitts 11 ein Schraubgewinde 14 vorgesehen. Dementsprechend kann der zylindrische Mittelabschnitt nicht näher dargestellte Mittel zum Angriff eines Schraubwerkzeugs aufweisen.
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In Längsrichtung des Düsenkörpers 10 erstreckt sich ein zentraler Durchgangskanal 15 für einen Arbeitslaserstrahl, der nur durch eine Mittelachse A des Durchgangskanals 15 angedeutet ist. Der Durchgangskanal 15 weist bezüglich des Arbeitslaserstrahls eintrittsseitig einen sich entsprechend dem fokussierten Arbeitslaserstrahl konisch verjüngenden Abschnitt 16 und einen sich daran anschließenden zylindrischen Austrittsabschnitt 17 für den Arbeitslaserstrahl und Schneidgas auf.
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Von der in 1 oberen Stirnfläche 18 erstreckt sich zur Mittelachse A geneigt ein Schneidgaskanal 19, der im Bereich des zylindrischen Austrittsabschnitts 17 in den Durchgangskanal 15 mündet. Zumindest im Bereich seiner Mündungsöffnung 20 schließt der Schneidgaskanal 19 beziehungsweise seine nicht näher dargestellte Achse einen spitzen Winkel mit dem Durchgangskanal 15 beziehungsweise seiner Mittelachse A ein. Der spitze Winkel zwischen Schneidgaskanal 19 und Durchgangskanal 15 liegt in etwa im Bereich zwischen 10° und 30°, und ist vorzugsweise, jedoch nicht notwendigerweise, an die Konizität des konischen Abschnitts 16 angepasst.
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Unter Schneidgas soll hier jede Art von Gas verstanden werden, wie es bei der Laserbearbeitung von Werkstücken eingesetzt wird. Dabei ist insbesondere auch zu berücksichtigen, dass die erfindungsgemäße Düsenanordnung nicht nur beim Laserschneiden eingesetzt werden kann, sondern auch beim Laserschweißen, wobei dann als „Schneidgas“ ein inertes Schutzgas zum Schutz des Schmelzbades vor Oxidation eingesetzt werden kann.
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In 1 ist zwar nur ein Schneidgaskanal 19 dargestellt, jedoch ist es bevorzugt, eine Vielzahl von Schneidgaskanälen 19 vorzusehen, die, wie in den 3 und 4 zu erkennen ist, umfangsmäßig um den Durchgangskanal herum gleichmäßig verteilt angeordnet sind.
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In 4 sind dabei die Einlassöffnungen 21 der Schneidgaskanäle 19 zu erkennen, die innerhalb einer Ringnut 22 liegen, die nach dem Anbringen der Düsenanordnung an einem Laserbearbeitungskopf mit einem entsprechenden Gegenelement einen Ringkanal zur Verbindung der Schneidgaskanäle 19 mit einer nicht näher dargestellten Schneidgasquelle bilden.
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Die Schneidgaskanäle 19 liegen dabei also auf einer Mantelfläche eines Kegelstumpfes, der konzentrisch zur Mittelachse A des Durchgangskanals 15 angeordnet ist.
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In 1 ist der Austrittsabschnitt 17, in dessen Bereich die Mündungsöffnungen 20 der Schneidgaskanäle 19 liegen, als zylindrischer Abschnitt dargestellt, es kann jedoch auch vorgesehen sein, dass dieser Abschnitt sich in Axialrichtung zunächst verjüngt, um sich dann wieder zu erweitern, wie dies in der Strömungstechnik bei Düsen allgemein üblich ist, um die Gasaustrittsgeschwindigkeit zu steuern. Die zylindrische Ausbildung des Austrittsabschnitts 17 ist fertigungstechnisch einfach herzustellen und liefert Strömungsverhältnisse für das Schneidgas, die gegen Fertigungstoleranzen unempfindlich sind.
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Bei der Laserbearbeitung eines Werkstücks, insbesondere beim Laserschneiden, liegt die Düsenanordnung mit einer Austrittsöffnung 23 des Durchgangskanals 15 einem zu bearbeitenden, insbesondere zu schneidenden Werkstück gegenüber, während durch die Schneidgaskanäle 19 Schneidgas in den Austrittsabschnitt 17 des Durchgangskanals 15 für den Arbeitslaserstrahl geleitet wird. Die Schneidgaszufuhr durch die Schneidgaskanäle 19 erfolgt dabei so, dass das Schneidgas einerseits mit der für die jeweilige Laserbearbeitung nötigen Geschwindigkeit aus der Austrittsöffnung 23 austritt, und dass andererseits sich im Austrittsabschnitt 17 des Durchgangskanals 15 ein solcher Druck aufbaut, der verhindert, dass über den bezüglich des Laserstrahls eintrittsseitig liegenden konischen Abschnitts 16 Fremdluft angesaugt wird, die das Schneidgas verunreinigen könnte.
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Hierbei ist zu beachten, dass in Abhängigkeit von den Druckverhältnissen in den Schneidgaskanälen 19 und dem Durchgangskanal 15 zwei Fälle zu unterscheiden sind. Zum einen kann der Druck im Austrittsabschnitt so groß sein, dass ein Leckstrom in 1 nach oben auftritt. Dies hat eine unnötige Vergeudung von Schneidgas zur Folge. Umgekehrt kann aber auch der Druck im Austrittsabschnitt 17 so klein werden, dass nach dem Prinzip der Wasserstrahlpumpe Fremdgas durch den konischen Abschnitt 16 angesaugt wird.
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Das Ziel der Gasführung ist also, dass einerseits keine Fremdluft angesaugt und dadurch dem Bearbeitungs- insbesondere Schneidprozess das reine Schneidgas zugeführt wird. Ein gewisser Leckstrom nach oben ist also durchaus erwünscht, sollte aber aus Wirtschaftlichkeitsgründen so klein wie möglich gehalten werden.
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Falls jedoch Austrittsgeschwindigkeiten für das Schneidgas erforderlich sind, die einen entsprechenden Druckaufbau im Austrittsabschnitt 17 verhindern, ist es auch denkbar, einen kleinen Anteil von Schneidgas durch entsprechende, nicht näher dargestellte Leitungen dem Eintrittsabschnitt 16 für den Arbeitslaserstrahl zuzuführen.
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Um die Gasführung zu vereinfachen, ist gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung vorgesehen, dass, wie in 2 dargestellt ist, zwischen dem konischen Eintrittsabschnitt 16 und dem vorzugsweise zylindrischen Austrittsabschnitt 17 des Durchgangskanals 15 ein Drosselabschnitt 24 vorgesehen ist, dessen Durchmesser kleiner ist als der Durchmesser des Austrittsabschnitts 17. Der Drosselabschnitt 24 bildet dabei mit dem konischen Abschnitt 16 eine Schulter 24', die in 4 zu erkennen ist.
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Um eine für den Bearbeitungsvorgang geeignete Gasführung zu erhalten, die zwar einen Leckstrom aus dem Austrittsabschnitt 17 durch den Drosselabschnitt 14 nach oben zulässt, diesen Leckstrom aber so klein wie möglich hält, ist es entscheidend, dass die Querschnittsfläche der Drossel kleiner ist als die Summe der Querschnittsflächen der Schneidgaskanäle 19. Hierbei ist es denkbar, anstelle der in 2 dargestellten zylindrischen Drossel 24 die Drossel konisch auszugestalten und an die Konvergenz des fokussierten Arbeitslaserstrahls soweit wie möglich anzupassen, um die Querschnittsfläche der Drossel klein zu halten.
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Durch die erfindungsgemäße Einleitung von Schneidgas unmittelbar in den Austrittsabschnitt 17 des Düsenkanals, also des Durchgangskanals 15 für den Arbeitslaserstrahl kurz vor der Austrittsöffnung 23 desselben, lässt es sich allein durch Steuerung der Schneidgaszufuhr auf einfache Weise erreichen, dem Arbeitsbereich Schneidgas unter geeignetem Druck und geeigneter Geschwindigkeit zuzuführen, ohne dass die Gefahr besteht, dass das Schneidgas durch Fremdgas verunreinigt wird.
