DE102005028243C5 - Nozzle arrangement for a laser processing head - Google Patents

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Abstract

Düsenanordnung für einen Laserbearbeitungskopf mit einem Düsenkörper (10), der einen zentralen Durchgangskanal (15) mit einem konischen Eintrittsabschnitt (16) und einem Austrittsabschnitt (17) für einen Arbeitslaserstrahl und zumindest einen einlassseitig mit einer Schneidgasquelle verbundenen Schneidgaskanal (19) aufweist, wobei der zumindest eine Schneidgaskanal (19) im Bereich des Austrittsabschnitts (17) in den Durchgangskanal (15) mündet, wobei der Durchgangskanal (15) zwischen dem konischen Eintrittsabschnitt (16) und dem Austrittsabschnitt (17) in Laserstrahlrichtung vor den Mündungsöffnungen (20) der Schneidgaskanäle (19) einen Drosselabschnitt (24) zur Reduzierung eines Leckstroms aus dem Austrittsabschnitt (17) in den zentralen Durchgangskanal (15) mit einem Durchmesser aufweist, der kleiner ist als der Durchmesser des Austrittsabschnitts (17), und wobei der Drosselabschnitt (24) mit dem konischen Eintrittsabschnitt (16) eine Schulter (24') bildet und so konisch ausgestaltet ist, dass er an die Konvergenz des fokussierten Arbeitslaserstrahls angepasst ist, wobei die Querschnittsfläche des Drosselabschnitts (24) kleiner ist als die Summe der Querschnittsflächen des zumindest einen Schneidgaskanals (19), und wobei eine Vielzahl von Schneidgaskanälen (19) vorgesehen ist, die in Umfangsrichtung gleichmäßig um den zentralen Durchgangskanal (15) herum angeordnet sind.Nozzle arrangement for a laser processing head with a nozzle body (10), which has a central through-channel (15) with a conical inlet section (16) and an outlet section (17) for a working laser beam and at least one cutting gas channel (19) connected to a cutting gas source on the inlet side, the at least one cutting gas channel (19) opens into the passage channel (15) in the region of the outlet section (17), the passage channel (15) between the conical inlet section (16) and the outlet section (17) in the laser beam direction in front of the mouth openings (20) of the cutting gas channels (19) has a throttle section (24) for reducing a leakage current from the outlet section (17) into the central through-channel (15) with a diameter which is smaller than the diameter of the outlet section (17), and the throttle section (24) with the conical entry section (16) forms a shoulder (24 ') and is thus conical is that it is adapted to the convergence of the focused working laser beam, the cross-sectional area of the throttle section (24) being smaller than the sum of the cross-sectional areas of the at least one cutting gas channel (19), and a plurality of cutting gas channels (19) being provided in Circumferential direction are arranged evenly around the central through-channel (15).

Description

Die Erfindung betrifft eine Düsenanordnung für einen Laserbearbeitungskopf, insbesondere für einen Laserbearbeitungskopf für die Laserbearbeitung von Werkstücken mit fokussierender Spiegeloptik.The invention relates to a nozzle arrangement for a laser processing head, in particular for a laser processing head for the laser processing of workpieces with focusing mirror optics.

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.When laser machining workpieces, especially when cutting sheet metal with laser radiation, it is necessary to build up a sufficiently high cutting gas pressure immediately in front of the central opening of the cutting nozzle, regardless of whether the laser machining head works with focusing mirrors or focusing lenses or whether a protective glass protecting the focusing optics or the like is provided.

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.If laser workpieces are used with focusing mirrors, unlike laser processing heads with focusing lenses, there is the additional problem that there is no space within the cutting nozzle, apart from the nozzle opening, in which there is a cutting gas pressure immediately before the central opening the cutting nozzle can easily be set up.

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.Therefore, in particular when cutting with laser processing heads that use focusing mirror optics, nozzles must be used in which the cutting gas pressure is built up via an annular gap or via a plurality of channels arranged in a ring around the central nozzle opening.

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.From the DE 36 30 127 A1 a nozzle for cutting workpieces by means of laser radiation is known, which has a base body with a through-channel for a working laser beam, which widens in a funnel shape from a narrowest section. Cutting gas supply channels, which are arranged on a conical surface area around the axis of the through-channel and which are formed by corresponding grooves in a conical surface area of the nozzle body, open into the funnel-shaped section. A conical union sleeve delimits the cutting gas supply channels and carries at its tip a nozzle cap with a passage for the laser beam and the cutting gas, which has a conically tapering section, which is adjoined by a cylindrical outlet section.

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.The angles of the conical sections of the through-channel in the nozzle body and in the nozzle cap are selected such that the cutting gas flowing out of the cutting gas supply channels flows into the cylindrical outlet section in a funnel shape.

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.The DE 36 37 568 A1 relates to a laser processing machine and shows a nozzle arrangement with a nozzle body with a through-channel for a laser beam, the nozzle body having a conical section on the laser beam outlet side, on the outer circumference of which grooves are provided which, with a corresponding outer sleeve, form cutting gas channels which form around the outlet opening of the laser beam lead out into the open. On the inlet side, the cutting gas channels are connected to an annular channel concentrically surrounding the nozzle body for supplying cutting gas.

Hier münden also die Schneidgaskanäle ins Freie und die ausströmenden Schneidgasströme bilden sozusagen einen Schneidgasfokus, der im Bereich des Laserfokus liegen soll.Here, the cutting gas channels open into the open and the outflowing cutting gas flows form a cutting gas focus, so to speak, which should be in the area of the laser focus.

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.From the JP 05-84589 A A further nozzle arrangement for a laser processing head is known in which the cutting nozzle has a conically tapering section on the outlet side. An outer nozzle sleeve is provided around the inner nozzle body, the outlet opening of which has a larger diameter than the outlet opening of the laser passage channel in the inner nozzle body. Either a conical annular gap channel or a multiplicity of cutting gas channels arranged around the laser passage channel are provided between the inner and outer nozzle bodies. Both the annular gap channel and the individual channels open outside the outlet opening of the inner nozzle body into the outlet opening of the outer nozzle body.

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.During operation of the laser processing head, cutting gas flows are conducted through the laser passage channel as well as through the cutting gas channels into the area of the interaction zone between the laser beam and the workpiece.

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.From the EP 0 741 627 B1 Another nozzle arrangement for laser beam cutting is known 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. The nozzle body is surrounded concentrically by a nozzle sleeve and forms an annular gap with it. The nozzle sleeve has an outlet bore, which is coaxial with the passage bore, for a cutting gas jet of the annular gap connected to a gas source. The outlet bore is arranged on the workpiece side in front of the through bore and is provided with a diameter that is larger than the diameter of the through bore. The lowest possible flow losses, both in terms of momentum and mass, are to be achieved in that the outlet cross section of the outlet bore is approximately equal to that Transitional cross section of the annular gap to the exit hole is.

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.The DE 39 41 608 A1 describes a device for machining workpieces by means of laser beams with a cutting nozzle which has bores arranged at an angle of 20 ° to 40 ° to the laser beam axis as cutting gas channels, the central axes of which meet within the nozzle. Thus, the point at which the individual gas flows combine to form an axial gas jet lies within the nozzle. The axial gas jet then emerges from a nozzle opening of a conically converging central through-channel.

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.The JP 07 214 368 A describes a nozzle arrangement for a laser cutting head. Here, air next to the nozzle is sucked into a widened outlet section through an auxiliary passage by a suction force generated when gas is blown out from a main passage through a tapered section in front of a widened outlet section.

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. The DE 83 37 305 U1 describes a further device for cutting workpieces by means of a laser beam with a nozzle insert which has a frustoconical through hole in its interior which tapers towards the laser outlet opening. The inclination of the tapered through hole is chosen such that its walls run approximately parallel to the focused laser beam. Around the through hole for the laser beam, three gas outlet nozzles are arranged obliquely in the nozzle insert and are inclined against the longitudinal axis of the nozzle insert.

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.So that the gas outlet openings of the gas outlet nozzles on the underside of the nozzle insert run at right angles to the longitudinal axis of the gas outlet nozzles, the lower edge of the nozzle insert is provided with a conical circumferential chamfer.

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.The invention has for its object to provide a further nozzle arrangement for a laser processing head for the laser processing of workpieces, which makes it possible with a simple structure to build up high cutting gas pressures immediately before the outlet opening of the cutting nozzle.

Diese Aufgabe wird durch eine Düsenanordnung gemäß Patentanspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen beschrieben.This object is achieved by a nozzle arrangement according to claim 1. Advantageous refinements and developments of the invention are described in the subclaims.

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.According to the invention, therefore, in the case of a nozzle arrangement with a nozzle body, which has a central through-channel for a working laser beam with a conical inlet section, an outlet section and an intermediate throttle section with a diameter that is smaller than the diameter of the outlet section and at least one cutting gas channel connected on the inlet side to a cutting gas source has provided that the at least one cutting gas channel opens into the passage channel in the region of the outlet section. The cross-sectional area of the throttle section is smaller than the sum of the cross-sectional areas of the at least one cutting gas or process gas channel.

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.This arrangement of the at least one nozzle channel according to the invention makes it possible to achieve, by means of a suitable gas flow alone, that is to say a suitable setting of the gas quantity supplied and the respective pressures, that a desired quantity of gas can be supplied to the laser processing region with the appropriate pressure and speed, without there is a risk that the process gas will be contaminated by external air. The formation of a throttle section in the through-channel for the working laser beam before the confluence of the process channels in the outlet section of the through-channel further simplifies the gas routing and enables the process or cutting gas to be used economically, since no excessive leakage currents have to be accepted, which could then occur in particular when focusing mirrors are used.

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.Such a nozzle arrangement can be used with any type of laser processing head in an advantageous manner, but its use is particularly expedient in laser processing heads with focusing mirror optics, since there is no need for a defined space within the nozzle arrangement which is essentially closed except for the nozzle opening .

Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass der Austrittsabschnitt zylindrisch ist. Diese Ausgestaltung lässt sich besonders einfach fertigen.In an advantageous embodiment of the invention, it is provided that the outlet section is cylindrical. This configuration is particularly easy to manufacture.

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.According to the invention, it is provided that a plurality of cutting gas channels are provided, which are arranged uniformly in the circumferential direction around the central through-channel, the cutting gas channels being arranged on a conical surface which tapers in the laser beam direction.

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.It is expedient if the angles between the axes of the cutting gas channels in the area of their mouth openings in the through channel are in the range between 30 ° and 10 °. This arrangement enables the process gas to be supplied in such a way that in the area of the outlet opening of the through-channel for the Working laser beam not only sets a gas flow at the desired pressure and speed, but also that a kind of "process gas focal point" is formed there, which in particular by choosing a suitable opening angle of the cone defined by the cutting gas channels relative to the laser focus and thus relative to the interaction zone between the working laser beam and Workpiece can be adjusted.

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.In an advantageous embodiment of the invention, it is further provided that the cross-sectional area of the outlet section is approximately equal to the sum of the cross-sectional areas of the cutting gas channels. In this way it can be achieved that the process or cutting gas can exit the outlet opening of the through-channel from the plurality of gas channels without loss of flow.

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.
The invention is explained in more detail below, for example with reference to the drawing. Show it:
  • 1 1 shows a schematic sectional illustration of a nozzle arrangement, the explanation of which is useful for understanding the invention,
  • 2nd 1 shows a schematic sectional illustration of a nozzle arrangement according to the present invention,
  • 3rd : A schematic sectional view of a nozzle arrangement similar to that in 2nd , and
  • 4th : a plan view of the nozzle arrangement in 3rd .

In den verschiedenen Figuren der Zeichnung sind einander entsprechende Elemente mit gleichen Bezugszeichen versehen.Corresponding elements are provided with the same reference symbols in the various figures of the drawing.

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. 1 shows a nozzle arrangement as it is provided on a laser processing head in order to ensure a suitable cutting gas supply in the exit region of a working laser beam. The nozzle arrangement has a nozzle body 10th with a mounting section 11 , one with a substantially cylindrical central section 12th and a tip portion tapering toward the exit direction of a working laser beam 13 on. For fastening the nozzle arrangement to a laser processing head is, for example, on the outer circumference of the fastening section 11 a screw thread 14 intended. Accordingly, the cylindrical middle section can have means, not shown in more detail, for engaging a screwing tool.

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.In the longitudinal direction of the nozzle body 10th extends a central through-channel 15 for a working laser beam that only passes through a central axis A of the through channel 15 is indicated. The through channel 15 has on the entry side with respect to the working laser beam a section which tapers conically in accordance with the focused working laser beam 16 and an adjoining cylindrical outlet section 17th for the working laser beam and cutting gas.

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.From the in 1 upper face 18th a cutting gas channel extends inclined to the central axis A. 19th which in the area of the cylindrical outlet section 17th in the through channel 15 flows out. At least in the area of its mouth opening 20 the cutting gas duct closes 19th or its axis, not shown in more detail, forms an acute angle with the through-channel 15 or its central axis A. The acute angle between the cutting gas channel 19th and through channel 15 is approximately in the range between 10 ° and 30 °, and is preferably, but not necessarily, due to the taper of the conical section 16 customized.

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.Cutting gas is to be understood here to mean any type of gas as is used in the laser processing of workpieces. It should also be taken into account in particular that the nozzle arrangement according to the invention can be used not only for laser cutting, but also for laser welding, in which case an inert protective gas can be used as the “cutting gas” to protect the weld pool from oxidation.

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.In 1 is only a cutting gas channel 19th shown, however, it is preferred to have a plurality of cutting gas channels 19th to provide the, as in the 3rd and 4th can be seen, are arranged circumferentially evenly distributed around the through channel.

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.In 4th are the inlet openings 21 of the cutting gas channels 19th to recognize that within an annular groove 22 which, after attaching the nozzle arrangement to a laser processing head with a corresponding counter element, form an annular channel for connecting the cutting gas channels 19th form with a cutting gas source, not shown.

Die Schneidgaskanäle 19 liegen dabei also auf einer Mantelfläche eines Kegelstumpfes, der konzentrisch zur Mittelachse A des Durchgangskanals 15 angeordnet ist.The cutting gas channels 19th thus lie on a lateral surface of a truncated cone which is concentric with the central axis A of the through-channel 15 is arranged.

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.In 1 is the exit section 17th , in the area of which the mouth openings 20 of the cutting gas channels 19th are shown as a cylindrical section, but it can also be provided that this section initially tapers in the axial direction in order to then expand again, as is common in flow technology for nozzles, in order to control the gas outlet velocity. The cylindrical design of the outlet section 17th is easy to manufacture in terms of production technology and provides flow conditions for the cutting gas that are insensitive to manufacturing tolerances.

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.When laser machining a workpiece, in particular when laser cutting, the nozzle arrangement has an outlet opening 23 of the through channel 15 a workpiece to be machined, in particular to be cut, while through the cutting gas channels 19th Cutting gas in the outlet section 17th of the through channel 15 is directed for the working laser beam. The cutting gas supply through the cutting gas channels 19th takes place in such a way that the cutting gas exits the outlet opening at the speed required for the respective laser processing 23 exits, and that on the other hand is in the exit section 17th of the through channel 15 such a pressure builds up that prevents the conical section lying on the entry side with respect to the laser beam 16 External air is sucked in, which could contaminate the cutting gas.

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.It should be noted that depending on the pressure conditions in the cutting gas channels 19th and the through channel 15 two cases have to be distinguished. On the one hand, the pressure in the outlet section can be so great that a leakage current in 1 occurs upwards. This results in unnecessary waste of cutting gas. Conversely, the pressure in the outlet section can also 17th become so small that foreign gas flows through the conical section according to the principle of the water jet pump 16 is sucked in.

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.The aim of the gas flow is therefore that on the one hand no external air is sucked in and the pure cutting gas is thereby fed into the machining process, in particular the cutting process. A certain leakage current upwards is definitely desirable, but should be kept as small as possible for reasons of economy.

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.If, however, exit speeds for the cutting gas are required, a corresponding pressure build-up in the exit section 17th prevent, it is also conceivable, a small proportion of cutting gas through appropriate lines, not shown, the inlet section 16 to feed for the working laser beam.

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.In order to simplify the gas flow, it is provided according to a preferred embodiment of the invention that, as in 2nd is shown between the conical entry section 16 and the preferably cylindrical outlet section 17th of the through channel 15 a throttle section 24th is provided, the diameter of which is smaller than the diameter of the outlet section 17th . The throttle section 24th forms with the conical section 16 one shoulder 24 ' , in the 4th can be seen.

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.In order to obtain a gas flow suitable for the machining process, which indeed has a leakage flow from the outlet section 17th through the throttle section 14 allows upwards, but keeps this leakage current as small as possible, it is crucial that the cross-sectional area of the throttle is smaller than the sum of the cross-sectional areas of the cutting gas channels 19th . It is conceivable here instead of in 2nd cylindrical choke shown 24th design the choke conical and adapt it as much as possible to the convergence of the focused working laser beam in order to keep the cross-sectional area of the choke small.

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.By introducing cutting gas according to the invention directly into the outlet section 17th the nozzle channel, i.e. the through-channel 15 for the working laser beam just before the exit opening 23 of the same, it can be achieved simply by controlling the cutting gas supply in a simple manner to supply cutting gas to the working area under suitable pressure and at a suitable speed without the risk that the cutting gas is contaminated by extraneous gas.

Claims (5)

Düsenanordnung für einen Laserbearbeitungskopf mit einem Düsenkörper (10), der einen zentralen Durchgangskanal (15) mit einem konischen Eintrittsabschnitt (16) und einem Austrittsabschnitt (17) für einen Arbeitslaserstrahl und zumindest einen einlassseitig mit einer Schneidgasquelle verbundenen Schneidgaskanal (19) aufweist, wobei der zumindest eine Schneidgaskanal (19) im Bereich des Austrittsabschnitts (17) in den Durchgangskanal (15) mündet, wobei der Durchgangskanal (15) zwischen dem konischen Eintrittsabschnitt (16) und dem Austrittsabschnitt (17) in Laserstrahlrichtung vor den Mündungsöffnungen (20) der Schneidgaskanäle (19) einen Drosselabschnitt (24) zur Reduzierung eines Leckstroms aus dem Austrittsabschnitt (17) in den zentralen Durchgangskanal (15) mit einem Durchmesser aufweist, der kleiner ist als der Durchmesser des Austrittsabschnitts (17), und wobei der Drosselabschnitt (24) mit dem konischen Eintrittsabschnitt (16) eine Schulter (24') bildet und so konisch ausgestaltet ist, dass er an die Konvergenz des fokussierten Arbeitslaserstrahls angepasst ist, wobei die Querschnittsfläche des Drosselabschnitts (24) kleiner ist als die Summe der Querschnittsflächen des zumindest einen Schneidgaskanals (19), und wobei eine Vielzahl von Schneidgaskanälen (19) vorgesehen ist, die in Umfangsrichtung gleichmäßig um den zentralen Durchgangskanal (15) herum angeordnet sind.Nozzle arrangement for a laser processing head with a nozzle body (10), which has a central through-channel (15) with a conical inlet section (16) and an outlet section (17) for a working laser beam and at least one cutting gas channel (19) connected to a cutting gas source on the inlet side, the at least one cutting gas channel (19) opens into the passage channel (15) in the region of the outlet section (17), the passage channel (15) between the conical inlet section (16) and the outlet section (17) in the laser beam direction in front of the mouth openings (20) of the cutting gas channels (19) has a throttle section (24) for reducing a leakage current from the outlet section (17) into the central through-channel (15) with a diameter which is smaller than the diameter of the outlet section (17), and the throttle section (24) with the conical entry section (16) forms a shoulder (24 ') and is thus conical is that it is adapted to the convergence of the focused working laser beam, the cross-sectional area of the throttle section (24) being smaller than the sum of the cross-sectional areas of the at least one cutting gas channel (19), and a plurality of cutting gas channels (19) being provided in Circumferential direction are arranged evenly around the central through-channel (15). Düsenanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Austrittsabschnitt (17) zylindrisch ist. Nozzle arrangement after Claim 1 , characterized in that the outlet section (17) is cylindrical. Düsenanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Schneidgaskanäle (19) auf einer Kegelmantelfläche angeordnet sind, die sich in Laserstrahlrichtung verjüngt.Nozzle arrangement after Claim 1 or 2nd , characterized in that the cutting gas channels (19) are arranged on a conical surface which tapers in the laser beam direction. Düsenanordnung nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Winkel zwischen den Achsen der Schneidgaskanäle im Bereich ihrer Mündungsöffnungen (20) in den Durchgangskanal (15) im Bereich zwischen 30° und 10° liegen.Nozzle arrangement after Claim 1 , 2nd or 3rd , characterized in that the angles between the axes of the cutting gas channels in the region of their mouth openings (20) in the through channel (15) are in the range between 30 ° and 10 °. Düsenanordnung nach Anspruch 1, 2, 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Querschnittsfläche des Austrittsabschnitts (17) etwa gleich der Summe der Querschnittsflächen der Schneidgaskanäle (19) ist.Nozzle arrangement after Claim 1 , 2nd , 3rd or 4th , characterized in that the cross-sectional area of the outlet section (17) is approximately equal to the sum of the cross-sectional areas of the cutting gas channels (19).
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