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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Schneiden von Werkstücken, bei
dem ein Laserstrahl auf ein Werkstück gerichtet wird, der das Werkstückmaterial
in den fluiden Zustand überführt, wobei
das fluide Material zur Fugenbildung durch einen Schneidstrahl aus
einem Gas bzw. Gasgemisch ausgetragen wird und wobei das Gas oder
Gasgemisch des Schneidstrahls vor dem Auftreffen des Schneidstrahls
auf das Werkstück
mittels einer Modulationseinrichtung insbesondere periodisch druckmoduliert
wird. Des Weiteren betrifft die Erfindung eine Laserstrahlschneidvorrichtung
zur Durchführung
dieses Verfahrens sowie einen Schneidkopf, der für eine derartige Laserstrahlschneidvorrichtung
geeignet ist.
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Das
oben genannte Verfahren zum Schneiden von Werkstücken mittels eines Laserstrahls
sowie eines Schneidstrahls aus einem Gas oder Gasgemisch wird im
Stand der Technik auch als Laserstrahlschneiden bezeichnet. Beim
Laserstrahlschneiden sind insbesondere zwei Teilprozesse wichtig, nämlich zum
einen das Erwärmen
des zu schneidenden Materials durch den Laserstrahl sowie zum anderen
das Austragen des fluiden Materials durch den Schneidstrahl aus
Gas, der unter einem geeigneten Druck auf das auszutragende Material
gerichtet wird. Dabei kann das Gas inert sein oder mit dem zu schneidenden
Material reagieren. Der Teilprozess des Austragens des Fugenmaterials
mittels Schneidstrahl beeinflusst die zu erreichende Schnittgüte sehr stark.
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Bei
heutigen Laserstrahlschneidverfahren werden der Schneidstrahl und
der Laserstrahl üblicherweise
unter koaxialem Verlauf auf das Werkstück gerichtet. Dabei werden
sowohl der Laserstrahl, als auch der Schneidstrahl zunächst einer
gemeinsamen Düse
zugeführt,
aus deren endständiger Öffnung dann
beide Strahlen koaxial austreten. Abschließend treffen sie auf das zu
schneidende Werkstück.
Diese Verfahren weisen einen hohen Gas verbrauch auf. Bei der gewünschten
koaxialen Anordnung zwischen Laserstrahl und Schneidstrahl gibt der
Laserstrahl den Durchmesser der Düsenöffnung vor, da der Laserstrahlfokus
deutlich unterhalb der Düsenöffnung liegt
und der Laserstrahl daher auf Höhe
der Düsenöffnung einen
entsprechend größeren Durchmesser
aufweist. Der Schneidstrahl wiederum, der ebenfalls durch die vorgegebene
Düsenöffnung geführt wird,
weist infolge dessen einen Durchmesser auf, der größer ist,
als dies bezogen auf die eigentliche Schnittfugenbreite notwendig
wäre. Zu
einem hohen Gasverbrauch trägt
des Weiteren bei, dass hohe Vordrücke verwendet werden müssen, um
einem Ablösen
des Schneidstrahls von der Schneidfront entgegenzuwirken.
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Aus
der
US 5,367,142 ist
bekannt, den Schneidstrahl vor dem Auftreffen auf das Werkstück druckzumodulieren.
Dazu wird der Schneidstrahl aus einer Druckquelle kommend über eine
Expansionskammer einem Magnetventil zugeführt, dass hochfrequent geschaltet
wird.
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Es
ist ausgehend von diesem Stand der Technik Aufgabe der vorliegenden
Erfindung, ein Laserstrahlschneidverfahren anzugeben, bei dem das Austragen
des Fugenmaterials besonders effektiv bewirkt werden kann. Des Weiteren
ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Laserstrahlschneidvorrichtung
zur Verfügung
zu stellen, die gemäß dem verbesserten
Verfahren betrieben werden kann.
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Diese
Aufgabe wird gelöst
durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruches 1.
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Demnach
wird bei einem Verfahren zum Schneiden von Werkstücken der
eingangs genannten Art das Gas/Gasgemisch des Schneidstrahls vor dem
Auftreffen des Schneidstrahls auf das Werkstück mittels einer Modulationseinrichtung,
insbesondere periodisch, druckmoduliert.
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Dabei
wird das Gas/Gasgemisch des Schneidstrahls entweder mittels aus
einer Schallquelle stammender Schallwellen druckmoduliert. Der Schneidstrahl
bzw. das Schneidgas wird demnach zu irgendeinem Zeitpunkt im Prozess
vor dem Auftreffen desselben auf das Werkstück durch eine oder mehrere
Schallquellen zu den Druckänderungen
angeregt. Letztlich werden in dem Gas/Gasgemisch sich fortpflanzende
Druckwellen erzeugt, die sich bis in den Teil des Schneidstrahls
fortpflanzen, der auf das Werkstück
trifft.
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Alternativ
erfolgt die Druckmodulation des Gas/Gasgemischs des Schneidstrahls
mittels einer insbesondere periodischen, elektrischen Gasentladung.
Dazu können
im Bereich des Gas-/Gasgemischstroms des Schneidstrahls insbesondere
zwei Elektroden derart angeordnet und positioniert sein, dass nach
Anlegen einer elektrischen Spannung geeigneter Stärke ein
elektrischer Gasdurchbruch bzw. eine elektrische Gasentladung erfolgt.
Zwischen den Elektroden bildet sich daher dabei eine aus der Physik
bekannte Gasentladung aus. Diese plötzliche Gasentladung führt zu einem
enormen Temperaturanstieg innerhalb des Gasentladungsgebietes, d.
h. insbesondere zwischen den Elektroden. Diese Temperaturerhöhung führt dann
zu einer zunächst
lokal begrenzten Druckerhöhung.
Nachfolgend wird ebenfalls insbesondere periodisch die Spannung
zwischen den Elektroden abgesenkt werden, und zwar unterhalb einer
minimalen Durchbruchspannung, bei der die Gasentladung unter den
gegebenen Verhältnissen
einsetzt. Durch das Absenken der Spannung erlischt die Gasentladung,
es kommt zu einer Temperaturerniedrigung und nachfolgend einer Druckerniedrigung.
Indem periodisch oder gegebenenfalls in unregelmäßigen zeitlichen Abständen ein
Gasdurchbruch bewirkt wird und anschließend der Gasdurchbruch zum
Erlöschen
gebracht wird, entstehen im Schneidgas Druckänderungen, insbesondere Druckwellen.
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Die
Druckmodulation des Schneidstrahlgases, also die Druck- bzw. Schnelleänderungen
innerhalb des Schneidgases, führen
dazu, dass das Eindringen des Schneidstrahls in die Schnittfuge
deutlich verbessert wird. Zum einen wird die Einkopplung in den
Spalt durch die Druck- bzw. Schnelleänderungen verbessert. Zum anderen
ist der Strömungsverlauf
des modulierten Schneidstrahls auch in größeren Tiefen, d. h. in größeren Abständen von
der Oberfläche
des Werkstückes,
verbessert, so dass auch in diesen größeren Tiefen ausreichende Kräfte auf
das fluide Fugenmaterial einwirken. Auch bei größeren Schnittdicken kann demnach
das Fugenmaterial optimal ausgetragen werden. Im Schnittspalt werden darüber hinaus
akustische Resonanzen aufgebaut bzw. angeregt, die ebenfalls den
Austrag des Fugenmaterials verbessern.
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Unabhängig davon,
wie die Druckmodulation bewirkt wird (indem Schallquellen eingesetzt
werden oder indem eine elektrische Gasentladung im Gasstrom induziert
wird), wird vorteilhafterweise die Frequenz der aus der Schallquelle
stammenden Schallwellen und/oder der der Gasentladung entstammenden
Druckwellen derart gewählt,
dass in der Schnittfuge Resonanzen erzeugt werden, die die Austragung
des Fugenmaterials unterstützen.
Vorzugweise tritt der Schneidstrahl aus einer an einer Düse angeordneten
Düsenöffnung aus,
wobei der Abstand der Düsenöffnung von
der Werkstückoberfläche derart gewählt ist,
dass in der Schnittfuge Resonanzen erzeugt werden, die die Austragung
des Fugen materials unterstützen.
Besonders bevorzugt wird der Abstand der Düsenöffnung von der Werkstückoberfläche derart
gewählt,
dass die Schneidstrahlströmung möglichst
weit in die Schneidfront bzw. die Schnittfuge eindringt.
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Die
Schallquelle selbst kann insbesondere ein Piezoelement aufweisen,
eine Lochsirene, eine Galtonpfeife oder ein magnetostriktives Element. Hier
sind viele Varianten denkbar.
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Um
einen längeren
Schnitt zu erzeugen, werden der Laserstrahl und der Schneidstrahl
relativ zu dem Werkstück
und/oder das Werkstück
relativ zu dem Laserstrahl und dem Schneidstrahl bewegt. Die konstruktiven
Ausgestaltungen, um dies zu bewirken, sind bekannt und werden daher
nicht näher
erläutert.
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In
einer Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung werden der Laserstrahl und der Schneidstrahl
koaxial auf das Werkstück
geleitet, d. h. sie verlaufen zumindest unmittelbar vor dem Auftreffen
auf das Werkstück
koaxial. Alternativ dazu kann der Schneidstrahl dem Laserstrahl
nachlaufen, und zwar bezogen auf die Vorschubrichtung, in der der
Schnitt in das Werkstück
eingebracht wird, wobei vorzugsweise der Schneidstrahl stechend
unter einem Winkel zum Laserstrahl verläuft. In einer anderen Ausführungsform
der folgenden Erfindung wird der modulierte Schneidstrahl aus mehreren,
sich in einem Bereich oder an einem Ort vereinigenden, modulierten
Teilschneidstrahlen gebildet. Die Modulationsfrequenz des Schneidstrahls
kann dabei als Summen- oder Differenzfrequenz der Teilschneidstrahlen
gebildet sein.
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Eine
Laserstrahlschneidvorrichtung, die gemäß den oben beschriebenen Verfahren
betrieben werden kann, weist die Merkmale des Anspruches 12 auf.
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Danach
ist zumindest ein Laser vorgesehen, dessen Laserstrahl auf das Werkstück leitbar
ist, eine Düse,
aus der ein Schneidstrahl aus einem Gas oder Gasgemisch austreten
kann, sowie eine Modulationseinrichtung, mittels derer das Gas/Gasgemisch des
Schneidstrahls vor dem Auftreffen des Schneidstrahls auf das Werkstück insbesondere
periodisch druckmoduliert werden kann.
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Vorzugsweise
ist ein Schneidkopf vorgesehen, aus dem der Laserstrahl und der
Schneidstrahl austreten, wobei vorzugsweise auch die Modulationseinrichtung
Teil des Schneidkopfes ist. Grundsätzlich kann ein Laser, dessen
Laserstrahl auf das Werkstück
leitbar ist, auch unmittelbar Teil der Schneidkopfes sein.
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Der
Schneidkopf kann dann in der oben beschriebenen Weise relativ zu
dem Werkstück
bewegt werden bzw. das Werkstück
relativ zu dem Schneidkopf. Der Schneidkopf selbst oder eine Gaszuführungsleitung
zu dem Schneidkopf kann einen Schneidgasleitungsabschnitt aufweisen
mit zumindest zwei mit Abstand voneinander angeordneten Elektroden,
wobei die Elektroden mit einer Spannungsquelle der Laserstrahlschneidvorrichtung
verbindbar sind, so dass eine Gasentladung zwischen den Elektroden
induzierbar ist. Der Schneidgasleitungsabschnitt kann dabei rohrförmig ausgebildet sein,
wobei eine Außenelektrode
an der Innenseite des Abschnittes angeordnet ist und wobei eine
Innenelektrode insbesondere zentral im Inneren des rohrförmigen Abschnitts
angeordnet ist, derart, dass das Schneidgas zwischen der Innen-
und der Außenelektrode
hindurch entlang des rohrförmigen
Abschnitts fließen
kann.
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Alternativ
zu einer derartigen Laserstrahlschneidvorrichtung, bei der die Druckmodulation über eine
Gasentladungsvorrichtung bewirkt wird, kann der Schneidkopf, insbesondere
die Düse,
einen Druckraum aufweisen, in den sowohl das Schneidgas als auch
Schall einleitbar ist. In diesem Druckraum wird dann durch den Schall
die Modulation des Schneidstrahles bewirkt. Der Schall kann in diesen Druckraum
eingeleitet werden entweder durch eine von dem Schneidkopf getrennte
Schallquelle oder eine Schallquelle, die an dem Schneidkopf angeordnet
ist. Vorzugweise ist die Schallquelle innerhalb des Schneidkopfes
angeordnet. Was die Düse
betrifft, so kann sie unmittelbar am Schneidkopf angeordnet sein
und der Laserstrahl sowie der modulierte Schneidstrahl können durch
die Düsenöffnung der Düse nach
außen
geleitet werden.
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Für einen
Schneidkopf, der für
eine Laserschneidstrahlvorrichtung der oben beschriebenen Art geeignet
ist, wird ein eigenständiger
Schutz gemäß Patentanspruch
20 beansprucht.
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Weitere
Merkmale der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus den beigefügten Unteransprüchen, aus
der nachfolgenden Beschreibung konkreter Ausführungsbeispiele sowie aus den
beigefügten
Zeichnungen. Darin zeigen:
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1 einen
Ausschnitt eines Schneidkopfes einer erfindungsgemäßen Laserstrahlschneidvorrichtung
im Längsschnitt,
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2 einen
rohrförmigen
Abschnitt einer Schneidgaszuführleitung
im Längsschnitt,
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3 eine
Darstellung einer weiteren Ausführungsform
einer Laserstrahlschneidvorrichtung in Seitenansicht, und
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4 eine
Darstellung einer weiteren Ausführungsform
einer Laserstrahlschneidvorrichtung in Vorderansicht.
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1 zeigt
einen Teilausschnitt eines Schneidkopfes 10 einer Laserstrahlschneidvorrichtung.
Der Schneidkopf 10 weist einen Druckraum 12 auf,
an dessen unterem Ende eine Düsenöffnung 14 angeordnet
ist. In dem Druckraum 12 wird von oben ein Laserstrahl 16 eingeleitet,
der diesen durch die Düsenöffnung 14 nach
unten verlässt.
Der Laserstrahl 16 wird durch eine Fokussierlinse 18,
die den Druckraum 12 nach oben abschließt, auf ein nicht dargestelltes
Werkstück
fokussiert.
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In
den Druckraum 12 wird das Schneidgas aus einer Gaszuführleitung 22 eingeleitet.
Die Gaszuführleitung
mündet
in diesen Druckraum 12. Nicht dargestellt ist eine Druckgasquelle,
die Teil der Laserstrahlschneidvorrichtung sein kann ist. Das dem Druckraum 12 zugeführte Gas
tritt koaxial zu dem Laserstrahl 16 aus der Düsenöffnung 14 nach
unten aus und trifft zusammen mit dem Laserstrahl 16 auf das
Werkstück.
Der Laserstrahl 16 bringt das Werkstückmaterial zunächst in
den fluiden Zustand. Dieses fluide Material wird daraufhin von dem
unter Druck aus der Düse
austretenden Gas des Schneidstrahles zur Fugenbildung aus dem Werkstück ausgetrieben,
wodurch eine Schnittfuge gebildet wird.
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Bevor
das Gas des Schneidstrahls auf das Werkstück trifft, wird das Gas druckmoduliert.
Dafür gibt
es verschiedene Möglichkeiten.
Einige davon sind in der 1 dargestellt. Eine Möglichkeit
besteht darin, dass das in den Druckraum 12 eingeleitete
Gas durch eine Schallquelle bzw. einen Schallwandler 24 moduliert
wird, der an dem Schneidkopf 10 angeordnet ist. Der Schallwandler 24 ist
innerhalb eines rohrförmigen
Ansatzes 25 des Schneidkopfes 10 positioniert,
der sich in Querrichtung zum Druckraum 12 erstreckt und
mit diesem in kommunizierender Verbindung steht.
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Eine
andere Alternative zur Druckmodulation des Schneidgases ist, über einen
in den Druckraum 12 mündenden
Schallleiter 26 Schall von einer von dem Schneidkopf 10 separierten
Schallquelle in den Druckraum 12 zu leiten. Weiter ist
es natürlich
möglich,
den Gasstrom durch die Gaszuführleitung 22 in den
Schneidkopf 10 einzuleiten, wenn eine Modulation bereits
im Vorfeld, d. h. separat von dem Schneidkopf 10, stattgefunden
hat. Die Modulation des Gasstromes des Schneidstrahles kann dabei
im Vorfeld ebenfalls durch eine Schallquelle bewirkt worden sein,
oder aber beispielsweise durch eine Gasentladung.
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Eine
Gasentladung, die eine Modulation des Schneidstrahls bewirken kann,
kann mittels einer in 2 dargestellten Vorrichtung
erzeugt werden. 2 zeigt einen rohrförmigen Abschnitt 28 einer Gaszuführleitung,
die beispielsweise Teil eines Schneidkopfes sein kann oder auch
Teil einer separaten Zuführleitung
zu einer Düse.
Der rohrförmige Abschnitt 28 weist
eine Wandung 32 auf. Das Gas fließt in Pfeilrichtung durch den
rohrförmigen
Abschnitt 28.
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Zentral
im Inneren des rohrförmigen
Abschnitts 28 ist eine Innenelektrode 30 angeordnet. Diese
Innenelektrode weist endständig
einen konischen Abschnitt 36 auf. Die Innenelektrode 30 ist
koaxial zum rohrförmigen
Abschnitt 28 ausgerichtet. In etwa auf Höhe des konischen
Abschnittes 36 der Innenelektrode 30 ist an der
Wandung 32 des rohrförmigen
Abschnittes 28 umlaufend eine in etwa ringförmige Außenelektrode 34 angeordnet.
Die Anordnung von Innenelektrode und Außenelektrode erfolgt derart,
dass in Umfangsrichtung zwischen dem konischen Abschnitt 36 der
Innenelektrode und der umlaufenden Außenelektrode 34 ein
ringförmiger
Spalt besteht. Dazu ist bei dieser Ausführungsform der größte Durchmesser
des konischen Abschnitts 36 so gewählt, dass er kleiner ist als
der Innendurchmesser der Außenelektrode 34.
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Durch
Anlegen entgegengesetzter Spannung an die Innenelektrode 30 einerseits
und die Außenelektrode 34 andererseits
kann zwischen diesen eine Gasentladung bewirkt werden, sobald die
Spannung gleich oder größer einer
minimalen Durchbruchspannung gewählt
wird. Die Durchbruchspannung hängt
in bekannter physikalischer Weise von verschiedenen Einflussfaktoren,
wie etwa Gasart, Elektrodenabstand und dergleichen ab. Sobald eine Gasentladung
bzw. ein Gasdurchbruch bewirkt wurde, erwärmt sich das Gas zwischen den
Elektroden schlagartig, was zu plötzlichen Druckanstiegen im Gasstrom
führt.
Als nächstes
wird die Spannung an den Elektroden abgesenkt, und zwar unterhalb
der minimalen Gasdurchbruchspannung. Entsprechend kühlt sich
das Schneidgas ab, was Druckerniedrigungen zur Folge hat. Durch
entweder periodisches oder in unregelmäßigen zeitlichen Abständen erfolgendes Erzeugen
einer Gasentladung und Erlöschen
der Gasentladung werden demnach periodische bzw. unregelmäßige Druckänderungen
innerhalb des Gases erzeugt.
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3 zeigt
eine Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung, bei der im Gegensatz zur Ausführungsform
der 1 ein Laserstrahl 38 und ein Schneidstrahl 40 nicht
koaxial zu einander angeordnet sind. Der winklig zu dem Laserstrahl 38 angeordnete
Schneidstrahl 40 trifft mit diesem auf einem Werkstück 42 zusammen,
auf dem die Fugenbildung erfolgt. Ein Pfeil in der Zeichnung zeigt
die Vorschubrichtung an, in der die Gesamtkonstruktion aus Laserstrahl 38,
der im Übrigen über einen
Spiegel 44 auf das Werkstück 42 geleitet wird,
und einer den Schneidstrahl 40 erzeugenden Düse 46 relativ
zu dem Werkstück 42 bewegt
wird. Bezogen auf diese Vorschubrichtung läuft die Düse 46 dem Laserstrahl 38 nach.
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4 zeigt
schließlich
eine Ausführungsform
bei der mehrere Teilschneidstrahlen, nämlich zwei Teilschneidstrahlen 50, 52 winklig
zueinander und zu einem Laserstrahl 49 verlaufen. Die beiden Teilschneidstrahl 50, 52 vereinigen
sich zu einem Gesamtschneidstrahl 48. Die Teilschneidstrahlen 50, 52,
die aus Düsen 54, 56 austreten,
sind jeweils druckmoduliert, wobei die Druckmodulation des Gesamtstrahles 48 eine Überlagerung
der beiden Einzelteilschneidstrahlen 50, 52 ist.
Der Gesamtschneidstrahl 48 und der Laserstrahl 49 laufen
nach Vereinigung der Teilschneidstrahlen 50, 52 koaxial auf
ein nicht dargestelltes Werkstück
zu.
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- 10
- Schneidkopf
- 12
- Druckraum
- 14
- Düsenöffnung
- 16
- Laserstrahl
- 18
- Fokussierlinse
- 22
- Gaszuführleitung
- 24
- Schallwandler
- 25
- rohrförmiger Ansatz
- 26
- Schallleiter
- 28
- rohrförmiger Abschnitt
- 30
- Innenelektrode
- 32
- Wandung
- 34
- Außenelektrode
- 36
- konischer
Abschnitt
- 37
- ringförmiger Spalt
- 38
- Laserstrahl
- 40
- Schneidstrahl
- 42
- Werkstück
- 44
- Spiegel
- 46
- Düse
- 48
- Schneidstrahl
- 49
- Laserstrahl
- 50
- Einzelschneidstrahl
- 52
- Einzelschneidstrahl
- 54
- Düse
- 56
- Düse