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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung, die zum Laserstrahlschneiden ausgebildet ist und ein Verfahren zum Laserstrahlschneiden. Besonders vorteilhaft kann die Erfindung beim Laserstrahlschmelzschneiden eingesetzt werden.
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Beim Laserstrahlschmelzschneiden metallischer Werkstoffe wird ein fokussierter Laserstrahl eingesetzt, um das Material entlang einer vorgegebenen Schneidkontur aufzuschmelzen. Simultan hierzu wird üblicherweise das schmelzflüssige Material durch einen über eine Düse beschleunigten Hochdruckgasstrahl bei anliegenden Gasdrücken im Bereich 5 ≤ p0 ≤ 30 bar aus der entstehenden Schnittfuge ausgetrieben.
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Als Gas wird normalerweise Stickstoff, in Ausnahmefällen auch Argon eingesetzt. Der Massestrom des Gases durch den Düsenaustrittsquerschnitt ergibt sich aus der Kontinuitätsgleichung und ist direkt proportional zum Düsenaustrittsquerschnitt, der Austrittsgeschwindigkeit und der Gasdichte. Der resultierende Gasverbrauch beim Hochdruck-Laserstrahlschneiden bestimmt in einem erheblichem Ausmaß die Fertigungskosten des Verfahrens. Charakteristisch ist dabei, dass bei derzeitiger Ausführung des Laserstrahlschneidens ein Kaltgasvolumenstrom (z.B. aus Stickstoff) zugeführt wird.
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Zur Gewährleistung akzeptabler Schnittqualitäten werden hohe Scherraten zwischen der Gasströmung und der Schmelze beim Laserstrahlschmelzschneiden benötigt.
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Hohe Scherraten können durch hohe Strömungsgeschwindigkeiten und durch eine hohe dynamische Viskosität der Gasströmung erreicht werden.
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Durch die hohe Dichte des bisher verwendeten Kaltgasvolumenstroms sind die benötigten Normvolumenströme (Größenordnung 100 m3/h) und damit der Gasverbrauch sehr hoch.
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Neben dem hohen Gasverbrauch beim Laserstrahlschneiden ergibt sich, beispielsweise gegenüber Plasmaschneidverfahren, eine reduzierte Qualität der Schnittkanten. Dies ist zu einem erheblichen Teil darauf zurückzuführen, dass infolge der hohen Gasdichte die kinematische Viskosität sehr gering ist. Daraus resultiert eine hochturbulente Spaltströmung, die infolge der Wechselwirkung mit nicht ausgetriebener und an den Schnittkanten verbleibender Restschmelze die erzielbare Schnittkantenqualität begrenzt.
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Zur Reduzierung des Gasverbrauches kann der Gasvolumenstrom zum Austrieb der Schmelze erwärmt werden. Im Vergleich zur Kaltgasströmung sind, bedingt durch den lonisierungszustand und die höheren Temperaturen der Gasströmung, in einem Temperaturbereich kleiner 15.000 K die Dichte kleiner und die dynamische Viskosität zum Teil höher. Dadurch nimmt die kinematische Viskosität signifikant zu und bei gleicher Scherrate ist eine Verringerung des Gasverbrauchs bei gleichzeitiger Reduzierung der Schnittkantenrauheit möglich.
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In
EP 2 477 780 B1 werden ein Verfahren und mehrere Vorrichtungen zum Schweißen und Schneiden von Werkstücken mit einem Laser und einem übertragenden Lichtbogen beschrieben.
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Die Erwärmung des Gasvolumenstroms in Form einer Gasentladung wird bisher durch einen übertragenden Lichtbogen zwischen Brennerkopf und Werkstück realisiert. D.h. in diesem Fall wird das zu schneidende Material gleichzeitig als Elektrode verwendet. Das resultierende Erwärmungsverhalten am Werkstück, bedingt durch den Ladungsträgertransfer aus dem Lichtbogen, führt u.U. zu unerwünschten Aufschmelzerscheinungen der Schnittkanten. Des Weiteren ist die Anwendung dieses Verfahrens auf elektrisch leitfähige Werkstoffe begrenzt.
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Es ist daher Aufgabe der Erfindung den Gasverbrauch beim Laserstrahlschneiden zu reduzieren und die Schnittkantenqualität ohne die unerwünschten Aufschmelzerscheinungen der Schnittkanten zu verbessern.
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Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe mit einer Vorrichtung, die die Merkmale des Anspruchs 1 aufweist, gelöst. Ein Verfahren ist mit Anspruch 7 definiert. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung können mit in untergeordneten Ansprüchen bezeichneten Merkmalen realisiert werden.
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Zur Reduzierung des Gasverbrauches wird der Gasvolumenstrom, ähnlich zu dem genannten Stand der Technik, in Form einer Gasentladung erwärmt und vollständig oder teilweise ionisiert (im Folgenden als ionisiert bezeichnet).
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Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung werden ein Laserstrahl zum Aufschmelzen von Werkstückwerkstoff entlang einer Schneidkontur und ein Gasstrom zum Austreiben von geschmolzenem Werkstückwerkstoff aus dem Schnittspalt auf eine Oberfläche eines Werkstücks zur Ausführung eines Schnittes durch einen Bearbeitungskopf gerichtet.
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Der Gasstrom wird dabei durch den Einflussbereich mindestens eines Lichtbogens, der zwischen zwei Elektroden ausgebildet ist, geleitet. Die Elektroden sind an eine elektrische Spannungsquelle angeschlossen, die so ausgebildet und betreibbar ist, dass eine Ionisierung des durch den Einflussbereich des Lichtbogens strömenden Gasstromes erfolgt.
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Zusätzlich kann ein weiterer teilweise übertragender Lichtbogen ausgebildet werden. Dabei ist auch das Werkstück an eine elektrische Spannungsquelle angeschlossen. Dieser weitere Lichtbogen brennt dann zwischen einer im/am Bearbeitungskopf angeordneten Elektrode und dem Werkstück.
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Bei einer ersten erfindungsgemäßen Alternative sind die beiden Elektroden innerhalb des Bearbeitungskopfes angeordnet.
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Bei einer zweiten erfindungsgemäßen Alternative ist eine der beiden Elektroden innerhalb des Bearbeitungskopfes angeordnet und die andere Elektrode bildet zumindest einen Teil eines Bearbeitungskopfgehäuses.
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Bei einer dritten erfindungsgemäßen Alternative ist eine Elektrode innerhalb des Bearbeitungskopfes angeordnet oder diese Elektrode bildet zumindest einen Teil des Bearbeitungskopfgehäuses und die andere Elektrode ist an der Seite der Oberfläche des Werkstücks angeordnet, die der Oberfläche, auf die der Laserstrahl auftrifft, gegenüberliegend angeordnet ist.
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Wenn kein teilweise übertragender Lichtbogen genutzt und ausgebildet wird, ist es vorteilhaft, dass keine der Elektroden mit dem Werkstück elektrisch leitend verbunden ist.
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Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren werden ein Laserstrahl zum Aufschmelzen von Werkstückwerkstoff entlang einer Schneidkontur und ein Gasstrom zum Austreiben von geschmolzenem Werkstückwerkstoff aus dem Schnittspalt der Schneidkontur auf die Oberfläche eines Werkstücks durch einen Bearbeitungskopf gerichtet, und der Gasstrom durch den Einflussbereich mindestens eines Lichtbogens, der zwischen zwei Elektroden ausgebildet worden ist, geleitet.
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Die Elektroden sind an eine elektrische Spannungsquelle angeschlossen und werden so betrieben, dass eine Ionisierung des durch den Einflussbereich des Lichtbogens strömenden Gasstromes erreicht wird.
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Der mindestens eine Lichtbogen wird in einer ersten erfindungsgemäßen Alternative zwischen den beiden Elektroden, die innerhalb des Bearbeitungskopfes angeordnet sind oder bei einer zweiten erfindungsgemäßen Alternative wird der mindestens eine Lichtbogen zwischen den Elektroden ausgebildet, bei der eine der beiden Elektroden innerhalb des Bearbeitungskopfes angeordnet ist und die andere Elektrode zumindest einen Teil eines Bearbeitungskopfgehäuses bildet oder bei einer dritten erfindungsgemäßen Alternative der mindestens eine Lichtbogen zwischen einer Elektrode, die innerhalb des Bearbeitungskopfes angeordnet ist oder zumindest einen Teil des Bearbeitungskopfgehäuses bildet und der anderen Elektrode, die an der Seite der Oberfläche des Werkstücks angeordnet ist, die der Oberfläche, auf die der Laserstrahl auftrifft, gegenüberliegend angeordnet ist, ausgebildet.
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Bei einer weiteren erfindungsgemäßen Alternative kann ein weiterer teilübertragender Lichtbogen zwischen einer der Elektroden und dem Werkstück zusätzlich ausgebildet werden. Dazu ist das Werkstück an eine elektrische Spannungsquelle angeschlossen. Es sollte eine geeignete Polung beim Anschluss beachtet werden.
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Es kann ein nichtübertragender oder ein teilweise übertragender Lichtbogen eingesetzt werden. Teilweise übertragend bedeutet im Sinne der Erfindung, dass ein Teil des Ladungsträgertransfers nicht über das Werkstück sondern über eine zusätzliche Elektrode stattfindet. Dadurch kann das Erwärmungsverhalten durch den Lichtbogen gezielt beeinflusst werden.
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Mit dem ausgebildeten elektrischen Lichtbogen sollte ein Ionisierungsgrad des Gasstromes von mindestens 0.1 %, bevorzugt bis mindestens 20 % und besonders bevorzugt bis mindestens 90 % erreicht werden.
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Der Gasstrom sollte mit einem Volumenstrom im Bereich 0.1 m3/h bis 100 m3/h, bevorzugt bis maximal 20 m3/h und besonders bevorzugt bis maximal 10 m3/h zum Austrieb des geschmolzenen Werkstückwerkstoffes aus dem Schnittspalt zugeführt und/oder Argon oder Stickstoff für die Ausbildung des Gasstromes eingesetzt werden.
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Der elektrische Lichtbogen kann mit einer elektrischen Spannung im Bereich 1 V bis 1000 V und einem elektrischen Strom im Bereich 1 A bis 1000 A betrieben werden.
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Im Vergleich zur bekannten Kaltgasströmung sind, bedingt durch den Ionisierungsgrad und die höheren Temperaturen der mittels des mindestens einen Lichtbogens ionisierten Gasströmung, die Dichte kleiner und die dynamische Viskosität höher. Die kinematische Viskosität ist dadurch merklich erhöht. Infolgedessen ist eine Verringerung des Gasverbrauchs bei gleichzeitiger Steigerung der Schnittqualität möglich.
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Im Unterschied zum angeführten Stand der Technik wird kein übertragender sondern ein nicht- oder teilweise auf das Werkstück übertragender Lichtbogen eingesetzt. Beide Elektroden, sowohl Kathode als auch Anode, sind bei der ersten und der zweiten Alternative im Bearbeitungskopf untergebracht. Zwischen den Elektroden und dem Werkstück findet kein Ladungsträgertransfer statt. Dadurch sind Energieeintrag (Laserstrahl) und Materialaustrieb aus dem Schnitt (Plasmastrahl) in vorteilhafter Ausführung voneinander entkoppelt und ein unerwünschtes Erwärmungsverhalten am Werkstück durch den Plasmastrahl, der mit dem ionisierten Gasstrom gebildet ist, was wesentlich vom Ladungsträgertransfer zwischen den Elektroden bedingt ist, kann auf ein Minimum reduziert werden.
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Eine im Inneren des Bearbeitungskopfes angeordnete Elektrode kann als Hohlkathode ausgebildet und der Laserstrahl durch das Innere dieser Elektrode auf die Oberfläche des Werkstücks gerichtet sein.
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Eine im Inneren des Bearbeitungskopfes angeordnete Elektrode kann stabförmig ausgebildet und der Laserstrahl durch das Bearbeitungskopfgehäuse neben dieser Elektrode auf die Oberfläche des Werkstücks durch die andere ringförmig ausgebildete Elektrode gerichtet sein. Der Gasstrom ist dabei mit dem Laserstrahl durch die andere ringförmig ausgebildete Elektrode auf die Oberfläche des Werkstücks gerichtet.
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Eine im Inneren des Bearbeitungskopfes angeordnete Elektrode kann auch stabförmig ausgebildet und der Laserstrahl durch das Bearbeitungskopfgehäuse neben dieser in einem Winkel größer 0 ° und kleiner 90 ° in Bezug zur optischen Achse des Laserstrahls ausgerichtete Elektrode auf die Oberfläche des Werkstücks gerichtet und die andere Elektrode zumindest einen Teil des Bearbeitungskopfgehäuses bilden. Dabei tritt der Gasstrom durch eine Düsenöffnung mit dem Laserstrahl aus dem Bearbeitungskopf aus.
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Eine der Elektroden kann auch zumindest einen Teil der am Bearbeitungskopf vorhandenen Düsenöffnung bilden.
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Ist eine Elektrode im Inneren des Bearbeitungskopfgehäuses angeordnet oder eine Elektrode bildet einen Teil eines Bearbeitungskopfgehäuses, sollte sie gegenüber dem anderen Teil des Bearbeitungskopfgehäuses oder das gesamte Bearbeitungskopfgehäuse elektrisch isoliert sein.
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Beim Einsatz eines nichtübertragenden Lichtbogens brennt im Bereich der Vorrichtung ein Lichtbogen zwischen zwei Elektroden.
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Zwischen der Elektrode und dem Werkstück sowie der anderen Elektrode und dem Werkstück wird kein Lichtbogen ausgebildet, d.h. es findet kein Ladungsträgertransfer zwischen einer Elektrode und dem Werkstück statt.
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Beim Einsatz eines teilweise übertragenden Lichtbogens brennen im Bereich der Vorrichtung zwei Lichtbögen, jeweils zwischen einer von zwei Elektroden und dem Werkstück. Für diesen Zweck wird jeweils ein elektrisches Potential zwischen der Elektrode und dem Werkstück angelegt. Durch die geeignete Wahl der zwei Potentiale und dem daraus resultierenden Ladungsträgertransfer kann das Erwärmungsverhalten durch die Lichtbögen gezielt beeinflusst werden.
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Es kann mit der Erfindung ein Laserschneiden im Dick- als auch im Dünnblechbereich sowie die Bearbeitung sowohl von elektrisch leitfähigen als auch von elektrisch nicht-leitfähigen Materialien durchgeführt werden.
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Nachfolgend soll die Erfindung beispielhaft näher erläutert werden. Dabei können Merkmale die einzelnen Beispielen oder einzelnen Figuren zugeordnet sind, unabhängig vom jeweiligen Beispiel oder der jeweiligen Figur miteinander kombiniert werden.
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Dabei zeigen:
- 1 ein Beispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung gemäß der ersten erfindungsgemäßen Alternative;
- 2 ein weiteres Beispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung gemäß der ersten erfindungsgemäßen Alternative;
- 3 ein Beispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung gemäß der zweiten erfindungsgemäßen Alternative;
- 4 ein Beispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung gemäß der zweiten erfindungsgemäßen Alternative,
- 5 ein Beispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung gemäß der dritten erfindungsgemäßen Alternative und
- 6 ein Beispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung bei der eine elektrische Spannung an ein Werkstück und an eine Elektrode, die an der dem Bearbeitungskopf gegenüberliegenden Seite des Werkstücks angeordnet ist, angelegt ist.
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Zwischen den Elektroden 1 oder 11 und 4 wird eine elektrische Spannung von einer elektrischen Spannungsquelle 7 (DC, DC Puls oder AC) angelegt. Die Elektroden 1 oder 11 und 4 sind so gestaltet und angeordnet, dass der Laserstrahl 5 diese ungehindert passieren kann. Dies kann sowohl durch eine konzentrische (z.B. 1, 2, 5 und 6) als auch durch eine nichtkonzentrische Anordnung (z.B. 3 und 4) zwischen Laserstrahl 5 und Elektroden 1 oder 11 und 4 erreicht werden.
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Infolge des zwischen den Elektroden 1 oder 11 und 4 ausgebildeten Lichtbogens 3 wird der Gasstrom 6 erwärmt und vorzugsweise ionisiert. Dadurch ist die Dichte des im Lichtbogen 3 erwärmten Gasstroms 6 im Vergleich zu der in den Bearbeitungskopf 10 einströmenden Gasströmung geringer. Des Weiteren ist die Viskosität (dynamisch und kinematisch) des im Lichtbogen 3 erwärmten Gasstroms 6 im Vergleich zu dem in den Bearbeitungskopf 10 einströmenden Gasstrom 6 größer.
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Der mit der Energie des Lichtbogens 3 teilweise ionisierte Gasstrom 6 tritt aus der werkstückseitigen Öffnung der Vorrichtung in Form einer Düse aus und weist auch im Bereich des Schnitts 8 am/im Werkstück 2 eine im Vergleich zur Kaltgaseinströmung des in den Bearbeitungskopf 10 einströmenden Gasstroms 6 geringere Dichte und höhere Viskosität auf. Dadurch ist die Scherwirkung zwischen Gasstrom 6 und Schmelze im Bereich des Schnitts 8 im Vergleich zum in den Bearbeitungskopf 10 einströmenden kalten Gasstrom 6 stark erhöht. Gleichzeitig reduziert sich der Turbulenzgrad der Gasströmung im Schnittspalt.
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Die Temperatur sowie die Geschwindigkeit des Gasstroms 6 am Austritt der Vorrichtung kann u.a. durch die elektrische Stromstärke, die Schutzgaszusammensetzung, den eingesetzten Gasstrom 6 sowie den Werkstoff und die Geometrie der Elektroden 1 oder 11 und 4 und so auf die jeweilige Anwendung angepasst werden.
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Der Laserstrahl 5 wird als Wärmequelle zum Aufschmelzen des Werkstückwerkstoffs im Bereich des Schnittes 8 genutzt. Der teilweise ionisierte Gasstrom 6, der aus der werkstückseitig am Bearbeitungskopf angeordneten Düsenöffnung der Vorrichtung austritt, wird zum Austrieb der Schmelze aus der Schnittfuge und zum Glätten der Schnittkanten verwendet.
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Zur Erhöhung der Standzeit können die Elektroden 1 oder 11 und 4 durch einen zusätzlichen Gasstrom oder Flüssigkeitsstrom gekühlt werden.
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Zur Intensivierung der Scherrate in der Schnittfuge kann der Abstand zwischen dem Lichtbogenansatz an einer werkstückseitig angeordneten Elektrode 4 und dem Werkstück 2 verringert werden (2). Für diesen Zweck wird die Elektrode 4 an der Unterseite der Vorrichtung angeordnet und das Bearbeitungskopfgehäuse mit einem elektrischen Isolator 9 von der Elektrode 4 elektrisch getrennt.
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Das Bearbeitungskopfgehäuse der Vorrichtung trägt zu einer Einschnürung des Lichtbogens an der werkstückseitigen Austrittsöffnung, die in Form einer Düse ausgebildet ist, bei.
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Alternativ zu einer Hohlelektrode 1 kann eine Vollelektrode 11, die beispielsweise stabförmig ausgebildet ist, verwendet werden (3 und 4). Dadurch wird der Lichtbogenansatz, speziell bei geringen elektrischen Stromstärken, fokussiert und die Austrittsgeschwindigkeit des Gasstroms 6 kann an der werkstückseitigen Öffnung (Düse) der Vorrichtung intensiviert werden.
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Die Vollelektrode 11 kann neben dem Laserstrahl 5 angeordnet werden, wobei die Lichtbogenströmung an der werkstückseitigen Öffnung der Vorrichtung umgelenkt wird.
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Je nach Wahl der Geometrie der werkstückseitigen Öffnung kann eine zum Laserstrahl 5 konzentrische Gasausströmung erreicht werden (3).
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Alternativ zur parallelen Anordnung und Ausrichtung von Laserstrahl 5 und Elektrode 11 nach 3, kann eine Anstellung der Achse der Elektrode 11 relativ zum Laserstrahl 5 in einem Winkel größer 0 ° und kleiner 90 °, bevorzugt zwischen 20° und 60 ° in Bezug zur optischen Achse des Laserstrahls 5 gewählt werden (4).
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Alternativ zu den in 1 - 6 dargestellten Vorrichtungen, kann die Anordnung und Ausrichtung des Laserstrahls 5 und die Zuführung des Gasstroms 6 auch von unterschiedlichen Seiten des Werkstücks 2 erfolgen.
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Vorteilhafterweise kann die werkstückseitige Öffnung am Bearbeitungskopf 10 als Düse ausgeführt werden.
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Des Weiteren kann die Erwärmung des Gasstroms 6 dadurch erreicht werden, dass ein Lichtbogen 3 zwischen zwei, das Werkstück 2 einschließenden Elektroden 1 und 4 ausgebildet wird (5). Zum Schutz der Elektrode 4 vor atmosphärischen Gasen, kann ein weiterer Schutzgasstrom 12 eingesetzt werden. Der Schutzgasstrom 12 kann zwischen der dem Bearbeitungskopf 10 abgewandten Oberfläche des Werkstücks 2 und der anderen dort in einem Abstand zu dieser Oberfläche angeordneten Elektrode 4 in Richtung Schnitt 8 strömen.
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Im Gegensatz zu den nach dem Stand der Technik genutzten übertragenden Lichtbögen, unterscheidet sich die Erfindung insbesondere dadurch, dass der Ladungsträgertransfer zwischen zwei Elektroden 1 oder 11 und 4 erfolgt. Alternativ kann durch eine zusätzliche Potentialdifferenz zwischen einer der Elektroden 1 oder 11 und 4 und dem Werkstück 2 der Ladungsträgertransfer gemäß dem Beispiel nach 6 teilweise auf das Werkstück 2 erfolgen.
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Durch die Verwendung des weiteren teilweise übertragenden Lichtbogens, kann das Erwärmungsverhalten des Werkstücks 2 gezielt beeinflusst, der Gasverbrauch verringert, die Schnittkantenqualität verbessert und die Stabilität des Lichtbogens 3 erhöht werden.
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Zum Laserstrahlschneiden mit einem teilweise übertragenden Lichtbogen 3 können alle Vorrichtungen verwendet werden, welche beim Laserstrahlschneiden mit einem nichtübertragenden Lichtbogens angewendet werden.
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Im Vergleich zur bisher verwendeten Kaltgasströmung, ist der mittels der Energie des Lichtbogens 3 erwärmte Gasstrom 3 zum Austrieb der Schmelze aus der Schnittfuge bei einem Laserstrahlschmelzschneidprozess deutlich effizienter. Dies wird bedingt durch den Ionisierungsgrad und die höheren Temperaturen der Gasströmung. Im Vergleich zur Kaltgasströmung ist im Prozessbereich die Dichte kleiner und die dynamische Viskosität höher. Gleichzeitig nimmt die kinematische Viskosität signifikant zu. Dadurch sind eine Verringerung des Gasverbrauchs und eine Steigerung der Schnittqualität möglich.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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