-
Technisches Gebiet
-
Die
Erfindung betrifft eine Gasdüse zum Laserschneiden, durch
die ein Laserstrahl hindurchtreten und mit der Gas geführt
werden kann, um vom Laser geschmolzenes Material aus der Schnittfuge zu
entfernen.
-
Stand der Technik
-
Beim
Laserschneiden wird das durch den Laserstrahl aufgeschmolzene Material
mittels eines Gasstrahls entlang oder durch den entstehenden Schnittspalt
abtransportiert. Beispielsweise wird beim Laserschneiden von rohrförmigen
Gegenständen das aufgeschmolzene Material durch den entstehenden
Schnittspalt ins Rohrinnere getrieben. Die dabei entstehenden Formationen
des wiedererstarrten Materials beeinflussen die Weiterverarbeitbarkeit und
letztlich die Qualität des Produkts. Ungünstige Ablagerungsformationen
führen zu erhöhten Spannungen bei der Nachbearbeitung
zur Entfernung der Grate. Es können ferner unerwünschte
Ablagerungen am Produkt verbleiben.
-
Der
Gasstrom aus typischen Laserdüsen fächert sehr
schnell und unkontrolliert auf, so dass diese Düsen üblicherweise
mit hohem Druck sehr nahe an der Werkstückoberfläche
betrieben werden müssen. Durch den geringen Abstand kann
die Düse leicht beschädigt werden oder setzt sich
durch zurückspritzendes Material zu. Ferner übt
der hohe Druck Kräfte auf das Werkstück seitlich
des eigentlichen Schnittpunkts aus, die das Produkt verformen können
und die Präzision der Schnitte verschlechtern können.
Ferner ist ein sich auffächernder Strahl für schmale
Schnitte bei großer Wandstärke ungeeignet.
-
Das
unerwünschte Auffächern des Gasstroms hängt
derzeit stark von Schwankungen bei der Düsenfertigung ab,
so dass bei jedem Düsenwechsel ein neues Strömungsprofil
entsteht, auf das der Laserschneidprozess einzujustieren ist. Insbesondere
für dünne (20 μm und kleiner) Schnitte
sind die derzeitigen Laserdüsen wenig geeignet.
-
In
der
DE 10 2006
050 059 A1 ist eine Düse zur industriellen Bearbeitung
beschrieben. Die Düse ist mit einem zentralen Düsenkanal
vorgesehen, durch den ein Gasstrom führbar ist. Die Düse
ist so gestaltet, dass der Gasstrom auch bei Änderung des Gasdrucks
innerhalb gewissen Druckbereichs laminar und nahezu ohne Druckentspannung
am Gasaustritt ausströmt.
-
Aus
der
DE 689 06 429
T2 ist eine Laserschneiddüse bekannt, die einen
inneren Durchgang für ein Schneidhilfsgas aufweist, wobei
die Düse nacheinander und koaxial einen aufstromigen Abschnitt,
der zu einem Kragen hin konvergiert, und einen abstromigen Abschnitt
aufweist, der einen Ausgangsdurchmesser hat, der größer
als der Durchmesser des Kragens ist. Die Düsenform ist
optimiert, um einen Gasstrom mit hoher Geschwindigkeit zu erzeugen,
welcher stabiler und im wesentlichen frei von Turbulenzen ist.
-
Die
DE 40 16 200 A1 beschreibt
eine Düse zum Laserschneiden, die dadurch gekennzeichnet ist,
dass in den Düsenkopf am Austrittsende des Düsenkanals
ein ringförmiges, gasdurchlässiges Sintermaterial-
oder Siebpaket koaxial eingebaut ist. Dadurch wird der Strömungscharakter
des Gasstrahls beeinflusst. Es wird hierbei angestrebt, dass die
Gasströmung nach dem Verlassen der Düse einer
laminaren Strömung mit charakteristischem Abfall der Strömungsgeschwindigkeit
des Gases von der Strömungsmitte zum Randbereich ähnelt.
-
Beschreibung der Erfindung
-
Es
ist eine Aufgabe der Erfindung, eine Gasdüse zum Laserschneiden
bereitzustellen, mit der sich die Prozessstabilität und
somit die Qualität des damit geschnittenen Produkts verbessern
lässt.
-
Die
Aufgabe wird mit dem Gegenstand des Anspruchs 1 gelöst.
Bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen
beschrieben.
-
Die
Gasdüse weist einen Düsenkanalabschnitt, durch
den ein Laserstrahl hindurchtreten und Gas geführt werden
kann, und ein Austrittsende mit einer Öffnung auf. In der
Gasdüse wird ein innerer Gasstrom ausgebildet, der durch
die Öffnung austritt und dabei zu einem Arbeitsgasstrom
wird, der das von dem Laser aufgeschmolzene Material abtransportiert.
-
Erfindungsgemäß ist
der Düsenkanalabschnitt der Gasdüse so gestaltet,
dass dieser einen äußeren Hilfsgasstrom ausbilden
oder führen kann. Dieser Hilfsgasstrom umgibt den Arbeitsgasstrom zumindest
teilweise, um einer Aufweitung des Arbeitsgasstroms entlang zumindest
einer Richtung entgegenzuwirken. Um – insbesondere bei
schmalen, tiefen Schnitten – die Schmelze gut aus dem Schnittspalt
auszutreiben und damit die Schnittqualität zu verbessern,
wird erfindungsgemäß das Auffächern des
Gasstrahls quer zur Schnittrichtung verhindert.
-
Durch
die Verringerung der Aufweitung des Arbeitsgasstroms kann der Arbeitsgasstrom
besser auf das aufgeschmolzene Material gerichtet werden, wodurch
ein zielgerichteter Abtransport des aufgeschmolzenen Materials erreicht
werden kann. Dadurch kann die Ablagerung wiedererstarten Materials besser
gesteuert werden. Eine Verformung oder gar Beschädigung
der umliegenden Bereiche des Werkstücks kann ferner verringert
werden und die Düse kann in einem größeren
Abstand zum Werkstück positioniert werden, was sich positiv
auf die Haltbarkeit der Düse auswirkt.
-
Die
erfindungsgemäße Gasdüse ist im Besonderen
für eine Laserschneidvorrichtung geeignet.
-
Vorzugsweise
ist der äußere Hilfsgasstrom ringförmig
und umgibt der Hilfsgasstrom den Arbeitsgasstrom in dessen Umfangsrichtung
vollständig. Durch eine solche vollständige Ummantelung
des Arbeitsgasstroms kann dieser fokussiert und auf den Schnittspalt
gerichtet werden, so dass ein gezielter Abtransport des aufgeschmolzenen
Materials gewährleistet ist. Eine Aufweitung des Hilfsgasstroms ist
unkritisch und kann sogar von Vorteil sein, wenn dadurch die Krafteinwirkung
des Hilfsgasstroms auf das Produkt verringert wird.
-
Vorzugsweise
unterscheiden sich der Hilfsgasstrom und der Arbeitsgasstrom hinsichtlich
deren Reynoldszahlen, um die Fokussierung des Arbeitsgasstroms zu
steuern.
-
Aus
demselben Grund unterscheiden sich vorzugsweise die Austrittsgeschwindigkeit
des Hilfsgasstroms und die Austrittsgeschwindigkeit des Arbeitgasstroms.
Ferner wird dadurch vermieden, dass der Hilfsgasstrom schädlich
auf das zu bearbeitende Produkt einwirkt.
-
Vorzugsweise
unterscheiden sich der Hilfsgasstrom und der Arbeitsgasstrom hinsichtlich
der Gasart. Die Gasart ist ein weiterer Parameter zur Steuerung
der Fokussierung des Arbeitsgasstroms und der Einwirkung der beiden
Gasströme auf das zu schneidende Produkt.
-
Vorzugsweise
weist der Düsenkanalabschnitt einen zentralen Düsenkanal
und einen äußeren Düsenkanal auf, der
den zentralen Düsenkanal zumindest teilweise umgibt. Der
innere Gasstrom wird hierbei durch den zentralen Düsenkanal
geführt. Der äußere Düsenkanal
führt einen zweiten Gasstrom, beispielsweise einer anderen
Gasart und/oder mit einer anderen Geschwindigkeit, der beim Austritt aus
der Düse zum Hilfsgasstrom wird und den Arbeitsgasstrom
zumindest teilweise umgibt. Der äußere Düsenkanal
kann den zentralen Düsenkanal ringförmig umgeben.
Eine solche Düse ist einfach herzustellen. Ferner lassen
sich durch eine solche Düse die beiden Gasströme
im Inneren der Düse getrennt steuern. Dadurch wird eine
größtmögliche Freiheit zur Einstellung
und Justierung sowohl des Arbeitsgasstroms als auch des Hilfsgasstroms
gewährleistet.
-
Vorzugsweise
umfasst das Austrittsende des Düsenkanalabschnitts eine
Abrisskante. Eine solche Abrisskante erzeugt eine stabile Wirbelschleppe,
die das Auffächern des Arbeitsstrahls verhindert. Enthält die
Düse nur einen einzigen Gaskanal, wird der Hilfsgasstrom
an der Abrisskante als Wirbelschleppe gebildet. Die Wirbelschleppe
wirkt wenig auf das zu bearbeitende Produkt ein und lässt
sich einfach durch die Geschwindigkeit des inneren Gasstroms und/oder
die Geometrie der Düse mit Abrisskante beeinflussen.
-
Auf ähnliche
Weise können Hilfsgasströme dieser oder einer
anderen Art mittels einer zumindest teilweise strukturierten Oberfläche,
die mit dem inneren Gasstrom in der Düse in Kontakt steht,
erzielt werden. Die Struktur einer solchen strukturierten Oberfläche
kann vorzugsweise golfballförmig oder haifischhautförmig
sein. Ferner kann eine solche Strukturierung spiralförmige
Züge und Felder aufweisen.
-
Eine
Düse mit zentralem und äußeren Düsenkanal
kann mit den obigen Merkmalen – Abrisskante, strukturierte
Oberfläche – vorteilhaft kombiniert werden, um
die Steuerbarkeit des Arbeitsgasstroms und des Hilfsgasstroms weiter
zu verbessern.
-
Vorzugsweise
ist die Öffnung des Düsenkanalabschnitts langlochförmig,
ellipsenförmig oder hantelförmig, um die Schneidqualität
insbesondere während der Einstechphase des Laserstrahls und/oder
beim Schnittende zu verbessern.
-
Vorzugsweise
ist der Düsenkanalabschnitt trichterförmig, wobei
sich der Querschnitt des Düsenkanalabschnitts in Gasstromrichtung
verjüngt. In einer weiteren Ausführungsform endet
der Trichter am Gasaustrittsende in einer zylindrischen Bohrung.
-
Vorzugsweise
verjüngt sich der Querschnitt in Gasstromrichtung und vergrößert
sich nach Erreichen eines Minimalwerts zum Austrittsende hin. Durch
geeignete Düsengeometrien dieser Art kann die erzielte
Gasstromgeschwindigkeit bei konstantem Speisedruck erhöht
werden. Derartige Düsen vermeiden Staudrücke im
Inneren der Düse und führen durch gezielte Querschnittsverjüngung
zusammen mit einer gezielten Oberflächenstruktur ebenfalls
zur Stabilisierung der Strömung im Randbereich und damit
zur Reduktion der Auffächerung des Gasstrahls.
-
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
-
1A bis 1D zeigen
verschiedene Grundgeometrien für Düsen, auf denen
die vorliegende Erfindung aufbaut.
-
2 ist
ein Längsschnitt einer Düse gemäß einer
ersten Ausführungsform der Erfindung.
-
3 ist
ein Längsschnitt einer Düse gemäß einer
zweiten Ausführungsform der Erfindung.
-
Beste Wege zur Ausführung
der Erfindung
-
Verschiedene
Grundgeometrien für Düsen sind in den 1A bis 1D gezeigt.
Die gezeigten Grundgeometrien sind als solche noch nicht geeignet,
das Aufweiten des Gasstrahls, insbesondere bei hohen Strömungsgeschwindigkeiten,
zu vermeiden. Dabei weisen Düsen mit Grundformen gemäß den 1C und 1D typischerweise
Gasströme mit reduzierter Aufweitung auf, sind jedoch fertigungstechnisch
deutlich aufwändiger.
-
2 zeigt
eine Gasdüse 1 zum Laserschneiden, die einen Düsenkanalabschnitt
aufweist, durch den ein Laserstrahl hindurchtreten und Gas geführt
werden kann. Der Düsenkanalabschnitt weist einen zentralen
Düsenkanal 11 und einen den zentralen Düsenkanal 11 umgebenden
ringförmigen Düsenkanal 12 auf. Durch
den zentralen Düsenkanal 11 wird ein innerer Gasstrom
geleitet, der an dem Austrittsende der Düse 1 durch
eine Öffnung 5 austritt. Dieser austretende innere
Gasstrom dient zum Abtransportieren von dem vom Laser aufgeschmolzenem
Material und wird als Arbeitsgasstrom bezeichnet.
-
Wird
die Gasdüse 1 beispielsweise zum Laserschneiden
von Rohren oder rohrähnlichen Strukturen verwendet, dann
wird das durch den Laserstrahl aufgeschmolzene Material durch den
Arbeitsgasstrom durch den entstehenden Schnittspalt hindurch ins
Rohrinnere getrieben.
-
Zur
Vermeidung bzw. Verringerung des Aufspreizens des Arbeitsstrahls
weist die Düse in 2 einen
ringförmigen Düsenkanal 12 auf, der den
zentralen Düsenkanal umgibt. Durch den ringförmigen Düsenkanal
wird ein Gas, das sich hinsichtlich seiner Zusammensetzung und Strömungseigenschaften von
dem Gas des inneren Gasstroms unterscheiden kann, geführt
und tritt an einer ringförmigen Öffnung 5' aus
der Düse 1 aus. Der aus der ringförmigen Öffnung 5' ausgetretene
Gasstrom wird als Hilfsgasstrom bezeichnet und wirkt der Aufweitung
des Arbeitsgasstroms entgegen, indem der Hilfsgasstrom den Arbeitsgasstrom
umgibt.
-
Die Öffnung 5' für
den Hilfsgasstrom muss nicht ringförmig sein. Es kann vorteilhaft
sein, wenn der Düsenkanal 12 den zentralen Düsenkanal 11 nur teilweise
umgibt. Beispielsweise kann der Hilfsgasstrom so ausgebildet werden,
dass dieser den Arbeitsgasstrom sandwichförmig einschließt,
so dass das Auffächern des Arbeitsgasstroms quer zur Schnittrichtung
verhindert wird. Am Schnittende und am Schnittanfang kann ein gezieltes
Auffächern des Arbeitsgasstroms sinnvoll sein.
-
Eine
weitere Ausführungsform ist in 3 gezeigt.
Der Düsenkanalabschnitt wird durch einen einzigen Düsenkanal – den
zentralen Düsenkanal 12 – gebildet. In
dieser Ausführungsform ist eine Abrisskante 15 am
Austrittsende des Düsenkanalabschnitts vorgesehen. Die
Abrisskante 15 erzeugt eine stabile Wirbelschleppe, die
das Auffächern des Arbeitsgasstroms verhindert. Der obige
Hilfsgasstrom wird hierbei durch die stabile Wirbelschleppe gebildet.
-
Es
sind andere Düsengeometrien denkbar, die eine solche Wirbelschleppe
oder einen anders ausgebildeten Hilfsgasstrom zum Einschließen
des Arbeitsgasstroms bilden. Hierbei seien strukturierte, mit einem
oder mehreren Gasströmen im Inneren der Düse in
Kontakt stehende strukturierte Oberflächen genannt. Die
Struktur kann beispielsweise golfballförmig oder haifischhautförmig
sein oder kann spiralförmige Züge oder Felder
aufweisen.
-
Der
Querschnitt der Düsenöffnung ist insbesondere
im Hinblick auf den Einstechvorgang des Laserstrahls und die Bearbeitung
am Schnittende von Bedeutung. Geeignete Querschnitte sind langlochförmige,
ellipsenförmige oder hantelförmige Querschnitte.
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
Diese Liste
der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert
erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information
des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen
Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt
keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
-
Zitierte Patentliteratur
-
- - DE 102006050059
A1 [0005]
- - DE 68906429 T2 [0006]
- - DE 4016200 A1 [0007]