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Technisches
Gebiet
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Das
technische Gebiet der Erfindung ist das der Leistungslaser-Schneidverfahren.
Noch spezifischer betrifft das technische Gebiet der Erfindung die
Laserschneidverfahren, mit denen man Materialien von sehr großer Dicke
schneiden kann, insbesondere Materialien wie sie in der Nuklearindustrie
oder Schiffsbauindustrie verwendet werden.
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Stand der
Technik
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Auf
diesem Gebiet sind schon mehrere Realisierungen vorgeschlagen worden,
etwa US 2001 003 697 A, das als bester Stand der Technik betrachtet
wird.
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Man
kennt Laserschneidvorrichtungen mit einem Kopf, in dem sich optische
Einrichtungen befinden, die von einem Laserstrahl durchquert werden
können.
Bei diesem Vorrichtungstyp wird der Kopf durch eine Düse verlängert, die
eine Ausgangsöffnung
umfasst, durch die der ein Teil zerschneidende Laserstrahl austritt, sowie
ein Arbeitsgasstrahl, der dazu bestimmt ist, die Metallpartikel
aus der Brennschnittspalte zu blasen. Gemäß dem Stand der Technik sind
für dieses
Arbeitsgas starke Drücke
der Größenordnung
10 bis 20 bar notwendig, insbesondere zum Zwecke der Beseitigung
dieser Metallpartikel aus der Brennschnittspalte.
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Der
Brennfleck des Laserstrahls befindet sich nach den Erfahrungen aus
dem Stand der Technik vorzugsweise, um eine gute Schnittqualität zu erhalten,
ungefähr
auf Höhe
eines Drittels der Gesamtdicke des zu schneidenden Teils.
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Generell
umfassen die Laserschneidvorrichtungen Düsen, deren Innenprofil speziell
ist, da die Form dieser Düsen
dem Bedürfnis
entspricht, die Form eines Gasstrahls zu optimieren und dessen kinetische
Energie zu erhöhen.
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Nach
dem Stand der Technik muss der Brennfleck des Laserstrahls einen
kleinen Durchmesser von ungefähr
0,5 mm haben, um eine möglichst
schmale Brennschnittspalte zu erzeugen, wobei die Breite der Brennschnittspalte
im Wesentlichen gleich dem Durchmesser des Brennflecks ist.
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Wenn
man jedoch mit solchen Vorrichtungen Teile von großer Dicke
schneidet, stößt man auf
Probleme, die zu Schneidfehlern führen. Tatsächlich können beim Schneiden von Dicken über 10 mm
punktartige Verbindungen zwischen den zu trennenden Teilen zurückbleiben,
insbesondere dann, wenn die Dicken zwischen 50 und 100 mm oder darüber liegen.
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Darstellung
der Erfindung
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Die
Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, die oben erwähnten Nachteile
wenigstens teilweise zu beseitigen, indem ein Laserschneidverfahren
vorgeschlagen wird, das eine bessere Schnittqualität und eine
höhere
Schnittgeschwindigkeit als der Stand der Technik garantiert, insbesondere
bei Teilen von großer
Dicke.
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Dazu
hat die Erfindung in erster Linie ein Laserschneidverfahren nach
dem unabhängigen
Patentanspruch zum Gegenstand.
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Die
Tatsache, einen Brennfleck mit einem zwischen 1,5 und 3 mm enthaltenen
Durchmesser mit einem zwischen 1 und 3 bar enthaltenen Arbeitsgasdruck
zu kombinieren, ermöglicht,
die Schnittqualität
und die Schnittgeschwindigkeit in Bezug auf die Realisierungen nach
dem Stand der Technik wesentlich zu verbessern, insbesondere beim
Schneiden von Teilen mit großen
Durchmessern, typisch über
50 mm.
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Es
sei präzisiert,
dass man hohe Gasdrücke
generell benützt,
um die geschmolzenen Metallpartikel so gut wie möglich aus der Brennschnittspalte
hinauszublasen, nachdem sie diese durchquert haben. Jedoch hat man
beobachtet, dass solche Drücke
bzw. die daraus resultierenden Gasstrahlgeschwindigkeiten den Metalltropfen,
der dem Gasstrom ausgesetzt ist, stark abkühlen. Zudem hat man festgestellt,
dass der Abkühlungseffekt,
verursacht durch den hohen Druck bzw. die hohe kinetische Energie
des Arbeitsgases, so groß werden
kann, dass der Laserstrahl dann nicht mehr fähig ist, den Metalltropfen
während
der gesamten Durchquerung der Brennschnittspalte flüssig zu
hasten.
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Auf
diese Weise und konträr
zu dem existierenden, oben beschriebenen technischen Vorurteil,
dass man mit hohen Gasdrücken
arbeiten müsse,
um eine hohe kinetische Energie des Gases zur Austreibung der Partikel
aus der Brennschnittspalte zu erhalten, hat man festgestellt, dass
diese hohen Drücke
einen umgekehrten Effekt haben können,
indem sie das Fortschreiten des Schneidvorgangs blockieren.
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Man
kann nämlich
mit einem Gasarbeitsdruck zwischen 1 und 3 bar den Abkühlungseffekt
des Metalltropfens vorteilhaft dämpfen.
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Zudem
ermöglichen
die für
den Brennfleck vorgesehenen speziellen Dimensionen das Einblasen
einer großen
Menge des Arbeitsgases ins Innere der Brennschnittspalte, was folglich
seine kinetische Energie erhöht,
so dass diese einen Wert erreichen kann, der im Wesentlichen demjenigen
entspricht, den man mit großen
Drücken
von 10 bis 20 bar erreicht. Bei einer solchen Konfiguration dringt
die große
Gasmenge leichter ins Innere der Brennschnittspalte ein und kann
die Gesamtheit der geschmolzenen Metallpartikel aus ihr hinausblasen.
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Schließlich sei
präzisiert,
dass diese spezielle Charakteristik der Dimension des Brennflecks,
die einen größeren Abstand
der Wände
der Brennschnittspalte voneinander zur Folge hat, dann auch das
Viskositätsproblem
des geschmolzenen Metalls stark reduziert. Die geschmolzenen Metallpartikel
fließen
in dieser Brennschnittspalte leichter als in den Brennschnittspalten
von geringerer Breite.
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Bei
einem solchen erfindungsgemäßen Verfahren
bietet die Gesamtheit der oben beschriebenen kombinierten Vorteile
folglich die Möglichkeit,
einerseits Teile von großer
Dicke mit hohen Geschwindigkeiten zu schneiden, ohne Restverbindungen
stehen zu lassen, und andererseits in Bezug auf den Stand der Technik eine
bessere Schnittqualität
zu erzielen.
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Um
die Beseitigung des geschmolzenen Metalls aus der Brennschnittspalte
weiter zu verbessern, führt
der Arbeitsgasstrahl feste Teilchen mit.
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Vorteilhafterweise
erhöhen
die mitgeführten
festen Teilchen die kinetische Energie des Arbeitsgases ohne den
Effekt der Abkühlung
des geschmolzenen Tropfens, den man im Falle einer Erhöhung der
kinetischen Energie durch einen höheren Einblasdruck des Arbeitsgases
verursacht hätte.
Außerdem
hat sich die Beigabe dieser festen Teilchen als äußerst positiv erwiesen hinsichtlich
einer Erhöhung
der Schnittgeschwindigkeit, der Verbesserung des Aussehens bzw.
Musters (faciés)
des Schnitts oder auch der Zunahme der geschnitten Dicke bei konstanten
Parametern.
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Schließlich ermöglicht diese
spezielle Anordnung das Schneiden voller Teile von großer Dicke,
aber auch hohler Teile. Das Schneiden hohler Teile kann dann stattfinden
ohne der Kontur dieser Teile zu folgen, sondern indem man mehrere
Seiten bzw. Wände
des Teils gleichzeitig durchschneidet. Zum Beispiel kann man ein
hohles Rohr von quadratischem Querschnitt ganz durchschneiden, indem
man die Schneidvorrichtung vor einer einzigen Seite vorbeiführt, während es
nach dem Stand der Technik notwendig war, die Schneidvorrichtung
vor jeder der vier Seiten dieses Rohrs vorbeizuführen.
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Vorzugsweise
befindet sich der Brennfleck des Laserstrahls auf einer oberen Oberfläche eines
zu schneidenden Teils, und er dehnt sich über eine Distanz zwischen 40
und 60 mm aus, ehe er die optischen Einrichtungen durchquert. Diese
letztere spezifische Eigenschaft trägt nicht unerheblich zu der
Reduzierung der Größe und der
Kosten der Vorrichtung bei.
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Schließlich kann
der Kopf mit Hilfe fernsteuerbarer Einrichtungen von der Vorrichtung
demontiert werden.
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Weitere
Merkmale und Vorteile der Erfindung gehen aus der nachfolgenden
detaillierten, nicht einschränkenden
Beschreibung hervor.
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Kurzbeschreibung
der Zeichnungen
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Die
Beschreibung erfolgt anhand der einzigen beigefügten Figur, die eine schematische
Ansicht einer Vorrichtung zur Anwendung eines Verfahrens nach einer
bevorzugten Realisierungsart der Erfindung darstellt.
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Detaillierte
Darstellung einer bevorzugten Realisierungsart
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Die
einzige Figur zeigt eine Laserschneidvorrichtung 1 nach
einer bevorzugten Realisierungsart der vorliegenden Erfindung. Die
Vorrichtung 1 arbeitet mit einem Laser des Nd-YAG-Typs,
gewählt
vor allem wegen der Vorteile, die damit verbunden sind, dass der
Laserstrahl 6 durch eine optische Faser geleitet wird,
oder auch wegen der Vorteile hinsichtlich der Möglichkeit, über eine bessere Wechselwirkung
zwischen diesem Strahl 6 und einem zu schneidenden Teil
zu verfügen.
Jedoch sei angemerkt, dass auch ein CO2-Laser
sich sehr gut zur Anwendung der Erfindung eignet.
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Die
Erfindung ist dazu bestimmt, Teile mit verschiedenen Dicken zu schneiden
und noch spezifischer Teile, deren Dicke 50 mm und sogar 100 mm überschreiten
kann. Auf jeden Fall schlägt
die Erfindung ein Laserschneidverfahren für Teile von großer Dicke
vor, wobei die vom Fachmann generell akzeptierte Dicke 10 mm beträgt.
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Die
Leistung der Vorrichtung 1 liegt zwischen ungefähr 4 und
6 kW, wobei dieses Wertintervall der bei den Vorrichtungen nach
dem Stand der Technik üblichen
Leistung entspricht.
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Die
Vorrichtung 1 umfasst einen Kopf 2 von im Wesentlichen
zylindrischer Form mit einem Außendurchmesser
von ungefähr
30 mm und einer Länge
von ungefähr
250 mm bei einer Nennleistung von 6 kW. Die Werte der Dimensionen
sind für
eine bevorzugte Realisierungsart der Erfindung gewählt, wobei
der Fachmann natürlich
fähig ist,
sie entsprechend der Leistung der Vorrichtung 1 anzupassen,
ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.
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Im
Innern des Kopfes 2 der Vorrichtung 1 befinden
sich optische Einrichtungen 4, 5, vorzugsweise
gebildet durch eine Sammellinse 4 und eine Streulinse 5,
wobei diese Linsen sich gegenüberstehen.
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Die
optischen Einrichtungen 4, 5 werden von dem Strahl 6 durchquert,
den ein 'Kabel 18 aus
optischen Fasern transportiert. Dieses Kabel 18 wird gehalten
durch ein mechanisches System 16, 17, das ein
das Kabel 18 umhüllendes
Steckteil 16 und ein dieses Steckteil 16 aufnehmendes
Zwischenstück 17 umfasst.
Das Zwischenstück 17 ist
so mit dem Kopf 2 der Vorrichtung 1 gekuppelt,
dass es den aus dem Kabel 18 austretenden Laserstrahl 6 genau
auf die optischen Einrichtungen 4, 5 zentriert.
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Vorzugsweise
und insbesondere zur Begrenzung der Größe der Vorrichtung 1 erstreckt
sich der Weg des Laserstrahls 6 im Innern des mechanischen
Systems über
eine Distanz von ungefähr
40 bis 60 mm. Selbstverständlich
ist dieser Wert des Intervalls nicht einschränkend und kann vom Fachmann
modifiziert werden.
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Die
optischen Einrichtungen 4, 5, die der Laserstrahl 6 durchquert,
erzeugen einen Brennfleck 8, der ungefähr der Breite einer in ein
bearbeitetes Teil (nicht dargestellt) geschnittenen Brennschnittspalte
entspricht, wenn die Vorrichtung 1 benützt wird. Dieser Brennfleck 8 hat
einen Durchmesser, der von ungefähr
1,5 mm bis ungefähr
3 mm gehen kann.
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Der
Kopf 2 der Vorrichtung 1 umfasst zudem eine Düse 12,
durch deren Ausgangsöffnung 14 der
Laserstrahl 6 austritt und deren Durchmesser etwas größer ist
als der Durchmesser des Brennflecks 8 oder gleich groß. Mit anderen
Worten entspricht der Durchmesser der Austrittsöffnung 14 der Düse 12 ungefähr dem des Brennflecks 8,
und dies aus Gründen,
die mit der Leistung der Vorrichtung 1 verbunden sind.
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Der
Kopf 2 der Vorrichtung 1 umfasst außerdem Einblaseinrichtungen 10 eines
Arbeitsgases in den Kopf 2, wobei dieses Arbeitsgas koaxial
zum Laserstrahl 6 durch die Düse 12 ausgestoßen wird,
mit einem Druck zwischen ungefähr
1 und 3 bar. Diese Werte unterscheiden sich beträchtlich von denen des Stands
der Technik, wo das Arbeitsgas mit sehr viel höheren Drücken ausgestoßen wird,
nämlich
mit ungefähr
10 bis 20 bar. Der Grund für
die Anwendung eines solchen Drucks ist die Notwendigkeit, zu vermeiden,
dass geschmolzene Metallpartikel, die sich in der Brennschnittspalte
befinden, abgekühlt
werden und die Brennschnittspalte blockieren, anstatt ausgestoßen zu werden.
Man muss folglich mit niedrigen Drücken arbeiten, die dem Gas aber
trotzdem ermöglichen,
die geschmolzenen Metallpartikel auszustoßen. Beispielsweise aber nicht
einschränkend
kann man als Arbeitsgas ein neutrales Gas des Typs N2,
Ar oder He vorschlagen, oder auch ein reaktives Gas des O2-Typs.
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Ein
zwischen 1 und 3 bar enthaltener Druck des Arbeitsgases und ein
zwischen 1,5 und 3 mm enthaltener Durchmesser des Brennflecks 8 gewährleisten
einen Qualitätsschnitt
auch bei Teilen deren Durchmesser 100 mm überschreiten kann.
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Wieder
beispielsweise erhält
man bei einem Arbeitsgasdruck von 2 bar und einem Teil mit einer
Dicke von 60 mm einen Schnitt von zufriedenstellender Qualität, wenn
der Durchmesser des Brennflecks 8 ungefähr 1,5 mm beträgt, das
heißt,
wenn die Breite der Brennschnittspalte diesen selben Wert erreicht.
Ebenso erhält man
sehr gute Resultate bei einem Teil der Dicke 100 mm mit einem Brennfleck 8 von
ungefähr
2,5 mm. Mit anderen Worten befindet man sich immer in einem Durchmesserbereich
des Brennflecks 8, der hoch über 0,5 mm liegt, dem im Stand
der Technik empfohlenen und benutzten Wert.
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Der
Kopf 2 der Schneidvorrichtung 1 erhält aus dem
Lichtleitfasernkabel 18 den Laserstrahl 6, der dann
die optischen Einrichtungen 4,5 durchquert, die
sich im Innern des Kopf 2 befinden. Der Laserstrahl 6 weist
am Ausgang der optischen Einrichtungen 4,5 einen
Konvergenzwinkel α von
weniger als ungefähr
10° auf.
Der kleine Wert des Konvergenzwinkels α ermöglicht, dass der fokussierte
Laserstrahl 6 über
die gesamte Dicke des zu schneidenden Teils von Wänden der
Brennschnittspalte reflektiert wird und gewährleistet dadurch, dass dieses
letztere gut geschnitten wird.
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Vorzugsweise
ist der Konvergenzwinkel α zwischen
5° und 9° enthalten,
wobei dieser Wertebereich sich vom Stand der Technik unterscheidet,
dessen Werte generell zwischen 15° und
30° schwanken.
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Bei
einem solchen Konvergenzwinkel gibt es praktisch keine mit dem Abstand
zwischen dem zu schneidenden Teil und der Schneidvorrichtung 1 verbundenen
Zwänge
mehr. Man kann also feststellen, dass man mit einem zwischen ungefähr 0,5 und
20 mm enthaltenen Abstand eine sehr gute Schnittqualität erzielt.
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Zudem
ist es nicht mehr notwendig, bezüglich
der jeweiligen Position des Brennflecks 8 und des zu schneidenden
Teils genaue Messungen vorzunehmen. Der Brennfleck 8 kann
sich wie im Stand der Technik ungefähr auf Höhe eines Drittels der Dicke
des Teils befinden, kann sich aber auch auf einer Außenoberfläche des
zu schneidenden Teils oder an irgend einer anderen Stelle in der
Nähe befinden.
Festzustellen ist, dass man unter Außenoberfläche die Oberfläche des
zu schneidenden Teils versteht, die sich am nahesten bei der Vorrichtung 1 befindet,
das heißt
diejenige, die den ersten Kontakt mit dem Laserstrahl hat. Indem
man diese Disposition übernimmt,
erhöht
man die Positionierungstoleranz des Endes des Kopfs 2 der
Vorrichtung 1 in Bezug auf das zu schneidende Teil.
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Um
die Schneidleistungen der Vorrichtung 1 noch zu erhöhen, ist
diese letztere so konzipiert, dass man den Arbeitsgasstrahl mit
festen Teilchen befrachten kann.
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Diese
dem Arbeitsgasstrom zugeführten
festen Teilchen erhöhen
künstlich
die Masse des Arbeitsgases und damit seine kinetische Energie ohne
den weiter oben beschriebenen Kühlungseffekt,
der aus einem Arbeitsgasstrahl mit hohem Druck bzw. hoher Geschwindigkeit
resultiert.
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Die
festen Teilchen können
ein Metallpulver oder eine Mischung mehrerer Metallpulver sein,
wobei diese Pulver vorzugsweise schwer sind und einen hohen Schmelzpunkt
haben wie etwa Wolfram oder Molybdän.
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Um
dies zu realisieren, kann die Schneidvorrichtung 1 eine
Nebendüse 20 umfassen,
auch "Tandemdüse" genannt, die dem
Arbeitsgasstrahl die festen Teilchen zuführt, nachdem dieser aus der
Düse 20 ausgetreten
ist. Selbstverständlich,
und ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen, könnte man
auch vorsehen, die festen Teilchen dem Arbeitsgasstrom zuzuführen, ehe
dieser die Düse 12 der
Vorrichtung 1 als Strahl verlässt.
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Bei
der bevorzugten Realisierungsart der Erfindung, dargestellt in der
einzigen Figur, ist die Nebendüse 20 auf
eine vorzugsweise konische Außenwand 22 der
Düse 12 montiert.
Diese Nebendüse 20 kann
reguliert werden für
eine Festkörperteilchen-Durchsatzmenge zwischen
5 und 20 g/min.
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Die
Austrittsöffnung 24 der
Nebendüse 20 und
die Austrittsöffnung 14 der
Düse 12 befinden
sich nebeneinander, wobei die Austrittsöffnung 24 sich in
Bezug auf die Austrittsöffnung 14 vorzugsweise
unterhalb und seitlich von dieser letzteren befindet. Mit anderen
Worten befindet sich die Austrittsöffnung 24 der Nebendüse 20 zwischen
der Düse 12 und
dem zu schneidenden Teil, so dass die festen Teilchen sich gut in
den Arbeitsgasstrahl integrieren können, den diese Düse 12 ausstößt. Derart
kann die Mischung aus Arbeitsgas und Festkörperteilchen leicht ins Innere
der Brennschnittspalte eindringen, um das geschmolzene Metall hinauszutreiben.
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Vorzugsweise
werden die festen Teilchen vom Typ Metallpulver mit Hilfe eines
Gases befördert,
das im Wesentlichen dem entspricht, das man als Arbeitsgas verwendet.
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Um
die Verbesserung der Schnittleistungen zu messen, die durch die
Beigabe der festen Teilchen erzielt wird, wurden vergleichende Tests
durchgeführt.
Die Resultate sind in den nachfolgenden Tabellen enthalten. Bei
allen Versuchen betrug die Laserleistung 6 kW, der Druck des Arbeitsgases
(N2) 2 bar und der Durchmesser des Brennflecks
8 bis 2 mm.
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In
dieser ersten Tabelle stellt man fest, dass bei konstanten Parametern
die Befrachtung des Arbeitsgasstrahls mit festen Teilchen ermöglicht,
die Dicke, die noch geschnitten werden kann, stark zu erhöhen; es ist
eine Erhöhung
dieser Dicke um 42 % beobachtet worden.
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Die
Werte der zweiten Tabelle stammen von Versuchen, wo die Teile eine
konstante Dicke von 60 mm hatten.
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Mit
Bezug auf die erste Zeile der Tabelle sieht man, dass die Befrachtung
des Arbeitsgasstrahls mit festen Teilchen eine erhebliche Erhöhung der
maximalen Arbeitsgeschwindigkeit ermöglicht, ohne Restverbindungen
stehen zu lassen, wobei die Erhöhung
von nahezu 40 % im Falle von Wolfram besonders vorteilhaft ist.
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Außerdem,
mit Bezug auf die zweite Zeile der Tabelle, kann man auch sehen,
dass die Rauheit stark abnimmt, ebenso im oberen wie im mittleren
Abschnitt des geschnittenen Teils.
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Außerdem wurde
bei allen durchgeführten
Tests auch festgestellt, dass die Befrachtung des Arbeitsgasstrahls
mit festen Teilchen Ebenheitsfehler bei dem geschnittenen Teil unterdrückte. Viele
dieser Fehler waren auf dem Muster (faciés) einer Fläche eines
Teils von ungefähr
5 mm2 vorhanden bzw. waren viele dieser Fehler
von ungefähr
5 mm2 auf dem Muster (faciés) einer
Fläche
eines Teils vorhanden, als der Arbeitsgasstrahl keine festen Teilchen
enthielt.
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Außerdem ist
die Schneidvorrichtung 1 so konzipiert, dass der Kopf 2 von
der Vorrichtung 1 demontiert werden kann. Die Demontage
kann mit Hilfe ferngesteuerter Einrichtungen stattfinden, wie aus
dem Stand der Technik bekannt. Zudem kann der Kopf 2 weggeworfen
werden, was bei seiner Verwendung zur Abtragung von Nuklearanlagen
besonders vorteilhaft ist. Seine Besonderheit, wegwerfbar zu sein,
beruht auf der Tatsache, dass er von einfacher Konzeption und daher
kostengünstig
ist, insbesondere aufgrund des Fehlens von Kühlungs- und Regelungssystemen
wie etwa eines Positionsregelungssystems oder eine optischen Regelungssystems.
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Die
Anwendungsmöglichkeiten
der Erfindung sind zahlreich, insbesondere im Nuklearbereich. Diese Vorrichtung 1 kann
nämlich
bei der Abtragung von Nuklearanlagen eingesetzt werden. Als Beispiele
kann man das Zerschneiden strahlender und/oder kontaminierter Elemente
in einer Zerkleinerungs- bzw. Abbruchzelle, die Abtragung einer
Zelle mit der Schneidphase aller Inneneinrichtungen oder auch sehr
spezifische Interventionen bei abgeschalteten oder einem Störfall ausgesetzten
Reaktoren.
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Außerdem kann
diese Erfindung auch im Schiffsbau eingesetzt werden, wo man häufig Bleche
schneiden muss. Die Erfindung ermöglicht also, die Schweißbrenner-
und Plasmabrennertechniken zu verdrängen.