DE68906429T2 - Laserschneidduese, schneidkopf mit einer solchen duese und verwendung beim laserschneidverfahren. - Google Patents

Description

• Die Erfindung betrifft eine Laserschneiddüse gemäß Oberbegriff des Anspruchs 1 und einen Laserschneidkopf mit einer solchen Düse.
• Eine Schneiddüse gemäß Oberbegriff des Anspruchs 1 ist in JP-A-56-136295 beschrieben. Dieses Dokument beschreibt eine Düse, deren innerer Durchgang eine sogenannte Laval-Düse mit einem jeweils konisch konvergierenden und divergierenden Abschnitt bildet, wobei sich der konvergierende Abschnitt mit einer Kante an den Kragen anschließt. Aufgrund dieses Profils des inneren Durchgangs kann ein Laserschneidhilfsgas mit Überschallgeschwindigkeit eingespeist werden.
• Laser werden gegenwärtig in der Industrie insbesondere für die Bearbeitung der verschiedensten Materialien in den unterschiedlichsten Anwendungen, wie dem Schneiden, Schweißen, Markieren oder der Oberflächenbehandlung, eingesetzt.
• Im Schneidbetrieb wird der Laserstrahl gewöhnlich am Ausgang der Leistungsquelle durch Reflexion an mindestens einem beweglichen oder festen Spiegel auf eine Linse gerichtet, durch die er in die Nähe des Werkstücks fokussiert wird. Mittels eines zwischen der Linse und dem Werkstück angeordneten Schneidkopfes wird ein Schneidhilfsgas in Höhe des Werkstücks eingespeist. Der Schneidkopf trägt eine Düse. Diese weist einen mittigen Durchgang auf, durch den das Schneidhilfsgas und der fokussierte Laserstrahl hindurchtreten.
• Die Schneidqualität und -geschwindigkeit werden einerseits durch die Leistung und die optische Qualität des Laserstrahls und andererseits durch die Qualität und die Geschwindigkeit des Gasstrahls bestimmt.
• Mit den bekannten Düsen kann ein Gasstrom mit hoher Geschwindigkeit nicht ausreichend stabilisiert werden, und ihre Verwendung ermöglicht nur bescheidene Schneidleistungen hinsichtlich der Qualität und der Geschwindigkeiten. Änderungen der Schneidrichtung erzeugen Schneidfehler, und außerdem hinterlassen die Turbulenzen des Strahls sichtbare Spuren auf den Schnittflächen. Diesseits ist nachgewiesen worden, daß die Gestalt der Düse entscheidend für die Schneidqualität ist.
• Die Erfindung hat die Aufgabe, diese Nachteile zu beseitigen. Gelöst wird diese Aufgabe durch eine verbesserte Laserschneiddüse gemäß Anspruch 1.
• Mit diese Anordnungen sind Gasströme mit hoher Geschwindigkeit möglich, die stabiler und im wesentlichen frei von Turbulenzen sind.
• Gemäß der Erfindung liegt das Verhältnis l/d vorteilhafterweise zwischen 0,35 und 1, und die innere Hülle des stromaufseitigen Abschnitts weist keine scharfen Kanten auf, wobei der stromaufseitige Abschnitt einen stromabseitigen Teil aufweist, der sich tangential an den Kragen anschließt.
• Mit diesen Merkmalen, die nachstehend genauer beschrieben werden, ist ein leistungsfähiger Schnitt mit einem vernünftigen Gasverbrauch möglich. Außerhalb der erfindungsgemäß beschriebenen Bereiche für die Abmessungen verschlechtern sich die Schneidgeschwindigkeiten.
• Das Dokument JP-A-60-108192 beschreibt eine Schneiddüse mit einem inneren Durchgang, der einen auf eine zylindrische Auslaßöffnung hin konvergierenden kegelstumpfartigen Abschnitt umfaßt. Die Außenseite der Düse ist mit einer elektrisch leitenden Kautschukschicht überzogen, die mit einer Elektrodenschicht verbunden ist, welche bei der Auslaßöffnung endet.
• Die Erfindung betrifft auch Laserschneidköpfe, die mit einer Düse gemäß der Erfindung versehen sind.
• Ein mit einer derartigen Düse versehener Schneidkopf ist insbesondere zum Schneiden von schwarzen Stählen (Baustählen), besonders von Blechen aus schwarzem Stahl mit einer Dicke von ungefähr 6 bis 15mm, geeignet, wie aus der nachstehenden Beschreibung hervorgeht.
• Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung gehen aus der ausführlichen Beschreibung unter Bezug auf die einzige Figur hervor, die im Längsschnitt eine Düse gemäß der Erfindung zeigt.
• In der einzigen Figur ist eine zylindrische Düse 1 mit einem axialen Kanal 2 zu sehen, durch den der fokussierte Strahl und das Hilfsgas hindurchgehen. Über ein Gewinde 3 wird die Düse am Ende eines nicht gezeigten Schneidkopfs befestigt.
• Der Kanal 2 weist im ersten Abschnitt 4 keine scharfen Kanten auf. Das stromabseitige Ende des ersten Abschnitts 4 tangiert einen Zylinder mit einem Durchmesser d.
• Der dem ersten Abschnitt 4 folgende zweite Abschnitt 5 ist zylindrisch mit einem Durchmesser d und einer axialen Länge l ausgebildet.
• Das stromaufseitige Ende des Abschnitts 5 ist kegelstumpfartig ausgebildet, was durch maschinelle Bearbeitung erreicht werden kann.
• Eine Düse gemäß der Erfindung, wie sie obenstehend beschrieben ist, ist aus Kupfer hergestellt und auf eine herkömmliche Laserschneidvorrichtung montiert worden, wobei die Leistungsquelle ein CO&sub2;-Laser (1500 W Leistung) und das Hilfsgas Sauerstoff ist. Die Form der inneren Hülle besteht aus zwei sich tangierenden Kreisbögen, von denen einer konvex und der andere konkav ist, wobei die innere Hülle eine zum stromabseitigen Ende des ersten Abschnitts 4 senkrechte Tangente aufweist. In diesem Ausführungsbeispiel beträgt die Länge l ungefähr 1 mm.
• Ein schwarzer Stahl (Baustahl) mit 8 mm Dicke wurde mit 1,5 m/min bei einem Gasdurchsatz von 60 bis 70 l/min (Schallgeschwindigkeit) geschnitten.
• Es wurde ein Schneidqualitätsmaßstab definiert, bei dem i x Δ v ein Qualitätsmerkmal der Düse ist (i geht von 1 bis 5, Beobachtung mit bloßem Auge, Δ v = maximal erhaltene Referenzgeschwindigkeit minus Effektivgeschwindigkeit).
• Zu Vergleichszwecken wurde der gleiche Stahl bei analogen Bedingungen, d.h. mit einer Düse des Laval-Düsen-Typs mit einem Innendurchmesser von 2,8 mm und einem Enddurchmesser von 4 mm, mit einer Schneidgeschwindigkeit von 1,2 m/min bei einem Durchsatz von 100 l/min geschnitten.
• Unter diesen Bedingungen erhält man: i x Δ v = 10%.

Claims (9)

1. Laserschneiddüse, gebildet aus einem metallischen Körper, der einen inneren Durchgang für ein Schneidhilfsgas bildet, wobei die Düse nacheinander und koaxial einen aufstromigen Abschnitt (4) aufweist, der zu einem Kragen hin konvergiert und einen abstromigen Abscnitt (5) aufweist, der einen Ausgangsdurchmesser (D) hat, welcher größer ist als der Durchmesser (d) des Kragens, dadurch gekennzeichnet, daß die innere Hülle des aufstromigen Abschnittes (4) aus zwei tangierenden Kurven besteht, die nacheinander konkav und konvex sind, wobei sich die innere Hülle des aufstromigen Abschnittes (4) tangential zu seinem Ausgang mit einem Zylinder des Durchmessers d verbindet, der den Kragen bildet, wobei der abstromige Abschnitt (5) nacheinander einen kegelstumpfartigen divergierenden Teil aufweist, der von einem zylindrischen Teil des Durchmessers D und der Länge l gefolgt ist.

2. Düse nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Kurven der inneren Hülle des aufstromigen Abschnittes (4) zwei Kreisbögen sind.

3. Düse nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis l/d zwischen 0,35 und 1 liegt.

4. Düse nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis D/d zwischen 1,1 und 3 liegt.

5. Düse nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Länge l ungefähr 1 mm beträgt.

6. Düse nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß sie aus Kupfer hergestellt ist.

7. Laserschneidkopf, dadurch gekennzeichnet, daß er eine Düse nach einem der vorhergehenden Ansprüche aufweist.

8. Laserschneidkopf nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß er Versorgungsmittel für Hilfsgas mit einem ausreichenden Durchsatz aufweist, um eine Schallgeschwindigkeit des Gases in dem inneren Durchgang zu erreichen.

9. Laserschneidkopf nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Gas Sauerstoff ist.