WO2023217611A1 - Düse für die laserbearbeitung mit hohen fokuslagen - Google Patents

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WO2023217611A1
WO2023217611A1 PCT/EP2023/061712 EP2023061712W WO2023217611A1 WO 2023217611 A1 WO2023217611 A1 WO 2023217611A1 EP 2023061712 W EP2023061712 W EP 2023061712W WO 2023217611 A1 WO2023217611 A1 WO 2023217611A1
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WO
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nozzle
base body
section
laser processing
diameter
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Application number
PCT/EP2023/061712
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English (en)
French (fr)
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Tobias Kaiser
Martin Bea
Daniel Mock
Jenny Domaschke
Hao PANG
Manuel Huber
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TRUMPF Werkzeugmaschinen SE + Co. KG
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    • B23K37/003—Cooling means

Definitions

  • the present invention relates to the field of laser processing.
  • the invention relates to a nozzle for use in a laser processing system, a laser processing system comprising the nozzle, and a laser processing method using the nozzle.
  • a nozzle for a laser cutting process in which the focus point of the laser beam is arranged within the nozzle.
  • the cutting nozzle has two characteristic areas on the inside: a convergence area and a parallel-walled or diverging mouth area adjoining the beam propagation direction, through which the laser beam passes together with a cutting gas before exiting the nozzle.
  • the nozzle allows the focused laser beam to be reflected on the inner wall of the nozzle in the mouth area of the nozzle.
  • the present invention is based on the object of further improving the prior art.
  • a nozzle for laser processing with high focus positions should be provided, which ensures high process quality in laser processing and in particular in laser cutting.
  • a nozzle for use in a laser processing system.
  • the laser processing system can preferably be a laser cutting system, in which a laser beam is focused in a laser cutting head by means of focusing optics and, together with a cutting gas jet, is directed onto a workpiece to be cut via the nozzle, which can be attached to the laser cutting head.
  • the nozzle comprises a base body with a through opening which extends through the base body along a nozzle longitudinal axis from a first end to a second end of the base body.
  • the base body can preferably have a rotationally symmetrical shape with respect to the longitudinal axis of the nozzle.
  • the nozzle channel can preferably have a circular cross section.
  • the through opening has a first diameter in the area of the first end. Furthermore, the through opening in the area of the second end forms a parallel-walled reflection section on the inside of the base body, which has a length (in the direction of the nozzle longitudinal axis) of at least 2 mm. The through opening has a minimum, second diameter in the reflection section, which is smaller than the first diameter.
  • parallel-walled includes slight inclinations of the reflection section (or the inner wall of the base body in the reflection section) by a few degrees, for example by up to 2.5° relative to the longitudinal axis of the nozzle.
  • the base body has a coupling section at its first end.
  • the base body is designed for coupling to a nozzle holder of a laser processing head, in particular a laser cutting head.
  • the base body can preferably have a thread in the coupling section.
  • Adjacent to the coupling section, the base body has a step on its outer circumference which extends in the radial direction around the through opening and which forms a circumferential cooling surface which is aligned essentially perpendicular to the longitudinal axis of the nozzle.
  • the nozzle is designed overall in such a way that edge regions of a laser beam, the focus point of which lies within the nozzle, specifically in the beam propagation direction in front of the reflection section, can be reflected on the inner wall of the nozzle base body as it passes through the reflection section.
  • edge regions of a laser beam the focus point of which lies within the nozzle, specifically in the beam propagation direction in front of the reflection section
  • the absorption of the laser radiation and thus the heating of the nozzle can be reduced in this way.
  • the length of the reflection section is large enough to achieve these beneficial effects. If the through opening in the reflection section has a circular cross section, this advantageously improves the reflection properties in this area of the nozzle.
  • the base body can preferably have a cylindrical (possibly slightly conical) inner contour.
  • the nozzle according to the invention enables cutting with a comparatively large beam diameter within the nozzle, whereby high cutting speeds can be achieved with good cutting edge quality at the same time when cutting, particularly in the higher power range (e.g. with a laser power from 6 kW), especially when flame cutting metal workpieces, in particular Structural steel, less often non-ferrous metals, with oxygen as a cutting gas.
  • the jet diameter within the nozzle can be chosen to be only slightly smaller than the diameter of the through opening in the reflection section.
  • the nozzle according to the invention has the cooling surface. Heat is released to the environment or to a cooling medium via the cooling surface. When the nozzle is in operation, the cooling surface is located in the immediate vicinity of a, preferably actively cooled, nozzle holder of a laser processing head. In this way, heat can be released even more efficiently and the nozzle can be efficiently integrated into the active cooling of the laser processing head.
  • the second diameter of the through opening is at least 1.4 mm, preferably at least 1.6 mm.
  • the length of the reflection section of the through opening can be at most
  • the length of the reflection section can be between 2 mm and 5 mm.
  • a parallel-walled reflection section that is too long can have a disruptive effect if the machining process is to be observed through the nozzle using a camera.
  • the cooling surface of the base body can preferably have a width of at least 4 mm.
  • the cooling surface of the base body can have a width - which corresponds in particular to a difference between the inside diameter and outside diameter of the cooling surface - of approximately 5 mm.
  • the base body of the nozzle can preferably have a thickness (or a wall thickness) in a region between the cooling surface and the second end of the base body that is at least 2 mm, preferably at least 3 mm.
  • a solid design of the nozzle with the minimum thickness or minimum thickness of the nozzle wall formed by the base body can ensure sufficient heat dissipation from the second end towards the cooling surface and the coupling section.
  • the base body In the coupling section, i.e. between the cooling surface and the first end of the base body, the base body can have a smaller thickness or wall thickness, since during operation of the nozzle it is in direct mechanical contact with a nozzle holder, to which the heat is dissipated.
  • the base body preferably has a thread in the coupling section.
  • the nozzle can be connected to a nozzle holder of a laser processing head via the thread.
  • the base body can have a chamfer at the transition between the coupling section and the circumferential step, which forms a stop surface when the nozzle is screwed into the nozzle holder.
  • the chamfer or the stop bevel is dimensioned such that a gap remains between the cooling surface and the nozzle holder when the nozzle is screwed into the nozzle holder. The gap serves to avoid stresses caused by different thermal expansions.
  • the chamfer can serve to center the nozzle when screwing it into the nozzle holder of the processing head.
  • the base body of the nozzle can preferably be constructed from a material that has a high thermal conductivity, for example of at least 300 W/mK, preferably of at least 350 W/mK, for example of approximately 355 W/mK. In this way, heat dissipation from the nozzle can be improved.
  • the base body can preferably be constructed from an electrically conductive material for implementing a distance sensor system for a laser processing method.
  • the base body can consist of copper or a copper alloy.
  • the base body is also formed in one piece.
  • the base body can have a surface roughness of at most Rz 10, preferably at most Rz 8, for example Rz 6 or less, on its inner surface in the area of the reflection section.
  • the reflection properties of the nozzle can be improved in this area.
  • the heating of the nozzle during operation can be further reduced.
  • the surface of the base body can be polished in the area of the reflection section.
  • the base body can have a highly reflective surface coating, for example based on nickel, in the area of the reflection section. Nickel plating can, for example, counteract a deterioration in the reflection properties of the base body in the area of the reflection section (eg due to the formation of tarnishing colors) during operation of the nozzle.
  • the base body can have an outer contour which, starting from the first end, can be divided into further sections after the coupling section. After the coupling section, the base body can therefore have an engagement section which extends from the step towards the second end, the base body having its largest outer diameter in the engagement section and/or the base body in the engagement section having a polygonal cross section or a polygonal Has outer contour.
  • the engagement section can preferably be designed in such a way that it can be gripped using a gripping tool (such as an open-end wrench) and inserted, in particular screwed, into the socket of a nozzle holder. This can be done, for example, automatically using a nozzle changer, as described for example in the applicant's EP 2 589 458 B1.
  • the base body preferably has flat engagement surfaces in the engagement section along its outer circumference 6, with two engagement surfaces adjacent in the circumferential direction being arranged at an angle of 60° to one another.
  • the distance between two opposing engagement surfaces is preferably between 23 mm and 25 mm, in particular between 23.9 mm and 24 mm.
  • the nozzle base body can have a storage section in which the outer diameter of the base body preferably tapers continuously.
  • the base body in the storage section has a shape that tapers conically towards the second end.
  • the storage section can be divided into regions of different cone angles in several stages, with the cone angle preferably becoming smaller in the direction of the second end relative to the longitudinal axis of the nozzle.
  • the tapered peripheral surface in the storage section of the base body can serve as a contact surface for a nozzle holder, for example in a nozzle changer.
  • a parallel-walled, preferably cylindrical transition section can adjoin the storage section in the direction of the second end of the base body.
  • the transition section can preferably have a length that is at least as large as the length of the reflection section of the through opening, wherein the diameter of the base body in the transition section can be at least 8 mm, preferably at least 10 mm.
  • the transition section can preferably be followed by a mouth section in which the diameter of the base body tapers starting from the transition section up to the second end of the base body.
  • the mouth section forms a chamfer at the second end of the base body.
  • the base body preferably has its smallest outside diameter at its second end.
  • the (smallest) outside diameter at the second end of the base body, i.e. adjacent to a nozzle end face, is preferably at least 1 mm more, more preferably at least 3 mm more, than the inside diameter of the base body in the reflection area.
  • the angle of the chamfer that forms the mouth section is at least 30° and preferably between 40° and 60° relative to the longitudinal axis of the nozzle, or a maximum of 60° and preferably between 30° and 50° relative to the nozzle end face. In this way, the required minimum wall thickness can be achieved Basic body must be adhered to.
  • One advantage of the chamfer is that the nozzle can slide better over unevenness on the workpiece surface or over cut-out workpiece parts that are slightly tilted in the residual grid during operation.
  • a cumulative length of the transition section and the mouth section of the base body along the longitudinal axis of the nozzle can be at least 8 mm, preferably between 8 mm and 11 mm.
  • the base body can have a length of between 24 mm and 27 mm, preferably approximately 25.5 mm. Furthermore, it preferably applies to the outer contour of the base body that the outer diameter of the base body is preferably not more than 18 mm in a region that extends from the second end of the base body over at least 15 mm and at most 20 mm in the direction of the longitudinal axis of the nozzle, in order to ensure a compact To enable the design of the nozzle and to keep the interference contour of the nozzle adjacent to the nozzle outlet opening (collision with parts tilted during laser cutting) to a minimum.
  • the preferred boundary conditions for the outer diameter of the nozzle base body ensure that the wall thickness of the nozzle in the area of the cylindrical nozzle channel is sufficiently large to enable heat dissipation along the nozzle wall in the direction of the coupling section and the cooling surface.
  • the base body of the nozzle can have an inner contour formed by the through opening, which, in addition to the reflection section at the second end of the base body, also includes a funnel-shaped convergence section which opens into the reflection section.
  • the base body can have a maximum inner diameter at its end of the convergence section remote from the reflection section.
  • the inner surface of the base body in the convergence section can have a, preferably constant, angle of inclination of at most 25°, preferably at most 20°, with respect to the longitudinal axis of the nozzle in order not to increase the required minimum wall thickness of the base body endanger.
  • the convergence region can have a length that is greater than the length of the reflection section. In this way, when used in a laser cutting system, a uniform gas flow of the cutting gas can be achieved through the nozzle. Overall, the convergence region can have at most a length that corresponds to the difference between the length of the base body and the length of the reflection section.
  • the inner contour of the base body can further have a parallel-walled connection section which extends from the first end of the base body to the beginning of the convergence section.
  • the base body of the nozzle has a circular cross section on the outside at least in the transition section and in the mouth section and on the inside at least in the reflection section.
  • the wall thickness of the base body can be maximized in the critical area of the reflection section, in which the base body heats up particularly strongly during operation at high focus positions, while at the same time keeping the outer diameter of the nozzle as small as possible.
  • the nozzle can further comprise a heat-conducting element which consists of a flexible material and which can be attached to the cooling surface of the base body.
  • a flexible material can be understood to mean a material with an elastic modulus between 400 MPa and 1100 MPa.
  • the heat-conducting element can therefore be arranged in the gap between the cooling surface of the nozzle and a surface of a nozzle holder opposite the cooling surface. The heat-conducting element improves the heat dissipation from the nozzle via the cooling surface to the (preferably actively cooled) nozzle holder, without significantly influencing the movement play guaranteed by the gap between the cooling surface and the nozzle holder.
  • the heat-conducting element can be made of graphite, for example.
  • the Heat-conducting element can be glued to the cooling surface or clamped to the coupling section or to the transition between the coupling section and the cooling surface.
  • the heat-conducting element can preferably be annular or, for example, C-shaped and have a width that corresponds at most to the width of the cooling surface.
  • the thickness of the heat-conducting element can preferably be chosen so that it is slightly larger (e.g. approximately 1 mm larger) than the thickness of the gap that is formed between the cooling surface and a surface of a nozzle holder opposite the cooling surface when the nozzle is on the Nozzle holder is attached (particularly screwed into it).
  • the base body of the nozzle can have at least two cooling channels, which are preferably arranged at uniform intervals along the circumference of the base body around the longitudinal axis of the nozzle.
  • Each of the cooling channels can extend from the cooling surface of the step through the engagement section and open into the storage section of the base body.
  • the cooling channels can be supplied with a cooling liquid, in particular water, via a nozzle holder to which the nozzle can be attached.
  • the cooling liquid can be guided under pressure through the cooling channels and directed onto the workpiece surface to be processed, e.g. to be cut. This creates a spray mist that cools the workpiece during processing. This means that both the nozzle and the workpiece can be actively cooled during processing.
  • a laser processing system for processing a workpiece using a laser beam.
  • the laser processing system can in particular be a laser cutting system.
  • the laser processing system includes at least one laser beam source for generating a processing laser beam.
  • the laser processing system comprises at least one laser processing head with laser processing optics, a nozzle holder and a nozzle according to one of the variants described above.
  • the laser processing beam can be focused using the laser processing optics can be directed through the nozzle holder and the nozzle onto the workpiece to be processed.
  • the nozzle holder preferably comprises a cooling device.
  • the cooling device can, for example, comprise a channel system through which a cooling fluid (e.g. a cooling liquid or a cooling gas) can be conducted in order to transport heat away from the nozzle holder and to actively cool the nozzle holder in this way.
  • a cooling fluid e.g. a cooling liquid or a cooling gas
  • a method for laser processing a workpiece is also provided using a laser processing system which has a nozzle according to one of the variants described above.
  • a laser beam is directed through the base body of the nozzle onto a workpiece to be machined, with a focus of the laser beam lying within the base body and above the reflection section, so that parts of the diverging laser beam are reflected within the reflection section on the inner wall of the base body.
  • a divergence angle of the laser beam at which the edge regions of the laser beam can impinge on the inner surface of the nozzle base body with an exactly parallel-walled reflection section in the reflection section is at most 3°.
  • the divergence angle of the laser beam can be between 1.5° and 2.75° (relative to the longitudinal axis of the nozzle).
  • the laser processing method is a flame cutting method and the workpiece is preferably a plate-shaped or tubular workpiece made of mild steel.
  • the flame cutting process is characterized by the use of oxygen or a gas containing oxygen as a cutting gas, which causes an exothermic reaction with the material to be cut during cutting and in this way increases the cutting performance.
  • Input power of the laser processing beam of at least 6 kW is used.
  • the risk of critical heating of the nozzle also increases.
  • the requirements for an appropriate cooling concept for the nozzle, which is provided by the present invention also increase.
  • the focus diameter of the laser beam within the nozzle can preferably be between 170 pm and 1100 pm.
  • a solid-state laser beam can preferably be used as the laser processing beam, which is guided from the laser beam source to the laser processing head by means of an optical fiber (a so-called transport fiber).
  • the optical imaging of the fiber end onto the workpiece surface to be processed can be done with a magnification of 1.8 to 3, controlled by the processing optics in the laser processing head.
  • Oxygen in particular with a pressure between 0.4 bar and 1.2 bar can be used as the process gas for laser cutting.
  • the present invention enables laser processing, in particular cutting with a larger beam diameter within the nozzle.
  • laser cutting especially when laser cutting with oxygen as the process gas, higher laser powers of at least 6 kW can be used in this way and, as a result, higher cutting speeds can be achieved with good cutting edge quality at the same time.
  • Fig. 1 shows a laser processing head that is suitable for holding a nozzle according to the invention
  • Figs. 2a-b Schematic reflections on a nozzle inner wall according to the prior art
  • FIG. 3 schematic reflections on an inner wall of the nozzle according to the present invention
  • FIGs. 4a-c Different views of a nozzle according to the invention.
  • FIG. 5a-b Various nozzles according to the invention in a sectional view
  • Fig. 7 A laser processing system that is suitable for using a nozzle according to the invention.
  • FIG. 1 shows a laser processing head 10 for a beam processing system, for example a laser cutting system.
  • the processing head 10 has a nozzle 12 for a processing beam, here a laser beam, and a process gas, here a cutting gas.
  • a processing beam here a laser beam
  • a process gas here a cutting gas.
  • the laser beam and the process gas emerge from the nozzle 12 in a beam exit direction 14.
  • the processing head 10 has several (hidden here) optical elements, for example one or more protective glasses and a focusing lens 18.
  • the processing head 10 has a nozzle holder 20 with a cooling element.
  • a cooling gas for example compressed air or nitrogen
  • a cooling gas connection 22 is provided for introducing the cooling gas into the cooling element 20.
  • the process gas is introduced into the processing head 10 through a separate process gas connection 24. Even within of the processing head 10, the cooling gas and the process gas are separated from each other so that they do not mix.
  • Figures 2a and 2b show schematically aspects of laser cutting with a high focus position using a conventional convergent nozzle 12. Due to the high focus position, the laser beam already diverges within the nozzle 12, so that edge areas of the laser beam - shown here as an example using line B - on the can hit the inner surface of the nozzle. Due to the large angle of incidence relative to the converging inner surface of the nozzle, a comparatively large portion of the grazing laser radiation can be absorbed in the nozzle, which leads to heating of the nozzle. Reflected laser radiation greatly expands the laser beam as it exits the nozzle, which can disrupt the cutting process.
  • edge regions of the laser beam can be deflected by the reflection at the nozzle mouth in such a way that they miss the cutting gap and couple into the workpiece 68 to be cut next to the cutting gap (see FIG. 2a), or at a large angle in the upper region of the cutting gap couple the workpiece 68 (see Fig. 2b). Both constellations have negative effects on the cutting process.
  • Figure 3 shows schematically conditions during laser beam cutting with a high focus position using a nozzle 12 according to the invention. Due to a parallel-walled reflection section of the through opening at the lower end of the nozzle 12, grazing edge regions B of the diverging laser beam are reflected into the cutting gap. Due to the small impact angle on the inner wall of the nozzle, the proportion of absorbed laser radiation in the nozzle is also reduced, thus counteracting excessive heating of the nozzle.
  • a nozzle 12 according to the invention is shown in several external views in FIGS. 4a to 4c.
  • the structure of the nozzle 12 shown is described in more detail below in connection with Figures 5a and 5b.
  • Figures 5a and 5b show two different variants of one Nozzle 12 according to the invention. In both cases, the nozzle 12 has a base body 120 with a through opening 121.
  • the nozzles 12 according to Figures 5a and 5b differ only in the design of the through opening 121.
  • the external shape of the nozzles 12 corresponds to the illustrations according to Figures 4a to 4c.
  • the base body 120 of the nozzle 12 extends rotationally symmetrically around the nozzle longitudinal axis 12x and has a first, upper end 120-a and a second, lower end 120-z.
  • the outer contour of the base body 120 can be divided into several sections starting from the first end 120-a.
  • the base body 120 has a coupling section 120-1.
  • a thread 122 is preferably formed in the coupling section 120-1, with which the nozzle 12 or its base body 120 can be screwed into a complementary thread of a nozzle holder.
  • the diameter of the base body 120 increases suddenly in the form of a circumferential step, which initiates an engagement section 120-2.
  • a plurality of flat surfaces can be arranged on the engagement section 120-2, which are designed for the engagement of a tool for screwing in or loosening the nozzle 12.
  • the engagement surfaces can be seen in Figures 4a-c.
  • a cooling surface 123 is formed on the top of the step, via which heat can be released from the base body 120 to the environment in the direction of a nozzle holder during operation of the nozzle 12.
  • a slope 124 or chamfer 124 is formed, which acts as a stop and centering aid when screwing the nozzle 12 into the nozzle holder.
  • a conically tapering storage section 120-3 adjoins the engagement section 120-2.
  • the nozzle 12 can be stored in a nozzle magazine when it is not currently attached to a laser processing head.
  • a parallel-walled transition section closes below the storage section 120-3 120-4, which merges into a tapered mouth section 120-5 at the second end of the base body 120.
  • the base body 120 can also be divided into sections that are determined by the shape of the through opening 121.
  • a parallel-walled reflection section 121-3 is formed at the second, lower end 120-z.
  • the through opening 121 forms a funnel-shaped convergence section 121-2, which opens into the reflection section 121-3.
  • the convergence section 121-2 can basically extend from the first end 120-a of the base body 120 to the reflection section 121-3 (cf. Fig. 6c).
  • 121-1 may be provided, which extends between the first end of the base body 120 and the convergence section 121-2.
  • the through opening 121 has an inlet diameter 121-4 at the first end 120-a of the base body 120 and an outlet diameter 121-5 at the second end 120-z of the base body 120, the outlet diameter 121-5 being the diameter of the through opening 121 in the reflection section 121- 3 corresponds.
  • the diameter 121-5 may preferably be at least 1.4 mm (e.g. between 1.6 mm and 3 mm), with a length of the reflection section 121-3 of at least 2 mm.
  • the diameter 121-5 can be between 1.5 mm and 1.6 mm, with a length of the reflection section of approximately 3.5 mm. If the inner wall of the base body 120 in the reflection region 121-3 has a slight angle relative to the nozzle longitudinal axis 12x, the minimum inner diameter of the base body 120 can be decisive as the diameter 121-5 in the reflection section 121-3.
  • the base body 120 can have a total length L of 23 mm to 27 mm, in particular approximately 25.5 mm.
  • the base body 120 can have an outer diameter 120-8 of at least 8 mm, preferably of at least 10 mm. Furthermore, he can Base body 120 has a thickness of at most 18 mm up to a distance of at least 15 mm and at most 20 mm from the second end 120-z.
  • the base body 120 can have a cone angle of at least 30° and at most 50° relative to the nozzle end face at the second end 120-z of the base body 120.
  • the nozzle end face can be aligned essentially perpendicular to the nozzle longitudinal axis 12x and have an outer diameter 120-7 that is at least 1 mm, preferably at least 3 mm, larger than the (inside) diameter 121-5 in the reflection region 121-3 of the nozzle.
  • the convergence region 121-2 inside the nozzle can preferably have a cone angle of a maximum of 50°, preferably a maximum of 40° and a length of at least 4 mm, preferably of at least 6 mm, even more preferably of at least 8 mm.
  • the outer surface of the base body 120 can have an inclination relative to the nozzle longitudinal axis 12x of, for example, 50° in a first partial area that borders the engagement section 120-2.
  • the outer surface of the base body can be inclined by 33.55° relative to the nozzle longitudinal axis 12x.
  • FIG. 6a to 6c further nozzles 12 according to the invention are each shown in a sectional view.
  • the nozzle 12 according to Figure 6a has a heat-conducting element 125a, which has a ring shape and is glued to the cooling surface 123 of the base body 120.
  • the nozzle 12 according to Figure 6b also has a heat-conducting element 125b, which is clamped to the base body 125b directly above the cooling surface 123.
  • the heat-conducting elements can be made of graphite, for example, and serve to improve heat dissipation during operation of the nozzle 12 from the cooling surface 123 into an adjacent surface of a nozzle holder.
  • the nozzle 12 according to FIG. 6c has at least two cooling channels 126.
  • the cooling channels 126 can be supplied with a cooling fluid, in particular water, during operation of the nozzle, whereby the nozzle 12 and additionally the workpiece to be machined, onto which the cooling fluid is directed through the cooling channels, are actively cooled.
  • Figure 7 shows a beam processing machine 62, here in the form of a laser cutting system.
  • the laser cutting system 62 shown in FIG. 7 has, as an example, a CO2 laser as the beam source 64.
  • the beam source can be, for example, a solid-state laser or a diode laser.
  • the laser cutting machine 62 also has a movable processing head 10 (see FIG. 1) and a (fixed) workpiece support 66 on which a workpiece 68 is arranged.
  • a laser beam 70 is generated in the beam source 64 and is guided from the beam source 64 to the processing head 10.
  • the laser beam 70 is directed onto the workpiece 68 by means of focusing optics arranged in the processing head 10.
  • the laser cutting system 62 is connected to a gas supply device 72.
  • the gas supply device 72 provides the process gas, here the cutting gas.
  • the process gas can be, for example, nitrogen or oxygen.
  • the process gas in this case oxygen, can be supplied to the nozzle 12 of the processing head 10 with an excess pressure of between approximately 0.4 bar and 1.2 bar.
  • the gas supply device 72 provides the cooling gas for the cooling element 20.
  • the cooling gas can be, for example, nitrogen or compressed air.
  • the laser cutting system 62 also has a machine control 74, which is programmed to move the processing head 10 according to a cutting contour relative to the workpiece 68, which is stationary here as an example.
  • the machine controller 74 also controls the power of the beam source 64, for example to carry out a flame cutting process.

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Abstract

Bereitgestellt wird eine Düse zur Verwendung in einer Laserbearbeitungsanlage, die Düse umfassend: Einen Grundkörper mit einer Durchgangsöffnung, die sich entlang einer Düsenlängsachse von einem ersten Ende zu einem zweiten Ende des Grundkörpers durch den Grundkörper hindurch erstreckt; Wobei die Durchgangsöffnung im Bereich des ersten Endes einen ersten Durchmesser aufweist; Wobei die Durchgangsöffnung im Bereich des zweiten Endes einen parallelwandigen Reflexionsabschnitt an der Innenseite des Grundkörpers bildet, der eine Länge von wenigstens 2 mm aufweist, wobei die Durchgangsöffnung in dem Reflexionsabschnitt einen minimalen, zweiten Durchmesser aufweist, der geringer ist als der erste Durchmesser; Wobei der Grundkörper an dem ersten Ende einen Kopplungsabschnitt aufweist; und Wobei der Grundkörper an seinem Außenumfang angrenzend an den Kopplungsabschnitt eine Stufe aufweist, die sich in radialer Richtung um die Durchgangsöffnung erstreckt und die eine umlaufende Kühlfläche bildet, welche im Wesentlichen senkrecht zur Düsenlängsachse ausgerichtet ist. Ferner wird eine Laserbearbeitungsanlage umfassend die Düse, sowie ein Verfahren zur Laserbearbeitung unter Verwendung der Düse bereitgestellt.

Description

Düse für die Laserbearbeitung mit hohen Fokuslagen
Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft das Gebiet der Laserbearbeitung. Insbesondere betrifft die Erfindung eine Düse zur Verwendung in einer Laserbearbeitungsanlage, eine Laserbearbeitungsanlage umfassend die Düse, sowie ein Laserbearbeitungsverfahren unter Verwendung der Düse.
Stand der Technik
Es gibt Laserschneidprozesse, bei denen es vorteilhaft ist, wenn der Fokus des Laserstrahls innerhalb der Schneiddüse liegt. Wenn in solchen Fällen Schneiddüsen mit einer konvergierenden Innenkontur verwendet werden, kann es vorkommen, dass Randbereiche des Laserstrahls an der Düseninnenseite im Bereich der Düsenmündung reflektiert oder absorbiert werden. Ein solcher Fall ist schematisch in den Figuren 2a und 2b dargestellt. Durch die Reflexionen kann sich einerseits die Divergenz des Laserstrahls in den Randbereichen ändern, was sich störend auf den Schneidprozess auswirken kann. Andererseits kann die Schneiddüse durch absorbierte Laserstrahlung schädlich erwärmt werden.
Aus der DE 40 16 199 Al ist eine Düse für einen Laserschneidprozess bekannt, bei dem der Fokuspunkt des Laserstrahls innerhalb der Düse angeordnet ist. Die Schneiddüse weist innenseitig zwei charakteristische Bereiche auf: Einen Konvergenzbereich und einen sich in Strahlausbreitungsrichtung anschließenden, parallelwandigen oder divergierenden Mündungsbereich, den der Laserstrahl gemeinsam mit einem Schneidgas vor dem Austritt aus der Düse durchläuft. Die Düse erlaubt eine Reflexion des fokussierten Laserstrahls an der Düseninnenwand im Mündungsbereich der Düse.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, den Stand der Technik weiter zu verbessern. Insbesondere soll eine Düse für die Laserbearbeitung mit hohen Fokuslagen bereitgestellt werden, die eine hohe Prozessqualität bei der Laserbearbeitung und insbesondere beim Laserschneiden gewährleistet. Die Erfindung
Zur Lösung der der Erfindung zugrundeliegenden Aufgabe wird eine Düse zur Verwendung in einer Laserbearbeitungsanlage bereitgestellt. Die Laserbearbeitungsanlage kann vorzugsweise eine Laserschneidanlage sein, bei der ein Laserstrahl in einem Laserschneidkopf mittels einer Fokussieroptik fokussiert und gemeinsam mit einem Schneidgasstrahl über die Düse, die an dem Laserschneidkopf anbringbar ist, auf ein zu schneidendes Werkstück gerichtet wird.
Die Düse umfasst einen Grundkörper mit einer Durchgangsöffnung, die sich entlang einer Düsenlängsachse von einem ersten Ende zu einem zweiten Ende des Grundkörpers durch den Grundkörper hindurch erstreckt. Der Grundkörper kann vorzugsweise eine rotationssymmetrische Form bezüglich der Düsenlängsachse aufweisen. Der Düsenkanal kann vorzugsweise einen kreisförmigen Querschnitt aufweisen.
Die Durchgangsöffnung weist im Bereich des ersten Endes einen ersten Durchmesser auf. Ferner bildet die Durchgangsöffnung im Bereich des zweiten Endes einen parallelwandigen Reflexionsabschnitt an der Innenseite des Grundkörpers, der eine Länge (in Richtung der Düsenlängsachse) von wenigstens 2 mm aufweist. Die Durchgangsöffnung weist in dem Reflexionsabschnitt einen minimalen, zweiten Durchmesser auf, der geringer ist als der erste Durchmesser. Die Formulierung „parallelwandig" umfasst geringfügige Neigungen des Reflexionsabschnitts (bzw. der Innenwand des Grundkörpers im Reflexionsabschnitt) um wenige Grad, zum Beispiel um bis zu 2,5° gegenüber der Düsenlängsachse.
An seinem ersten Ende weist der Grundkörper einen Kopplungsabschnitt auf. In dem Kopplungsabschnitt ist der Grundkörper zur Kopplung mit einem Düsenhalter eines Laserbearbeitungskopfes, insbesondere eines Laserschneidkopfes, ausgebildet. Dazu kann der Grundkörper in dem Kopplungsabschnitt vorzugsweise ein Gewinde aufweisen. Angrenzend an den Kopplungsabschnitt weist der Grundkörper an seinem Außenumfang eine Stufe auf, die sich in radialer Richtung um die Durchgangsöffnung erstreckt und die eine umlaufende Kühlfläche bildet, welche im Wesentlichen senkrecht zur Düsenlängsachse ausgerichtet ist.
Die Düse ist insgesamt so ausgebildet, dass Randbereiche eines Laserstrahls, dessen Fokuspunkt innerhalb der Düse liegt, und zwar in Strahlausbreitungsrichtung vor dem Reflexionsabschnitt, beim Durchlaufen des Reflexionsabschnitts an der Innenwand des Düsengrundkörpers reflektiert werden können. Gegenüber einer konischen Düseninnenkontur kann auf diese Weise die Absorption der Laserstrahlung und damit die Erwärmung der Düse verringert werden. Die Länge des Reflexionsabschnitts ist groß genug, um diese vorteilhaften Effekte zu erreichen. Wenn die Durchgangsöffnung in dem Reflexionsabschnitt einen kreisförmigen Querschnitt aufweist, verbessert dies vorteilhafterweise die Reflexionseigenschaften in diesem Bereich der Düse. In dem Reflexionsabschnitt kann der Grundkörper mit anderen Worten vorzugsweise eine zylinderförmige (ggf. leicht konische) Innenkontur aufweisen.
Durch die erfindungsgemäße Düse wird das Schneiden mit vergleichsweise großem Strahldurchmesser innerhalb der Düse ermöglicht, wodurch beim Schneiden insbesondere im höheren Leistungsbereich (z.B. bei einer Laserleistung ab 6 kW) hohe Schneidgeschwindigkeiten bei gleichzeitig guter Schnittkantenqualität erreicht werden können, insbesondere beim Brennschneiden metallischer Werkstücke, insbesondere von Baustahl, seltener auch von Buntmetallen, mit Sauerstoff als Schneidgas. Insbesondere kann der Strahldurchmesser innerhalb der Düse nur geringfügig kleiner gewählt werden als der Durchmesser der Durchgangsöffnung im Reflexionsabschnitt.
Trotz der optimierten Innenkontur der Düse gegenüber einer Düse mit konischer Düsenöffnung, ist eine Erwärmung der Düse bei Auftreffen von Laserstrahlung in dem Reflexionsbereich nicht vollständig vermeidbar. Deshalb ist ein angemessenes Kühlkonzept erforderlich, um eine hohe Formstabilität der Düse bei der Laserbearbeitung zu gewährleisten und/oder um z.B. Anlauffarben des Grundkörpers im Reflexionsbereich zu vermeiden, welche die Absorptionseigenschaften negativ beeinflussen können. Zur Verbesserung der Kühlung, weist die erfindungsgemäße Düse die Kühlfläche auf. Über die Kühlfläche wird Wärme an die Umgebung oder an ein Kühlmedium abgegeben. Die Kühlfläche befindet sich im Betrieb der Düse in unmittelbarer Nähe zu einem, vorzugsweise aktiv gekühlten Düsenhalter eines Laserbearbeitungskopfes. Auf diese Weise kann Wärme noch effizienter abgegeben und die Düse effizient in die aktive Kühlung des Laserbearbeitungskopfes eingebunden werden.
Insgesamt kann bei Verwendung einer erfindungsgemäßen Düse zur Laserbearbeitung, insbesondere beim Laserschneiden mit hoher Laserleistung, mit hohen Fokuslagen, eine im Vergleich zum Stand der Technik verbesserte Prozessqualität erreicht werden.
Vorzugsweise beträgt der zweite Durchmesser der Durchgangsöffnung wenigstens 1,4 mm, vorzugsweise wenigstens 1,6 mm.
Die Länge des Reflexionsabschnitts der Durchgangsöffnung kann höchstens
10 mm, vorzugsweise höchstens 7,5 mm betragen. Es hat sich gezeigt, dass eine zu große Länge des Reflexionsabschnitts insbesondere beim Laserschneiden negative Auswirkungen auf den Bearbeitungsprozess hat, insbesondere beim Einstechen in das zu schneidende Material. Gemäß einer bevorzugten Variante kann die Länge des Reflexionsabschnitts zwischen 2 mm und 5 mm liegen. Ein zu langer parallelwandiger Reflexionsabschnitt kann eine störende Wirkung entfalten, wenn der Bearbeitungsprozess mittels einer Kamera durch die Düse hindurch beobachtet werden soll.
Die Kühlfläche des Grundkörpers kann vorzugsweise eine Breite von wenigstens 4 mm aufweisen. Beispielsweise kann die Kühlfläche des Grundkörpers eine Breite - die insbesondere einer Differenz zwischen Innendurchmesser und Außendurchmesser der Kühlfläche entspricht - von etwa 5 mm aufweisen. Durch die Vergrößerung der Kühlfläche kann die Kühlwirkung verbessert werden. Der Grundkörper der Düse kann vorzugsweise in einem Bereich zwischen der Kühlfläche und dem zweiten Ende des Grundkörpers eine Dicke (bzw. eine Wandstärke) aufweisen, die wenigstens 2 mm, vorzugsweise wenigstens 3 mm, beträgt. Durch eine massive Ausführung der Düse mit der Mindestdicke bzw. Mindeststärke der durch den Grundkörper gebildeten Düsenwand kann eine ausreichende Wärmeabfuhr von dem zweiten Ende hin zur Kühlfläche und zum Kopplungsabschnitt gewährleistet werden. Im Kopplungsabschnitt, also zwischen der Kühlfläche und dem ersten Ende des Grundkörpers, kann der Grundkörper eine geringere Dicke bzw. Wandstärke aufweisen, da dieser im Betrieb der Düse mit einem Düsenhalter unmittelbar in mechanischem Kontakt steht, an welchen die Wärme abgeführt wird.
Vorzugsweise weist der Grundkörper in dem Kopplungsabschnitt ein Gewinde auf. Über das Gewinde kann die Düse mit einem Düsenhalter eines Laserbearbeitungskopfes verbunden werden. Ferner kann der Grundkörper am Übergang zwischen dem Kopplungsabschnitt und der umlaufenden Stufe eine Fase aufweisen, die eine Anschlagfläche beim Einschrauben der Düse den Düsenhalter bildet. Vorzugsweise ist die Fase bzw. die Anschlagschräge derart dimensioniert, dass beim Einschrauben der Düse in den Düsenhalter zwischen der Kühlfläche und dem Düsenhalter ein Spalt verbleibt. Der Spalt dient dazu, Spannungen durch unterschiedliche Wärmeausdehnungen zu vermeiden. Ferner kann die Fase der Zentrierung der Düse beim Einschrauben in den Düsenhalter des Bearbeitungskopfs dienen.
Der Grundkörper der Düse kann vorzugsweise aus einem Material aufgebaut sein, das eine hohe Wärmeleitfähigkeit aufweist, beispielsweise von wenigstens 300 W/mK, bevorzugt von wenigstens 350 W/mK, beispielsweise von etwa 355 W/mK. Auf diese Weise kann die Wärmeabfuhr aus der Düse verbessert werden. Ferner kann der Grundkörper zur Implementierung einer Abstandssensorik für ein Laserbearbeitungsverfahren vorzugsweise aus einem elektrisch leitfähigen Material aufgebaut sein. Insbesondere kann der Grundkörper aus Kupfer oder einer Kupferlegierung bestehen. Vorzugsweise ist der Grundkörper ferner einstückig ausgebildet. Der Grundkörper kann an seiner Innenfläche im Bereich des Reflexionsabschnitts eine Oberflächenrauheit von höchstens Rz 10, vorzugsweise höchstens Rz 8, beispielsweise von Rz 6 oder weniger aufweisen. Durch die Reduktion der Oberflächenrauheit können die Reflexionseigenschaften der Düse in diesem Bereich verbessert werden. Durch eine Verbesserung der Reflexionseigenschaften im Reflexionsbereich kann die Aufwärmung der Düse im Betrieb weiter verringert werden. Vorzugsweise kann die Oberfläche des Grundkörpers im Bereich des Reflexionsabschnitts poliert sein. Alternativ oder zusätzlich kann der Grundkörper im Bereich des Reflexionsabschnitts eine hochreflektierende Oberflächenbeschichtung, beispielsweise auf Nickelbasis, aufweisen. Eine Vernickelung kann beispielsweise einer Verschlechterung der Reflexionseigenschaften des Grundkörpers im Bereich des Reflexionsabschnitts (z.B. durch Bildung von Anlauffarben) im Betrieb der Düse entgegenwirken.
Der Grundkörper kann eine Außenkontur aufweisen, die ausgehend von dem ersten Ende, nach dem Kopplungsabschnitt in weitere Abschnitte unterteilbar ist. Nach dem Kopplungsabschnitt kann der Grundkörper demnach einen Eingriffsabschnitt aufweisen, der sich ausgehend von der Stufe in Richtung des zweiten Endes erstreckt, wobei der Grundkörper in dem Eingriffsabschnitt seinen größten Außendurchmesser aufweist und/oder wobei der Grundkörper in dem Eingriffsabschnitt einen polygonalen Querschnitt bzw. eine polygonale Außenkontur aufweist. Der Eingriffsabschnitt kann vorzugsweise so ausgebildet sein, dass er mittels eines Greifwerkzeugs (etwa ein Maulschlüssel) gegriffen und in die Fassung eines Düsenhalters eingebracht, insbesondere eingeschraubt werden kann. Dies kann beispielsweise automatisiert mittels eines Düsenwechslers geschehen, wie beispielhaft in der EP 2 589 458 Bl der Anmelderin beschrieben. Vorzugsweise weist der Grundkörper in dem Eingriffsabschnitt entlang seines Außenumfangs 6 ebene Eingriffsflächen auf, wobei zwei in Umfangsrichtung benachbarte Eingriffsflächen in einem Winkel von 60° zueinander angeordnet sind. Der Abstand zweier gegenüberliegender Eingriffsflächen beträgt vorzugsweise zwischen 23 mm und 25 mm, insbesondere zwischen 23,9 mm und 24 mm. Weiter in Richtung des zweiten Endes kann der Düsen-Grundkörper einen Lagerungsabschnitt aufweisen, in dem sich der Außendurchmesser des Grundkörpers vorzugsweise stetig verjüngt. Mit anderen Worten weist der Grundkörper in dem Lagerungsabschnitt eine konisch in Richtung des zweiten Endes zulaufende Form auf. Der Lagerungsabschnitt kann mehrstufig in Bereiche unterschiedlicher Konuswinkel unterteilt werden, wobei der Konuswinkel vorzugsweise in Richtung des zweiten Endes gegenüber der Düsenlängsachse kleiner wird. Die konisch zulaufende Umfangsfläche im Lagerungsabschnitt des Grundkörpers kann als Anlagefläche für eine Düsenaufnahme, beispielsweise in einem Düsenwechsler, dienen.
An den Lagerungsabschnitt kann sich in Richtung des zweiten Endes des Grundkörpers ein parallelwandiger, vorzugsweise zylinderförmiger Übergangsabschnitt anschließen. Der Übergangsabschnitt kann vorzugsweise eine Länge aufweisen, die mindestens so groß ist wie die Länge des Reflexionsabschnitts der Durchgangsöffnung, wobei der Durchmesser des Grundkörpers in dem Übergangsabschnitt wenigstens 8 mm, vorzugsweise wenigstens 10 mm, betragen kann.
An den Übergangsabschnitt kann sich vorzugsweise ein Mündungsabschnitt anschließen, in dem sich der Durchmesser des Grundkörpers ausgehend von dem Übergangsabschnitt bis zum zweiten Ende des Grundkörpers hin verjüngt. Mit anderen Worten bildet der Mündungsabschnitt eine Fase am zweiten Ende des Grundkörpers. Vorzugsweise weist der Grundkörper an seinem zweiten Ende seinen kleinsten Außendurchmesser auf. Der (kleinste) Außendurchmesser am zweiten Ende des Grundkörpers, also angrenzend an eine Düsenstirnfläche beträgt vorzugsweise wenigstens 1 mm mehr, bevorzugter wenigstens 3 mm mehr, als der Innendurchmesser des Grundkörpers im Reflexionsbereich. Der Winkel der Fase, die den Mündungsabschnitt bildet, beträgt mindestens 30° und vorzugsweise zwischen 40° und 60° gegenüber der Düsenlängsachse, bzw. maximal 60° und bevorzugt zwischen 30° und 50° gegenüber der Düsenstirnfläche. Auf diese Weise kann die geforderte Mindestwandstärke des Grundkörpers eingehalten werden. Ein Vorteil der Fase besteht darin, dass die Düse im Betrieb besser über Unebenheiten auf der Werkstückoberfläche oder über ausgeschnittene, im Restgitter leicht verkippte Werkstückteile gleiten kann.
Eine kumulierte Länge des Übergangsabschnitts und des Mündungsabschnitts des Grundkörpers entlang der Düsenlängsachse kann mindestens 8 mm, vorzugsweise zwischen 8 mm und 11 mm betragen.
Insgesamt kann der Grundkörper eine Länge zwischen 24 mm und 27 mm, vorzugsweise von etwa 25,5 mm aufweisen. Ferner gilt vorzugsweise für die Außenkontur des Grundkörpers, dass der Außendurchmesser des Grundkörpers in einem Bereich, der sich vom zweiten Ende des Grundkörpers über wenigstens 15 mm und höchstens 20 mm in Richtung der Düsenlängsachse erstreckt, vorzugsweise nicht mehr als 18 mm beträgt, um eine kompakte Bauform der Düse zu ermöglichen und eine Störkontur der Düse angrenzend zur Düsenaustrittsöffnung (Kollision mit beim Laserschneiden verkippten Teilen) gering zu halten.
Die bevorzugten Randbedingungen für den Außendurchmesser des Düsen- Grundkörpers stellen sicher, dass die Wandstärke der Düse im Bereich des zylindrischen Düsenkanals ausreichend groß ist, um eine Wärmeabfuhr entlang der Düsenwand in Richtung des Kopplungsabschnitts und der Kühlfläche zu ermöglichen.
Der Grundkörper der Düse kann eine durch die Durchgangsöffnung gebildete Innenkontur aufweisen, die neben dem Reflexionsabschnitt am zweiten Ende des Grundkörpers ferner einen trichterförmigen Konvergenzabschnitt umfasst, der in den Reflexionsabschnitt mündet. Der Grundkörper kann an seinem von dem Reflexionsabschnitt entfernten Ende des Konvergenzabschnitts einen maximalen Innendurchmesser aufweisen. Ferner kann die Innenfläche des Grundkörpers in dem Konvergenzabschnitt einen, vorzugsweise konstanten, Neigungswinkel von höchstens 25°, vorzugsweise höchstens 20°, gegenüber der Düsenlängsachse aufweisen, um die erforderliche Mindestwandstärke des Grundkörpers nicht zu gefährden. Schließlich kann der Konvergenzbereich eine Länge aufweisen, die größer ist als die Länge des Reflexionsabschnitts. Auf diese Weise kann beim Einsatz in einer Laserschneidanlage eine gleichmäßige Gasströmung des Schneidgases durch die Düse erreicht werden. Insgesamt kann der Konvergenzbereich höchstens eine Länge aufweisen, die der Differenz zwischen der Länge des Grundkörpers und der Länge des Reflexionsabschnitts entspricht.
Zusätzlich zu dem Konvergenzabschnitt und dem Reflexionsabschnitt kann die Innenkontur des Grundkörpers ferner einen parallelwandigen Anschlussabschnitt aufweisen, der sich von dem ersten Ende des Grundkörpers bis zum Beginn des Konvergenzabschnitts erstreckt.
Grundsätzlich kann es bevorzugt sein, wenn der Grundkörper der Düse außenseitig zumindest in dem Übergangsabschnitt und in dem Mündungsabschnitt und innenseitig zumindest in dem Reflexionsabschnitt jeweils einen kreisförmigen Querschnitt aufweist. Auf diese Weise kann die Wandstärke des Grundkörpers in dem kritischen Bereich des Reflexionsabschnitts, in dem sich der Grundkörper im Betrieb bei hohen Fokuslagen besonders stark aufheizt, bei gleichzeitig geringstmöglichem Außendurchmesser der Düse maximiert werden.
Zur weiteren Verbesserung der Wärmeabfuhr kann die Düse ferner ein Wärmeleitelement umfassen, das aus einem nachgiebigen Material besteht und das an der Kühlfläche des Grundkörpers anbringbar ist. Unter einem nachgiebigen Material kann im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung ein Material mit einem E-Modul zwischen 400 MPa und 1100 MPa verstanden werden. Im Betrieb der Düse kann das Wärmeleitelement also in dem Spalt zwischen der Kühlfläche der Düse und einer der Kühlfläche gegenüberliegenden Fläche eines Düsenhalters angeordnet sein. Das Wärmeleitelement verbessert die Wärmeabfuhr aus der Düse über die Kühlfläche zum (vorzugsweise aktiv gekühlten) Düsenhalter, ohne das durch den Spalt zwischen Kühlfläche und Düsenhalter gewährleistete Bewegungsspiel wesentlich zu beeinflussen. Das Wärmeleitelement kann beispielsweise aus Graphit bestehen. Das Wärmeleitelement kann an der Kühlfläche angeklebt oder an dem Kopplungsabschnitt bzw. an dem Übergang zwischen Kopplungsabschnitt und Kühlfläche angeklemmt sein. Das Wärmeleitelement kann vorzugsweise ringförmig oder z.B. C-förmig ausgebildet sein und eine Breite aufweisen, die höchstens der Breite der Kühlfläche entspricht. Die Dicke des Wärmeleitelements kann vorzugsweise so gewählt sein, dass sie etwas größer (z.B. ca. 1 mm größer) ist, als die Dicke des Spalts, der zwischen der Kühlfläche und einer der Kühlfläche gegenüberliegenden Fläche eines Düsenhalters gebildet ist, wenn die Düse an dem Düsenhalter befestigt (insbesondere darin eingeschraubt) ist.
Zusätzlich oder alternativ kann der Grundkörper der Düse wenigstens zwei Kühlkanäle aufweisen, die vorzugsweise in gleichmäßigen Abständen entlang des Umfangs des Grundkörpers um die Düsenlängsachse herum angeordnet sind. Dabei kann sich jeder der Kühlkanäle ausgehend von der Kühlfläche der Stufe durch den Eingriffsabschnitt hindurch erstrecken und an dem Lagerungsabschnitt des Grundkörpers münden. Im Betrieb der Düse können die Kühlkanäle über einen Düsenhalter an dem die Düse befestigbar ist mit einer Kühlflüssigkeit, insbesondere mit Wasser, beaufschlagt werden. Die Kühlflüssigkeit kann mit Druck durch die Kühlkanäle geleitet und auf die zu bearbeitende, z.B. zu schneidende, Werkstückoberfläche gerichtet werden. Dabei entsteht ein Sprühnebel, der das Werkstück während der Bearbeitung kühlt. Somit können sowohl die Düse als auch das Werkstück während der Bearbeitung aktiv gekühlt werden.
Zur Lösung der der Erfindung zugrundeliegenden Aufgabe wird ferner eine Laserbearbeitungsanlage zur Bearbeitung eines Werkstücks mittels eines Laserstrahls bereitgestellt. Die Laserbearbeitungsanlage kann insbesondere eine Laserschneidanlage sein. Die Laserbearbeitungsanlage umfasst wenigstens eine Laserstrahlquelle zur Erzeugung eines Bearbeitungslaserstrahls. Ferner umfasst die Laserbearbeitungsanlage wenigstens einen Laserbearbeitungskopf mit einer Laserbearbeitungsoptik, einem Düsenhalter und einer Düse gemäß einer der oben beschriebenen Varianten. Im Betrieb der Laserbearbeitungsanlage ist der Laserbearbeitungsstrahl mittels der Laserbearbeitungsoptik fokussierbar und durch den Düsenhalter und die Düse hindurch auf das zu bearbeitende Werkstück richtbar.
Vorzugsweise umfasst der Düsenhalter eine Kühleinrichtung. Die Kühleinrichtung kann beispielsweise ein Kanalsystem umfassten, durch welches ein Kühlfluid (z.B. eine Kühlflüssigkeit oder ein Kühlgas) leitbar ist, um Wärme aus dem Düsenhalter abzutransportieren und den Düsenhalter auf diese Weise aktiv zu kühlen.
Zur Lösung der der Erfindung zugrundeliegenden Aufgabe wird ferner ein Verfahren zum Laserbearbeiten eines Werkstücks mittels einer Laserbearbeitungsanlage bereitgestellt, die eine Düse gemäß einer der oben beschriebenen Varianten aufweist. Gemäß dem Verfahren wird ein Laserstrahl durch den Grundkörper der Düse hindurch auf ein zu bearbeitendes Werkstück gerichtet, wobei ein Fokus des Laserstrahls innerhalb des Grundkörpers und oberhalb des Reflexionsabschnitts liegt, sodass Teile des divergierenden Laserstrahls innerhalb des Reflexionsabschnitts an der Innenwand des Grundkörpers reflektiert werden.
Vorzugsweise beträgt ein Divergenzwinkel des Laserstrahls, unter dem die Randbereiche des Laserstrahls bei exakt parallelwandigem Reflexionsabschnitt in dem Reflexionsabschnitt auf der Innenfläche des Düsen-Grundkörpers auftreffen können, höchstens 3°. Insbesondere kann der Divergenzwinkel des Laserstrahls zwischen 1,5° und 2,75° (gegenüber der Düsenlängsachse) betragen.
Vorzugsweise ist das Laserbearbeitungsverfahren ein Brennschneidverfahren und das Werkstück ist vorzugsweise ein platten- oder rohrförmiges Werkstück aus Baustahl. Das Brennschneidverfahren ist durch die Verwendung von Sauerstoff oder einem sauerstoffhaltigen Gas als Schneidgas charakterisiert, welches beim Schneiden eine exotherme Reaktion mit dem zu schneidenden Material hervorruft und auf diese Weise die Schneidleistung erhöht.
Vorzugsweise wird bei dem Laserbearbeitungsverfahren eine (ggf. kumulierte)
Eingangsleistung des Laserbearbeitungsstrahls von wenigstens 6 kW verwendet. Mit steigender Laserleistung steigt auch die Gefahr einer kritischen Erwärmung der Düse. Mit steigender Laserleistung steigen daher auch die Anforderungen an ein angemessenes Kühlkonzept für die Düse, welches durch die vorliegende Erfindung bereitgestellt wird.
Bei der Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens als Brennschneidprozess kann der Fokusdurchmesser des Laserstrahls innerhalb der Düse vorzugsweise zwischen 170 pm und 1100 pm betragen. Ferner kann als Laserbearbeitungsstrahl vorzugsweise ein Festkörperlaserstrahl verwendet werden, welcher mittels einer Lichtleitfaser (einer sog. Transportfaser) von der Laserstrahlquelle zu dem Laserbearbeitungskopf geleitet wird. Die optische Abbildung des Faserendes auf die zu bearbeitende Werkstückoberfläche kann, gesteuert durch die Bearbeitungsoptik im Laserbearbeitungskopf, mit einer Vergrößerung von 1,8 bis 3 erfolgen. Als Prozessgas kann beim Laserbrennschneiden insbesondere Sauerstoff mit einem Druck zwischen 0,4 bar und 1,2 bar verwendet werden.
Durch die vorliegende Erfindung wird das Laserbearbeiten, insbesondere das Schneiden mit größerem Strahldurchmesser innerhalb der Düse ermöglicht. Beim Laserschneiden, insbesondere beim Laserbrennschneiden mit Sauerstoff als Prozessgas, können auf diese Weise höhere Laserleistungen von wenigstens 6 kW verwendet und im Ergebnis höhere Schneidgeschwindigkeiten bei gleichzeitig guter Schnittkantenqualität erreicht werden.
Ausführungsbeispiele
Die nachfolgende Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele dient im Zusammenhang mit den Zeichnungen der näheren Erläuterung der Erfindung.
Es zeigen:
Fig. 1 Einen Laserbearbeitungskopf, der zur Aufnahme einer erfindungsgemäßen Düse geeignet ist; Fign. 2a-b Schematisch Reflexionen an einer Düseninnenwand gemäß dem Stand der Technik;
Fig. 3 Schematisch Reflexionen an einer Düseninnenwand gemäß der vorliegenden Erfindung;
Fign. 4a-c Verschiedene Ansichten einer erfindungsgemäßen Düse;
Fign. 5a-b Verschiedene erfindungsgemäße Düsen in einer Schnittansicht;
Fign. 6a-c Weitere erfindungsgemäße Düsen in einer Schnittansicht; und
Fig. 7 Eine Laserbearbeitungsanlage, die zur Verwendung einer erfindungsgemäßen Düse geeignet ist.
Der Einfachheit halber sind funktionsgleiche oder funktionsähnliche Merkmale in den Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
Figur 1 zeigt einen Laserbearbeitungskopf 10 für eine Strahlbearbeitungsanlage, beispielsweise eine Laserschneidanlage. Der Bearbeitungskopf 10 weist eine Düse 12 für einen Bearbeitungsstrahl, hier einen Laserstrahl, und ein Prozessgas, hier ein Schneidgas, auf. Der Laserstrahl und das Prozessgas treten im Betrieb des Bearbeitungskopfes 10 in einer Strahlaustrittsrichtung 14 aus der Düse 12 aus. Ferner weist der Bearbeitungskopf 10 mehrere (hier verdeckte) optische Elemente, beispielsweise ein oder mehrere Schutzgläser und eine Fokussierlinse 18 auf.
Weiterhin weist der Bearbeitungskopf 10 einen Düsenhalter 20 mit einem Kühlelement auf. Zur Kühlung des Bearbeitungskopfs 10 wird ein Kühlgas, beispielsweise Druckluft oder Stickstoff, durch das Kühlelement des Düsenhalters geleitet. Zum Einleiten des Kühlgases in das Kühlelement 20 ist ein Kühlgasanschluss 22 vorgesehen. Das Prozessgas wird durch einen separaten Prozessgasanschluss 24 in den Bearbeitungskopf 10 eingeleitet. Auch innerhalb des Bearbeitungskopfs 10 werden das Kühlgas und das Prozessgas voneinander getrennt geführt, sodass sie sich nicht vermischen.
Die Figuren 2a und 2b zeigen schematisch Aspekte beim Laserschneiden mit einer hohen Fokuslage unter Verwendung einer herkömmlichen konvergenten Düse 12. Aufgrund der hohen Fokuslage divergiert der Laserstrahl bereits innerhalb der Düse 12, sodass Randbereiche des Laserstrahls - hier exemplarisch anhand der Linie B dargestellt - auf die Innenfläche der Düse auftreffen können. Aufgrund des großen Einstrahlwinkels gegenüber der konvergierenden Düseninnenfläche kann ein vergleichsweise großer Teil der streifenden Laserstrahlung in der Düse absorbiert werden, was zur Erhitzung der Düse führt. Reflektierte Laserstrahlung weitet den Laserstrahl beim Austritt aus der Düse stark auf, was den Schneidprozess stören kann. Beispielsweise können Randbereiche des Laserstrahls durch die Reflexion am Düsenmund derart abgelenkt werden, dass sie den Schnittspalt verfehlen und neben dem Schnittspalt in das zu schneidende Werkstück 68 einkoppeln (vgl. Fig. 2a), oder aber unter einem großen Winkel im oberen Bereich des Schnittspalts in das Werkstück 68 einkoppeln (vgl. Fig. 2b). Beide Konstellationen haben negative Auswirkungen auf den Schneidprozess.
Demgegenüber zeigt Figur 3 schematisch Verhältnisse beim Laserstrahlschneiden mit einer hohen Fokuslage unter Verwendung einer erfindungsgemäßen Düse 12. Aufgrund eines parallelwandigen Reflexionsabschnitts der Durchgangsöffnung am unteren Ende der Düse 12 werden streifende Randbereiche B des divergierenden Laserstrahls in den Schnittspalt hinein reflektiert. Aufgrund des kleinen Auftreffwinkels an der Düseninnenwand wird zudem der Anteil absorbierter Laserstrahlung in der Düse reduziert und somit einer übermäßigen Erwärmung der Düse entgegengewirkt.
In den Figuren 4a bis 4c ist eine erfindungsgemäße Düse 12 in mehreren Außenansichten dargestellt. Der Aufbau der dargestellten Düse 12 wird im Folgenden im Zusammenhang mit den Figuren 5a und 5b genauer beschrieben. Die Figuren 5a und 5b zeigen zwei verschiedene Varianten einer erfindungsgemäßen Düse 12. In beiden Fällen weist die Düse 12 einen Grundkörper 120 mit einer Durchgangsöffnung 121 auf. Die Düsen 12 gemäß den Figuren 5a und 5b unterscheiden sich lediglich in der Gestaltung der Durchgangsöffnung 121. Die äußere Form der Düsen 12 entspricht jeweils den Darstellungen gemäß den Figuren 4a bis 4c.
Der Grundkörper 120 der Düse 12 erstreckt sich rotationssymmetrisch um die Düsenlängsachse 12x herum und weist ein erstes, oberes Ende 120-a und ein zweites, unteres Ende 120-z auf. Die Außenkontur des Grundkörpers 120 lässt sich beginnend vom ersten Ende 120-a in mehrere Abschnitte unterteilen. Am ersten Ende 120-a weist der Grundkörper 120 einen Kopplungsabschnitt 120-1 auf. In dem Kopplungsabschnitt 120-1 ist vorzugsweise ein Gewinde 122 ausgebildet, mit dem die Düse 12 bzw. deren Grundkörper 120 in ein komplementäres Gewinde eines Düsenhalters eingeschraubt werden kann. An den Kopplungsabschnitt 120-1 anschließend vergrößert sich der Durchmesser des Grundkörpers 120 sprungartig in Form einer umlaufenden Stufe, die einen Eingriffsabschnitt 120-2 einleitet. An dem Eingriffsabschnitt 120-2 können mehrere ebene Flächen angeordnet sein, die für den Eingriff eines Werkzeugs zum Einschrauben oder Lösen der Düse 12 ausgebildet sind. Die Eingriffsflächen sind in den Figuren 4a-c erkennbar. An der Oberseite der Stufe ist eine Kühlfläche 123 ausgebildet, über welche im Betrieb der Düse 12 Wärme aus dem Grundkörper 120 an die Umgebung in Richtung eines Düsenhalters abgegeben werden kann. Am Übergang zwischen dem Kopplungsabschnitt 120-1 und der Kühlfläche ist eine Schräge 124 bzw. Fase 124 ausgebildet, die als Anschlag und Zentrierhilfe beim Einschrauben der Düse 12 in den Düsenhalter fungiert.
An den Eingriffsabschnitt 120-2 schließt sich ein konisch zulaufender Lagerungsabschnitt 120-3 an. Auf der geneigten Lagerfläche dieses Abschnitts, der mehrere Unterbereiche mit unterschiedlichen Konuswinkeln aufweisen kann, kann die Düse 12 in einem Düsenmagazin gelagert werden, wenn sie gerade nicht an einem Laserbearbeitungskopf angebracht ist. Unterhalb des Lagerungsabschnitts 120-3 schließt sich ein parallelwandiger Übergangsabschnitt 120-4 an, der in einen wiederum konisch zulaufenden Mündungsabschnitt 120-5 am zweiten Ende des Grundkörpers 120 übergeht.
Innenseitig lässt sich der Grundkörper 120 ebenfalls in Abschnitte einteilen, die durch die Form der Durchgangsöffnung 121 vorgegeben sind. Am zweiten, unteren Ende 120-z ist ein parallelwandiger Reflexionsabschnitt 121-3 ausgebildet. Weiter oben im Grundkörper 120 bildet die Durchgangsöffnung 121 einen trichterförmigen Konvergenzabschnitt 121-2, der in den Reflexionsabschnitt 121-3 mündet. Der Konvergenzabschnitt 121-2 kann sich grundsätzlich vom ersten Ende 120-a des Grundkörpers 120 bis zum Reflexionsabschnitt 121-3 erstrecken (vgl. Fig. 6c). Zusätzlich kann jedoch, wie in den Figuren 5a und 5b dargestellt, ein parallelwandiger Anschlussabschnitt
121-1 vorgesehen sein, der sich zwischen dem ersten Ende des Grundkörpers 120 und dem Konvergenzabschnitt 121-2 erstreckt.
Die Durchgangsöffnung 121 weist einen Eintrittsdurchmesser 121-4 am ersten Ende 120-a des Grundkörpers 120 und einen Austrittsdurchmesser 121-5 am zweiten Ende 120-z des Grundkörpers 120 auf, wobei der Austrittsdurchmesser 121-5 dem Durchmesser der Durchgangsöffnung 121 im Reflexionsabschnitt 121-3 entspricht. Der Durchmesser 121-5 kann vorzugsweise wenigstens 1,4 mm (z.B. zwischen 1,6 mm und 3 mm) betragen, bei einer Länge des Reflexionsabschnitts 121-3 von mindestens 2 mm. Beispielsweise kann der Durchmesser 121-5 zwischen 1,5 mm und 1,6 mm betragen, bei einer Länge des Reflexionsabschnitts von ca. 3,5 mm. Wenn die Innenwand des Grundkörpers 120 in dem Reflexionsbereich 121-3 einen leichten Winkel gegenüber der Düsenlängsachse 12x aufweist, kann der minimale Innendurchmesser des Grundkörpers 120 als Durchmesser 121-5 im Reflexionsabschnitt 121-3 maßgeblich sein.
Der Grundkörper 120 kann insgesamt eine Länge L von 23 mm bis 27 mm, insbesondere von ca. 25,5 mm aufweisen. In dem Übergangsabschnitt 120-4 kann der Grundkörper 120 einen Außendurchmesser 120-8 von wenigstens 8 mm, vorzugsweise von wenigstens 10 mm aufweisen. Ferner kann der Grundkörper 120 bis zu einem Abstand von mindestens 15 mm und höchstens 20 mm von dem zweiten Ende 120-z höchstens eine Dicke von 18 mm aufweisen. In dem Mündungsbereich 120-5 kann der Grundkörper 120 einen Konuswinkel von wenigstens 30° und höchstens 50° gegenüber der Düsenstirnfläche am zweiten Ende 120-z des Grundkörpers 120 aufweisen. Die Düsenstirnfläche kann im Wesentlichen senkrecht zur Düsenlängsachse 12x ausgerichtet sein und einen Außendurchmesser 120-7 aufweisen, der um wenigstens 1 mm, vorzugsweise um wenigstens 3 mm, größer ist als der (Innen)Durchmesser 121-5 im Reflexionsbereich 121-3 der Düse. Der Konvergenzbereich 121-2 im Düseninneren kann vorzugsweise einen Konuswinkel von maximal 50°, vorzugsweise von maximal 40° und eine Länge von wenigstens 4 mm, bevorzugt von wenigstens 6 mm, noch bevorzugter von wenigstens 8 mm aufweisen. In dem Lagerabschnitt 120-3 kann die Außenfläche des Grundkörpers 120 in einem ersten Teilbereich, der an den Eingriffsabschnitt 120-2 grenzt, eine Neigung gegenüber der Düsenlängsachse 12x von beispielsweise 50° aufweisen. In einem zweiten, Teilbereich des Lagerabschnitts 120-3, der an den Übergangsabschnitt 120-4 grenzt, kann die Außenfläche des Grundkörpers um 33,55° gegenüber der Düsenlängsachse 12x geneigt sein.
In den Figuren 6a bis 6c sind weitere erfindungsgemäße Düsen 12 jeweils in einer Schnittdarstellung gezeigt. Die Düse 12 gemäß Figur 6a weist ein Wärmeleitelement 125a auf, welches eine Ringform aufweist und auf der Kühlfläche 123 des Grundkörpers 120 aufgeklebt ist. Die Düse 12 gemäß Figur 6b weist ebenfalls ein Wärmeleitelement 125b auf, welches unmittelbar oberhalb der Kühlfläche 123 an dem Grundkörper 125b festgeklemmt ist. Die Wärmeleitelemente können beispielsweise aus Graphit bestehen und dienen der verbesserten Wärmeabfuhr im Betrieb der Düse 12 von der Kühlfläche 123 in eine anliegende Fläche eines Düsenhalters. Die Düse 12 gemäß Figur 6c weist wenigstens zwei Kühlkanäle 126 auf. Die Kühlkanäle 126 können im Betrieb der Düse mit einem Kühlfluid, insbesondere mit Wasser, beaufschlagt werden, wobei die Düse 12 und zusätzlich das zu bearbeitende Werkstück, auf welches das Kühlfluid durch die Kühlkanäle gerichtet wird, aktiv gekühlt werden. Figur 7 zeigt eine Strahlbearbeitungsmaschine 62, hier in Form einer Laserschneidanlage. Die in Figur 7 dargestellte Laserschneidanlage 62 weist exemplarisch einen CO2-Laser als Strahlquelle 64 auf. Alternativ kann die Strahlquelle beispielsweise ein Festkörperlaser oder ein Diodenlaser sein. Die Laserschneidmaschine 62 weist weiter einen verfahrbaren Bearbeitungskopf 10 (vergleiche Figur 1) und eine (feststehende) Werkstückauflage 66 auf, auf der ein Werkstück 68 angeordnet ist. In der Strahlquelle 64 wird ein Laserstrahl 70 erzeugt, der von der Strahlquelle 64 zum Bearbeitungskopf 10 geführt wird. Der Laserstrahl 70 wird mittels einer im Bearbeitungskopf 10 angeordneten Fokussieroptik auf das Werkstück 68 gerichtet.
Die Laserschneidanlage 62 ist an eine Gasversorgungseinrichtung 72 angeschlossen. Die Gasversorgungseinrichtung 72 stellt einerseits das Prozessgas, hier das Schneidgas, zur Verfügung. Das Prozessgas kann beispielsweise Stickstoff oder Sauerstoff sein. Insbesondere bei einem Brennschneidprozess kann das Prozessgas, in dem Fall Sauerstoff, der Düse 12 des Bearbeitungskopfs 10 mit einem Überdruck zwischen etwa 0,4 bar und 1,2 bar zugeführt werden.
Die Gasversorgungseinrichtung 72 stellt andererseits das Kühlgas für das Kühlelement 20 zur Verfügung. Das Kühlgas kann beispielsweise Stickstoff oder Druckluft sein.
Die Laserschneidanlage 62 weist ferner eine Maschinensteuerung 74 auf, die programmiert ist, den Bearbeitungskopf 10 entsprechend einer Schneidkontur relativ zum, hier beispielhaft ruhenden, Werkstück 68 zu verfahren. Die Maschinensteuerung 74 steuert auch die Leistung der Strahlquelle 64, beispielsweise zur Durchführung eines Brennschneidprozesses.

Claims

Patentansprüche
1. Düse (12) zur Verwendung in einer Laserbearbeitungsanlage, die Düse (12) umfassend:
Einen Grundkörper (120) mit einer Durchgangsöffnung (121), die sich entlang einer Düsenlängsachse (12x) von einem ersten Ende (120-a) zu einem zweiten Ende (120-z) des Grundkörpers (120) durch den Grundkörper (120) hindurch erstreckt;
Wobei die Durchgangsöffnung (121) im Bereich des ersten Endes (120-a) einen ersten Durchmesser (121-4) aufweist;
Wobei die Durchgangsöffnung (121) im Bereich des zweiten Endes (120-z) einen parallelwandigen Reflexionsabschnitt (121-3) an der Innenseite des Grundkörpers (120) bildet, der eine Länge von wenigstens 2 mm aufweist, wobei die Durchgangsöffnung (121) in dem Reflexionsabschnitt (121-3) einen minimalen, zweiten Durchmesser (121-5) aufweist, der geringer ist als der erste Durchmesser (121-4);
Wobei der Grundkörper (120) an dem ersten Ende (120-a) einen Kopplungsabschnitt (120-1) aufweist; und
Wobei der Grundkörper (120) an seinem Außenumfang angrenzend an den Kopplungsabschnitt (120-1) eine Stufe aufweist, die sich in radialer Richtung um die Durchgangsöffnung (121) erstreckt und die eine umlaufende Kühlfläche (123) bildet, welche im Wesentlichen senkrecht zur Düsenlängsachse (12x) ausgerichtet ist.
2. Düse (12) nach Anspruch 1, wobei der zweite Durchmesser (121-5) wenigstens 1,4 mm, vorzugsweise wenigstens 1,6 mm beträgt.
3. Düse (12) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Länge des Reflexionsabschnitts (121-3) höchstens 10 mm, vorzugsweise höchstens 7,5 mm beträgt.
4. Düse (12) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Kühlfläche (123) eine Breite von wenigstens 4 mm aufweist.
5. Düse (12) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Grundkörper (120) in einem Bereich zwischen der Kühlfläche (123) und dem zweiten Ende (120-z) eine Dicke aufweist, die wenigstens 2 mm, vorzugsweise wenigstens 3 mm beträgt.
6. Düse (12) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Grundkörper (120) in dem Kopplungsabschnitt (120-1) ein Gewinde aufweist; und wobei der Grundkörper (120) am Übergang zwischen dem Kopplungsabschnitt (120-1) und der Stufe eine Fase (124) aufweist, die eine Anschlagfläche beim Einschrauben der Düse (12) in einen Düsenhalter (20) eines Laserbearbeitungskopfes (10) bildet.
7. Düse (12) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Grundkörper (120) aus einem Material aufgebaut ist, das eine hohe Wärmeleitfähigkeit aufweist, insbesondere aus Kupfer oder einer Kupferlegierung.
8. Düse (12) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Grundkörper (120) an seiner Innenfläche im Bereich des Reflexionsabschnitts (121-3) eine Oberflächenrauheit von höchstens Rz 10, bevorzugt höchstens Rz 8, noch bevorzugter höchstens Rz 6 aufweist.
9. Düse (12) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Grundkörper (120) eine Außenkontur aufweist, welche sich ausgehend von dem ersten Ende (120-a) nach dem Kopplungsabschnitt (120-1) in die folgenden Abschnitte unterteilen lässt: einen Eingriffsabschnitt (120-2), der sich ausgehend von der Stufe in Richtung des zweiten Endes (120-z) erstreckt, wobei der Grundkörper (120) in dem Eingriffsabschnitt (120-2) seinen größten Außendurchmesser aufweist und/oder wobei der Grundkörper (120) in dem Eingriffsabschnitt (120-2) einen polygonalen Querschnitt aufweist; einen Lagerungsabschnitt (120-3), in dem sich der Außendurchmesser des Grundkörpers (120) vorzugsweise stetig verjüngt; einen parallelwandigen, vorzugsweise zylinderförmigen Übergangsabschnitt (120-4), wobei der Übergangsabschnitt (120-4) eine Länge aufweist, die mindestens so groß ist wie die Länge des Reflexionsabschnitts (121-3) der Durchgangsöffnung (121) und wobei der Durchmesser des Grundkörpers (120) in dem Übergangsabschnitt (120-4) wenigstens 8 mm, vorzugsweise wenigstens 10 mm, beträgt; und einen Mündungsabschnitt (120-5), in dem sich der Durchmesser des Grundkörpers (120) ausgehend von dem Übergangsabschnitt (120-4) bis zum zweiten Ende (120-z) des Grundkörpers (120) hin verjüngt.
10. Düse (12) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Grundkörper (120) eine durch die Durchgangsöffnung (121) gebildete Innenkontur aufweist, die neben dem Reflexionsabschnitt (121-3) am zweiten Ende (120-z) des Grundkörpers (120) ferner einen trichterförmigen Konvergenzabschnitt (121-2) umfasst, der in dem Reflexionsabschnitt (121-3) mündet; wobei der Grundkörper (120) an seinem von dem Reflexionsabschnitt (121- 3) entfernten Ende des Konvergenzabschnitts (121-2) einen maximalen Innendurchmesser aufweist; wobei die Innenfläche des Grundkörpers (120) in dem Konvergenzabschnitt (121-2) einen, vorzugsweise konstanten, Neigungswinkel von höchstens 50°, vorzugsweise höchstens 40°, gegenüber der Düsenlängsachse (12x) aufweist; und/oder wobei der Konvergenzabschnitt (121-2) eine Länge aufweist, die größer ist als die Länge des Reflexionsabschnitts (121-3).
11. Düse (12) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, die Düse (12) ferner umfassend: Ein Wärmeleitelement (125a, 125b), das aus einem nachgiebigen Material besteht und das an der Kühlfläche (123) des Grundkörpers (120) anbringbar ist.
12. Düse (12) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Grundkörper (120) ferner wenigstens zwei Kühlkanäle (126) aufweist, die vorzugsweise in gleichmäßigen Abständen entlang des Umfangs des Grundkörpers (120) um die Düsenlängsachse (12x) herum angeordnet sind; wobei sich jeder der Kühlkanäle (126) ausgehend von der Kühlfläche (123) der Stufe durch den Eingriffsabschnitt (120-2) hindurch erstrecken und an dem Lagerungsabschnitt (120-3) münden.
13. Laserbearbeitungsanlage (62) zur Bearbeitung eines Werkstücks (68) mittels eines Laserstrahls (B), die Laserbearbeitungsanlage (62) umfassend:
Wenigstens eine Laserstrahlquelle (64) zur Erzeugung eines Bearbeitungslaserstrahls (B);
Wenigstens einen Laserbearbeitungskopf (10) mit einer Laserbearbeitungsoptik, einem Düsenhalter (20) und einer Düse (12) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche;
Wobei der Laserbearbeitungsstrahl (B) mittels der Laserbearbeitungsoptik fokussierbar und durch den Düsenhalter (20) und die Düse (12) hindurch auf das zu bearbeitende Werkstück (68) richtbar ist.
14. Laserbearbeitungsanlage (62) nach Anspruch 12, wobei der Düsenhalter (20) eine Kühleinrichtung umfasst.
15. Verfahren zum Laserbearbeiten eines Werkstücks (68) mittels einer Laserbearbeitungsanlage (62), die eine Düse (12) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 12 aufweist,
Wobei ein Laserstrahl (B) durch die den Grundkörper (120) der Düse hindurch auf ein zu bearbeitendes Werkstück (68) gerichtet wird; und
Wobei ein Fokus des Laserstrahls (B) innerhalb des Grundkörpers (120) und oberhalb des Reflexionsabschnitts (121-3) liegt, sodass Teile des divergierenden Laserstrahls (B) innerhalb des Reflexionsabschnitts (121-3) an der Innenwand des Grundkörpers (120) reflektiert werden.
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