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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum laserunterstützten Plasmaschneiden bzw. Plasmaschweißen.
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Beim Plasmaschneiden oder -schweißen brennt zwischen einer Kathode und einer Anode ein Lichtbogen. Durch Stoßionisation entsteht hierbei ein heißes Plasma bzw. ein Plasmastrahl eines Plasmagases mit einer Temperatur von mehr als 20000 K. Beim Plasmaschneiden oder -schweißen von metallischen Werkstücken ist die Kathode typischer Weise in einem Bearbeitungskopf angeordnet, während das zu bearbeitende elektrisch leitende Werkstück die Anode bildet.
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Durch die üblicherweise eingesetzte spitze Form der Kathode und die sich dadurch ergebende Dichteverteilung der elektrischen Feldlinien ist auf der kürzesten Verbindungslinie zwischen Kathode und Anode, welche der Mittenachse des Plasmastrahls entspricht, sowie in dem an die Mittenachse angrenzenden Zentralbereich der Plasmafackel bzw. des Plasmastrahls die Stoßrate der geladenen Teilchen im Plasma besonders hoch. Die hohe Stoßrate führt zu einer hohen Temperatur und hohen elektrischen Leitfähigkeit des Plasmas. Dieser Zentralbereich der Plasmafackel ist aufgrund der gesteigerten Leitfähigkeit stark eingeschnürt und in seiner Form stabil. Mit zunehmender radialer Entfernung vom Zentralbereich wird die Stoßrate der geladenen Teilchen deutlich geringer und die Temperatur, Dichte und elektrische Leitfähigkeit der Plasmafackel nehmen ab. Dies führt zu Fluktuationen und zu einer Aufweitung des Plasmastrahls. Diese Instabilität und Aufweitung des Randbereichs des Plasmastrahls erzeugt ein unregelmäßiges und damit schlechtes Schnittergebnis beim Plasmaschneiden. Beim Plasmaschweißen wird die Schweißnaht verbreitert, sodass eine geringere Tiefe erreicht werden kann und ein größerer Wärmeverzug entsteht.
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Um einen Plasmastrahl zu führen, einzuschnüren und zu stabilisieren, sind verschiedene Ansätze bekannt:
Aus der
DE 10 2009 006 132 B4 ist es bekannt, durch eine gezielte Abkühlung des Plasmastrahls mit Hilfe einer wassergekühlten Düse dem Plasma am Kathodenfußpunkt Energie zu entziehen. Durch das Zuführen und/oder Abführen von Kühlflüssigkeit im rechten Winkel zur Längsachse des Plasmabrennerkopfes wird dort ein deutlich längerer Kontakt der Kühlflüssigkeit mit der Düse erzeugt. Hierdurch schnürt sich der Plasmastrahl am Kathodenfußpunkt ein.
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In der
JP 60148670 A ist ein Verfahren zum laserunterstützten Hochgeschwindigkeits-Plasmaschweißen beschrieben, bei dem ein Laserstrahl über die gesamte Länge der Dickenrichtung der Frontfläche eines beim Schweißen gebildeten Keyholes unter einem Winkel zur Werkstückoberfläche eingestrahlt werden kann. Um dies zu erreichen, wird ein Laseroszillator zur Erzeugung des Laserstrahls geeignet angesteuert.
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In der
EP 1 179 382 A2 ist ein koaxialer Laserbearbeitungskopf beschrieben, bei dem ein Laserstrahl in zwei Teilstrahlen aufgeteilt wird, die jeweils unter einem Winkel auf einen zu schweißenden Bereich am Werkstück ausgerichtet werden. In einem zwischen den beiden Teilstrahlen gebildeten Raumbereich ist koaxial zu den Teilstrahlen eine Elektrode angeordnet.
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Aus der
DE 10 2010 005 617 A1 ist es bekannt, einen durch den Plasmabrenner fließenden Strom zumindest während eines zeitlichen Teilabschnitts des Plasmaschneidvorgangs gezielt bzw. gesteuert zum Pulsieren zu bringen. Unter anderem wird dort auch vorgeschlagen, das Plasmagas und/oder ein Sekundärgas durch speziell geformte Düsen des Bearbeitungskopfs in eine rotierende Strömung zu versetzen.
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Aus der
WO2000064618A2 ist es bekannt, beim Plasmaschweißen einen Plasmastrahl und einen Laserstrahl zu überlagern, um den Plasmastrahl zu zünden und entlang der Laserstrahlrichtung zu führen. Der Laserstrahl dient dazu, im Plasmagas enthaltene Moleküle zu Vibrationen anzuregen und so einen Strahlweg für den Plasmastrahl vorzugeben.
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Aus der
WO2011029462A1 sind eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Bearbeiten von Werkstücken mit einer Lichtbogeneinrichtung und einer Lasereinrichtung bekannt geworden, bei denen ein Laserstrahl innerhalb des Plasmagasstrahls geführt ist, wobei der Laserstrahl in dem Plasmagasstrahl einen Kanal zur Erhöhung der Leitfähigkeit des Plasmagasstrahls ausbildet. Die Elektrode der Lichtbogeneinrichtung kann als Ringelektrode ausgebildet sein und der Laserstrahl kann innerhalb der zentralen Öffnung der Ringelektrode verlaufen. Alternativ kann einer oder es können mehrere Laserstrahlen von außen an den Plasmagasstrahl unmittelbar vor der Bearbeitungsstelle angrenzend und diesen schneidend zur Bearbeitungsstelle geführt sein.
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Aus der
DE19944469A1 ist eine Vorrichtung zum Hybridschweißen bekannt, bei welcher zumindest ein fokussierter (alternativ ggf. auch defokussierter) Laserstrahl auf das zu bearbeitende Werkstück gleitet wird und ein elektrischer Lichtbogen zwischen einer Elektrode und dem Werkstück erzeugt wird, wobei die Achse des Lichtbogens konzentrisch zur Laserstrahlung ausgerichtet ist. Der Laserstrahl und der Lichtbogen treffen im Wesentlichen auf dieselbe Stelle am Werkstück (Bearbeitungsstelle) auf und beeinflussen oder unterstützen sich gegenseitig.
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Aufgabe der Erfindung
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Der vorliegenden Erfindung stellt sich die Aufgabe, ein Verfahren und eine Vorrichtung zum laserunterstützten Plasmaschneiden oder -schweißen bereitzustellen, welche eine verbesserte Stabilisierung und Führung des Plasmastrahls ermöglichen.
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Gegenstand der Erfindung
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Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren zum laserunterstützten Plasmaschneiden oder Plasmaschweißen eines typischer Weise plattenförmigen Werkstücks, umfassend die Schritte: Erzeugen eines Plasmastrahls, der sich zwischen einer Elektrode und einer Bearbeitungsstelle an dem Werkstück erstreckt, wobei der Plasmastrahl einen bezüglich seiner in Ausbreitungsrichtung verlaufenden Mittenachse (radial) innen liegenden Zentralbereich sowie einen (radial) außen liegenden im Wesentlichen ringförmigen Randbereich aufweist; sowie Zuführen von Laserstrahlung, insbesondere von kollimierter Laserstrahlung oder von Laserstrahlung mit einer langen Rayleighlänge, in den Randbereich des Plasmastrahls, wobei die zugeführte Laserstrahlung parallel zur Mittenachse des Plasmastrahls verläuft.
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Ein wesentlicher Aspekt der Erfindung ist es, durch die Laserstrahlung nicht die gesamte Plasmafackel bzw. den gesamten Plasmagasstrahl koaxial zu beleuchten, sondern die Intensität der zugeführten Laserstrahlung auf den Randbereich des Plasmastrahls zu konzentrieren, so dass nur ein vernachlässigbar kleiner Anteil der Intensität der Laserstrahlung dem Zentralbereich zugeführt wird. Hierbei wird typischer Weise kollimierte Laserstrahlung oder Laserstrahlung mit einer langen Rayleighlänge eingesetzt, um zu erreichen, dass die Laserstrahlung (im Wesentlichen) parallel zur Mittenachse des Plasmastrahls ausgerichtet ist und entlang des Plasmastrahls eine gleichbleibende Strahlform aufweist. Typischer Weise wird die Laserstrahlung dem Plasmastrahl an dessen dem Werkstück abgewandten Ende (d. h. im Bereich der Elektrode) zugeführt, um auf diese Weise über die gesamte Länge des Plasmastrahls eine gleichbleibende Strahlführung zu erreichen. Dies ist insbesondere beim Plasmaschneiden günstig, da dort vor allem dicke Bleche (10 mm–180 mm) bearbeitetet werden und eine Schnittkante mit möglichst geringer Kantenschräge erzielt werden soll, so dass die zugeführte Laserstrahlung beim Durchtritt durch das Werkstück möglichst parallel zur Mittenachse verlaufen sollte. Um dies zu erreichen kann kollimierte Laserstrahlung verwendet werden, es aber auch möglich, geringfügig fokussierte bzw. defokussierte Laserstrahlung zu verwenden, die eine Rayleigh-Länge aufweist, die so groß ist, dass die Laserstrahlung beim Durchtritt durch das Werkstück (annähernd) parallel zur Mittenachse verläuft. Um dies zu gewährleisten sollte die Rayleigh-Länge der verwendeten Laserstrahlung mindestens so groß sein wie die Dicke des bearbeiteten Werkstücks.
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Die Erfinder haben erkannt, dass dem Zentralbereich des Plasmastrahls zugeführte Laserstrahlung aufgrund der ohnehin hohen Stoßrate keinen oder nur sehr wenig Einfluss auf dessen energetischen Zustand hat. Im radial außen liegenden Randbereich des Plasmastrahls, der eine geringere Plasmadichte aufweist, kann die Laserstrahlung dagegen gezielt und effektiv eingesetzt werden. Die Laserstrahlung wirkt somit genau auf den Bereich des Plasmastrahls, der für die verminderte Schnittqualität bzw. Schweißtiefe verantwortlich ist. Die Einwirkung der Laserstrahlung führt typischer Weise im Randbereich des Plasmastrahls durch den optogalvanischen Effekt zu einer erhöhten Ionisation des Plasmagases, wodurch sich die Temperatur, Dichte und die elektrische Leitfähigkeit im bestrahlten Plasmabereich erhöht. Dies stabilisiert und schnürt den Plasmastrahl gezielt in dem Randbereich ein und ermöglicht es, den Plasmastrahl über seine gesamte Länge zu führen.
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Bei einer Variante des Verfahrens wird eine Wellenlänge der Laserstrahlung derart gewählt, dass ein zum Erzeugen des Plasmastrahls genutztes Plasmagas von der Laserstrahlung (elektronisch) angeregt wird. Die Wellenlänge des eingesetzten Lasers bzw. der Laserstrahlung sollte so gewählt sein, dass im Plasmagas eine elektronische Anregung erfolgt, welche zum optogalvanischen Effekt führt. Da Argon ein häufig verwendetes Plasmagas ist, können beispielsweise mit Hilfe eines Diodenlasers mit einer Wellenlänge von 800 nm–900 nm Argon-Ionen angeregt werden. Alternativ ist es auch möglich, Argon-Atome direkt zu ionisieren bzw. anzuregen. Dazu werden kurze Wellenlängen von 200 nm–500 nm benötigt, die beispielsweise durch frequenzverdoppelte oder frequenzverdreifachte Festkörperlaser erzeugt werden können. Es versteht sich, dass bei der Verwendung von anderen Plasmagasen als Argon die Wellenlänge der Laserstrahlung geeignet angepasst werden sollte.
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Bei einer Variante weist die dem Plasmastrahl zugeführte Laserstrahlung eine Leistung von weniger als 1000 Watt, bevorzugt von weniger als 500 Watt auf. Der Laserstrahl bzw. die Laserstrahlung weist typischer Weise nicht genug Energie bzw. Leistung auf, um selbst zur Werkstückbearbeitung beizutragen, sondern dient ausschließlich dazu, den optogalvanischen Effekt im Randbereich des Plasmas anzuregen. Die zur Stabilisierung des Plasmastrahls benötigte Laserleistung ist von der Länge der Plasmafackel bzw. des Plasmastrahls und damit von der zu schneidenden bzw. zu schweißenden Werkstück- bzw. Blechdicke abhängig. Des Weiteren hängt die Leistung aufgrund des Bouguer-Lambert-Beer'schen Absorptionsgesetzes von der Ionendichte und dem Wirkungsquerschnitt des jeweils elektrisch anzuregenden Ions bzw. Moleküls des Plasmagases bei der Laserwellenlänge ab. Einige hundert Watt Laserleistung sind für die Stabilisierung typischer Weise ausreichend. Beispielsweise kann die dem Plasmastrahl zugeführte Laserleistung zwischen ca. 100 W und ca. 500 W liegen.
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Bei einer vorteilhaften Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens erfolgt das Erzeugen des Plasmastrahls mit Hilfe einer stabförmigen Elektrode, typischer Weise einer Spitzelektrode. Durch die Verwendung einer solchen Elektrode kann die Anregung des optogalvanischen Effekts im Randbereich des Plasmastrahls ohne einen komplexen Bearbeitungskopf mit koaxialer Führung des Laserstrahls innerhalb der Ringkathode erfolgen. Eine Spitzelektrode kann zudem aufgrund ihrer Geometrie eine hohe Feldstärke bei geringerer elektrischer Spannung erzeugen als eine Koaxial-Kathode, was energetisch von großem Vorteil ist.
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Für die Zuführung der Laserstrahlung zu dem Plasmastrahl kann insbesondere bei der Verwendung einer stabförmigen Elektrode die Laserstrahlung an mindestens einer seitlich zur Mittenachse versetzten Umlenkeinrichtung in einer Richtung parallel zur Mittenachse des Plasmastrahls umgelenkt werden. Der Betrag des seitlichen Versatzes der Umlenkeinrichtung zur Mittenachse der stabförmigen Elektrode, welche der Mittenachse des Plasmastrahls entspricht, genauer gesagt der Abstand zwischen der Mittenachse und der Stelle, an welcher die Laserstrahlung bei einer 90°-Umlenkung auf die Umlenkeinrichtung auftrifft, entspricht hierbei typischer Weise dem (mittleren) Radius des im Wesentlichen ringförmigen Randbereichs des Plasmastrahls.
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Die Umlenkeinrichtung kann beispielsweise als Umlenkspiegel oder ggf. als verspiegelter Teilbereich einer Elektroden-Halterung ausgebildet sein und kann eine plane oder ggf. eine gekrümmte, z. B. kegelstumpfartige Spiegelfläche aufweisen. Es versteht sich, dass an der Umlenkeinrichtung nicht zwingend eine 90°-Umlenkung der Laserstrahlung erfolgen muss, sondern dass ggf. auch ein größerer oder ein kleinerer Umlenk-Winkel verwendet werden kann, um die Laserstrahlung parallel zur Mittenachse auszurichten.
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Bei einer weiteren Variante wird die Laserstrahlung dem Plasmastrahl durch einen Gaszuführungsraum einer Gasdüse zum Aufbringen eines Plasmagases auf das Werkstück zugeführt. Bei dieser Variante verläuft die Laserstrahlung in dem typischer Weise ringförmigen Gaszuführungsraum parallel zur Mittenachse der Gasdüse, welche in der Regel der Mittenachse der Elektrode entspricht, so dass auf eine Umlenkeinrichtung im Bereich der Gasdüse des Plasma-Bearbeitungskopfs verzichtet werden kann, die ggf. eine Störkontur für den Fluss des Plasmagases zum Werkstück bildet.
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Bei einer weiteren Variante weist die dem Plasmastrahl zugeführte Laserstrahlung eine ringförmige, rotationssymmetrische oder nicht rotationsymmetrische Intensitätsverteilung auf. Die Einwirkung der Laserstrahlung kann im einfachsten Fall ringförmig im gesamten Randbereich des Plasmastrahls erfolgen. Alternativ ist auch eine nicht-rotationssymmetrische Intensitätsverteilung der Laserstrahlung möglich. Die Intensitätsverteilung der Laserstrahlung kann beispielsweise beim Schneiden so ausgebildet werden, dass die Laserstrahlung nur an der Schnittfront sowie auf der Seite des Gutteils wirkt, da die Schnittqualität auf der Seite des Restgitters, welches typischer Weise als Abfall entsorgt wird, ohne Bedeutung ist.
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Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum laserunterstützten Plasmaschneiden und/oder Plasmaschweißen eines Werkstücks, umfassend: eine Plasmaerzeugungseinrichtung, welche ausgebildet ist, einen Plasmastrahl zu erzeugen, der sich zwischen einer Elektrode der Plasmaerzeugungseinrichtung und einer Bearbeitungsstelle an dem Werkstück erstreckt, wobei der Plasmastrahl einen bezüglich seiner in Ausbreitungsrichtung verlaufenden (radial) innen liegenden Zentralbereich sowie einen (radial) außen liegenden, im Wesentlichen ringförmigen Randbereich aufweist, sowie eine Strahlzuführungseinrichtung zur Zuführung von (kollimierter) Laserstrahlung (oder Strahlung mit hoher Rayleighlänge) in den Randbereich des Plasmastrahls, wobei die dem Randbereich zugeführte Laserstrahlung parallel zur Mittenachse verläuft. Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung wird entsprechend dem erfindungsgemäßen Verfahren die dem Randbereich zugeführte Laserstrahlung genutzt, um den Plasmastrahl zu stabilisieren und das Schneid- oder Schweißergebnis zu verbessern. Die Vorrichtung kann wahlweise zum Plasmaschneiden oder zum Plasmaschweißen verwendet werden, je nachdem, wie die Parameter zur Erzeugung des Plasmas bzw. der Druck der verwendeten Gase gewählt werden.
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Bei einer Ausführungsform umfasst die Vorrichtung mindestens eine Laserquelle zur Erzeugung von Laserstrahlung. Bei der Laserquelle kann es sich beispielsweise um einen Diodenlaser oder um einen Festkörperlaser handeln. Bei der Wahl einer geeigneten Laserquelle kommt es insbesondere auf die spektralen Eigenschaften (Zentralwellenlänge und Linienbreite) aber auch auf die Qualität der erzeugten Wellenfront an, da eine optimale Kollimation einer ebenen Wellenfront entspricht und damit eine besonders gute Stabilisierung und Einschnürung des Plasmastrahls ermöglicht.
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Bei einer Weiterbildung ist die Laserquelle ausgebildet, Laserstrahlung bei einer Wellenlänge zu erzeugen, die zur Anregung des zur Erzeugung des Plasmastrahls genutzten Plasmagases geeignet ist. Die spektralen Übergänge von Plasmagasen können Datenbanken entnommen werden, beispielsweise der unter „www.nist.gov/pml/data/asd.cfm” abrufbaren Datenbank. Als Plasmagas werden häufig Argon bzw. Argon-Wasserstoff-Gemische verwendet, es können aber auch andere Gase, z. B. Stickstoff, Sauerstoff oder Wasserstoff und deren Gemische als Plasmagase genutzt werden, auch Luft ist in seltenen Fällen möglich.
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Die Leistung des Lasers zur Erzeugung der Laserstrahlung sollte nicht mehr als 1 kW, typischer Weise nicht mehr als 500 W betragen. Die für die Stabilisierung bzw. das Einschnüren des Plasmastrahls erforderliche Laserleistung ist vergleichsweise klein und liegt unter der Laserleistung, die erforderlich wäre, um eine schneidende oder schweißende Bearbeitung an dem Werkstück zu bewirken. Bei der oben angegebenen maximalen Leistung der Laserquelle wird davon ausgegangen, dass nur eine einzige Laserquelle vorhanden ist, deren Laserleistung im Wesentlichen verlustfrei dem Randbereich des Plasmastrahls zugeführt wird. Wird mehr als eine Laserquelle zur Zuführung von Laserstrahlung in den Randbereich des Plasmastrahls verwendet, kann die maximale Laserleistung einer jeweiligen Laserquelle entsprechend reduziert werden.
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Bei einer weiteren Ausführungsform ist die Elektrode stabförmig ausgebildet, typischer Weise mit einem spitz zulaufenden Ende, an dem die Feldstärke beim Anlegen einer Spannung zwischen der Elektrode und dem zu bearbeitenden Werkstück besonders hoch ist. Wie weiter oben dargestellt wurde, ermöglicht die Verwendung einer stabförmigen Elektrode die Verwendung eines Plasmabearbeitungskopfs mit gegenüber einer ringförmigen Elektrode stark vereinfachter Bauform. Es versteht sich aber, dass die erfindungsgemäße Vorrichtung ggf. auch eine ringförmige Elektrode aufweisen kann.
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Bei einer Ausführungsform weist die Vorrichtung mindestens eine seitlich zur Mittenachse versetzte Umlenkeinrichtung auf, um die Laserstrahlung in eine Richtung parallel zur Mittenachse des Plasmastrahls umzulenken. Die Umlenkeinrichtung(en) kann/können beispielsweise als von der Elektrode beabstandeter Umlenkspiegel ausgebildet sein.
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In einer vorteilhaften Weiterbildung ist die Umlenkeinrichtung an einem gekühlten Halter der Elektrode gebildet. Der Halter kann zur Kühlung mit Hilfe eines Kühlfluids, beispielsweise Wasser, einen oder mehrere Kühlkanäle aufweisen. Die Umlenkeinrichtung kann insbesondere an einem z. B. kegelstumpfartigen Abschnitt des Halters gebildet sein, der in die Elektrode übergeht bzw. an dem die Elektrode angebracht ist. Zur Erhöhung der Reflektivität kann der typischer Weise metallische Halter ggf. im Bereich der Strahlumlenkung mit einer reflektierenden Beschichtung versehen werden. Die Umlenkung am Halter vorzunehmen ist günstiger als die Umlenkung an der Elektrode selbst, da diese in der Regel nicht direkt gekühlt wird und eine sehr hohe Temperatur aufweist, was zu einer Ausdehnung des metallischen Materials der Elektrode sowie zu lokalen Deformationen führen kann, die für eine gezielte Umlenkung von Laserstrahlung in den Randbereich des Plasmastrahls ungünstig ist.
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Bei einer weiteren Ausführungsform ist die Strahlzuführungseinrichtung ausgebildet, die Laserstrahlung dem Plasmastrahl durch einen Gaszuführungsraum einer Gasdüse zum Aufbringen eines Plasmagases auf das Werkstück zuzuführen, so dass auf eine Umlenkung der Laserstrahlung im Bereich der Elektrode verzichtet werden kann.
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Bei einer weiteren Ausführungsform ist die Strahlzuführungseinrichtung zur Erzeugung von Laserstrahlung, insbesondere von kollimierter Laserstrahlung bzw. von Laserstrahlung mit einer großen Rayleighlänge, mit einer ringförmigen, rotationssymmetrischen oder nicht rotationssymmetrischen Intensitätsverteilung ausgebildet. Die Strahlzuführungseinrichtung weist in diesem Fall typischer Weise eines oder mehrere optische Elemente auf, an dem bzw. an denen ein typischer Weise divergenter, ggf. auch konvergenter Laserstrahl (annährend) kollimiert wird. Die ringförmige Intensitätsverteilung ist im einfachsten Fall rotationssymmetrisch, es ist aber auch möglich, nur in einem oder mehreren begrenzten Winkelbereichen eine hohe Strahlungsintensität zu erzeugen. Es versteht sich, dass der (mittlere) Radius der ringförmigen Intensitätsverteilung im Wesentlichen dem (mittleren) Radius des ringförmigen Randbereichs des Plasmastrahls entspricht. Die ringförmige Intensitätsverteilung kann durch eine zentral angeordnete kreisförmige Blende erzeugt werden, günstiger ist es aber, wenn die ringförmige Intensitätsverteilung im Wesentlichen ohne Intensitätsverlust erzeugt werden kann.
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Bei einer Weiterbildung weist die Strahlzuführungseinrichtung ein Axicon auf, welches mindestens eine kegelartige Linsenfläche aufweist, um aus einem typischer Weise divergenten Laserstrahl eine ringförmige, in der Regel kollimierte Intensitätsverteilung zu erzeugen, ohne dass hierbei ein nennenswerter Intensitätsverlust der Laserstrahlung auftritt.
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Bei einer weiteren Weiterbildung weist die Strahlzuführungseinrichtung ein diffraktives optisches Element auf. Mit Hilfe eines diffraktiven optischen Elements können Beugungsordnungen der Laserstrahlung genutzt werden, um eine Formung einer auf das diffraktive optische Element auftreffenden, typischer Weise divergenten Intensitätsverteilung in eine nahezu beliebig geformte austrittsseitige Intensitätsverteilung vorzunehmen. Ein diffraktives optisches Element kann somit genutzt werden, um eine ringförmige, rotationssymmetrische oder nicht rotationssymmetrische Intensitätsverteilung zu erzeugen. Letztere kann beispielsweise genutzt werden, um eine Stabilisierung des Plasmastrahls beim Plasmaschneiden nur auf einer Seite der Schneidfront zu erzeugen, an der ein Gutteil gebildet wird, bei dem eine hohe Schnittqualität der Schneidkante erforderlich ist.
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Bei einer weiteren Ausführungsform weist die Strahlzuführungseinrichtung eine Mehrzahl von ringförmig um die Mittenachse angeordneten Lichtleitfasern auf, die typischer Weise parallel zur Mittenachse ausgerichtet sind und denen jeweils eine Mikrolinse zur Kollimation von austretender Laserstrahlung zugeordnet ist. Letzteres ist erforderlich, da die an einem dem Werkstück zugewandten Faserende einer jeweiligen (Glas-)faser austretende Laserstrahlung in der Regel divergent austritt und daher (annähernd) kollimiert werden muss. Die Mikrolinsen können in einem vorgegebenen Abstand vom jeweiligen Faserende angeordnet werden oder es kann ein jeweiliges Faserende mit einer Mikrolinse versehen werden, indem dieses aufgeschmolzen wird, so dass das Faserende selbst als Mikrolinse wirkt (auch als „lensed silica fiber” bezeichnet).
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Weitere Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und der Zeichnung.
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Es zeigen:
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1a, b schematische Darstellungen eines Plasmastrahls zur Werkstückbearbeitung ohne Stabilisierung (1a) sowie mit einer Stabilisierung und Einschnürung durch kollimierte, in einem Randbereich des Plasmastrahls verlaufende Laserstrahlung (1b),
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2 eine schematische Darstellung einer Ausführungsform einer Vorrichtung zum laserunterstützten Plasmaschneiden bzw. -schweißen mit einer Strahlzuführungseinrichtung mit einem Axicon zur Erzeugung eines Laserstrahls mit einer ringförmigen Intensitätsverteilung,
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3 eine Strahlformungseinrichtung mit einer Kollimationslinse und einer kreisförmigen Blende zur Erzeugung einer ringförmigen Intensitätsverteilung,
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4 eine weitere Strahlformungseinrichtung mit einem diffraktiven optischen Element zur Erzeugung einer ringförmigen Intensitätsverteilung,
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5a, b eine Mehrzahl von ringförmig um die Mittenachse einer Elektrode angeordneten Lichtleitfasern in einer Seitenansicht sowie einer Draufsicht,
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6a, b eine der Lichtleitfasern von 5a, b mit einer von einem Faserende beabstandeten Mikrolinse (6a) bzw. einer an einem Faserende gebildeten Mikrolinse (6b),
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7 eine weitere Ausführungsform einer Vorrichtung zum laserunterstützten Plasmaschneiden bzw. -schweißen mit zwei Umlenkspiegeln zur Umlenkung von seitlich zugeführter Laserstrahlung in die Ausbreitungsrichtung des Plasmastrahls,
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8 einen einzelnen Umlenkspiegel zur Umlenkung von Laserstrahlung in die Ausbreitungsrichtung des Plasmastrahls, sowie
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9 eine Elektrode mit einem flüssigkeitsgekühlten Halter, der als Umlenkeinrichtung für Laserstrahlung dient, die dem Halter seitlich zugeführt wird.
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1a zeigt einen Plasmastrahl 1, der zwischen einer als Kathode dienenden Spitzelektrode 2 und einem als Anode dienenden metallischen Werkstück 3 (Blech) verläuft und der dazu dient, das Werkstück 3 in Abhängigkeit vom Anwendungsfall schneidend oder schweißend zu bearbeiten. Der Plasmastrahl 1 weist einen zentralen, radial innen legenden Bereich 4 auf, in dessen Zentrum eine Mittenachse M verläuft, welche die kürzeste Verbindungslinie zwischen der Spitzelektrode 2 und dem Werkstück 3 darstellt und welche der Mittenachse der stabförmigen Elektrode 2 entspricht. In dem Zentralbereich 4 des Plasmastrahls 1 ist die Stoßrate von geladenen (ionisierten) Teilchen 5 eines Plasmagases, im vorliegenden Beispiel Argon, besonders hoch. Die hohe Stoßrate führt zu einer hohen Temperatur und einer hohen elektrischen Leitfähigkeit des Plasmas in dem Zentralbereich 4, der stark eingeschnürt und in seiner Form stabil ist, d. h. das Plasma ist typischer Weise in Wesentlichen im thermodynamischen Gleichgewicht.
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Mit zunehmendem radialen Abstand von der Mittenachse M nimmt die Stoßrate ab, wodurch ein den im Wesentlichen kreisförmigen Zentralbereich 4 umgebender, radial außen liegender (im Wesentlichen ringförmiger) Randbereich 6 des Plasmastrahls 1 eine geringere Stoßrate und dementsprechend eine geringere Temperatur, Dichte, und elektrische Leitfähigkeit aufweist. Dies führt dazu, dass der Plasmastrahl 1 in dem Randbereich 6 aufgeweitet wird und dort Instabilitäten auftreten, die zu einem unregelmäßigen und damit schlechten Schneidergebnis beim Plasmaschneiden und beim Plasmaschweißen zu einer Verbreiterung der Schweißnaht führen können.
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1b zeigt den Plasmastrahl 1 von 1a, bei dem zusätzlich in den radial außen liegenden Randbereich 6 parallel zur Mittenachse M des Plasmastrahls 1 (d. h. senkrecht zum Werkstück 3) verlaufende, kollimierte Laserstrahlung 7 zugeführt wird. Die dem Randbereich 6 zugeführte Laserstrahlung 7 führt zu einer Stabilisierung und insbesondere zu einer Einschnürung des Plasmastrahls 1 in dem Randbereich 6, wie durch einen Vergleich von 1a und 1b deutlich erkennbar ist. Wie in 1b gezeigt ist, wird die Laserstrahlung 7 lediglich dem Randbereich 6, nicht aber dem Zentralbereich 4 zugeführt, da in den Zentralbereich 4 zugeführte Laserstrahlung 7 aufgrund der hohen Stoßrate nur einen vernachlässigbar kleinen Einfluss auf die Stabilität des Plasmas haben würde. Die Laserstrahlung 7 wirkt somit genau auf den Randbereich 6 des Plasmastrahls 1, der für die verminderte Schnittqualität bzw. die geringe Schweißtiefe verantwortlich ist.
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2 zeigt ein Beispiel einer Vorrichtung 10, die ausgebildet ist, um ein laserunterstütztes Plasmaschneiden und/oder Plasmaschweißen durchzuführen. Die Vorrichtung 10 umfasst eine Plasmaerzeugungseinrichtung 11, welche eine Stromversorgung 12 aufweist, um zwischen der Spitzelektrode 2, welche als Kathode dient, und dem metallischen plattenförmigen Werkstück 3, welches als Anode dient, eine Spannung bzw. ein elektrisches Feld zu erzeugen. Die elektrische Verbindung des Werkstücks 3 mit der Stromversorgung 12 erfolgt zum Beispiel durch eine seitlich am Werkstück 3 angebrachte Kontaktklemme 13. Bei der Verwendung einer Spitzelektrode 2 als Kathode sind die für die Erzeugung des Plasmastrahls 1 erforderlichen Spannungen vergleichsweise niedrig, das die Feldstärke im Bereich der Elektrodenspitze besonders hoch ist.
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Einen weiteren Teil der Plasmaerzeugungseinrichtung 11 stellt eine Gaszuführung zur Zuführung eines Plasmagases 14 zu einer Gasdüse 15 dar. Genauer gesagt wird das Plasmagas 14 einem in der Gasdüse 15 vorgesehenen ringförmigen Gaszuführungsraum 16 zugeführt. Die Gasdüse 15 bildet einen Teil eines (nicht gezeigten) Plasmabearbeitungskopfs, dem das Plasmagas 14 über nicht im Detail beschriebene Zuführungskanäle zugeführt wird. Die Gaszuführung weist weiterhin ein Gasreservoir 17 auf, in dem das Plasmagas 14, beispielsweise eine Mischung aus Argon und Wasserstoff, sowie Prozessgase bevorratet sind. Das Gasreservoir 17 steht mit einer Einrichtung 18 zur Druckanpassung für das Plasmagas 14 in Verbindung, in der ggf. auch eine Mischung mit weiteren Gasen erfolgen kann.
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Das der Gasdüse 15 zugeführte Plasmagas 14 tritt an einer dem Werkstück 3 zugewandten Düsenöffnung aus der Gasdüse 15 aus. Durch Anlegen einer Hochspannung wird die Plasmafackel gezündet (Zündphase). Das Plamagas wird ionisiert, wodurch zwischen der Elektrode 2 und dem Werkstück 3 der Plasmastrahl 1 gebildet wird, der aus positiven und negativen Ionen, Elektronen sowie angeregten und neutralen Atomen und Molekülen besteht. Um das beim Plasmaschneiden (Schneidphase) an einem (nicht gezeigten) Schnittspalt durch das Werkstück 3 hindurch tretende Plasma- und Prozessgas 14 ungehindert austreiben zu können, sind an einer Werkstückauflage 20 (Werkstücktisch) mehrere Auflagestege 19 als Abstandshalter vorgesehen. Das Gasgemisch während der Zünd- und der Schneidphase kann sich in seiner Zusammensetzung und im Volumenstrom unterscheiden. Bei der Bearbeitung des auf der Werkstückauflage 20 aufliegenden Werkstücks 3 erfolgt typischer Weise eine Relativbewegung zwischen dem Werkstück 3 und der Gasdüse 15 bzw. dem (nicht gezeigten) Plasmabearbeitungskopf, an dem die Gasdüse 15 angebracht ist. Die Relativbewegung erfolgt typischer Weise in der Werkstückebene, d. h. in X- und/oder in Y-Richtung eines XYZ-Koordinatensystems. Zur Erzeugung der Relativbewegung kann/können die Gasdüse 15 mit dem Plasmabearbeitungskopf, das Werkstück 3 relativ zur Werkstückauflage 20 und/oder die Werkstückauflage 20 selbst mittels herkömmlicher, hier nicht näher beschriebener Verschiebeeinheiten bewegt werden.
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Bei der in 2 gezeigten Vorrichtung 10 dient ein Diodenlaser mit einer Wellenlänge λ im Bereich zwischen ca. 800 bis 1000 nm als Laserquelle 21. Die Wellenlänge λ der Laserstrahlung 7 ist hierbei so auf das Plasmagas 14 abgestimmt, dass die Ionen 5 (vgl. 1a) des Plasmagases 14, im vorliegenden Fall die Argonionen, elektronisch angeregt werden (optogalvanischer Effekt). Alternativ oder zusätzlich ist es auch möglich, direkt Gas-Atome in dem Plasmagas 14 zu ionisieren, wozu bei Argon als Plasmagas 14 typischer Weise kurze Wellenlängen im Bereich zwischen ca. 200 nm und 500 nm erforderlich sind, die beispielsweise durch frequenzverdoppelte oder frequenzverdreifachte Festkörperlaser erzeugt werden können. Es versteht sich, dass zusätzlich oder alternativ zu Argon auch andere Plasmagase verwendet werden können, beispielsweise Stickstoff, Sauerstoff oder Wasserstoff, wobei die Wellenlänge λ der Laserquelle 21 an die jeweiligen Plasmagase angepasst werden kann und vorzugsweise zwischen ca. 200 nm und 1000 nm liegt. Auch können ggf. Gemische aus mehreren Gasen als Plasmagas 14 verwendet werden, wobei die elektronische Anregung oder Ionisation eines einzigen Bestandteils des Plasmagases 14 ggf. ausreichend sein kann, um die gewünschte Einschnürung und Stabilisierung des Plasmastrahls 1 zu bewirken.
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Zur Erzeugung des optogalvanischen Effekts in dem Randbereich 6 des Plasmastrahls 1 sind typischer Weise geringe Laserleistungen ausreichend, so dass eine maximale Leistung der Laserquelle 21 von ca. 1000 W, typischer Weise zwischen ca. 100 W und ca. 500 W genügt, wenn davon ausgegangen wird, dass die verfügbare Laserleistung der Laserquelle 21 (nahezu) vollständig dem Randbereich 6 des Plasmastrahls 1 zugeführt wird.
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Für die Zuführung der Laserstrahlung 7 der Laserquelle 21 zum Plasmastrahl 1 weist die Vorrichtung 10 eine Strahlzuführungseinrichtung 22 auf, die Bestandteil des Bearbeitungskopfes sein kann. Diese weist bei dem in 2 gezeigten Beispiel ein Axicon 23 mit einer konischen Linsenfläche 23a auf, um aus der divergenten Intensitätsverteilung der aus der Laserquelle 21 austretenden Laserstrahlung 7 eine ringförmige Intensitätsverteilung zu erzeugen sowie die Laserstrahlung 7 zu kollimieren.
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Das Axicon 23 ist hierbei an einer Stelle im divergenten Strahlengang der Laserstrahlung 7 angeordnet, bei welcher der (mittlere) Durchmesser der von dem Axicon 23 erzeugten ringförmigen Intensitätsverteilung im Wesentlichen dem (mittleren) Durchmesser des im Wesentlichen ringförmigen Randbereichs 6 des Plasmastrahls 1 entspricht, so dass die an dem Axicon 23 kollimierte Laserstrahlung 7 durch den Gaszuführungsraum 16 der Gasdüse 15 hindurch direkt (d. h. ohne zusätzliche optische Elemente) dem Randbereich 6 des Plasmastrahls 1 zugeführt werden kann. Da die Dicke d von Werkstücken 3 beim Plasmaschneiden in der Regel zwischen ca. 10 mm und 180 mm liegt, ist eine geringe Kantenschräge sowie eine gute Konturgenauigkeit der beim Plasmaschneiden gebildeten Schnittkanten besonders wichtig. Diese kann mit Hilfe der kollimierten Laserstrahlung 7 erhalten werden, welche entlang des Plasmastrahls 1 eine gleichbleibende Strahlform aufweist.
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Eine weitere Möglichkeit zur Erzeugung von kollimierter Laserstrahlung 7 mit einer ringförmigen, rotationssymmetrischen Intensitätsverteilung ist in 3 dargestellt, in der das Axicon 23 der Zuführungseinrichtung 22 von 2 durch eine Kollimationslinse 24 sowie eine im Strahlengang nachgeordnete kreisförmige Blende 25 ersetzt wurde, welcher den radial innen liegenden Bereich der Intensitätsverteilung der Laserstrahlung 7 ausblendet, so dass insgesamt eine ringförmige Intensitätsverteilung entsteht. Eine entsprechende Blendenwirkung kann insbesondere auch die Gasdüse 15 oder ggf. das obere Ende des Spitzelektrode 2 haben, so dass auf das Vorsehen einer zusätzlichen Blende, wie dies in 3 gezeigt ist, ggf. vollständig verzichtet werden kann.
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Während bei den in 2 und in 3 gezeigten Strahlzuführungseinrichtungen 22 kollimierte Laserstrahlung mit einer ringförmigen Intensitätsverteilung und Rotationssymmetrie erzeugt wird, ist bei der in 4 gezeigten Strahlzuführungseinrichtung 22 ein diffraktives optisches Element 26 vorgesehen, welches es – je nach Auslegung – ermöglicht, die divergente Intensitätsverteilung der Laserquelle 21 entweder in eine ringförmige Intensitätsverteilung mit einer Rotationssymmetrie um die Mittenachse M oder – falls gewünscht – in eine nicht-rotationssymmetrische Intensitätsverteilung umzuformen.
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Eine solche nicht-rotationssymmetrische Intensitätsverteilung kann z. B. günstig sein, wenn die Vorrichtung 10 zum Plasmaschneiden entlang einer Schneidfront an dem Werkstück 3 verwendet wird, an deren einer Schnittkante sich ein Gutteil befindet, während die andere Schnittkante zu einem Restgitter gehört, welches nach dem Schneidvorgang bzw. nach mehreren weiteren Schneidvorgängen entsorgt wird. In diesem Fall ist eine hohe Schnittqualität nur an der Seite der Schneidfront erforderlich, an der die Schnittkante des Gutteils verläuft, da die Schnittqualität auf der Seite des Restgitters unerheblich ist. Daher kann das diffraktive optische Element 26 (anders als in 4 dargestellt) eine nicht-rotationssymmetrische ringförmige Intensitätsverteilung erzeugen, bei der eine hohe Intensität beispielsweise auf diejenige Hälfte eines Kreisrings beschränkt ist, entlang derer die Schnittkante des Gutteils verläuft.
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Zur Realisierung von Intensitätsverteilungen mit unterschiedlicher Geometrie kann das diffraktive optische Element 26 gegebenenfalls mittels einer (nicht gezeigten) Wechseleinrichtung gegen andere diffraktive optische Elemente ausgetauscht werden. Wie in 4 ebenfalls erkennbar ist, kann die Gasdüse 15 zum Aufbringen des Plasmagases 14 auf das Werkstück 3 von einer weiteren Gasdüse 27 ringförmig umgeben sein, die einen weiteren ringförmigen Zuführungsraum 28 für ein (nicht gezeigtes) Hüll- bzw. Wirbelgas (Sauerstoff, Stickstoff oder Gasgemische aus Stickstoff und Sauerstoff aufweist.
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Eine Zuführungseinrichtung 22, welche ebenfalls eine Zuführung von parallel zur Mittenachse M der stabförmigen Elektrode 2 ausgerichteter Laserstrahlung 7 durch den ringförmigen Zuführungsraum 16 der Gasdüse 15 ermöglicht, ist in 5a, b gezeigt. Die Zuführungseinrichtung 22 weist in diesem Fall eine Mehrzahl von Lichtleitfasern 29 (Faserbündel) auf, die in einer ringförmigen Anordnung um die Mittenachse M der Elektrode 2 verteilt sind, wie insbesondere in der Draufsicht von 5b erkennbar ist. Ein Abstand A zwischen der Mittenachse M der Elektrode 2 und einer jeweiligen Lichtleitfaser entspricht hierbei im Wesentlichen dem (mittleren) Radius des ringförmigen Randbereichs 6 des Plasmastrahls 1.
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Zur Kollimation der divergent aus den Lichtleitfasern 29 austretenden Laserstrahlung 7 können Mikrolinsen 30 dienen, die entweder vom jeweiligen Faserende beabstandet angeordnet sind (vgl. 6a) oder die an einem umgeschmolzenen Faserende einer jeweiligen Lichtleitfaser 29 (so genannte „lensed silica fiber”) gebildet sind, vgl. 6b.
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Zusätzlich oder alternativ zur oben beschriebenen Vorgehensweise, bei welcher die Laserstrahlung 7 durch den Gaszuführungsraum 16 der Gasdüse 15 eines (nicht gezeigten) Plasma-Bearbeitungskopfs erfolgt, in den typischer Weise auch ein jeweiliges strahlformendes bzw. kollimierendes Element 23, 24, 26, 29 integriert ist, kann auch eine seitliche Zuführung von Laserstrahlung 7 in den Bereich der Düsenöffnung der Gasdüse 15 erfolgen, wie nachfolgend anhand eines weiteren Ausführungsbeispiels der Vorrichtung 10 näher beschrieben wird, welche in 7 dargestellt ist.
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Bei der Vorrichtung 10 von 7 wird Laserstrahlung 7 im Wesentlichen parallel zum Werkstück 3 seitlich in den austrittsseitigen Bereich der Gasdüse 15 geführt, und zwar in den Bereich des spitzen Endes der stabförmigen Elektrode 2. Dort sind im vorliegenden Beispiel zwei plane Umlenkspiegel 31a, 31b angebracht, welche die Laserstrahlung 7 um 90° umlenken und diese in Richtung der Mittenachse M dem Randbereich 6 des Plasmastrahls 1 zuführen. Die Laserstrahlung 7 wird bei dem in 7 gezeigten Beispiel von zwei unterschiedlichen Laserquellen 21a, 21b erzeugt, es versteht sich aber, dass die Laserstrahlung 7 nur von einer oder von mehreren Laserquellen erzeugt und beispielsweise mittels eines Strahlteilers aufgeteilt werden kann, so dass die jeweiligen Teilstrahlen einem der Umlenkspiegel 31a, 31b zugeführt werden.
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Die Stelle, an welcher die Laserstrahlung auf den jeweiligen Umlenkspiegel 31a, 31b auftrifft, ist so positioniert, dass die Laserstrahlung 7 in den ringförmigen Randbereich 6 des Plasmastrahls 1 (nicht aber in den Zentralbereich 4) umgelenkt wird. Es versteht sich, dass auch mehr als zwei Umlenkspiegel im Bereich der Elektrode 2 vorgesehen werden können, um Laserstrahlung 7 dem Randbereich 4 des Plasmastrahls 1 zuzuführen, wobei diese beispielsweise in Umfangsrichtung in regelmäßigen Winkelabständen zueinander angeordnet werden können. Gegebenenfalls kann bzw. können an Stelle von mehreren planen Umlenkspiegeln auch eine oder mehrere rund umlaufende konische Spiegelflächen im Bereich der Elektrode 2 vorgesehen werden, um in radialer Richtung eingestrahlte Laserstrahlung 7 in dem Randbereich 4 des Plasmastrahls 1 umzulenken.
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Da der Plasmastrahl 1 erst ab der Spitze der Elektrode 2 brennt, können die Umlenkspiegel 31a, 31b anders als in 7 gezeigt auch weiter oben in der Gasdüse 15 angebracht werden. Zur seitlichen Zuführung der Laserstrahlung 7 kann hierbei die Wand der Gasdüse 15 mit einem transparenten Material (z. B. Glas oder dergleichen) versehen sein. Um zu vermeiden, dass die Umlenkspiegel 31a, 31b eine Störkontur für den Fluss des Plasmagases bilden, können an der Gasdüse 15 an Stelle eines ringförmigen Zuführungsraums ggf. auch mehrere, z. B. vier, in Umfangsrichtung um die Elektrode 2 verteilte Zuführungsräume vorgesehen werden, zwischen denen die Umlenkspiegel angeordnet sind. Die Laserstrahlung 7 der Laserquellen 21a, 21b kann (mittels in 7 nicht gezeigter optischer Elemente) kollimiert auf die Umlenkspiegel 31a, 31b auftreffen. Alternativ oder zusätzlich können die Umlenkspiegel 31a, 31b bzw. deren Spiegelflächen eine Krümmung aufweisen, um typischer Weise divergent auf diese auftreffende Laserstrahlung 7 beim Umlenken zu kollimieren.
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Wie in 8 gezeigt ist, kann ggf. auch lediglich ein einziger seitlich zur Elektrode 2 versetzter Umlenkspiegel 31a in der Vorrichtung 10 vorgesehen werden, um die Laserstrahlung 7 einem in Umfangsrichtung vergleichsweise kleinen Abschnitt des Randbereichs 6 des Plasmastrahls 1 zuzuführen. Typischer Weise befindet sich in diesem Fall in dem Abschnitt des Randbereichs 6 des Plasmastrahls 1, in dem die Laserstrahlung 7 zugeführt wird, diejenige Schnittkante der Schneidfront, die dem Gutteil zugewandt ist und bei der eine hohe Schnittqualität erhalten werden soll.
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Eine weitere Möglichkeit zur seitlichen Zuführung von Laserstrahlung 7 zu dem Randbereich 6 des Plasmastrahls 1 ist in 9 dargestellt, bei der ein verspiegelter, konisch zulaufender Abschnitt eines Halters 32 für die stabförmige Elektrode 2 als Umlenkeinrichtung 34 dient. Als Verspiegelung kann beispielsweise eine dielektrische oder eine metallische Beschichtung, z. B. aus Aluminium, dienen. In dem Elektroden-Halter 32 ist ein Kühlkanal 33 eingebracht, um den Halter 32 bzw. die stabförmige Elektrode 2 mit Hilfe einer (nicht gezeigten) Kühlflüssigkeit, z. B. mit Wasser, zu kühlen. Das Vorsehen der Umlenkeinrichtung 34 für die Laserstrahlung 7 in einem gekühlten Bereich ist günstig, da die Elektrode 2 selbst typischer Weise auf sehr hohe Temperaturen aufgeheizt wird, so dass es zu einer Ausdehnung und ggf. Verformung des Materials der Elektrode 2 kommen kann, die eine gezielte Umlenkung von kollimierter Laserstrahlung 7 bzw. eine Kollimation der Laserstrahlung 7 bei der Umlenkung in den Randbereich 4 erschweren.
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Mit Hilfe der oben beschriebenen Vorrichtungen 10 kann mit Hilfe der in den Randbereich 6 des Plasmastrahls 1 eingestrahlten kollimierten Laserstrahlung 7, die sich typischer Weise entlang des gesamten Plasmastrahls 1 von der Elektrode 2 bis zum Werkstück 3 erstreckt und eine gleichbleibende Strahlform aufweist, eine gleichbleibende Strahlführung des Plasmastrahls 1 und somit eine Stabilisierung bzw. Einschnürung des Plasmastrahls 1 erreicht werden. Auf diese Weise kann beim Plasmaschneiden eine Verbesserung der Schnittqualität im Hinblick auf Kantenschräge und Konturgenauigkeit und eine Steigerung der möglichen Vorschubgeschwindigkeiten durch einen engeren Schnittspalt erreicht werden. Beim Plasmaschweißen mit Hilfe der Vorrichtungen 10 lassen sich tiefere, dünnere Schweißnähte sowie eine geringere Wärmeeinflusszone erreichen. Eine Verbesserung der Bearbeitungsqualität lässt sich auch erreichen, wenn an Stelle von kollimierter Laserstrahlung (wie oben beschrieben) nicht vollständig kollimierte Laserstrahlung verwendet wird, die eine große Rayleighlänge aufweist, d. h. Laserstrahlung, die möglichst parallel bzw. annähernd parallel zur Mittenachse verläuft.