DE10360353A1

DE10360353A1 - Schneiddüse für den Bearbeitungskopf einer Laserschneidanlage

Info

Publication number: DE10360353A1
Application number: DE10360353A
Authority: DE
Inventors: Horst Jäger; Norbert Bork
Original assignee: Volkswagen AG
Current assignee: Volkswagen AG
Priority date: 2003-12-22
Filing date: 2003-12-22
Publication date: 2005-07-21
Anticipated expiration: 2023-12-23
Also published as: DE10360353B4

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Schneiddüse für den Bearbeitungskopf einer Laserschneidanlage, mit einem Düsenkörper und einer an dessen Spitze angeordneten und gegenüber diesem isolierten Düsenelektrode sowie mit einem durch den Düsenkörper und die Düsenelektrode erstreckten Kanal zum Lenken eines Laserstrahls in Richtung auf ein Werkstück, der seine Austrittsöffnung an einer dem Werkstück zugewandten Stirnfläche der Düsenelektrode hat, wobei die Düsenelektrode einen Verbindungsbereich zur Verbindung mit dem Düsenkörper und einen zum Werkstück hin gerichteten Hauptbereich aufweist, zwischen denen eine Zwischenfläche gegeben ist. Sie löst die Aufgabe, eine derartige Schneiddüse so zu gestalten, dass diese zum Schneiden von dreidimensionalen Werkstücken geeignet ist. Dazu bilden die Stirnfläche (5) des Hauptbereiches und die Zwischenfläche (C) die Grundflächen eines fiktiven Kegelstumpfes (D), und die zwischen den Grundflächen (5, C) ausgebildete Mantelfläche (6) ist im Innern des Kegelstumpfes (D) ausgebildet und bildet die Außenfläche der Düsenelektrode (1).

Description

Die Erfindung betrifft eine Schneiddüse für den Bearbeitungskopf einer Laserschneidanlage, insbesondere zum Schneiden von dreidimensionalen (3D-) Werkstücken in der Metallbearbeitung.
Das Schneiden von Werkstücken mit Laserstrahlung mit einer Laserschneidanlage hat sich in der industriellen Fertigung durchgesetzt. Aufgrund der breiten Palette der zur Verfügung stehenden Laserschneidgeräte ist die Bearbeitung fast aller Werkstoffe unterschiedlichster Dimension möglich.
Eine Laserschneidanlage besteht aus einem Lasergerät, einem Bearbeitungskopf und einer Strahlführungseinrichtung zwischen dem Lasergerät und dem Bearbeitungskopf. Die Steuerung des Bearbeitungskopfes übernimmt eine Computereinheit.
Je nach Art des Materials wird beim Schneiden des Werkstückes ein Teil des aus dem Bearbeitungskopf tretenden Laserstrahls absorbiert, wodurch das Material schmilzt und zu verdampfen beginnt. Mit einem Prozessgas kann nun das geschmolzene Material aus der Schnittfuge ausgetrieben werden. Man unterscheidet dabei zwischen Schmelzschneiden, Brennschneiden und Sublimationsschneiden.
Es sind zahlreiche verschiedene Bearbeitungsköpfe bekannt, die sich in ihrer Ausgestaltung stark unterscheiden und speziell dem jeweiligen Schneidvorhaben und den zu bearbeitenden Materialien, wie Metall, Papier, Holz, Textilien, Keramik oder Kunststoff, angepasst sind.
Für die Bearbeitung von Metallstücken kommt üblicherweise ein Bearbeitungskopf mit einer Schneiddüse mit einem inneren Kanal zum Einsatz, durch den der Laserstrahl und das Prozessgas gemeinsam und koaxial auf das Werkstück gelenkt werden. Da es aufgrund der elektromagnetischen Eigenschaften von Metallen möglich ist, den Abstand zwischen der Düsenspitze und dem Werkstück auf kapazitivem Wege zu bestimmen, ist an der Spitze des Düsenkörpers eine gegen diesen isolierte Düsenelektrode angebracht. Diese dient als Abstandssensor zur Bestimmung des Abstandes zwischen der Düsenaustrittsöffnung und dem Werkstück. Während der Bearbeitungskopf über das Werkstück fährt, liefert die Düsenelektrode über ein isoliertes Kabel Spannungssignale an eine Auswerteeinheit, aus denen sich der Abstand zwischen der Düsenspitze und dem Werkstück ermitteln lässt.

In der DE 40 35 404 A1 ist eine Schneiddüse beschrieben, die einen elektrisch leitenden, im wesentlichen konisch ausgebildeten Düsenkörper, einen im Spitzenbereich des Düsenkörpers liegenden Isolationskörper und eine vom Isolationskörper getragene Düsenelektrode umfasst, wobei diese durch den Isolationskörper gegenüber dem Düsenkörper elektrisch isoliert ist. Zusätzlich ist ein Überwurfelement vorgesehen, das auf ein Außengewinde des Düsenkörpers schraubbar ist und stirnseitig eine axiale Durchgangsöffnung aufweist, die die radialen Außenseiten der Düsenelektrode umgibt und diese zusammen mit dem Isolationskörper am Düsenkörper hält. Das Überwurfelement steht mit dem Düsenkörper in elektrischem Kontakt und ist gegenüber der Düsenelektrode elektrisch isoliert. Der Isolationskörper besteht aus einem keramischen Material und das Überwurfelement aus Aluminium. Letzteres ist teilweise mit einer dünnen Eloxalschicht versehen, die elektrisch nicht leitend ist, so dass keine elektrische Verbindung zwischen der Überwurfmutter und der Düsenelektrode besteht, aber die an der Düsenelektrode entstehende Wärme abgeführt werden kann.

Diese Schneiddüse ist jedoch zur Bearbeitung von 3D-Werkstücken ungeeignet. Zum einen braucht das Überwurfelement, das in seinem Innern der konisch zulaufenden Düsenelektrode angepasst ist, relativ viel Raum im Spitzenbereich des Düsenkörpers, so dass die Beweglichkeit des Bearbeitungskopfes eingeschränkt ist, und zum anderen kann, sobald sich die Schneiddüse in unmittelbarer Nähe einer Kante oder Sicke oder in einer scharten Ecke des Werkstückes befindet, die kapazitive Abstandsregelung diese topographischen Besonderheiten nicht richtig erfassen und eine Bewegung des Bearbeitungskopfes in eine fehlerhafte Position veranlassen, so dass ein schlechtes Schneidergebnis resultiert oder der Schneidvorgang unterbrochen werden muss. Überdies besteht die Gefahr, dass sich das Überwurfelement und mit diesem die Düsenelektrode während des Bearbeitungsvorganges aufgrund von Vibrationen lockert, was ebenfalls zu einem schlechten Schneidergebnis führt. Zudem ist die Düsenelektrode nur aufwändig auswechselbar.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Schneiddüse für den Bearbeitungskopf einer Laserschneidanlage nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 so zu gestalten, dass diese zum Schneiden von dreidimensionalen Werkstücken geeignet ist.

Diese Aufgabe wird bei einer Schneiddüse nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 durch dessen kennzeichnende Merkmale gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen aufgeführt.

Die Erfindung besteht darin, dass bei einer Schneiddüse für den Bearbeitungskopf einer Laserschneidanlage, die einen Düsenkörper mit einer an dessen Spitze lösbar angeordneten und gegenüber diesem elektrisch isolierten Düsenelektrode und einen durch den Düsenkörper und die Düsenelektrode verlaufenden und sich in Richtung einer Austrittsöffnung an einer Stirnfläche der Düsenelektrode konisch verjüngenden inneren Kanal zum Lenken eines Laserstrahls und eines Gasstromes auf ein Werkstück aufweist, wobei die Düsenelektrode einen Verbindungsbereich zur Verbindung mit dem Düsenkörper und einen zum Werkstück hin gerichteten Hauptbereich aufweist, die an einer Zwischenfläche ineinander übergehen, die Stirnfläche und die Zwischenfläche die Grundflächen eines fiktiven Kegelstumpfes bilden, und die zwischen der Stirnfläche und der Zwischenfläche tatsächlich ausgebildete Mantelfläche im Inneren des Kegelstumpfes ausgebildet ist und die Außenfläche der Düsenelektrode bildet.

Die derart gestaltete Schneiddüse zeichnet sich insbesondere durch die schlanke Gestaltung der Düsenelektrode aus. Aufgrund dieser Gestaltung kann die Schneiddüse auch in Ecken und andere Vertiefungen von dreidimensionalen Werkstücken gelangen und gute Schneidergebnisse liefern. Die besondere äußere Form ermöglicht auch eine verbesserte kapazitive Abstandsmessung in der Nähe von Kanten und Sicken des Werkstückes.

Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung erstreckt sich im axialen Schnitt die Seitenwand der Düsenelektrode bogenförmig und ist in Richtung auf die Achse konkav gewölbt. So kann die Mantelfläche, insbesondere im Bereich der Austrittsöffnung an der Stirnfläche der Düsenelektrode, dicht am inneren Kanal entlang ausgebildet sein, so dass die Düsenelektrode in ihrem Spitzenbereich stark verjüngt und die Beweglichkeit des Bearbeitungskopfes entlang von dreidimensionalen Werkstücken deutlich verbessert sind.

Der Durchmesser der Stirnfläche kann dabei das Zwei- bis Vierfache, vorzugsweise etwa das Dreifache des Durchmessers der Austrittsöffnung betragen. Zur Verbesserung der Beweglichkeit der Schneiddüse selbst in engen Spalten wäre es zwar wünschenswert, den Durchmesser der Stirnfläche so klein wie möglich zu machen, aber es zeigt sich, dass die Düsenelektrode bei zu geringer Wanddicke die in der Bearbeitungszone des Werkstücks freigesetzte Wärme nur unzureichend ableitet und deshalb zu schnell abgetragen wird. Die genannten Durchmesserverhältnisse haben sich als ein günstiger Kompromiss zwischen den einander zuwiderlaufenden Anforderungen nach einer schlanken Form der Düsenelektrode und gleichzeitig hoher Standzeit erwiesen. Der Öffnungswinkel des fiktiven Kegelstumpfes liegt im Bereich zwischen 20° und 45°, vorzugsweise jedoch 25° bis 35°.

Bei einer bevorzugten Ausgestaltung sind der Verbindungsbereich und der Hauptbereich der Düsenelektrode einstückig miteinander verbunden. Dieses Merkmal trägt dazu bei, dass die Düsenelektrode exakt und definiert am Düsenkörper positioniert werden kann. Bei Vibrationen des Bearbeitungskopfes während der Bearbeitung eines Werkstückes wird dadurch eine unerwünschte Lockerung des Hauptbereiches gegenüber dem Verbindungsbereich vermieden, wie sie bei einer lösbaren Verbindung auftreten kann. Eine Lockerung kann zu Reflexionen des Laserstrahles an der Innenwand und zu einer Veränderung des Brennpunktes des Laserstrahles auf der Oberfläche des zu bearbeitenden Werkstückes und damit zu einem schlechten Schneidergebnis führen.

Die Düsenelektrode besteht zumindest in ihrem Hauptbereich aus einem gut wärmeleitenden Metall, vorzugsweise aus einer Kupferlegierung. In dem Verbindungsbereich der Düsenelektrode ist zur elektrischen Isolation derselben gegenüber dem Düsenkörper ein Isolationskörper vorgesehen. Dieser besteht aus einem keramischen Material und weist vorzugsweise ein Gewinde zur Verbindung mit dem Düsenkörper auf. Der innere Kanal erstreckt sich dabei durch den Isolationskörper hindurch und ist austrittsöffnungsseitig zylindrisch ausgebildet.

Die Erfindung wird nachstehend anhand eines Ausführungsbeispiels erläutert. In den zugehörigen Zeichnungen zeigen:
1: eine Düsenelektrode für den Bearbeitungskopf einer Schneiddüse, angeordnet im Abstand zu einem ebenen Werkstück, und
2: die Düsenelektrode in der Nähe eines dreidimensionalen Werkstückes mit einem Vorsprung.
Die in 1 gezeigte Düsenelektrode 1 kreisrunden Querschnitts zur Anordnung an der Spitze eines nicht dargestellten Düsenkörpers weist einen Verbindungsbereich A zur Verbindung mit dem Düsenkörper und einen in Richtung auf ein Werkstück 2 ausgebildeten Hauptbereich B auf und ist einstückig aus einer Kupferlegierung gefertigt, wobei zwischen den Bereichen A und B eine Zwischenfläche C gegeben ist. Durch die Bereiche A und B erstreckt sich ein innerer Kanal 3 zum Lenken eines Laserstrahls und eines Gasstromes in Richtung auf das Werkstück 2, der seine Austrittsöffnung 4 an der dem Werkstück 2 zugewandten Stirnfläche 5 des Hauptbereiches B der Düsenelektrode 1 hat. Entsprechend der äußeren Form des Laserstrahls , der einen Brennpunkt außerhalb der Düsenelektrode 1 in geringer Entfernung von dieser hat, weist der Kanal 3 eine sich in Richtung des Werkstücks 2 konisch verjüngende Gestalt auf und geht werkstückseitig, etwa im Bereich der Taille des Laserstrahls, in einen zylindrischen Bereich über.
Die Stirnfläche 5 an der werkstückseitigen Spitze der Düsenelektrode 1 und die Zwischenfläche C zwischen dem Hauptbereich B und dem Verbindungsbereich A bilden die Grundflächen eines fiktiven Kegelstumpfes D mit einem Öffnungswinkel β von 30°. Die Schnittlinie des Kegelstumpfmantels mit der Ebene der 1 ist als Strich-Punkt-Punkt-Linie dargestellt. Die sich zwischen der Stirnfläche 5 und der Zwischenfläche C erstreckende Mantelfläche 6 des Hauptbereichs B liegt im Inneren dieses Kegelstumpfes D und bildet die Außenfläche der Düsenelektrode 1 und damit auch der Schneiddüse im werkstücknahen Bereich. Wie zu erkennen ist, ist die Mantelfläche 6 konkav auf die Rotationsachse der Düsenelektrode zu gewölbt. Der Durchmesser der Stirnfläche 5 beträgt im Wesentlichen das Dreifache des Durchmessers der werkstückseitigen Austrittsöffnung 4 des Kanals 3.
Der obere Teil des Verbindungsbereiches A weist einen Keramikring 7 als Isolationsteil mit einem Außengewinde 8 auf, der einstückig mit dem Verbindungsbereich A verbunden ist. Mit diesem Keramikring 7 wird die Düsenelektrode 1 in eine komplementäre Bohrung des nicht dargestellten Düsenkörpers eingeschraubt. Die im übrigen aus einer Kupferlegierung bestehende Düsenelektrode 1 leitet die aufgenommene Wärme effizient an den Düsenkörper ab.
Bei der in 2 gezeigten Bearbeitungsanordnung liegt einer Ecke des Grates 9 eines Werkstückes 10 die konkav nach innen gewölbte Mantelfläche 6 gegenüber. Die Wölbung hat zur Folge, dass sich die Feldlinien FL an der Düsenelektrode 1 nicht auf einen kleinen Bereich der Mantelfläche 6 konzentrieren, sondern sich im Wesentlichen gleichmäßig auf diese verteilen. Eine lokale Verstärkung des elektrischen Feldes an der Oberfläche der Düsenelektrode 1 und eine damit verbundene Vergrößerung der Kapazität des Systems aus Düsenelektrode und Werkstück werden weitgehend vermieden. Dadurch ist die Empfindlichkeit der Abstandsmessung zu seitlich von der Düsenelektrode 1 liegenden Werkstücken verringert, und die kapazitive Abstandsmessung liefert auch an Werkstücken mit dreidimensionaler Oberflächenstruktur brauchbare Messwerte.

1: Düsenelektrode
2: Werkstück
3: Kanal
4: Austrittsöffnung
5: Stirnfläche
6: Mantelfläche
7: Keramikring
8: Außengewinde
9: Grat
10: Werkstück
β: Öffnungswinkel
A: Verbindungsbereich
B: Hauptbereich
C: Zwischenfläche
D: Kegelstumpf
FL: Feldlinie

Claims

Schneiddüse für den Bearbeitungskopf einer Laserschneidanlage, mit einem Düsenkörper und einer an dessen Spitze angeordneten und gegenüber diesem isolierten Düsenelektrode sowie mit einem durch den Düsenkörper und die Düsenelektrode erstreckten Kanal zum Lenken eines Laserstrahls in Richtung auf ein Werkstück, der seine Austrittsöffnung an einer dem Werkstück zugewandten Stirnfläche der Düsenelektrode hat, wobei die Düsenelektrode einen Verbindungsbereich zur Verbindung mit dem Düsenkörper und einen zum Werkstück hin gerichteten Hauptbereich aufweist, zwischen denen eine Zwischenfläche gegeben ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Stirnfläche (5) und die Zwischenfläche (C) des Hauptbereichs (B) die Grundflächen eines fiktiven Kegelstumpfes (D) bilden, und dass die zwischen den Grundflächen (C) und (5) ausgebildete Mantelfläche (6) im Innern dieses Kegelstumpfes (D) ausgebildet ist und die Außenfläche der Düsenelektrode (1) bildet.
Schneiddüse nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Mantelfläche (6) konkav gewölbt ist.
Schneiddüse nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Durchmesser der Stirnfläche (5) das Zwei- bis Vierfache, vorzugsweise etwa das Dreifache des Durchmessers der Austrittsöffnung (4) beträgt.
Schneiddüse nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Öffnungswinkel (β) des fiktiven Kegelstumpfes (D) 20° bis 45°, vorzugsweise 25° bis 35°, beträgt.
Schneiddüse nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Verbindungsbereich (A) und der Hauptbereich (B) einstückig miteinander verbunden sind.
Schneiddüse nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Düsenelektrode (1) zumindest in ihrem Hauptbereich (B) aus Kupfer oder einer Kupferlegierung besteht.
Schneiddüse nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Verbindungsbereich (A) ein Isolationskörper (7) vorgesehen ist, der die Düsenelektrode (1) gegenüber dem Düsenkörper elektrisch isoliert.
Schneiddüse nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Isolationskörper (7) aus einem keramischen Material besteht.
Schneiddüse nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Kanal (3) durch den Isolationskörper (7) erstreckt ist.
Schneiddüse nach einem der Ansprüche 7 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Isolationskörper (7) ein Gewinde (8) zur Verbindung mit dem Düsenkörper aufweist.
Schneiddüse nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Kanal (3) austrittsöffnungsseitig einen zylindrischen Abschnitt aufweist.