Die Erfindung betrifft einen Bearbeitungskopf, der zum Laserstrahlschneiden von Bauteilen ausgebildet ist und ein Verfahren zum Laserstrahlschneiden. Dabei kann es sich bevorzugt um metallische Bauteile handeln.

Beim Schneiden mit Laserstrahlung wird ein koaxial angeordneter Gasstrahl als Schneidgas eingesetzt, um das durch den Laserstrahl geschmolzene Material aus dem Schneidspalt aus zu treiben. Insbesondere beim Laserschneiden von Metallen werden auf der Schnittkante nahezu vertikale Riefen ausgebildet. Diese bestimmen maßgeblich die Rauheit der Schnittkanten und bilden typische horizontale Zonen mit charakteristischen Eigenschaften bzgl. Wellenlänge und Rauheit aus. Weiterhin stehen die Riefen im räumlichen Zusammenhang zur Gratbildung an der Unterkante des getrennten Materials und sind damit ein qualitätsbestimmendes Merkmal für das Schneidergebnis.

Zur Formung des Gasstrahls werden zumeist koaxial zum Laserstrahl angeord- nete Düsen eingesetzt, deren Durchmesser generell deutlich größer als der resultierende Schneidspalt ist. Neben einfachen, z.B. sich konisch nach unten verjüngenden Düsen existieren auch Düsenkonzepte mit interner Aufteilung des Gasstroms auf separate Strömungsgänge innerhalb der Düse, die in oder unterhalb der jeweiligen Düse und auf dem Werkstück wieder zusammengeführt werden. Es ist auch üblich die Düseninnen- und -Unterseiten speziell ausgestaltet auszuführen, um die Strömungseigenschaften des Schneidgases zu beeinflussen.

Zur Reduzierung des Gasverlustes auf der Bauteiloberseite eines zu schneidenden Bauteils und zur Verbesserung der Gasausnutzung wird bisher auch ein Aufsatzdüsenkonzept eingesetzt, bei dem ein beweglicher Außenring der Düse direkt über die Werkstückoberfläche geführt wird.

Mit allen Düsenkonzepten ist es jedoch bisher nicht gelungen, die Strukturbildung an den Oberflächen der Schneidkanten maßgeblich zu beeinflussen oder eine Riefenbildung gar vollständig zu verhindern.

So geht aus JP 2011 - 224 600 A hervor, wie man mittels Laserstrahl Bohrungen in Werkstücken ausbilden kann.

WO 2018/008400 Al betrifft die Laserbearbeitung, insbesondere von mit Kohlenstofffasern verstärkten Kunststoffteilen.

Ein Laserschweißverfahren und eine entsprechende Vorrichtung sind in EP 1 153 696 A2 beschrieben.

In JP H06 - 304 777 A sind Möglichkeiten zum hermetischen Dichten von Batterien aufgezeigt.

Es ist daher Aufgabe der Erfindung, Möglichkeiten anzugeben, mit denen eine verbesserte Oberflächenqualität an Schneidkanten, die mittels Laserstrahlschneiden erhalten worden sind, möglichst ohne zusätzliche Nachbearbeitung zu erreichen.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe mit einem Bearbeitungskopf, der die Merkmale des Anspruchs 1 aufweist, gelöst. Anspruch 940-betrifft ein Verfahren zum Laserstrahlschneiden. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung können mit in abhängigen Ansprüchen bezeichneten Merkmalen realisiert werden.

Bei dem erfindungsgemäßen Bearbeitungskopf ist entlang seiner mittleren Längsachse eine Schneidgaszuführung, durch die ein Schneidgas als erster Gasstrom und ein Laserstrahl durch eine in Richtung Bauteil angeordnete Düse auf ein zu schneidendes Bauteil zur Ausbildung eines Schneidspaltes gerichtet sind, vorhanden. Die Schneidgaszuführung ist zumindest im Bereich der Düse der Schneidgaszuführung von einer ringförmigen oder mehreckigen Spaltdüse oder von einer ringförmigen oder mehreckförmigen Anordnung einzelner voneinander separat angeordneten Düsen umschlossen und so angeordnet, dass die Düse der Schneidgaszuführung im Mittelpunkt des Kreises angeordnet ist, der durch die ringförmige Spaltdüse oder die Düsen der ringförmigen Anordnung oder Flächenschwerpunkt der mehreckigen Spaltdüse oder der mehreckigen Anordnung von Düsen vorgegeben ist. Ein zweiter Gasstrom ist durch die ringförmige oder mehreckige Spaltdüse oder die Düsen der ringförmigen oder mehreckigen Anordnung in Richtung auf die jeweilige Oberfläche des zu schneidenden Bauteils gerichtet. Dabei sind der Druck des durch die Düse der Schneidgaszuführung zugeführten Schneidgases und der Druck des zweiten Gasstromes, der durch die ringförmige oder mehreckige Spaltdüse oder die Düsen der ringförmigen oder mehreckförmigen Anordnung strömt jeweils unabhängig voneinander einstellbar. Außerdem ist der Druck des durch die Düse der Schneidgaszuführung zugeführten Schneidgases an der Austrittsöffnung dieser Düse größer als der Druck des zweiten Gasstromes an der/den Austrittsöffnung(en) der ringförmigen oder mehreckigen Spaltdüse oder den Austrittsöffnungen der Düsen der ringförmigen oder mehreckförmigen Anordnung. Der Druck in der Düse der Schneidgaszuführung ist dabei maximal dreimal, wie der Druck des zweiten Gasstromes an der/den Austrittsöffnungfen) der ringförmigen oder mehreckigen Spaltdüse oder den Austrittsöffnungen der Düsen der ringförmigen oder mehreckförmigen Anordnung. Dabei sind im Wesentlichen die Drücke im Bereich der Austrittsöffnungen von Düse für Schneidgas und der ringförmigen oder mehreckigen Spaltdüse oder den Düsen der ringförmigen oder mehreckförmigen Anordnung gemeint. Vorteilhaft sollte ein Druck des durch die Düse zugeführten Schneidgases an der Austrittsöffnung der Düse für das Schneidgas eingestellt werden, der mindestens 1,5 mal so groß und maximal zweimal so groß ist, insbesondere mindestens 1,7 und maximal 1,9-mal so groß ist, wie der Druck des zweiten Gasstromes an der/den Austrittsöffnung(en) der ringförmigen oder mehreckigen Spaltdüse oder den Düsen der ringförmigen oder mehreckigen Anordnung.

Die Düsenöffnung, durch die das Schneidgas aus der Düse austritt sollte bevorzugt einen Innendurchmesser aufweisen, der dem Außendurchmesser des zum Schneiden genutzten Laserstrahls entspricht, dadurch kann die Riefenbildung an der Schneidkante noch besser vermieden werden.

Düsen, die in einer ringförmigen oder mehreckigen Anordnung angeordnet sind, sollten so geometrisch gestaltet, dimensioniert und in Abständen zueinander angeordnet sein, dass ein aus ihren Austrittsöffnungen austretender zweiter Gasstrom ausgebildet werden kann, der den Schneidgasstrom ringförmig oder in mehreckiger Form umschließt und der zweite Gasstrom zumindest nahezu als geschlossener Ring ausgebildet wird in dem zumindest nahezu gleiche Strömungsgeschwindigkeiten und Drücke über seinen Umfang eingehalten sind.

Bei einer mehreckigen Form sind Geometrien mit mindestens vier Ecken zu bevorzugen.

Die Düsen einer ringförmigen oder mehreckförmigen Anordnung können zumindest im Bereich ihrer Austrittsöffnungen mit ihren freien Querschnittsflächen, durch die Gas für den zweiten Gasstrom strömt, rotationssymmetrisch und/oder schlitzförmig ausgebildet sein. Dabei können Schlitze auch in Form von Teilkreisen konkav in Richtung zur Düse für das Schneidgas geformt sein. Es können jeweils gleich gestaltete und dimensionierte freie Querschnitte an den Düsen der jeweiligen ringförmigen oder mehreckförmigen Anordnung aber auch beispielsweise alternierend wechselnd anders gestaltete und dimensionierte freie Querschnittsflächen an Düsen einer ringförmigen oder mehreckförmigen Anordnung gewählt werden. Der Druck im Bereich der Austrittsöffnungen der Düsen des zweiten Gasstromes sollte im Bereich zwischen 0,05 MPa und 2,5 MPa relativ zum Umgebungsdruck eingehalten sein, wodurch sich Strömungsgeschwindigkeiten der aus den Austrittsdüsen austretenden Gase von mehr als 300 m/s erreichen lassen. Für das Laserstrahlschneiden mit Sauerstoff können bevorzugt Drücke im Bereich 0,05 MPa bis 0,1 MPa genutzt werden.

Vorteilhaft sollte(n) die Düse der Schneidgaszuführung, ringförmigen oder mehreckigen Spaltdüse und/oder die Düsen der ringförmigen oder mehreckförmigen Anordnung in Richtung ihrer Austrittsöffnung(en) konvergent ausgebildet sein, so dass der kleinste freie Querschnitt durch den Schneidgas cider der zweite Gasstrom an der Austrittsöffnung der Düse für die Schneidgaszuführung oder der ringförmigen oder mehreckigen Spaltdüse oder den Austrittsöffnungen der Düsen der ringförmigen oder mehreckförmigen Anordnung angeordnet ist/sind. Dazu können insbesondere und bevorzugt die jeweiligen inneren Mantelflächen an der nach außen weisenden Oberfläche der jeweiligen Düse sich kontinuierlich konisch in Richtung der mittleren Längsachse der Schneidgaszuführung, also zum Mittelpunkt der Austrittsöffnung der Düse an der Schneidgaszuführung über eine Länge beginnend mindestens 15 mm bevor die jeweilige Austrittsöffnung erreicht ist, verjüngend ausgebildet sein. Dabei sollten mindestens 40 % der Umfangsfläche der jeweiligen inneren Mantelfläche sich konisch verjüngend ausgeformt sein.

Der Konuswinkel kann dabei an der Innenwand der ringförmigen oder mehreckigen Spaltdüse oder den Düsen der ringförmigen oder mehreckförmigen Anordnung größer als an der Düse der Schneidgaszuführung sein. Dadurch kann der Druckerhalt der einzelnen Gasströme bis zu den Austrittsöffnungen sichergestellt und eine Verringerung des in Arbeit umsetzbaren Energiegehaltes der Schneidgase innerhalb des Bearbeitungskopfes verhindert werden.

Mit der sich kontinuierlich konisch verjüngenden Ausbildung kann Einfluss auf die Druck- und Strömungsgeschwindigkeitsverteilung innerhalb der jeweiligen Düse genommen und verhindert werden, dass bereits innerhalb der jeweiligen Düse eine Beschleunigung des Schneidgases auf Überschallgeschwindigkeit erfolgt. Der Laserstrahl sollte koaxial durch die Düse der Schneidgaszuführung auf das Bauteil gerichtet sein und bevorzugt eine Strahlquerschnittsfläche aufweisen, die dabei mindestens 80 % und maximal 100 % des freien Querschnitts der Düse der Schneidgaszuführung im Bereich ihrer Austrittsöffnung ausfüllt. Dadurch können beim Laserstrahlschneiden Spaltbreiten am ausgebildeten Schneidspalt realisiert werden, die dem Innendurchmesser der Austrittsöffnung der Düse für das Schneidgas entsprechen.

Der kleinste Innendurchmesser der Düse der Schneidgaszuführung an der Austrittsöffnung sollte der Spaltbreite des jeweils auszubildenden Schneidspaltes mit einer Abweichung von maximal ± 20 % entsprechen und im Bereich zwischen 0,5 mm bis 2 mm liegen. Bevorzugt sollte dieser kleinste Innendurchmesser genau der Spaltbreite des auszubildenden Schneidspaltes entsprechen.

Vorteilhaft kann die Breite des Spaltes der ringförmigen oder mehreckigen Spaltdüse oder die Breite oder der Außendurchmesser der Düsen der ringförmigen Anordnung mindestens der Breite des Innendurchmessers der Düse der Schneidgaszuführung im Bereich ihrer Austrittsöffnung entsprechen und bevorzugt das Doppelte dieses Innendurchmessers betragen.

Der Außendurchmesser kann im Bereich der Austrittsöffnung mindestens doppelt so groß sein, wie der Durchmesser der Düse der Schneidgaszuführung an ihrer Austrittsöffnung ist und dabei maximal 10,00 mm betragen.

Bei einer mehreckigen Spaltdüse oder einer mehreckigen Anordnung von Düsen soll ein maximaler Abstand parallel zum auszubildenden Schneidspalt der jeweiligen gegenüberliegend angeordneten Austrittsöffnung(en) eingehalten sein, der kleiner als der maximale Abstand der Austrittsöffnung(en), die in einer senkrecht dazu ausgerichteten Achsrichtung angeordnet sind. So kann man beispielsweise bei einer rechteckigen Spaltdüse oder Anordnung von Düsen eine Länge des Rechtecks von ca. 10 mm wählen, wobei diese längeren Kanten dann parallel zur Schneidspalt- bzw. Vorschubbewegungsrichtung weisen sollten. Die Länge der senkrecht dazu ausgerichteten Kanten kann dann 2 mm bis 5 mm betragen. Dabei ist eine viereckige Form im Vergleich zu einem Dreieck oder Geometrien mit mehr als vier Ecken vorteilhaft. Dabei kann ein Viereck gewählt werden, dessen längere Kanten bevorzugt zumindest annähernd parallel zum auszubildenden Schneidspalt ausgerichtet sind, als die Breite der Kanten, die senkrecht dazu ausgerichtet sind. Ein Verhältnis von Länge zu Breite von mindestens 5 zu 1 ist dabei besonders vorteilhaft.

Der Abstand zwischen den Austrittsöffnungen der Düse der Schneidgaszuführung und der ringförmigen oder mehreckigen Spaltdüse oder den Düsen der ringförmigen oder mehreckförmigen Anordnung zur Oberfläche des zu schneidenden Bauteils soll maximal 1 mm voneinander abweichen und dabei ein Abstand der Austrittsdüsen zur Bauteiloberfläche an der der Schneidspalt mit dem Laserstrahl ausgebildet werden soll im Bereich zwischen 0,2 mm und 2 mm während der Laserstrahlschneidbearbeitung eingehalten sein.

Bei der Erfindung kann es sich also um eine Düsenanordnung mit einer inneren Düsenöffnung und einer, diese konzentrisch umgebende Ringspaltdüse oder konzentrisch angeordneten Düsen einer ringförmigen Anordnung handeln, wobei für die mittig angeordnete Austrittsöffnung, durch die Schneidgas austritt und die ringförmige Spaltdüse oder die Düsen der ringförmigen Anordnung jeweils eine separate Gaszuführung mit unabhängig voneinander einstellbaren oder regelbarem Gasdruck aufweisen. Der jeweilige Gasdruck kann mittels in der jeweiligen Gaszuführung angeordneten Ventilen beeinflusst werden. Bei einer mehreckigen Spaltdüse oder einer mehreckförmigen Anordnung von Düsen sollte die Düse aus der das Schneidgas austritt im jeweiligen Flächenschwerpunkt des Mehrecks angeordnet sein.

Der Außendurchmesser der Austrittsöffnung, durch die das Schneidgas aus dem Bearbeitungskopf austritt, sollte circa der Schnittspaltbreite entsprechen, vorzugsweise sollte er genauso groß wie die Spaltbreite der Schnittfuge sein. Der Durchmesser der ringförmigen Spaltdüse oder der Durchmesser des Ringes, in dem die Düsen einer ringförmigen Anordnung angeordnet sind, kann dabei ein Vielfaches der Schneidspaltbreite betragen. Die Austrittsöffnung für das Schneidgas kann dabei bevorzugt auf gleicher Höhe wie die der ringförmigen oder mehreckigen Spaltdüse oder den Düsen in ringförmiger oder mehreckförmiger Anordnung über der Oberfläche des zu schneidenden Bauteils oder aber auch geringfügig oberhalb oder unterhalb dieser angeordnet sein.

Der beim Schneiden verwendete Austrittsöffnungsabstand von der Bauteiloberfläche kann dabei kleiner sein als der Durchmesser der Austrittsöffnung aus der das Schneidgas aus dem Bearbeitungskopf austritt.

Die Gasdrücke bzw. das Druckverhältnis sollte vorzugsweise so eingestellt werden, dass sich ein Druckverhältnis der Absolutdrücke zwischen der inneren angeordneten Austrittsöffnung für das Schneidgas und der/den Austrittsöffnungfen) der ringförmigen oder mehreckigen Spaltdüse oder den Austrittsöffnungen der Düsen der ringförmigen oder mehreckförmigen Anordnung pi/p _a von weniger als 2 ergibt.

Die Gaszuführung für die innen angeordnete Düse für das Schneidgas kann über die standardmäßige Schneidgaszuführung im Bearbeitungskopf erfolgen. Die Gaszuführung zur ringförmigen oder mehreckigen Spaltdüse oder die Düsen der ringförmigen oder mehreckförmigen Anordnung kann über zusätzliche Anschlüsse an den Bearbeitungskopf erfolgen.

Besonders vorteilhaft kann bei einem Absolutdruck an der Austrittsöffnung der Düse für das Schneidgas von 2,0 MPa der Absolutdruck des zweiten Gasstromes an der Austrittsöffnung der ringförmigen oder mehreckigen Spaltdüse oder den Austrittsöffnungen der Düsen der ringförmigen oder mehreckförmigen Anordnung mit 1,1 MPa eingestellt werden.

Die Düse für das Schneidgas kann in ihrem Inneren zumindest im Bereich nahe ihrer Austrittsöffnung in Form einer konvergenten Düse ausgebildet sein, bei der der kleinste Durchmesser an der Austrittsöffnung angeordnet ist.

Dabei sollte der kleinste Durchmesser der Düse der Schneidgaszuführung an der Austrittsöffnung nahezu der Spaltbreite des jeweils auszubildenden Schneidspaltes entsprechen und eine maximale Abweichung des kleinsten Durchmessers in Bezug zur Spaltbreite von ± 20 %, bevorzugt ± 10 % eingehalten sein.

Ein Laserstrahl mit einer Strahlquerschnittsfläche von mindestens 80 % und maximal 100 % des freien Querschnitts der Düse der Schneidgaszuführung im Bereich ihrer Austrittsöffnung erzeugt einen Schneidspalt mit einer Breite annähernd in der Größe der Austrittsöffnung des Schneidgases. Dadurch erfolgt eine direkte und geradlinige Einströmung des Schneidgasstromes in den sich bildenden Schneidspalt. Im Vergleich zum Stand der Technik wirkt die obere Kante des Schneidspaltes dann nicht als Strömungshindernis in Form einer vorwärtsgerichteten Stufe und es kann ein ungestörtes Einströmen des Schneidgasstromes in den Schneidspalt erfolgen. Mit der Erfindung kann damit beim Laserstrahlschneiden die Ablösung des einströmenden Schneidgases von der Oberkante des Schneidspaltes und die Ausbildung eines Rezirku lati- onsgebietes an der Spaltoberkante verhindert werden. Im Vergleich zum Stand der Technik wird so die Anfachung von räumlichen und zeitlichen Störungen in der Grenzschicht der Schneidgasströmung auf der Schnittkante verhindert oder stark verringert und es kann durch die Schneidgasströmung ein gleichmäßiger Austrieb der mit der Energie des Laserstrahls gebildeten Schmelze aus der Schnittfuge erreicht werden.

Mit der äußeren ringförmigen oder mehreckigen Spaltdüse oder den Düsen der ringförmigen oder mehreckförmigen Anordnung kann die Verunreinigung des Schneidgases durch Gas aus der Umgebung verhindert und die gebildete Schmelze abgeschirmt werden. Dadurch kann beim Schmelzschneiden mit einem inerten Prozessgas, vorzugsweise Stickstoff und einer Ringspaltströmung oder einem ringförmig oder mehreckförmig ausgebildeten zweiten Gasstrom mit einem ebenfalls inerten Prozessgas eine Oxidation in der Prozesszone verhindert werden. Wird dagegen beim Laserschneiden Sauerstoff als Schneidgas eingesetzt, mit dem dem Prozess durch die Oxidation Energie zum Aufschmelzen des Materials bereitgestellt wird und die Schmelze aus der Schnittfuge ausgetrieben werden soll, kann durch die ringförmige oder mehreckige Spaltdüse oder die Düsen der ringförmigen oder mehreckförmigen Anordnung ebenfalls Sauerstoff oder ein inertes Prozessgas wie z.B. Stickstoff in Richtung Bauteiloberfläche strömen, wodurch eine Beeinflussung des Sauerstoffgehaltes im Schneidgas, das die Schmelze erreicht, erzielt werden kann.

Mit der äußeren ringförmigen oder mehreckigen Spaltdüse oder den Düsen der ringförmigen oder mehreckförmigen Anordnung kann der Wirkungsbereich des Schneidgases zum Schmelzaustrieb im Spalt und damit die schneid- bare Materialdicke erhöht werden.

Durch die Berücksichtigung des Druckverhältnisses an den Austrittsöffnungen für das Schneidgas, der ringförmigen oder mehreckigen Spaltdüse oder der Düsen der ringförmigen oder mehreckförmigen Anordnung von weniger als maximal 2 kann zwischen den Austrittsöffnungen der Düsen und der Bauteiloberfläche die Druckverteilung derart eingestellt werden, dass das Erreichen der Schallgeschwindigkeit des aus der Austrittsöffnung ausströmenden Schneidgases verhindert werden kann. Dies führt dazu, dass in der austretenden Schneidgasströmung und der Strömung innerhalb des Schneidspaltes keine Stöße ausgebildet werden, wodurch sich dabei die in Arbeit umsetzbare Energie des Gases im Vergleich zum Stand der Technik erhöhen lässt und die Störung der Gasgrenzschicht in der Prozesszone durch Stoß-Grenzschicht- Interaktionen unterdrückt werden kann. Bei Druckverhältnissen zwischen 2 und 3 der Absolutdrücke an den Austrittsöffnungen der Düse für das Schneidgas und der Spaltdüse oder den Düsen in ringförmiger oder mehreckiger Anordnung erreicht die Schneidgasströmung Schallgeschwindigkeit. Im Vergleich zum Stand der Technik ist die Geschwindigkeit geringer, der Druck höher und die ausgebildeten Stöße schwächer, wodurch sich dabei die in Arbeit umsetzbare Energie des Gases im Vergleich zum Stand der Technik ebenfalls erhöhen lässt und Verluste durch starke Stöße vermieden werden können. Ist jedoch das Druckverhältnis kleiner 2, also der Absolutdruck an der Austrittsöffnung der Düse für das Schneidgas kleiner als das Zweifache des Absolutdrucks an den Austrittsöffnungen der Spaltdüsen oder den Austrittsöffnungen der Düsen, die ringförmig oder mehreckig angeordnet sind, wird die Schallgeschwindigkeit beim Schneidgasstrom nicht erreicht.