WO2008034574A2 - Insulation part having integrated cooling channels - Google Patents
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- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
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Definitions
- FIG. 3 is a sectional schematic illustration of a laser processing head according to a second embodiment of the present invention.
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Abstract
Description
Isolationsteil mit integrierten Kühlkanälen Isolation part with integrated cooling channels
Beschreibungdescription
Die Erfindung betrifft eine Aufnahmevorrichtung, insbesondere eine Aufnahmevorrichtung für ein Düsenelement eines Laserbearbeitungskopfes.The invention relates to a receiving device, in particular a receiving device for a nozzle element of a laser processing head.
Mit Hilfe eines Laserbearbeitungskopfes lässt sich ein Werkstück unter Verwendung eines Laserstrahls derart bearbeiten, dass zum Beispiel Schweiß- oder Schneidarbeiten durchgeführt werden können. Hierzu wird der Laserbearbeitungskopf relativ zum Werkstück in geeigneter Weise positioniert. Die Positionierung erfolgt über eine Abstandsregelung, wobei der Abstand zwischen dem Düsenelement und dem Werkstück z. B. auf kapazitivem Wege gemessen werden kann. Dazu wird an das Düsenelement eine wechseiförmige Messspannung angelegt. Um das elektrisch leitende Düsenelement in geeigneter Weise elektrisch kontaktieren zu können, ist es notwendig, das an einem Gehäuse eines Laserbearbeitungskopfes angebrachte Düsenelement von dem Gehäuse zu isolieren.With the aid of a laser processing head, a workpiece can be processed using a laser beam in such a way that, for example, welding or cutting work can be carried out. For this purpose, the laser processing head is positioned relative to the workpiece in a suitable manner. The positioning is done by a distance control, wherein the distance between the nozzle member and the workpiece z. B. can be measured by capacitive means. For this purpose, a change-measuring voltage is applied to the nozzle element. In order to be able to contact the electrically conductive nozzle element in an appropriate manner, it is necessary to isolate the nozzle element attached to a housing of a laser processing head from the housing.
Isolationsteile zur Halterung von Düsenelementen an Laserbearbeitungskö-pfen werden häufig eingesetzt und sind in ihrer Funktion allgemein bekannt.Isolation parts for holding nozzle elements on laser processing heads are frequently used and are generally known in their function.
So beschreibt die DE 90 04 335 Ul eine Aufnahmevorrichtung mit einem keramischen Isolierkörper, der eine Ausnehmung mit einem Metalleinsatz mit einem Innengewinde zum Einschrauben eines metallischen Düsenelements für einen Laserbearbeitungskopf aufweist. Dabei ist der Einsatz in die gewindefreie Ausnehmung im Isolierkörper eingeklebt. Durch die Verwendung der Aufnahmevorrichtung mit Einsatz kann das Düsenelement durch Ein- und Ausschrauben am Laserbearbeitungskopf ausgewechselt werden.Thus, DE 90 04 335 Ul describes a receiving device with a ceramic insulating body having a recess with a metal insert with an internal thread for screwing a metallic nozzle member for a laser processing head. The insert is glued into the unthreaded recess in the insulating body. By using the receiving device with insert the nozzle element can be replaced by screwing in and unscrewing the laser processing head.
Die US 6,025,571 beschreibt eine Aufnahmevorrichtung mit einem keramischen ringförmigen Isolationsteil und einem in einer zentralen Ausnehmung davon angebrachten Metalleinsatz, wobei der Einsatz durch Schrauben, die sich durch in axialer Richtung laufende Löcher in dem Isolationsteil erstrecken, an dem Isolationsteil lösbar befestigt ist. Somit wird ein durch thermische oder mechanische Beanspruchung verursachtes Herausfallen des Einsatzes verhindert sowie ein einfaches Auswechseln des Einsatzes ermöglicht. In den Metalleinsatz kann wiederum ein Düsenelement eingeschraubt werden. Gemeinsames Merkmal dieser Isolationsteile ist ein Metalleinsatz, der in einen keramischen Isolator eintaucht und formschlüssig zentriert wird. Problematisch ist diese Art des Formschlusses bei Situationen, bei denen der Metalleinsatz stark erwärmt wird. Dies ist vor allem bei der Bearbeitung von reflektierenden Materialien mit hoher Laserleistung der Fall. Bei starker Erwärmung des Metalleinsatzes dehnt sich der Metalleinsatz aus, was zu einer Zugbeanspruchung für das keramische Isolationsteil führt, welches in Folge der Überlastung brechen kann.US 6,025,571 describes a receptacle having a ceramic annular insulating member and a metal insert mounted in a central recess thereof, the insert being releasably secured to the insulating member by screws extending through axially extending holes in the insulating member. Thus, a caused by thermal or mechanical stress falling out of the insert is prevented and allows easy replacement of the insert. In turn, a nozzle element can be screwed into the metal insert. A common feature of these insulating parts is a metal insert, which dips into a ceramic insulator and is positively centered. This type of positive locking is problematic in situations in which the metal insert is strongly heated. This is especially the case when working with reflective materials with high laser power. Upon heavy heating of the metal insert, the metal insert expands, which leads to a tensile stress on the ceramic insulating part, which can break as a result of overloading.
Da keramische Werkstoffe allgemein eine vergleichsweise schlechte Zugfestigkeit aufweisen und die dielektrischen Eigenschaften und der Preis des Keramikmaterials die verwendbaren Materialien weiter einschränken, ist mit herkömmlichen Mitteln nur eine mäßige thermische Belastbarkeit der Konstruktion möglich.Since ceramic materials generally have relatively poor tensile strength and the dielectric properties and price of the ceramic material further limit the materials that can be used, only moderate thermal endurance of the construction is possible by conventional means.
Um eine thermische Belastung so gering wie möglich zu halten, ist es üblich, über Zufuhr eines Kühlgases das Düsenelement und damit verbunden den Metalleinsatz zu kühlen. Ein herkömmlicher Laserbearbeitungskopf, der mittels Druckluft gekühlt wird, ist in Fig. 1 gezeigt.In order to keep a thermal load as low as possible, it is customary to cool the nozzle element and the metal insert connected thereto by supplying a cooling gas. A conventional laser processing head which is cooled by means of compressed air is shown in FIG.
Hierbei wird ein Arbeitslaserstrahl durch den Laserbearbeitungskopf 100 hindurch auf ein Werkstück 102 gelenkt, wie durch die optische Achse L angedeutet wird.Here, a working laser beam is directed through the laser processing head 100 onto a workpiece 102, as indicated by the optical axis L.
Am Gehäuse 104 des Laserbearbeitungskopfes 100, das zum Schutz des Gehäuses 104 noch zusätzlich mit einer Armierung 1041 versehen ist, ist mittels einer Überwurfmutter 106 ein ringförmiges Isolationsteil 108 lösbar befestigt. Ein Einsatz 1 10 ist mit einem Buchsenabschnitt 1 101 , an welchen sich ein radialer Flansch 1 102 anschließt, in eine Ausnehmung 1080 des ringförmigen Isolationsteils 108 zentrisch eingesetzt und mit dieser z. B. durch eine Klebeschicht verbunden. Der radiale Flansch 1102 erstreckt sich bis an die Außenkante des Isolationsteils 108, um die werkstückzugewandte Seite des Isolationsteils 108 abzudecken.On the housing 104 of the laser processing head 100, which is additionally provided to protect the housing 104 with a reinforcement 1041, a ring-shaped insulating member 108 is releasably secured by means of a union nut 106. An insert 1 10 is connected to a bushing portion 1 101, to which a radial flange 1 102 connects, centrally inserted into a recess 1080 of the annular insulating member 108 and with this z. B. connected by an adhesive layer. The radial flange 1102 extends to the outer edge of the insulating member 108 to cover the workpiece-facing side of the insulating member 108.
Ein Düsenelement 1 12 weist eine Düsenöffnung 1 121 und einen radialen Flansch 1 122 mit Rand 1 123 auf und ist mit einem Außengewinde 1 124 in ein Innengewinde 1 103 des Einsatzes 1 10 eingeschraubt. Zum leichten Ein- oder Ausschrauben des Düsenelements 1 12 in den oder aus dem metallischen Einsatz 1 10 kann der Rand 1 123 gerändelt sein. Als Zentrierung zwischen Düsenelement 1 12 und Einsatz 1 10 dienen kegelige Zentrierflächen 1 104. Zur Kühlung des Düsenelements 1 12 und dem damit verbundenen Einsatz 1 10 wird Druckluft durch eine Kühlgaszufuhrleitung 1 14 des Gehäuses 104 zu einer Bohrung 1061 der Haltemutter 106 geleitet, durch die eine Gasströmung erzeugt wird, die den Rand 1 123 des Flansches 1 122 des Düsenelements 1 12 trifft und da- mit entsprechend abkühlt. Um dies zu erreichen, ragt der Rand 1 123 des Flansches 1 122 des Düsenelements 1 12 über den äußeren Umfangsrand des Isolationsteils 108 hinaus. Um die Kühlgaszufuhr 1 14 des Gehäuses 104 gegenüber dem zentralen Durchgang entlang der optischen Achse L, durch den üblicherweise eine zentrale Prozeßgasströmung geleitet wird, abzudichten, ist zwischen der werks- tückzugewandten Seite des Gehäuses 104 und der werkstückabgewandten Seite des Isolationsteils 108 ein Dichtring 1 16 vorgesehen.A nozzle element 1 12 has a nozzle opening 1 121 and a radial flange 1 122 with edge 1 123 and is screwed with an external thread 1 124 in an internal thread 1 103 of the insert 1 10. For easy screwing or unscrewing of the nozzle member 1 12 in or out of the metallic insert 1 10, the edge 1 123 can be knurled. As a centering between the nozzle element 1 12 and insert 1 10 serve conical centering 1 104th For cooling the nozzle member 1 12 and the associated insert 1 10 compressed air is passed through a cooling gas supply line 1 14 of the housing 104 to a bore 1061 of the retaining nut 106, through which a gas flow is generated, the edge 1 123 of the flange 1 122 of the nozzle member 1 12 hits and cools down accordingly. To achieve this, the edge 1 123 of the flange 1 122 of the nozzle member 1 12 protrudes beyond the outer peripheral edge of the insulating part 108. In order to seal the cooling gas supply 14 of the housing 104 with respect to the central passage along the optical axis L, through which a central process gas flow is usually conducted, a sealing ring 16 is provided between the side of the housing 104 facing the workpiece and the side of the insulating part 108 remote from the workpiece intended.
Neben der gezeigten Ausführung zur Kühlung des Düsenelements 1 12 ist ferner auch eine Ausführung allgemein bekannt, bei der eine Kunststoffkappe (nicht ge- zeigt) in die Nähe des Düsenelements ragt, wourch ein Luftstrom in die Nähe des Düsenelements geleitet wird, um das Düsenelement zu kühlen.In addition to the shown embodiment for cooling the nozzle element 12, a design is also generally known, in which a plastic cap (not shown) protrudes in the vicinity of the nozzle element, whereby an air flow is conducted in the vicinity of the nozzle element to the nozzle member cool.
Beide Arten der Kühlung weisen jedoch den Nachteil auf, dass der Luftstrom nur indirekt und nicht sehr effektiv Wärme aus dem thermisch beanspruchten Isolati- onsteil abführen kann, was aufgrund der oben beschriebenen unterschiedlichen Wärmeausdehungskoffizienten zwischen Einsatz 1 10 und Isolationsteil 108 zu einer Zugbeanspruchung des Isolationsteils 108 führt, die ein mögliches Brechen des Isolationsteils 108 zur Folge haben kann.However, both types of cooling have the disadvantage that the air flow can dissipate heat only indirectly and not very effective on the thermally stressed Isolati-, which due to the above-described different Wärmeausdehungskoffizient between insert 1 10 and insulating member 108 to a tensile stress of the insulating part 108th leads, which may result in a possible breaking of the insulating part 108.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine weitere Aufnahmevorrichtung mit einem Isolationsteil und einem darin eingesetzten Einsatz zu schaffen, die insbesondere eine effektive Kühlung sowohl des Isolationsteiles als auch des Einsatzes ermöglicht.The object of the present invention is to provide a further receiving device with an insulating part and an insert inserted therein, which in particular enables effective cooling of both the insulating part and the insert.
Diese Aufgabe wird durch die Aufnahmevorrichtung nach Anspruch 1 und einen Laserbearbeitungskopf nach Anspruch 14 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung werden in den Unteransprüchen dargelegt.This object is achieved by the receiving device according to claim 1 and a laser processing head according to claim 14. Advantageous embodiments and further developments of the invention are set forth in the subclaims.
Erfindungsgemäß ist eine Aufnahmevorrichtung mit einem ringförmigen Isolations- teil vorgesehen, das eine zentrale Ausnehmung aufweist, wobei zumindest ein von einer werkstückabgewandten Stirnfläche des Isolationsteils durch das Isolations- teil verlaufender Kühlkanal in einer werkstückzugewandten Stirnfläche des Isolationsteils mündet.According to the invention, a receiving device with an annular insulating part is provided, which has a central recess, wherein at least one of a workpiece facing away from the end face of the insulating part by the insulation Part extending cooling channel opens in a workpiece facing end face of the insulating part.
Hierbei ist es von Vorteil, wenn die Aufnahmevorrichtung ferner einen Einsatz zur lösbaren Aufnahme eines Düsenelements zur Laserbearbeitung eines Werkstücks aufweist, der einen Buchsenabschnitt und einen sich radial nach außen erstreckenden Flansch umfaßt, wobei der Einsatz mit seinem Buchsenabschnitt so in der zentralen Ausnehmung angeordnet ist, dass sein Flansch im Bereich einer werkstückzugewandten Stirnfläche des Isolationsteils angeordnet ist.It is advantageous if the receiving device further comprises an insert for releasably receiving a nozzle element for laser processing of a workpiece comprising a bushing portion and a radially outwardly extending flange, wherein the insert is arranged with its socket portion in the central recess, that its flange is arranged in the region of a workpiece-facing end face of the insulating part.
Es ist also eine Aufnahmevorrichtung vorgesehen, die ein ringförmiges Isolationsteil sowie einen in der konzentrischen Ausnehmung des Isolationsteils angeordneten metallischen Einsatz umfasst, wobei das Isolationsteil mit Bohrungen oder Durchgängen versehen ist, die von einer werkstückabgewandten Seite zu einer werkstückzugewandten Seite verlaufen, und die mit einem Kühlgas versorgt werden, das einerseits das Isolationsteil selbst und andererseits bei seinem Austreten aus dem Isolationsteil auch den Einsatz und ein in dem Einsatz eingeschraubtes Düsenelement kühlt.Thus, a receiving device is provided which comprises an annular insulating part and a metallic insert arranged in the concentric recess of the insulating part, wherein the insulating part is provided with bores or passages which extend from a side facing away from the workpiece to a side facing the workpiece, and which with a cooling gas be supplied, on the one hand, the insulating part itself and on the other hand, when it emerges from the insulating part, the insert and a nozzle member screwed into the insert cools.
Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist es vorgesehen, dass zwischen einem Umfangsrand des Flansches und einer stirnseitigen Außenumfangs- kante des Isolationsteils ein stirnseitiger Umfangsrandbereich des Isolationsteils freiliegt und dass der zumindest eine Kühlkanal in den freiliegenden Bereich der werkstückzugewandten Stirnfläche des Isolationsteils mündet.In an advantageous embodiment of the invention, it is provided that between a peripheral edge of the flange and a front outer peripheral edge of the insulating part, an end-side peripheral edge portion of the insulating member is exposed and that the at least one cooling channel opens into the exposed region of the workpiece facing end face of the insulating part.
Hierbei ist zweckmässig, wenn der Auslassbereich des zumindest einen Kühlkanals an der werkstückzugewandten Seite des Isolationsteils direkt an den äußeren Rand des Flansches des Einsatzes angrenzt.It is expedient here if the outlet region of the at least one cooling channel adjoins the workpiece facing side of the insulating part directly to the outer edge of the flange of the insert.
Bei einer anderen vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung kann es jedoch auch vorgesehen sein, dass die werkstückabgewandte Seite des Flansches des Einsatzes einem Außenbereich der werkstückzugewandten Stirnfläche des Isolationsteils beabstandet gegenüberliegt, in dem der zumindest eine Kühlkanal in der Stirnfläche des Isolationsteils mündet. Für eine kostengünstige Bearbeitung des Isolationsteils ist es von Vorteil, wenn der zumindest eine Kühlkanal des Isolationsteils einen kreisförmigen Querschnitt aufweist, was eine leichte Erzeugung der Kühlkanäle ermöglicht.In another advantageous embodiment of the invention, however, it may also be provided that the workpiece facing away from the side of the flange of the insert is spaced from an outer region of the workpiece facing end face of the insulating member, in which the at least one cooling channel opens in the end face of the insulating part. For cost-effective processing of the insulating part, it is advantageous if the at least one cooling channel of the insulating part has a circular cross-section, which allows easy production of the cooling channels.
Um eine hohe Kühlleistung zu erzielen, ist es zweckmässig, eine Vielzahl von Kühlkanälen vorzusehen, deren Auslässe an den Stirnflächen des Isolationsteils in Um- fangsrichtung gleichmäßig verteilt sind.In order to achieve a high cooling capacity, it is expedient to provide a plurality of cooling channels whose outlets are uniformly distributed in the circumferential direction at the end faces of the insulating part.
Aufgrund der guten elektrischen Isolationseigenschaften ist es zweckmässig, wenn das Isolationsteil aus Keramik hergestellt ist, hierbei ist es insbesondere für die Herstellung eines Gewindes, für die Bearbeitung der Form des Isolationsteils oder für die Erzeugung der Kühlkanäle vorteilhaft, wenn das Isolationsteil aus einer spanend bearbeitbaren Glaskeramik hergestellt ist. In diesem Fall ist der zumindest eine Kühlkanal des Isolationsteils vorteilhafterweise eine Bohrung durch die Glaskeramik.Due to the good electrical insulation properties, it is expedient if the insulating part is made of ceramic, in this case it is particularly advantageous for the production of a thread, for machining the shape of the insulating part or for the production of the cooling channels, if the insulating part of a machinable glass ceramic is made. In this case, the at least one cooling channel of the insulating part is advantageously a bore through the glass ceramic.
Der Einsatz ist aufgrund der benötigten elektrischen Leitfähigkeit und der bevorzugten guten Wärmeleitfähigkeit zweckmässigerweise aus Metall oder einer Metalllegierung hergestellt, besonders von Vorteil sind hierbei Kupfer, Bronze oder Mes- sing.The use is conveniently made of metal or a metal alloy due to the required electrical conductivity and the preferred good thermal conductivity, particularly advantageous here are copper, bronze or brass sing.
Ein stabiler Halt des Einsatzes in dem Isolationsteil wird erzielt, wenn der Einsatz mit seinem Buchsenabschnitt in die zentrale Ausnehmung des Isolationsteils eingeschraubt und/oder eingeklebt ist.A stable hold of the insert in the insulating part is achieved when the insert is screwed with its socket portion in the central recess of the insulating part and / or glued.
Für den praktischen Einsatz an Laserbearbeitungsanlagen ist es vorteilhaft, wenn das Isolationsteil an seinem vom Einsatz abgewandten axialen Ende einen sich radial nach außen erstreckenden Flansch aufweist, über den die Aufnahmevorrichtung an einem Gehäuse eines Laserbearbeitungskopfes mittels einer Überwurfmut- ter derart lösbar befestigbar ist, dass zumindest eine Kühlgaszuführleitung des Gehäuses dem zumindest einen Kühlkanal des Isolationsteils gegenüberliegt.For practical use in laser processing systems, it is advantageous if the insulating part has a radially outwardly extending flange at its axial end remote from the insert, via which the receiving device to a housing of a laser processing head by means of a cap nut so releasably fastened ter, that at least a Kühlgaszuführleitung of the housing opposite to the at least one cooling channel of the insulating part.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird die Aufnahmevorrichtung bei einem Laserbearbeitungskopf mit einem Gehäuse eingesetzt, durch das ein Arbeitslaserstrahl geführt ist, der durch eine Düse bearbeitungssei- tig austritt, wobei die Düse mittels der erfindungsgemäßen Aufnahmevorrichtung am Gehäuse lösbar befestigt werden kann. Hierbei kann die Düse einem Düsenelement entsprechen, das einen Flansch aufweist, der an den Flansch des Einsatzes angrenzt und sich radial über den stirnseitigen Umfangsrandbereich des Isolationsteils erstreckt. Dabei ist es von Vorteil, dass der Flansch durch das aus den Kühlkanälen des Isolationsteils austretende Kühlgas, das auf den Flansch trifft, gekühlt wird.According to a further advantageous embodiment of the invention, the receiving device is used in a laser processing head with a housing through which a working laser beam is passed, the processing side tig emerges through a nozzle, the nozzle can be releasably secured by means of the recording device according to the invention on the housing. Here, the nozzle may correspond to a nozzle member having a flange which adjoins the flange of the insert and extends radially beyond the front-side peripheral edge region of the insulating part. It is advantageous that the flange is cooled by the exiting from the cooling channels of the insulating part of the cooling gas which impinges on the flange.
Erfindungsgemäß ist es auch möglich, statt einem einfachen Düsenelement ein Doppeldüsenelement zu verwenden, durch das neben einem zentralen Prozeßgasstrom zusätzlich ein Kühlgasstrom geleitet wird, der über die Kühlkanäle im Isolationsteil gespeist wird und der durch eine Öffnung austreten kann, die benachbart zu einer zentralen Düsenöffnung vorgesehen ist. Der Druck des Kühlgasstroms kann unabhängig vom zentralen Gasstrom eingestellt werden, um im Arbeitsbereich einen höheren Druck aufzubauen.According to the invention, it is also possible, instead of a simple nozzle element to use a double nozzle element, in addition to a central process gas flow additionally a cooling gas flow is fed, which is fed via the cooling channels in the insulating part and can escape through an opening provided adjacent to a central nozzle opening is. The pressure of the cooling gas flow can be adjusted independently of the central gas flow in order to build up a higher pressure in the working area.
Hierbei ist es zweckmässig, wenn das Doppeldüsenelement mit Zuführkanälen ausgestattet ist, um das Kühlgas von den Kühlkanälen des Isolationsteils zu einer Ringöffnung an der werkstückzugewandten Seite des Doppeldüsenelements zu leiten, die die zentrale Düsenöffnung des Doppeldüsenelements umgibt.In this case, it is expedient for the double nozzle element to be equipped with feed channels in order to guide the cooling gas from the cooling channels of the isolation part to an annular opening on the side of the double nozzle element facing the workpiece, which surrounds the central nozzle opening of the double nozzle element.
Weiter ist es von besonderem Vorteil, wenn zwischen dem werkstückzugewandten Randbereich des Isolationsteils und dem werkstückabgewandten Randbereich des Doppeldüsenelements ein Dichtring zur Abdichtung des von den Kühlkanälen des Isolationsteils zu den Zuführkanälen des Doppeldüsenelements geleiteten Kühlgasstroms von der Umgebung vorgesehen ist.Furthermore, it is of particular advantage if a sealing ring for sealing the cooling gas flow directed from the cooling passages of the insulating part to the feed passages of the double nozzle element from the environment is provided between the workpiece-facing edge region of the insulating part and the edge region of the double nozzle element facing away from the workpiece.
In einer anderen erfindungsgemäßen Ausgestaltung der Erfindung kann die Düse auch ein Doppeldüsenelement mit einem Innendüsenelement und einem separaten Außendüsenelement sein.In another embodiment of the invention, the nozzle may also be a double nozzle element with an inner nozzle element and a separate outer nozzle element.
Hierbei ist es zweckmässig, wenn das Innendüsenelement mittels eines Buchsenabschnitts in die zentrale Ausnehmung des Isolationsteils eingesetzt ist, es kann jedoch auch von Vorteil sein, wenn das Innendüsenelement mittels eines Buchsenabschnitts in einen gewindefreien Buchsenabschnitt des Einsatzes eingesetzt ist.It is expedient here if the inner nozzle element is inserted into the central recess of the insulating part by means of a bushing section, but it can also be advantageous if the inner nozzle element is inserted into a thread-free bushing section of the insert by means of a bushing section.
In beiden Fällen ist das eingesteckte Innendüsenelement vorteilhafterweise mittels des Außendüsenelements befestigt, das ein Innengewinde aufweist und mit diesem auf ein Außengewinde des Isolationsteils aufgeschraubt ist. Für eine weitere Abdichtung der Gasstrahlen ist es zweckmässig, wenn zwischen der werkstückzugewandten Seite des Gehäuses und der werkstückabgewandten Seite des Isolationsteils ein innerer Dichtungsring und ein äußerer Dichtungsring vorgesehen sind, von denen der eine in Radialrichtung innen und der andere au- ßen von der zumindest einen Kühlgaszufuhrleitung im Gehäuse und dem zumindest einen Kühlkanal des Isolationsteils angeordnet ist, um den Gasstrom gegenüber dem Durchgang des Arbeitslaserstrahls bzw. der Umgebung abzudichten.In both cases, the inserted inner nozzle element is advantageously fastened by means of the outer nozzle element, which has an internal thread and is screwed thereto with an external thread of the insulating part. For a further sealing of the gas jets, it is expedient if an inner sealing ring and an outer sealing ring are provided between the workpiece facing side of the housing and the workpiece side facing away from the insulating part, one of the radially inside and the other outside of the at least one Cooling gas supply line in the housing and the at least one cooling channel of the insulating part is arranged to seal the gas flow relative to the passage of the working laser beam or the environment.
Eine besonders geeignete Düse zur Verwendung mit einem erfindungsgemßen La- serbearbeitungskopf weist einen Doppeldüsenelement auf, das ein Innendüsenele- ment mit einem zentralen Durchgangskanal und einer zentralen Düsenöffnung und ein Außendüsenelement umfasst, zwischen denen zumindest ein Zuführkanal vorgesehen ist, um ein an einer werkstückabgewandten Seite des Doppeldüsenelements zugeführtes Kühlgas zu einer Ringöffnung an der einer werkstückzugewand- ten Seite des Doppeldüsenelements zu leiten, die die zentrale Düsenöffnung des Doppeldüsenelements umgibt.A particularly suitable nozzle for use with a laser processing head according to the present invention comprises a dual nozzle member comprising an inner nozzle member having a central passageway and a central nozzle opening and an outer nozzle member between which at least one supply passageway is provided to prevent a workpiece-facing side thereof Directing the double nozzle element supplied cooling gas to an annular opening on the workpiece facing a side of the double nozzle element, which surrounds the central nozzle opening of the double nozzle element.
Zweckmäßigerweise ist dabei vorgesehen, dass der Zuführkanal den zentralen Durchgangskanal im Innendüsenelement zumindest im Bereich der Ringöffnung ringförmig umgibt.Appropriately, it is provided that the feed channel annularly surrounds the central passage in the inner nozzle element at least in the region of the ring opening.
Um eine zuverlässige Abdichtung der Kühlgasführung im Anschlußbereich der Düse zu erhalten, ist es zweckmäßlig, wenn eine sich von der werkstückabgewandten Seite des Doppeldüsenelements wegerstreckende, ringförmige Seitenwand vor- gesehen ist, die einen im werkstückabgewandten Randbereich des Doppeldüsenelements angeordneten Dichtungsring schützt und hält.In order to obtain a reliable sealing of the cooling gas guide in the connection region of the nozzle, it is expedient if an annular side wall extending away from the workpiece side of the double nozzle element is provided which protects and holds a sealing ring arranged in the edge region of the double nozzle element remote from the workpiece.
Eine einfache Montage der Düse am Laserbearbeitungskopf wird dadurch erreicht, dass das Außendüsenelement, das ein Innengewinde aufweist, am Isolationsteil durch Aufschrauben auf ein entsprechendes Außengewinde befestigbar ist, wobei das Innendüsenelement zweckmäßigerweise mittels eines Buchsenabschnitts in einen gewindefreien Buchsenabschnitt des Einsatzes oder eine zentrale Ausnehmung eines Isolationsteils einsetzbar und mittels des Außendüsenelements am Isolationsteil befestigbar ist.A simple mounting of the nozzle on the laser processing head is achieved in that the outer nozzle element, which has an internal thread, is fastened to the insulating part by screwing onto a corresponding external thread, wherein the inner nozzle element expediently by means of a bushing portion in a thread-free socket portion of the insert or a central recess of an insulating part can be used and fastened by means of the outer nozzle element on the insulating part.
Dabei sind vorteilhafterweise an einer inneren Seitenwand des Außendüsenelements Rippenelemente zur Stützung des Innendüsenelements angebracht, auf de- nen eine werkstückzugewandte Seite eines Flanschabschnitts des Innendüsenele- ments aufliegt.In this case, rib elements for supporting the inner nozzle element are advantageously mounted on an inner side wall of the outer nozzle element, on which nen a workpiece facing side of a flange portion of the Innendüsenele- element rests.
Eine andere vorteilhafte Möglichkeit zur Befestigung der Düse an einem erfin- dungsgemäßen Laserbearbeitungskopf zeichnet sich dadurch aus, dass das Innen- düsenelement mittels eines ein Außengewinde aufweisenden Buchsenabschnitts in einen ein entsprechendes Innengewinde aufweisenden Buchsenabschnitt des Einsatzes einschraubbar ist und dass das Außendüsenelement über das Innendü- senelement an einem Isolationsteil einer Aufnahmevorrichtung befestigbar ist.Another advantageous possibility for fastening the nozzle to a laser processing head according to the invention is characterized in that the inner nozzle element can be screwed by means of a sleeve portion having an external thread into a socket portion of the insert having a corresponding internal thread and the outer nozzle element can be screwed in via the inner nozzle element is attachable to an insulating part of a receiving device.
Die Erfindung wird im Folgenden beispielsweise anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:The invention will be explained in more detail below, for example, with reference to the drawing. Show it:
Fig. 1 eine geschnittene, schematische Darstellung eines herkömmlichen Laserbe- arbeitungskopfes;1 is a sectional, schematic representation of a conventional laser processing head;
Fig. 2 eine geschnittene, schematische Darstellung eines Laserbearbeitungskopfes gemäß einem ersten Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung;FIG. 2 is a sectional schematic view of a laser processing head according to a first embodiment of the present invention; FIG.
Fig. 3 eine geschnittene, schematische Darstellung eines Laserbearbeitungskopfes gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung;3 is a sectional schematic illustration of a laser processing head according to a second embodiment of the present invention;
Fig. 4 eine dreidimensionale, schematische Ansicht eines Ausführungsbeispiels einer Aufnahmevorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung; und4 shows a three-dimensional, schematic view of an embodiment of a receiving device according to the present invention; and
Fig. 5 eine geschnittene, schematische Darstellung eines Ausschnitts eines anderen Ausführungsbeispiels einer Aufnahmevorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung.Fig. 5 is a sectional, schematic representation of a section of another embodiment of a receiving device according to the present invention.
In den verschiedenen Figuren der Zeichnung sind einander entsprechende Bauelemente mit gleichen Bezugszeichen versehen.In the various figures of the drawing, corresponding components are provided with the same reference numerals.
In Fig. 2 ist ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Laserbearbeitungskopfes 200 gezeigt. Hierbei ist an einem Gehäuse 204, das wie der her- kömmliche Laserbearbeitungskopf 100 aus Fig. 1 eine Armierung 2041 aufweist, ein ringförmiges Isolationsteil 208 lösbar befestigt. In eine Ausnehmung 2080 des ringförmigen Isolationsteils 208 ist ein Einsatz 210 mit einem Buchsenabschnitt 2101 , an welchen sich ein radialer Flansch 2102 anschließt, zentrisch eingesetzt und mit diesem verbunden. Hierbei kann der Buchsenabschnitt 2101 in der Ausnehmung 2080 des ringförmigen Isolationsteils 208 eingeschraubt und/oder verklebt sein.2, a first embodiment of a laser processing head 200 according to the invention is shown. In this case, a ring-shaped insulating part 208 is detachably fastened to a housing 204 which, like the conventional laser machining head 100 from FIG. 1, has a reinforcement 2041. In a recess 2080 of the annular insulating member 208 is an insert 210 with a socket portion 2101, which is followed by a radial flange 2102, used centrally and connected thereto. In this case, the socket section 2101 can be screwed and / or glued into the recess 2080 of the annular insulation part 208.
In ein Innengewinde 2103 des Einsatzes 210 ist ein Düsenelement 212, das eine Düsenöffnung 2121 und einen radialen Flansch 2122 mit einem Rand 2123 aufweist, mittels eines Außengewindes 2124 eingeschraubt. Ähnlich dem herkömmlichen Düsenelement 1 12 aus Fig. 1 kann der Rand 2123 zum leichten Ein- oder Ausschrauben des Düsenelements 212 gerändelt sein. Als Zentrierung zwischen Düsenelement 212 und Einsatz 210 dienen kegelige Zentrierflächen 2104.In an internal thread 2103 of the insert 210, a nozzle element 212, which has a nozzle opening 2121 and a radial flange 2122 with an edge 2123, is screwed in by means of an external thread 2124. Similar to the conventional nozzle element 1 12 of FIG. 1, the edge 2123 may be knurled for easy screwing in or out of the nozzle element 212. Centering between nozzle element 212 and insert 210 is provided by tapered centering surfaces 2104.
Um das ringförmige Isolationsteil 208, den Einsatz 210 sowie das Düsenelement 212 zu kühlen, ist das ringförmige Isolationsteil 208 erfindungsgemäß mit in Um- fangsrichtung angeordneten, axial von der werkstückabgewandten Seite zur werkstückzugewandten Seite des Isolationsteils 208 verlaufenden Kühlkanälen versehen, durch die ein durch eine Kühlgaszufuhrleitung 214 zur werkstückabgewandten Seite des Isolationsteils 208 geleitetes Kühlgas durch das Isolationsteil 208 hindurch auf die werkstückabgewandte Seite des Flansches 2122 des Düsenele- ments 212 geleitet wird, um das Düsenelement 212 zu kühlen. Um einen Durch- lass des Kühlgases an der werkstückzugewandten Seite des Isolationsteils 208 zu ermöglichen, erstreckt sich der radiale Flansch 2102 des Einsatzes 210 nicht über die gesamte werkstückzugewandte Stirnfläche des Isolationsteils 208 bis zu dessen Außenkante, sondern lediglich bis zu den Auslassöffnungen der Kühlkanäle 2081 des Isolationsteils 208.In order to cool the annular insulating member 208, the insert 210 and the nozzle member 212, the annular insulating member 208 is provided according to the invention arranged in the circumferential direction, axially extending from the workpiece facing side to the workpiece facing side of the insulating member 208 cooling channels through which a through a cooling gas supply line 214 to the workpiece remote side of the insulating member 208 passed cooling gas is passed through the insulating member 208 on the workpiece side facing away from the flange 2122 of the nozzle element 212 to cool the nozzle member 212. In order to allow a passage of the cooling gas on the workpiece facing side of the insulating member 208, the radial flange 2102 of the insert 210 does not extend over the entire workpiece facing end face of the insulating member 208 to its outer edge, but only up to the outlet openings of the cooling channels 2081 of Isolation part 208.
Hierbei ist besonders vorteilhaft, dass das Kühlgas durch einen in Radialrichtung geöffneten Kanal entweicht, der an der werkstückzugewandten Seite durch den Flansch 2122 des Düsenelements 212, an der werkstückabgewandten Seite durch das Isolationsteils 208 und an seiner radialen Innenseite durch den Rand des Flansches 2102 begrenzt wird. Somit passiert das Kühlgas alle drei zu kühlenden Elemente, d. h. das Isolationsteil 208, den Einsatz 210 sowie das Düsenelement 212.It is particularly advantageous that the cooling gas escapes through a radially open channel which is bounded on the workpiece facing side by the flange 2122 of the nozzle member 212 on the workpiece away side by the insulating member 208 and at its radial inner side by the edge of the flange 2102 , Thus, the cooling gas passes all three elements to be cooled, i. H. the insulation member 208, the insert 210 and the nozzle member 212nd
Darüber hinaus kann durch eine Expansion des Kühlgases in dem in Radialrichtung nach außen geöffneten Kanal eine weitere effektive Kühlung der drei Bauele- mente erreicht werden. Dieser Kühleffekt kann durch eine entsprechende Dimensionierung der Kühlkanäle 2081 in dem Isolationsteil 208 erreicht werden.In addition, by an expansion of the cooling gas in the radially outwardly open channel further effective cooling of the three compo- be achieved. This cooling effect can be achieved by a corresponding dimensioning of the cooling channels 2081 in the insulating part 208.
Ein weiterer Vorteil dieser Konstruktion ist, dass der kühlende Gasstrom von dem Buchsenabschnitt 2101 des Einsatzes 210 geringer als bei den herkömmlichen Vorrichtungen beabstandet ist, wodurch der Weg des Wärmetransports verkürzt und damit verbessert wird.Another advantage of this construction is that the cooling gas flow from the bushing portion 2101 of the insert 210 is spaced less than in the conventional devices, thereby shortening and thus improving the heat transfer path.
Ferner wird der Buchsenabschnitt 2101 bei diesem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung direkt durch den integral mit dem Buchsenabschnitt 2101 ausgebildeten Flansch 2102 und nicht indirekt über den Flansch 2122 des Düsenelements 212 gekühlt. Somit kann eine Erwärmung des Buchsenabschnitts 2101 effektiv vermindert werden.Further, in this embodiment of the present invention, the bushing portion 2101 is cooled directly by the flange 2102 integrally formed with the bushing portion 2101 and not indirectly by the flange 2122 of the nozzle member 212. Thus, heating of the female portion 2101 can be effectively reduced.
Die Zuleitung des Kühlgases zu den Kühlkanälen des Isolationsteils 208 über die Kühlgaszufuhrleitung 214 des Gehäuses 204 soll im Folgenden beschrieben werden. Die Kühlkanäle 2081 stehen mit einem Hohlraum 215 in Verbindung, der beispielsweise eine ringförmige Nut sein kann, die durch einen oder mehrere Kühlgaszufuhrleitungen 214 mit Kühlgas versorgt wird. Um diesen Hohlraum gegen- über der Umgebung abzudichten, ist ein Dichtungsring 216 zwischen dem äußeren Randbereich der werkstückabgewandten Fläche des Isolationsteils 208 und einer werkstückzugewandten Fläche des Gehäuses 204 vorgesehen. Für eine weitere Abdichtung gegenüber dem zentralen Strahlengang, durch den eine zentrale Gasströmung geführt wird, ist ferner ein innerer Dichtungsring 218 zwischen dem werks- tückabgewandten inneren Umfangsrandbereich des ringförmigen Isolationsteils 108 und der werkstückzugewandten Fläche des Gehäuses 204 vorgesehen. Es ist jedoch auch möglich, für jeden Kühlkanal 2081 des Isolationsteils 208 eine eigene Kühlgaszufuhrleitung 214 zu schaffen, die jeweils eigens abgedichtet wird. Hierfür ist es jedoch nötig, dass das Isolationsteil 208 nur in einer vorbestimmten Dreh- Stellung in das Gehäuse 204 eingesetzt wird, damit die jeweiligen Öffnungen miteinander korrespondieren können.The supply of the cooling gas to the cooling channels of the insulating part 208 via the cooling gas supply line 214 of the housing 204 will be described below. The cooling channels 2081 communicate with a cavity 215, which may be, for example, an annular groove supplied with cooling gas through one or more cooling gas supply lines 214. In order to seal this cavity from the environment, a sealing ring 216 is provided between the outer edge region of the workpiece-facing surface of the insulating member 208 and a workpiece-facing surface of the housing 204. For further sealing with respect to the central beam path, through which a central gas flow is guided, an inner sealing ring 218 is further provided between the factory tuck away inner peripheral edge portion of the annular insulating member 108 and the workpiece facing surface of the housing 204. However, it is also possible to provide a separate cooling gas supply line 214 for each cooling channel 2081 of the insulating part 208, which is in each case specially sealed. For this, however, it is necessary that the insulating member 208 is inserted only in a predetermined rotational position in the housing 204, so that the respective openings can correspond with each other.
In Fig. 3 ist ein zweites Ausführungsbeispiel eines Laserbearbeitungskopfes 200 gemäß der vorliegenden Erfindung gezeigt. Da bei diesem Ausführungsbeispiel Ie- diglich eine weitere erfindungsgemäße Düse mit einem anderen Düsenelement 312 verwendet wird, soll im folgenden auf die Beschreibung der übrigen Bauelemente, die in dem ersten Ausführungsbeispiel bereits beschrieben wurden, verzichtet werden.In Fig. 3, a second embodiment of a laser processing head 200 according to the present invention is shown. Since, in this embodiment, only one further nozzle according to the invention is used with another nozzle element 312, reference is made in the following to the description of the remaining components, which have already been described in the first embodiment, be waived.
Das Doppeldüsenelement 312, das für die Bearbeitung von dicken Werkstücken besonders bevorzugt eingesetzt wird, ist in den metallischen Einsatz 210 mit einem Außengewinde 3124 an seinem Innendüsenelement 313 eingeschraubt. Das sich konisch nach unten verjüngende Doppeldüsenelement 312 weist am werkstückzugewandten Ende seines zentralen Durchgangskanals in seinem Innendüsenelement 313 eine zentrale Düsenöffnung 3121 für den austretenden Laserstrahl sowie für einen zentralen Gasstrom auf. Darüber hinaus ist an der werkstückzugewandten Seite des Doppeldüsenelements 312 eine zusätzliche Ringöffnung 3122 zwischen dem Innendüsenelement 313 und einem Außendüsenelement 315 vorgesehen, durch die ein zusätzlicher Gasstrahl austreten kann.The double nozzle element 312, which is particularly preferably used for the machining of thick workpieces, is screwed into the metallic insert 210 with an external thread 3124 on its inner nozzle element 313. The conically downwardly tapering double nozzle element 312 has a central nozzle opening 3121 for the exiting laser beam and for a central gas flow at the end of its central passageway facing the workpiece in its inner nozzle element 313. In addition, on the side of the double nozzle element 312 facing the workpiece, an additional annular opening 3122 is provided between the inner nozzle element 313 and an outer nozzle element 315, through which an additional gas jet can exit.
Die zusätzliche Ringöffnung 3122 ist ringförmig um die zentrale Düsenöffnung 3121 herum angeordnet und ist mit einem Zuführkanal 3123 verbunden, der ausgehend von der Ringöffnung 3122 schräg entlang der Außenwand des Doppeldüsenelements 312 zu einem Randbereich der werkstückabgewandten Seite des Doppeldüsenelements 312 verläuft. Der Zuführkanal 3123 ist dabei im Außendü- senelement 315 und/oder zwischen dem Außen- und dem Innendüsenelement 313 angeordnet. Vorzugsweise verläuft ein in Strömungsrichtung gesehen erster Abschnitt des Zuführkanals 3123, der von einem oder mehreren Einzelkanälen 3123' gebildet ist, im Außendüsenelement 315, während ein zweiter Abschnitt des Zuführkanals 3123, der benachbart zur Ringöffnung 3122 liegt als konischer Ringka- nal 3123" ausgebildet ist.The additional annular opening 3122 is annularly arranged around the central nozzle opening 3121 and is connected to a supply passage 3123 which extends from the annular opening 3122 obliquely along the outer wall of the double nozzle element 312 to an edge region of the workpiece remote side of the double nozzle element 312. The feed channel 3123 is arranged in the outer nozzle element 315 and / or between the outer and inner nozzle elements 313. A first section of the feed channel 3123, which is formed by one or more individual channels 3123 ', preferably extends in the outer nozzle element 315, while a second section of the feed channel 3123, which lies adjacent to the annular opening 3122, is designed as a conical annular channel 3123 " ,
Zwischen der werkstückabgewandten Öffnung des Zuführkanals 3123, die beispielsweise ringförmig ausgebildet sein kann, und der werkstückzugewandten Seite des Isolationsteils 208 ist wiederum der bereits in Fig. 2 beschriebene, in Rad- ialrichtung geöffnete Kanal ausgebildet, der jedoch nun durch die werkstückabge- wandte Seite des Doppeldüsenelements 312 begrenzt ist und an seiner Außenseite durch einen Dichtungsring 314 abgedichtet wird. Somit wird ein ringförmig ausgebildeter Hohlraum geschaffen, der sowohl mit den Öffnungen der Kühlkanäle 2081 des Isolationsteils 208 als auch mit dem Zuführkanal 3123 des Doppeldüsenele- ments 312 kommuniziert. Zusätzlich kann, um den Dichtungsring 314 zu schützen und einen stabilen Halt zwischen dem Doppeldüsenelement 312 und dem Isolationsteil 208 zu ermöglichen, eine sich von der werkstückabgewandten Seite des Doppeldüsenelements 312 axial wegerstreckende, ringförmige Seitenwand 316 gebildet sein, um einen werkstückzugewandten Randbereich des Isolationsteils 208 zu umschließen.Between the workpiece-facing opening of the feed channel 3123, which may be annular, for example, and the workpiece-facing side of the insulating part 208 is again the already described in Fig. 2, open in Radial ialrichtung channel formed, but now through the workpiece-facing side of the Double nozzle member 312 is limited and sealed on its outside by a sealing ring 314. Thus, a ring-shaped cavity is created, which communicates both with the openings of the cooling channels 2081 of the insulating part 208 and with the feed channel 3123 of the double nozzle element 312. In addition, to protect the sealing ring 314 and to provide a stable fit between the double nozzle element 312 and the insulating member 208, a side away from the workpiece can be used of the double nozzle element 312 axially extending, annular side wall 316 may be formed to enclose a workpiece-facing edge region of the insulating part 208.
In Fig. 4 ist ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Aufnahmevorrichtung 400 in einem nicht montierten Zustand dargestellt. Die Aufnahmevorrichtung 400 umfasst das bereits oben erwähnte ringförmige Isolationsteil 208 und den Einsatz 210.4, an embodiment of the receiving device 400 according to the invention is shown in a non-assembled state. The receiving device 400 comprises the above-mentioned annular insulating part 208 and the insert 210.
Durch das ringförmige Isolationsteil 208 verlaufen in axialer Richtung eine Vielzahl von oben bereits erwähnten Kühlkanälen 2081 , die bevorzugter Weise als kreisrunde Bohrungen durch das Isolationsteil 208 ausgeführt sind. Das ringförmige Isolationsteil 208 ist aus einem elektrisch isolierenden Material, insbesondere Keramik, hergestellt. Um die Kühlkanäle 2081 in dem Isolationsteil 208 auszu- bilden, ist es besonders vorteilhaft, eine Glaskeramik zu verwenden, die spanend bearbeitet werden kann, wie beispielsweise die Glaskeramik Macor der Firma Corning Incorporated. Derartige Glaskeramiken können im Dauerbetrieb bei Arbeitstemperaturen von etwa 800° Celsius eingesetzt werden, es sind jedoch auch kurzzeitige Spitzentemperaturen von etwa 1000° Celsius möglich. Zudem ist dieses Ma- terial ein ausgezeichneter Elektroisolator, weist jedoch eine schlechte Wärmeleitfähigkeit auf, weshalb eine möglichst große Anzahl von Kühlkanälen 2081 , soweit die Stabilität des Isolationsteils 208 nicht dadurch beeinträchtigt wird, bevorzugt ist.Through the annular insulating part 208 extend in the axial direction a plurality of above-mentioned cooling channels 2081, which are preferably designed as a circular holes through the insulating member 208. The annular insulating member 208 is made of an electrically insulating material, in particular ceramic. In order to form the cooling channels 2081 in the insulating part 208, it is particularly advantageous to use a glass ceramic which can be machined, such as, for example, the Macor glass ceramic from Corning Incorporated. Such glass ceramics can be used in continuous operation at working temperatures of about 800 ° C, but it is also short-term peak temperatures of about 1000 ° C possible. In addition, this material is an excellent electrical insulator, but has a poor thermal conductivity, which is why the largest possible number of cooling channels 2081, as far as the stability of the insulating member 208 is not affected thereby, is preferred.
Das ringförmige Isolationsteil 208 weist an seinem vom Einsatz 210 abgewandten axialen Ende einen sich radial nach außen erstreckenden Flansch 2084 auf, über den das ringförmige Isolationsteil 208 an dem in Fig. 2 und Fig. 3 gezeigten Gehäuse 204 des Laserbearbeitungskopfes 200 mittels der Überwurfmutter 206 lösbar befestigt werden kann. Darüber hinaus kann an der werkstückzugewandten Seite des Isolationsteils 208 eine sich radial nach innen erstreckende Ausnehmung 2085 gebildet sein, die von der ringförmigen Seitenwand 316 des Doppeldüsenelements 312 umschlossen wird.The annular insulating part 208 has, at its axial end facing away from the insert 210, a radially outwardly extending flange 2084, via which the annular insulating part 208 can be detached on the housing 204 of the laser processing head 200 shown in FIGS. 2 and 3 by means of the cap nut 206 can be attached. In addition, a radially inwardly extending recess 2085 may be formed on the workpiece facing side of the isolation member 208 which is enclosed by the annular side wall 316 of the dual nozzle member 312.
Der Durchmesser des ringförmigen Isolationsteils 208 beträgt typischerweise 25 mm und dessen Höhe ist typischerweise 12 mm, kann aber auch je nach Einsatzbereich des Laserbearbeitungskopfes 200 andere geeignete Abmessungen aufweisen. Des weiteren ist in dem Isolationsteil 208 ein Kontaktstift 2086 vorgesehen, der von einem äußeren Bereich der werkstückabgewandten Seite des Isolationsteils 208 durch das Isolationsteil 208 schräg nach innen verläuft und auf den FlanschThe diameter of the annular insulating part 208 is typically 25 mm and its height is typically 12 mm, but may also have other suitable dimensions depending on the area of use of the laser processing head 200. Further, in the insulating member 208, a contact pin 2086 is provided, which extends from an outer region of the workpiece remote side of the insulating member 208 through the insulating member 208 obliquely inwardly and on the flange
2102 des Einsatzes 210 trifft, um den Einsatz 210 elektrisch zu kontaktieren. Hierbei befindet sich an der werkstückzugewandten Seite des Gehäuses 204 zur2102 of the insert 210 strikes to electrically contact the insert 210. This is located on the workpiece facing side of the housing 204 to
Aufnahme des Isolationsteils 208 eine entsprechende elektrische Kontaktierung (nicht gezeigt).Receiving the insulating part 208 a corresponding electrical contact (not shown).
Der Einsatz 210 ist in der zentralen Ausnehmung 2080 des ringförmigen Isolationsteils 208 angeordnet. Der Einsatz 210 kann mit seinem Buchsenabschnitt 2101 in die zentrale Ausnehmung 2080 geklebt oder beispielsweise in ein in der zentralen Ausnehmung 2080 befindliches Gewinde (nicht gezeigt) eingeschraubt sein und gegebenenfalls noch zusätzlich verklebt sein. Der Einsatz 210 ist aus einem elektrisch leitenden Material hergestellt, insbesondere einem Metall oder einer Metalllegierung. Hierbei ist wichtig, dass das verwendete Material einen hohen Schmelzpunkt aufweist, um eine Zerstörung des Materials bei den auftretenden hohen Temperaturen zu vermeiden. Um die Kühlung durch das Kühlgas zu optimieren, ist es erforderlich, dass das verwendete Material eine gute Wärmeleitfähigkeit aufweist. Besondere geeignete Materialien sind z. B. Kupfer, Bronze oder Messing.The insert 210 is arranged in the central recess 2080 of the annular insulating part 208. The insert 210 may be glued with its sleeve portion 2101 in the central recess 2080 or, for example, in a befindliches in the central recess 2080 thread (not shown) to be screwed and optionally additionally glued. The insert 210 is made of an electrically conductive material, in particular a metal or a metal alloy. It is important that the material used has a high melting point in order to avoid destruction of the material at the high temperatures occurring. In order to optimize the cooling by the cooling gas, it is necessary that the material used has a good thermal conductivity. Special suitable materials are for. As copper, bronze or brass.
Der an der werkstückzugewandten Seite des Isolationsteils 208 befindliche Flansch 2102 des Einsatzes 210 erstreckt sich in Radialrichtung mit seinem RandThe flange 2102 of the insert 210 located on the workpiece-facing side of the insulating part 208 extends radially with its edge
2103 nicht bis zu einer werkstückzugewandten Außenkante 2082 des Isolationsteils 208, sodass ein werkstückzugewandter Randbereich 2083 des2103 not up to a workpiece-facing outer edge 2082 of the insulating part 208, so that a workpiece-facing edge region 2083 of the
Isolationsteils 208 freiliegt. Somit ist ein freiliegender Bereich für die Kühlkanäle 2081 des Isolationsteils 208 vorgesehen. Vorzugsweise grenzen die Auslässe der Kühlkanäle 2081 des Isolationsteils 208 direkt an den Rand 2103 des Flansches 2102 des Einsatzes 210 an, um den Einsatz 210, insbesondere den Buchsenab- schnitt 2101 des Einsatzes 210 gut kühlen zu können.Isolation part 208 is exposed. Thus, an exposed area is provided for the cooling passages 2081 of the insulating part 208. Preferably, the outlets of the cooling channels 2081 of the insulation part 208 directly adjoin the edge 2103 of the flange 2102 of the insert 210 in order to be able to cool the insert 210, in particular the socket section 2101 of the insert 210 well.
Es ist jedoch auch möglich, die Aufnahmevorrichtung 400 so auszubilden, wie dies in einem Ausschnitt in Fig. 5 gezeigt ist.However, it is also possible to form the receiving device 400, as shown in a detail in Fig. 5.
Hierbei weist die werkstückabgewandte Fläche des Flansches 2102' des Einsatzes 210' eine Stufe in Radialrichtung auf, so dass ein Außenbereich der werkstückabgewandten Seite des Flansches 2102' einem Bereich der werkstückzugewandten Stirnfläche des Isolationsteils 208, in dem der zumindest eine Kühlkanal in der werkstückzugewandten Stirnfläche des Isolationsteils 208 mündet, beabstandet gegenüberliegt. Hierbei liegt ein radialer Innenbereich der werkstückabgewandten Seite des Flansches 2102' an einem radialen Innenbereich der werkstückzuge- wandten Stirnfläche des Isolationsteils 208 an.Here, the workpiece-facing surface of the flange 2102 'of the insert 210' has a step in the radial direction, so that an outer region of the workpiece facing away from the flange 2102 'a portion of the workpiece facing End face of the insulating part 208, in which the at least one cooling channel in the workpiece-facing end face of the insulating part 208 opens, spaced opposite. In this case, a radially inner region of the side of the flange 2102 'remote from the workpiece abuts against a radially inner region of the workpiece-facing end face of the insulating part 208.
Es ist natürlich auch möglich, dass die werkstückzugewandte Seite des Isolationsteils 208 eine in Radialrichtung ausgebildete Stufe aufweist (nicht gezeigt), die die werkstückzugewandte Stirnfläche des Isolationsteils 208 in einen Innenbereich und einen Außenbereich unterteilt, wobei der zumindest eine Kühlkanal 2081 in den Außenbereich mündet und die werkstückabgewandte Seite des Flansches 2102 des Einsatzes 210 an dem Innenbereich anliegt und dem Außenbereich sowie dem Auslassbereich des zumindest einen Kühlkanals beabstandet gegenüberliegt.It is of course also possible that the workpiece facing side of the insulating member 208 has a radially formed step (not shown) dividing the workpiece facing end face of the insulating member 208 in an inner region and an outer region, wherein the at least one cooling channel 2081 opens into the outer region and the workpiece side facing away from the flange 2102 of the insert 210 rests against the inner region and spaced from the outer region and the outlet region of the at least one cooling channel.
Bei beiden Ausgestaltungen entweicht das Kühlgas durch einen in Radialrichtung geöffneten Kanal, der an der werkstückzugewandten Seite durch den Flansch 2102 oder 2102' des Einsatzes 210 oder 210', an der werkstückabgewandten Seite durch die werkstückzugewandte Stirnfläche des Isolationsteils 208 und an seiner radialen Innenseite durch die in radialer Richtung ausgebildete Stufe entweder in dem Isolationsteil 208 oder in dem Flansch 2102' begrenzt wird. Somit kann das Kühlgas besonders effektiv das Isolationsteil 208 und den Einsatz 210 oder 210' kühlen.In both embodiments, the cooling gas escapes through a radially open channel, on the workpiece facing side through the flange 2102 or 2102 'of the insert 210 or 210', on the workpiece away side by the workpiece facing end face of the insulating member 208 and at its radial inside through the radially formed step is limited either in the insulating part 208 or in the flange 2102 '. Thus, the cooling gas can particularly effectively cool the insulation member 208 and the insert 210 or 210 '.
Ferner ist es auch möglich, bei der in Fig. 4 gezeigten Ausführungsform in der werkstückzugewandten Stirnfläche des Isolationsteils 208 in Radialrichtung verlaufende Kanäle auszubilden (nicht gezeigt), die sich von den Mündungsbereichen der Kühlkanäle 2081 in der Stirnfläche des Isolationsteils 208 bis zu dessen Um- fangsrand erstrecken, wobei der Flansch 2102 des Einsatzes 210 über den Mündungsbereichen angeordnet ist und sich gegebenenfalls bis zum Umfangsrand des Isolationsteils 208 erstreckt.Furthermore, it is also possible, in the embodiment shown in FIG. 4, to form (in the radial direction) channels (not shown) in the end face of the insulating part 208 facing the workpiece, which extend from the mouth regions of the cooling channels 2081 in the end face of the insulating part 208 to the latter. The flange 2102 of the insert 210 is arranged over the mouth areas and optionally extends to the peripheral edge of the insulating part 208.
In Fig. 6 ist ein drittes Ausführungsbeispiel eines Laserbearbeitungskopfes gemäß der vorliegenden Erfindung gezeigt, das sich im Hinblick auf das erste und zweite Ausführungsbeispiel des in Fig. 2 und 3 gezeigten Laserbearbeitungskopfes 200 Ie- diglich in der Verwendung einer modifizierten Aufnahmevorrichtung 400' und eines unterschiedlichen Doppeldüsenelements 500 unterscheidet. Die Aufnahmevorrichtung 400' umfasst, wie bei den oben genannten Ausführungsbeispielen, ein ringförmiges Isolationsteil 208' und einen Einsatz 210". Hierbei unterscheidet sich das ringförmige Isolationsteil 208' lediglich durch ein Außengewinde 2087 an der Außenwand des keramischen Isolationsteils 208'. Der Einsatz 210" weist wiederum einen Flansch 2102" und einen Buchsenabschnitt 2101 " auf, im Unterschied zu den vorhergehenden Ausführungsbeispielen befindet sich jedoch an dem Buchsenabschnitt 2101" kein Innengewinde zum Einschrauben eines Düsenelements.FIG. 6 shows a third exemplary embodiment of a laser processing head according to the present invention which, with regard to the first and second exemplary embodiments of the laser processing head 200 shown in FIGS. 2 and 3, uses only a modified recording device 400 'and a different one Dual nozzle element 500 is different. The receiving device 400 'comprises, as in the above-mentioned embodiments, an annular insulating part 208' and an insert 210 ", wherein the annular insulating part 208 'differs only by an external thread 2087 on the outer wall of the ceramic insulating part 208'. again has a flange 2102 "and a bushing portion 2101", in contrast to the previous embodiments, however, is at the socket portion 2101 "no internal thread for screwing a nozzle member.
Das Doppeldüsenelement 500 umfasst ein Innendüsenelement 510 und ein Außen- düsenelement 520.The dual nozzle member 500 includes an inner nozzle member 510 and an outer nozzle member 520.
Das Innendüsenelement 510 weist einen sich konisch in Richtung des Werkstücks verengenden Düsenabschnitt 512 mit einer werkstückzugewandten Innendüsenöff- nung 513, einen Buchsenabschnitt 514 sowie einen zwischen dem Düsenabschnitt 512 und dem Buchsenabschnitt 514 angeordneten Flanschabschnitt 516 auf. Der Buchsenabschnitt 514 ist in den gewindefreien Buchsenabschnitt 2101 " des Einsatzes 210" eingesetzt oder eingesteckt, wobei der Flanschabschnitt 516 der Innendüse 510 mit seiner werkstückabgewandten Seite an der werkstückzugewand- ten Seite des Flansches 2102" des Einsatzes 210" anliegt.The inner nozzle element 510 has a nozzle section 512 conically tapering in the direction of the workpiece, with a workpiece-facing inner nozzle opening 513, a bushing section 514, and a flange section 516 arranged between the nozzle section 512 and the bushing section 514. The bushing portion 514 is inserted or inserted into the unthreaded bushing portion 2101 "of the insert 210" with the flange portion 516 of the inner nozzle 510 abutting the workpiece-facing side of the flange 2102 "of the insert 210" with its side remote from the workpiece.
Das Außendüsenelement 520 weist einen sich konisch in Richtung des Werkstücks verengenden Düsenabschnitt 522 mit einer werkstückzugewandten, die Innendü- senöffnung 513 umgebenden Außendüsenöffnung 523 und eine sich von dem werkstückabgewandten Ende des Düsenabschnitts 522 erstreckende ringförmige Seitenwand 524 auf, die mit einem Innengewinde 525 versehen ist, um das Außendüsenelement 520 auf das Außengewinde 2087 des Isolationsteils 208' aufzuschrauben. Hierbei dienen an der inneren Seitenwand des Düsenabschnitts 522 des Außendüsenelements 520 angebrachte Rippenelemente 526 der Stützung des Innendüsenelements 510, wobei die werkstückzugewandte Seite des Flanschabschnitts 516 des Innendüsenelements 510 auf einer werkstückabgewandten Seite der Rippenelemente 526 aufliegt. Die Rippenelemente 526 sind bevorzugterweise als Vorsprünge an der Innenwand des Düsenabschnitts 522 mit einer ebenen werkstückabgewandten Auflagefläche gebildet, sie können jedoch jede beliebige Form annehmen, solange der Kühlgasstrom aus den Kühlkanälen 2081 des Isolationsteils 208' diese auf dem Weg zu der Außendüsenöffnung 523 passieren kann. Hier ist also zwischen dem Innen- und dem Außendüsenelement 510, 520 ein Zuführkanal 5123 gebildet, der den Kühlgasstrom von den Kühlkanälen 2081 des Isolationsteils 208' zur Außendüsenöffnung 523 leitet. Die Außendüsenöffnung 523 bildet effektiv eine ringförmige Austrittsöffnung des Zuführkanal 5123, da sie innen vom Mündungsabschnitt des Innendüsenelements 510 begrenzt ist. Der Zuführkanal 5123 ist hier also über seine gesamte Länge ein im Wesentlichen konischer Ringkanal, in dessen oberen oder eingangsseitigen Abschnitt die das Innen- düsenelement 510 abstützenden Rippenelemente 526 angeordnet sind.The outer nozzle element 520 has a nozzle section 522 conically tapered in the direction of the workpiece, with a workpiece-facing outer nozzle opening 523 surrounding the inner nozzle opening 513 and an annular side wall 524 extending from the workpiece-distal end of the nozzle section 522 and provided with an inner thread 525. to unscrew the outer nozzle member 520 on the external thread 2087 of the insulating part 208 '. Here, rib members 526 attached to the inner side wall of the nozzle portion 522 of the outer nozzle member 520 serve to support the inner nozzle member 510, and the workpiece facing side of the flange portion 516 of the inner nozzle member 510 rests on a side of the rib members 526 facing away from the workpiece. The rib members 526 are preferably formed as projections on the inner wall of the nozzle portion 522 with a flat workpiece facing support surface, however, they may take any shape, as long as the cooling gas flow from the cooling channels 2081 of the insulating member 208 'can pass them on the way to the outer nozzle opening 523. Here, between the inner and the outer nozzle element 510, 520, a feed channel 5123 is formed which directs the flow of cooling gas from the cooling channels 2081 of the insulating part 208 'to the outer nozzle opening 523. The outer nozzle opening 523 effectively forms an annular exit opening of the supply passage 5123 because it is bounded inside of the mouth portion of the inner nozzle member 510. The feed channel 5123 is thus here over its entire length a substantially conical annular channel, in the upper or input-side section of which the inner nozzle element 510 supporting rib elements 526 are arranged.
Somit kann also das Innendüsenelement 510 in einfacher Weise mit seinem Buchsenabschnitt 514 in den Einsatz 210" gesteckt werden und durch das Außendüsenelement 520, das wie eine Überwurfmutter für das Innendüsenelement 510 wirkt, arretiert werden. Es ist jedoch auch möglich (nicht gezeigt), ein mit einem Außengewinde versehenes Innendüsenelement 510 in einen mit einem Innengewin- de versehenen Einsatz 210 einzuschrauben, wobei in diesem Fall die Rippenelemente 526 nicht unbedingt notwendig sind. Darüber hinaus ist es auch denkbar, eine Aufnahmevorrichtung (nicht gezeigt) ohne Einsatz 210" auszubilden, wobei in diesem Fall das Innendüsenelement 510 direkt in die zentrale Ausnehmung 2080 des Isolationsteils 208 gesteckt wird. Zur Abdichtung des Kühlgasstromes durch die Kühlkanäle 2081 gegenüber der Umgebung ist ferner ein Dichtring 530 vorgesehen, der an einem inneren Schulterabschnitt der ringförmigen Seitenwand 524 des Außendüsenelements 520 vorgesehen ist.Thus, thus, the inner nozzle member 510 can be easily inserted with its sleeve portion 514 into the insert 210 "and locked by the outer nozzle member 520 acting like a cap nut for the inner nozzle member 510. However, it is also possible (not shown) with an externally threaded internal nozzle element 510 into an internally threaded insert 210, in which case the rib elements 526 are not absolutely necessary, Moreover, it is also conceivable to form a receiving device (not shown) without insert 210 " In this case, the inner nozzle element 510 is inserted directly into the central recess 2080 of the insulating part 208. For sealing the flow of cooling gas through the cooling channels 2081 from the environment, there is further provided a sealing ring 530 provided at an inner shoulder portion of the annular side wall 524 of the outer nozzle member 520.
Durch den Einsatz der erfindungsgemäßen Aufnahmevorrichtung, die mit Kühlka- nälen 2081 versehen ist, kann in effektiver Weise sowohl das Isolationsteil 208, der Einsatz 210 als auch das Düsenelement 212, 312 oder 500 gekühlt werden. Somit wird eine thermische Belastung des Isolationsteils verringert. Ferner wird durch die Verringerung der Erwärmung des Einsatzes 210, insbesondere des Buchsenabschnitts 2101 des Einsatzes 210, eine Ausdehnung des Buchsenab- schnitte 2101 vermindert, wodurch das Isolationsteil 208 einer geringeren Zugbeanspruchung ausgesetzt wird. Darüber hinaus kann durch die erfindungsgemäße Aufnahmevorrichtung ein kompakter Aufbau eines Laserbearbeitungskopfes 200 mit einem Doppeldüsenelement 312 oder 500 verwirklicht werden, da der zusätzliche Gasstrom durch das Isolationsteil 208 geleitet wird. By using the receiving device according to the invention, which is provided with cooling channels 2081, both the insulating part 208, the insert 210 and the nozzle element 212, 312 or 500 can be effectively cooled. Thus, a thermal load of the insulating part is reduced. Further, by reducing the heating of the insert 210, particularly the female portion 2101 of the insert 210, an expansion of the female portion 2101 is reduced, thereby exposing the insulating member 208 to a lower tensile stress. In addition, a compact design of a laser processing head 200 with a double nozzle element 312 or 500 can be realized by the recording device according to the invention, since the additional gas flow is passed through the insulation member 208.
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