DE102014206358A1

DE102014206358A1 - Method and laser cutting machine for laser cutting small openings

Info

Publication number: DE102014206358A1
Application number: DE102014206358.2A
Authority: DE
Inventors: Malte Kumkar; Oliver Wehner; Elke Dolores Kaiser; Markus Ginter
Original assignee: Trumpf Laser GmbH
Current assignee: Trumpf Laser GmbH
Priority date: 2014-04-03
Filing date: 2014-04-03
Publication date: 2015-10-08

Abstract

Das erfindungsgemäße Verfahren zum Laserschneiden von Öffnungen (2), welche Öffnungskonturen mit Radien von kleiner als 5 mm aufweisen, in ein insbesondere metallisches Werkstück (3) einer Werkstückdicke von höchstens 2 mm mittels eines Laserstrahls (4) und eines Schneidgases (11), die beide aus einer Schneiddüse (10) eines Laserschneidkopfs (6) austreten, wobei das Werkstück (3) und der Laserschneidkopf (6) relativ zueinander in mindestens einer ersten Richtung (X) bewegt werden und der Laserstrahl (4) von einer in dem Laserschneidkopf (6) vor der Schneiddüse (9) angeordneten Scanneroptik (8) in der ersten und einer dazu schräg verlaufenden, zweiten Richtung (X, Y) auf das Werkstück (3) abgelenkt wird, umfasst jeweils folgende Verfahrensschritte zum Schneiden der Öffnungen (2): a) Erzeugen eines durchgehenden Einstichlochs (14) im Werkstück (3) durch Einstechen des Laserstrahls (4) in das Werkstück (5) an einer Position innerhalb einer zu schneidenden Öffnung (2) mit ersten Prozessparametern; und b) ausgehend vom Einstichloch (14) Schneiden einer Öffnungskontur der Öffnung (2) in das Werkstück (3) mittels des Laserstrahls (4) mit anderen, zweiten Prozessparametern durch Überlagern der Bewegung der Scanneroptik (8) einerseits und einer Relativbewegung zwischen Werkstück (3) und Laserschneidkopf (6) andererseits.The inventive method for laser cutting of openings (2) having opening contours with radii of less than 5 mm, in a particular metallic workpiece (3) a workpiece thickness of at most 2 mm by means of a laser beam (4) and a cutting gas (11) both emerge from a cutting nozzle (10) of a laser cutting head (6), wherein the workpiece (3) and the laser cutting head (6) are moved relative to each other in at least a first direction (X) and the laser beam (4) is displaced from one in the laser cutting head ( 6) arranged in front of the cutting nozzle (9) scanner optics (8) in the first and an obliquely, the second direction (X, Y) is deflected to the workpiece (3), each comprising the following method steps for cutting the openings (2): a) generating a continuous piercing hole (14) in the workpiece (3) by piercing the laser beam (4) into the workpiece (5) at a position within an opening to be cut (2) with e most process parameters; and b) starting from the puncture hole (14) cutting an opening contour of the opening (2) in the workpiece (3) by means of the laser beam (4) with other, second process parameters by superimposing the movement of the scanner optics (8) on the one hand and a relative movement between the workpiece ( 3) and laser cutting head (6) on the other.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Laserschneiden von Öffnungen, welche Öffnungskonturen mit Radien von kleiner als 5 mm aufweisen, in ein insbesondere metallisches Werkstück einer Werkstückdicke von höchstens 2 mm mittels eines Laserstrahls und eines Schneidgases, die beide aus einer Schneiddüse eines Laserschneidkopfs austreten, sowie eine zum Durchführen des Verfahrens geeignete Laserschneidmaschine.The present invention relates to a method for laser cutting openings having opening contours with radii of less than 5 mm, in a particular metallic workpiece workpiece thickness of at most 2 mm by means of a laser beam and a cutting gas, both of which emerge from a cutting nozzle of a laser cutting head, and a suitable for performing the method laser cutting machine.

Für viele Applikation, wie z. B. die Herstellung von Lautsprecherlöchern oder Filterstrukturen, ist es wichtig, schnell kleine Öffnungskonturen zu schneiden. Laserbearbeitungsmaschinen können Konturen oder Teilkonturen mit hoher Präzision schneiden, wobei Scanner eine hohe Geschwindigkeit der Strahlbewegung relativ zum Werkstück erlauben. Untersuchungen zeigen, dass sich die Prozessgeschwindigkeit durch Steigerung der Leistung von Lasern hoher Strahlqualität erhöhen und bei der gesteigerten Prozessgeschwindigkeit eine erhöhte Bearbeitungsqualität erreichen lassen. Dabei ist zu beachten, dass die höhere Leistung bei reduzierter Prozessgeschwindigkeit zu Qualitätseinbußen führt. Somit ergeben sich durch Lösungen, die beim Schmelz- oder Brennschneiden unter Nutzung von Schneiddüsen hohe Prozessgeschwindigkeit auch bei feinen Öffnungskonturen erlauben, sowohl Vorteile in der Geschwindigkeit als auch in der Qualität der Bearbeitung. Dies kann z. B. durch Schneiden von Teilkonturen oder kleinen Öffnungskonturen, die innerhalb einer Schneiddüse angeordnet werden können, erzeugt werden. Um die Prozesszeit weiter zu erhöhen, kann eine überlagerte Bewegung zwischen der Scannerbewegung und einer Relativbewegung von Laserschneidkopf und Werkstück zum Schneiden der Teil-/Kleinkontur verwendet werden, wie in der EP 1 475 182 A1 beschrieben ist.For many applications, such. As the production of speaker holes or filter structures, it is important to quickly cut small opening contours. Laser processing machines can cut contours or part contours with high precision, with scanners allowing a high speed of beam movement relative to the workpiece. Investigations show that the process speed can be increased by increasing the power of lasers of high beam quality and achieve an increased machining quality with the increased process speed. It should be noted that the higher performance at reduced process speed leads to quality losses. Thus, solutions that allow high process speed even with fine opening contours in melt or flame cutting using cutting nozzles, both advantages in the speed and in the quality of machining. This can be z. B. by cutting partial contours or small opening contours that can be arranged within a cutting nozzle, are generated. In order to further increase the process time, superimposed movement between the scanner movement and relative movement of the laser cutting head and workpiece may be used to cut the partial / minor contour, as in US Pat EP 1 475 182 A1 is described.

Ein Problem, das sich beim Schneiden dieser kleinen Öffnungskonturen ergibt, ist die Spritzerbildung beim Einstechen. Während bei laufendem Schneidprozess der Materialaustieb aufgrund der bereits ausgebildeten Öffnung, unterstützt durch die Gasströmung, im Wesentlichen in Richtung der durch Überdruck und Schneiddüse ausgebildeten Strömung erfolgt, ist dieses während der Einstechphase nicht möglich. Der Materialaustrieb muss also in der Einstechphase entgegen der Strahlrichtung erfolgen, und es bildet sich durch eine für den laufenden Schneidprozess ausgelegte Kombination von Schneiddüse und Überdruck keine den Schmelzaustrieb begünstigende Gasströmung. Die Anlagerung von Spritzern auf der Strahleintrittsseite wird durch die für den Schneidprozess gewählten Schneiddüsen- und Druckparameter eher begünstigt denn vermieden.One problem that arises when cutting these small opening contours is the spattering during grooving. While during the cutting process, the material waste due to the already formed opening, supported by the gas flow, takes place substantially in the direction of the flow formed by overpressure and cutting nozzle, this is not possible during the piercing phase. The material discharge must therefore take place in the piercing phase counter to the direction of the jet, and no gas flow promoting the melt ejection is formed by a combination of cutting nozzle and overpressure designed for the current cutting process. The accumulation of splashes on the jet entry side is favored rather than avoided by the cutting nozzle and pressure parameters selected for the cutting process.

Es ist bekannt, dass sich beim Einstechen die Spritzerbildung und deren Anlagerung auf der Strahleintrittsseite des Werkstücks durch gegenüber dem Schneidprozess abweichende Wahl verschiedener Laserparameter und Parameterkombinationen reduzieren lassen. So kann für das Einstechen ein kleinerer Strahldurchmesser oder eine geänderte Fokuslage, ein geänderter Abstand der Düse zum Werkstück, ein reduzierter Gasdruck oder ein anderes Prozessgas als beim eigentlichen Schneiden gewählt werden. Auch ist es häufig vorteilhaft, bei gesteigerter Laserleistung und/oder gepulst bei reduzierter Relativbewegung des Laserstrahls zum Werkstück einzustechen. Weiterhin sind Verfahren bekannt, bei denen die Strahleintrittsseite des Werkstücks mit einem Trennmittel beaufschlagt wird, das die Anhaftung der Spritzer verhindert, so dass diese bei anschließender Reinigung entfernt werden können. Allerdings ist das Trennmittel bei den kleinen Öffnungskonturen und bei hoher Belegungsdichte selten ausreichend, um zu verhindern, dass die Spritzer in den bereits vorher erzeugten Öffnungen anhaften.It is known that, during piercing, spatter formation and its deposition on the beam entry side of the workpiece can be reduced by choosing different laser parameters and parameter combinations that deviate from the cutting process. Thus, a smaller jet diameter or a changed focal position, a changed distance of the nozzle to the workpiece, a reduced gas pressure or another process gas can be selected for the piercing than the actual cutting. Also, it is often advantageous to stab with increased laser power and / or pulsed with reduced relative movement of the laser beam to the workpiece. Furthermore, methods are known in which the jet entry side of the workpiece is subjected to a release agent, which prevents the adhesion of the splashes, so that they can be removed during subsequent cleaning. However, with the small opening contours and high coverage, the release agent is seldom sufficient to prevent the splatters from adhering to the previously created openings.

Diese bekannten Verfahren zur Qualitätssteigerung beim Einstechen resultieren allerdings in reduzierter Bearbeitungsgeschwindigkeit. Ist ein häufiges Einstechen erforderlich und kann der eigentliche Schneidprozess prinzipiell mit hoher Prozessgeschwindigkeit realisiert werden, so resultieren die bekannten qualitätsoptimierenden Einstechprozeduren in einem erheblichen Zeitverlust.However, these known methods for increasing the quality of piercing result in reduced processing speed. If frequent piercing is required and if the actual cutting process can in principle be realized with a high process speed, then the known quality-optimizing piercing procedures result in a considerable loss of time.

Es ist demgegenüber die Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren und eine Laserschneidmaschine anzugeben, die die Vorteile des Laserschneidens mit Düsen und die Vorteile schneller Scannerbewegung für ein schnelles Schneiden feiner Öffnungskonturen kombiniert.It is an object of the invention to provide a method and a laser cutting machine that combines the advantages of laser cutting with nozzles and the advantages of fast scanner movement for fast cutting of fine opening contours.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Verfahren zum Laserschneiden von Öffnungen, welche Öffnungskonturen mit Radien von kleiner als 5 mm aufweisen, in ein insbesondere metallisches Werkstück einer Werkstückdicke von höchstens 2 mm mittels eines Laserstrahls und eines Schneidgases, die beide aus einer Schneiddüse eines Laserschneidkopfs austreten, wobei das Werkstück und der Laserschneidkopf relativ zueinander in mindestens einer ersten Richtung bewegt werden und der Laserstrahl von einer in dem Laserschneidkopf vor der Schneiddüse angeordneten Scanneroptik in der ersten und einer dazu schräg, bevorzugt rechtwinklig, verlaufenden, zweiten Richtung, also zweidimensional, auf das Werkstück abgelenkt wird, mit jeweils folgenden Verfahrensschritten zum Schneiden der Öffnungen:

a) Erzeugen eines durchgehenden Einstichlochs im Werkstück durch Einstechen des Laserstrahls in das Werkstück an einer Position innerhalb einer zu schneidenden Öffnung mit ersten Prozessparametern; und
b) ausgehend vom Einstichloch Schneiden einer Öffnungskontur der Öffnung in das Werkstück mittels des Laserstrahls mit anderen, zweiten Prozessparametern durch Überlagern der Bewegung der Scanneroptik einerseits und einer Relativbewegung zwischen Werkstück und Laserschneidkopf andererseits.

This object is achieved by a method for laser cutting of openings, which have opening contours with radii of less than 5 mm, in a particular metallic workpiece workpiece thickness of at most 2 mm by means of a laser beam and a cutting gas, both of which emerge from a cutting nozzle of a laser cutting head wherein the workpiece and the laser cutting head are moved relative to each other in at least a first direction and the laser beam from a arranged in the laser cutting head in front of the cutting nozzle scanner optics in the first and an obliquely, preferably perpendicular, extending second direction, so two-dimensional, on the Workpiece is deflected, each with the following steps for cutting the openings:

a) producing a continuous piercing hole in the workpiece by piercing the laser beam into the workpiece at a position within an opening to be cut with first process parameters; and
b) starting from the puncture hole cutting an opening contour of the opening in the workpiece by means of the laser beam with other, second process parameters by superimposing the movement of the scanner optics on the one hand and a relative movement between the workpiece and laser cutting head on the other.

Erfindungsgemäß wird vorab eingestochen, um dann ausgehend vom Einstichloch, insbesondere fliegend, zu schneiden. Die ersten Prozessparameter sind für das Einstechen optimiert, also beispielsweise ohne Schneidgas oder mit reduzierter Schneidgasströmung, mit geändertem Düsenabstand oder Düsentyp, mit Querströmung oder Unterdruck, mit verschwindender oder verminderter Relativbewegung zwischen Werkstück und Laserstrahl, mit Leistungsüberhöhung, mit modulierter Laserleistung, mit angepasster Fokuslage oder reduziertem Fokusdurchmesser. Die zweiten Prozessparameter sind für das Schneiden optimiert, also beispielsweise mit Schneidgas, bei weitgehend konstanter Laserleistung und mit dafür angepasster Relativbewegung zwischen Werkstück und Laserstrahl, von der nur dann durch Absenkung oder Modulation abgewichen wird, wenn auch bei der überlagerten Bewegung aus Scanneroptik und Relativbewegung zwischen Werkstück und Laserschneidkopf die angepasste Relativbewegung zwischen Werkstück und Laserstrahl nicht eingehalten werden kann. Beim Schneiden der Öffnungskontur wird der Laserstrahl von der Scanneroptik innerhalb der mit Gasdruck beaufschlagten Schneiddüse bewegt, so dass eine den Materialaustrieb aus dem Werkstück begünstigende Gasströmung aufgebaut wird. Die überlagerte Bewegung ermöglicht es, feine Öffnungskonturen mit einer Konturtreue besser 0,025 μm und mit hohen Vorschub- bzw. Prozessgeschwindigkeiten größer 20 m/min, bevorzugt größer 30 m/min, zu schneiden. Die Abmessung der zu schneidenden Öffnung oder Teilöffnung ist einerseits durch die Relativgeschwindigkeit zwischen Werkstück und Laserschneidkopf und andererseits durch den Öffnungsquerschnitt der Schneiddüse limitiert.According to the invention, it is inserted in advance, in order to then cut, starting from the puncture hole, in particular flying. The first process parameters are optimized for piercing, so for example without cutting gas or with reduced cutting gas flow, with changed nozzle pitch or nozzle type, with cross flow or negative pressure, with vanishing or reduced relative movement between the workpiece and laser beam, with power increase, with modulated laser power, with adjusted focus position or reduced focus diameter. The second process parameters are optimized for cutting, so for example with cutting gas, with largely constant laser power and with adapted relative movement between the workpiece and laser beam, which is only deviated from by lowering or modulation, although in the superimposed movement of scanner optics and relative movement between Workpiece and laser cutting head the adjusted relative movement between the workpiece and the laser beam can not be met. When the opening contour is cut, the laser beam is moved by the scanner optics within the gas pressure-loaded cutting nozzle, so that a gas flow promoting the material discharge from the workpiece is built up. The superimposed movement makes it possible to cut fine opening contours with a contour accuracy better than 0.025 μm and with high feed or process speeds of greater than 20 m / min, preferably greater than 30 m / min. The dimension of the opening or partial opening to be cut is limited on the one hand by the relative speed between the workpiece and the laser cutting head and on the other hand by the opening cross section of the cutting nozzle.

In einer besonders bevorzugten Verfahrensvariante fährt zum Schneiden mehrerer auf einer Bahn angeordneter Öffnungen der Laserstrahl die Bahn mindestens zweimal ab, wobei beim ersten Abfahren nur die Einstichlöcher der Öffnungen mit den ersten Prozessparametern erzeugt und beim zweiten Abfahren die Öffnungskonturen der Öffnungen mit den zweiten Prozessparametern geschnitten werden. Die Prozessparameter brauchen somit nur einmal umgeschaltet zu werden, wodurch die Bearbeitungszeit minimiert wird.In a particularly preferred variant of the method, the laser beam traverses the web at least twice for cutting a plurality of openings arranged on a web, wherein during the first shutdown only the puncture holes of the openings are produced with the first process parameters and the opening contours of the openings with the second process parameters are cut during the second shutdown , The process parameters thus only need to be switched once, which minimizes the processing time.

In einer alternativen Verfahrensvariante wird nach Erzeugen des Einstichlochs einer Öffnung anschließend die Öffnungskontur einer Öffnung geschnitten, bevor das Einstichloch einer nächsten Öffnung erzeugt wird. Hier wird die Zweifachüberfahrt vermieden, indem sichergestellt wird, dass vor dem Schneiden einer Öffnung ein Einstichloch vorhanden ist. Das Schneiden muss nicht zwingend am gerade zuvor eingestochenen Einstichloch erfolgen, sondern kann, insbesondere im Fall von räumlich versetzten Arbeitsfeldern von Einstech- und Schneidlaserstrahl, an einem anderen Einstichloch erfolgen.In an alternative method variant, after the puncture hole of an opening has been produced, the opening contour of an opening is subsequently cut before the puncture hole of a next opening is produced. Here, the double crossing is avoided by ensuring that there is a puncture hole before cutting an opening. The cutting does not necessarily have to take place at the puncture hole that has just been punched in, but rather, in particular in the case of spatially staggered working fields of piercing and cutting laser beam, it can take place at another puncture hole.

In einer besonders bevorzugten Verfahrensvariante werden der Laserstrahl zum Einstechen und der Laserstrahl zum Schneiden auf unterschiedlichen optischen Strahlwegen zum Werkstück geführt, so dass sich zwei getrennte Arbeitsfelder zum Einstechen und Schneiden ergeben. Bei den Einstech- und Schneidlaserstrahlen kann es sich um den gleichen Laserstrahl, der von einer gemeinsamen Scanneroptik auf das eine oder das andere Arbeitsfeld abgelenkt wird, oder um zwei unterschiedliche Laserstrahlen handeln, die entweder von einer gemeinsamen Scanneroptik oder jeweils von einer eigenen Scanneroptik auf das eine oder das andere Arbeitsfeld abgelenkt werden. Im letzteren Fall können die zwei unterschiedlichen Laserstrahlen aus dem gleichen Laserstrahl mittels eines optischen Schalters (AOD, EOM, ...) erzeugt werden, der in seinen beiden Schaltstellungen jeweils zueinander winkelversetzte Einstech- und Schneidlaserstrahlen erzeugt, welche unter unterschiedlichen Winkeln auf eine gemeinsame Scanneroptik treffen. Während der Schneidlaserstrahl durch die Schneiddüse hindurchgeht, kann der Einstechlaserstrahl, sofern ohne ein Schneid- bzw. Prozessgas eingestochen wird, ohne eine Einstechdüse auf das Werkstück treffen. Vorzugsweise wird der Laserstrahl zwischen den beiden Schritten a) und b) mindestens für die Zeitdauer, die zum Umschalten zwischen den zwei unterschiedlichen optischen Strahlwegen erforderlich ist, ausgeschaltet.In a particularly preferred variant of the method, the laser beam for piercing and the laser beam for cutting are guided on different optical beam paths to the workpiece, resulting in two separate fields of work for piercing and cutting. The piercing and cutting laser beams can be the same laser beam, which is deflected by a common scanner optics to one or the other field of work, or two different laser beams, either from a common scanner optics or each of their own scanner optics on the one or the other field of work be distracted. In the latter case, the two different laser beams can be generated from the same laser beam by means of an optical switch (AOD, EOM,...), Which in each of its two switching positions produces mutually offset puncturing and cutting laser beams which at different angles point to a common scanner optics to meet. While the cutting laser beam passes through the cutting nozzle, the piercing laser beam, if pierced without a cutting or process gas, can hit the workpiece without a piercing nozzle. Preferably, the laser beam is switched off between the two steps a) and b) for at least the time required for switching between the two different optical beam paths.

In einer alternativen Verfahrensvariante werden der Laserstrahl zum Einstechen und der Laserstrahl zum Schneiden auf dem gleichen optischen Strahlweg zum Werkstück geführt, so dass die Einstichlöcher und die Öffnungskonturen mit der gleichen Schneiddüse des Laserschneidkopfs erzeugt werden. Vorzugsweise wird der Laserstrahl zwischen den beiden Schritten a) und b) mindestens für die Zeitdauer, die zum Umschalten zwischen den ersten und zweiten Prozessparametern erforderlich ist, ausgeschaltet.In an alternative method variant, the laser beam for piercing and the laser beam for cutting are guided on the same optical beam path to the workpiece, so that the puncture holes and the opening contours are generated with the same cutting nozzle of the laser cutting head. Preferably, the laser beam is switched off between the two steps a) and b) for at least the time required for switching between the first and second process parameters.

Öffnungen mit Abmessungen größer als der Öffnungsquerschnitt der Schneiddüse können nur in mehreren Teilschnitten geschnitten werden. Ausgehend von einer bereits geschnittenen Öffnung wird deren Öffnungskontur mittels des Laserstrahls mit den zweiten Prozessparametern durch Überlagern der Bewegung der Scanneroptik einerseits und einer Relativbewegung zwischen Werkstück und Laserschneidkopf andererseits auf die gewünschte Öffnungskontur vergrößert.Openings with dimensions larger than the opening cross section of the cutting nozzle can only be used in be cut several sections. Starting from an already cut opening whose opening contour is increased by means of the laser beam with the second process parameters by superimposing the movement of the scanner optics on the one hand and a relative movement between the workpiece and laser cutting head on the other hand to the desired opening contour.

Die ersten und die zweiten Prozessparameter unterscheiden sich beispielsweise in mindestens einem der folgenden Parameter: Schneidgas bzw. Prozessgas, Schneidgasströmung, Querströmung (Crossjet) oder Unterdruck, Pulsparameter des Laserstrahls, Leistung des Laserstrahls, Fokussierung des Laserstrahls, Fokuslage des Laserstrahls, Fokusdurchmesser des Laserstrahls, Düsenabstand zum Werkstück, Düsentyp (Strahlpumpendüse statt Koaxialdüse), Laserwellenlänge, Geschwindigkeit der Relativbewegung zwischen Werkstück und Laserstrahl.The first and the second process parameters differ, for example, in at least one of the following parameters: cutting gas or process gas, cutting gas flow, crossjet or negative pressure, pulse parameter of the laser beam, power of the laser beam, focusing of the laser beam, focus position of the laser beam, focus diameter of the laser beam, Nozzle distance to workpiece, nozzle type (jet pump nozzle instead of coaxial nozzle), laser wavelength, speed of relative movement between workpiece and laser beam.

Zum Schneiden von in Zeilen angeordneten Öffnungen werden die Öffnungen bevorzugt jeweils zeilenweise geschnitten, wobei für jede Zeile mindestens eine in Zeilenrichtung für alle Zeilen identische Bezugsposition der schneidenden Bearbeitung anhand einer am Werkstück oder am Laserschneidkopf vorhandenen Markierung und eines an dem jeweils anderen Teil vorhandenen Sensors, welcher die Markierung detektiert, ermittelt wird. Auf diese Weise ist sichergestellt, dass die Öffnungen einer Zeile zu den Öffnungen jeder anderen Zeile positionsgenau, also ohne einen von Zeile zu Zeile unterschiedlichen Jitter, positioniert sind. So lässt sich insbesondere eine Matrix von identischen Öffnungen in exakter Zeilen-Spalten-Anordnung herstellen. Die Markierung kann beispielsweise die in Vorschubrichtung vordere Kante des Werkstücks oder einer Werkstückauflage sein, die mittels eines Sensors (z. B. Lichtschranke) des Laserschneidkopfes detektiert wird und die Start- bzw. Bezugsposition für die in der Zeile zu schneidenden Einstechlöcher und Öffnungen darstellt. Die Markierung kann auch ein eigens aufgebrachter Markierungsstreifen oder ein in die die Relativbewegung des Werkstücks zum Laserschneidkopf bewerkstelligende Bewegungseinheit integrierter Maßstab oder sonstiger Decoder sein. Es ist auch möglich, den Sensor am Werkstück oder an der Werkstückauflage anzubringen, um eine am Laserschneidkopf vorhandene Markierung zu detektieren. Wenn die Zeilen nur in einer Richtung bearbeitet werden, reicht eine einzige Markierung, z. B. die vordere Werkstückkante. Wenn die Zeilen in beiden Richtungen bearbeitet werden, sind zwei Markierungen sinnvoll, z. B. die vordere und hintere Werkstückkante.For cutting openings arranged in rows, the openings are preferably cut line by line, wherein for each line at least one reference position of the cutting operation identical for all lines in the row direction is based on a marking present on the workpiece or on the laser cutting head and a sensor present on the respective other part, which detects the mark is determined. In this way, it is ensured that the openings of one line are positioned in exact position to the openings of every other line, ie without a jitter different from line to line. In particular, a matrix of identical openings can be produced in an exact row-column arrangement. The marking may, for example, be the front edge of the workpiece or a workpiece support in the feed direction, which is detected by means of a sensor (eg light barrier) of the laser cutting head and represents the starting or reference position for the piercing holes and openings to be cut in the line. The marking can also be a specially applied marking strip or an integrated scale or other decoder which effects the relative movement of the workpiece to the laser cutting head. It is also possible to attach the sensor to the workpiece or to the workpiece support in order to detect a marking present on the laser cutting head. If the lines are only processed in one direction, a single mark, z. B. the front edge of the workpiece. If the lines are edited in both directions, two markings are useful, eg. B. the front and rear edge of the workpiece.

Die Erfindung betrifft in einem weiteren Aspekt auch eine zum Durchführen des erfindungsgemäßen Verfahren geeignete Laserschneidmaschine zum Laserschneiden von Öffnungen in ein Werkstück mittels eines Laserstrahls, umfassend einen Laserstrahlerzeuger zum Erzeugen des Laserstrahls, einen Laserschneidkopf, aus dem der Laserstrahl auf das Werkstück austritt, einen Vorschubantrieb zum Verfahren des Laserschneidkopfs und/oder des Werkstücks in mindestens einer ersten Richtung, eine im Laserschneidkopf angeordnete Scanneroptik, die mittels eines Scannerantriebs den Laserstrahl in der ersten und einer dazu schräg, bevorzugt rechtwinklig, verlaufenden, zweiten Richtung abgelenkt, eine im Laserschneidkopf in Strahlrichtung nach der Scanneroptik angeordnete Schneiddüse, aus der der Laserstrahl zusammen mit einem Schneidgas austritt, sowie eine Steuerung, die programmiert ist, den Vorschubantrieb, den Scannerantrieb, und die Prozessparameter gemäß dem Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche zu steuern.In a further aspect, the invention also relates to a laser cutting machine suitable for carrying out the method according to the invention for laser cutting openings into a workpiece by means of a laser beam, comprising a laser beam generator for generating the laser beam, a laser cutting head from which the laser beam exits onto the workpiece, a feed drive for Method of the laser cutting head and / or the workpiece in at least a first direction, arranged in a laser cutting head scanner optics, the laser beam deflected by a scanner drive in the first and an oblique, preferably perpendicular, extending second direction, one in the laser cutting head in the beam direction of the Scanner optics arranged cutting nozzle from which the laser beam emerges together with a cutting gas, and a controller that is programmed, the feed drive, the scanner drive, and the process parameters according to the method of one of the vorhergeh to control claims.

Die Steuerung stellt sicher, dass in einer Schneidphase bei überlagerter Bewegung die Bahnbewegung des Laserstrahls relativ zum Werkstück entsprechend der Sollkontur, bevorzugt durchgängig, mit einer für insgesamt hohe Bearbeitungsgeschwindigkeit und hohe Bearbeitungsqualität günstigen Prozessgeschwindigkeit erfolgt und dass der Laserstrahl mit der Bahnbewegung synchronisiert geschaltet wird.The control ensures that in a cutting phase with superimposed movement, the path movement of the laser beam relative to the workpiece corresponding to the target contour, preferably consistently, with a favorable overall high processing speed and high quality processing process speed and that the laser beam is switched synchronized with the web movement.

Vorzugsweise weist der Laserschneidkopf zwei unterschiedliche Strahlwege für den Einstechlaserstrahl und den Schneidlaserstrahl auf. Alternativ kann der Laserschneidkopf auch einen einzigen Strahlweg für den Einstechlaserstrahl und den Schneidlaserstrahl aufweisen. Weiterhin kann der Laserschneidkopf für den Einstechlaserstrahl und den Schneidlaserstrahl eine gemeinsame Scanneroptik oder zwei Scanneroptiken aufweisen.The laser cutting head preferably has two different beam paths for the piercing laser beam and the cutting laser beam. Alternatively, the laser cutting head may also have a single beam path for the piercing laser beam and the cutting laser beam. Furthermore, the laser cutting head for the piercing laser beam and the cutting laser beam may have a common scanner optics or two scanner optics.

Besonders bevorzugt ist der Scanneroptik ein optischer Schalter (AOD, EOM, ...) vorgeschaltet, der den Laserstrahl in der einen Schaltstellung als Schneidlaserstrahl durch die Schneiddüse hindurch und in der anderen Schaltstellung als Einstechlaserstrahl nicht durch die Schneiddüse hindurch auf das Werkstück richtet.Particularly preferably, the optical scanner is preceded by an optical switch (AOD, EOM,...) Which does not direct the laser beam through the cutting nozzle in the one switching position as cutting laser beam and not through the cutting nozzle in the other switching position as a piercing laser beam.

Um die Start- bzw. Bezugsposition für die in Zeilen zu schneidenden Einstechlöcher und Öffnungen zu definieren, weist der Laserschneidkopf bevorzugt einen an die Steuerung angeschlossenen Sensor zum Detektieren einer mit dem Werkstück mitbewegten Markierung auf, oder umgekehrt.In order to define the starting or reference position for the piercing holes and openings to be cut in rows, the laser cutting head preferably has a sensor connected to the controller for detecting a marking which is moved along with the workpiece, or vice versa.

In einer vorteilhaften Ausführungsform ist der Scanneroptik ein optischer Schalter vorgeschaltet, der den Laserstrahl in der einen Schaltstellung durch die Schneiddüse hindurch als Schneidlaserstrahl auf das Werkstück und in der anderen Schaltstellung den Laserstrahl nicht durch die Schneiddüse hindurch als Schneidlaserstrahl auf das Werkstück richtet.In an advantageous embodiment of the scanner optics is preceded by an optical switch, the laser beam in the one switching position through the cutting nozzle as a cutting laser beam on the workpiece and in the other switching position Laser beam is not directed through the cutting nozzle as cutting laser beam on the workpiece.

Die Erfindung betrifft weiterhin einen Laserschneidkopf mit einer Schneiddüse und mit mindestens einer Scanneroptik zum Ablenken eines Laserstrahls zum Einstechen in ein Werkstück und eines Laserstrahls zum Schneiden des Werkstücks, wobei der Laserschneidkopf zwei unterschiedliche Strahlwege für den Einstechlaserstrahl und für den durch die Schneiddüse gehenden Schneidlaserstrahl aufweist.The invention further relates to a laser cutting head with a cutting nozzle and at least one scanner optics for deflecting a laser beam for piercing a workpiece and a laser beam for cutting the workpiece, wherein the laser cutting head has two different beam paths for the piercing laser beam and for the cutting laser beam passing through the cutting nozzle.

Die Erfindung betrifft schließlich auch ein Computerprogrammprodukt, welches Codemittel aufweist, die zum Durchführen aller Schritte des erfindungsgemäßen Laserschneidverfahrens angepasst sind, wenn das Programm auf einer Steuerung einer Laserschneidmaschine abläuft.Finally, the invention also relates to a computer program product which has code means which are adapted to carry out all the steps of the laser cutting method according to the invention when the program runs on a controller of a laser cutting machine.

Weitere Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen, der Beschreibung und der Zeichnung. Ebenso können die vorstehend genannten und die noch weiter aufgeführten Merkmale je für sich oder zu mehreren in beliebigen Kombinationen Verwendung finden. Die gezeigten und beschriebenen Ausführungsformen sind nicht als abschließende Aufzählung zu verstehen, sondern haben vielmehr beispielhaften Charakter für die Schilderung der Erfindung.Further advantages of the invention will become apparent from the claims, the description and the drawings. Likewise, the features mentioned above and the features listed further can be used individually or in combination in any combination. The embodiments shown and described are not to be understood as exhaustive enumeration, but rather have exemplary character for the description of the invention.

Es zeigen:Show it:

1 schematisch eine zum Durchführen des erfindungsgemäßen Laserschneidverfahrens geeignete Laserschneidmaschine mit einem Schneidkopf, der einen Laserstrahl auf ein Werkstück richtet; 1 schematically a laser cutting machine suitable for carrying out the laser cutting method according to the invention with a cutting head which directs a laser beam onto a workpiece;

2a, 2b eine Detailansicht einer Schneiddüse des in 1 gezeigten Laserschneidkopfs beim Einstechen eines Einstichlochs (2a) und beim Schneiden einer Öffnungskontur (2b) in das Werkstück; 2a . 2 B a detailed view of a cutting nozzle of in 1 shown laser cutting head during insertion of a puncture hole ( 2a ) and when cutting an opening contour ( 2 B ) in the workpiece;

3a, 3b die Bahnkurve des Laserstrahls auf dem Werkstück beim erfindungsgemäßen Schneiden einer kreisförmigen Öffnungskontur bei einer in X-Richtung gegenläufigen Überlagerung (3a) oder gleichläufigen Überlagerung (3b) der Bewegungen des Werkstücks und einer Scanneroptik des Laserschneidkopfs; 3a . 3b the trajectory of the laser beam on the workpiece during the cutting according to the invention of a circular opening contour in the case of an overlapping in the X direction ( 3a ) or co-existing overlay ( 3b ) the movements of the workpiece and a scanner optics of the laser cutting head;

4 ein Blech mit einer Matrix von identischen kreisrunden Öffnungen; 4 a sheet with a matrix of identical circular openings;

5a, 5b jeweils ein Werkstück mit einer Matrix von hantelförmigen Öffnungen, die jeweils in einer Zellenüberfahrt (5a) oder in zwei Zeilenüberfahrten (5b) geschnitten werden; 5a . 5b each a workpiece with a matrix of dumbbell-shaped openings, each in a cell crossing ( 5a ) or in two line crossings ( 5b ) get cut;

6a–6d die Schneidphasen beim erfindungsgemäßen Schneiden von Öffnungen, die auf Kreisbahnen angeordnet sind, in ein Werkstück; 6a - 6d the cutting phases in the cutting of openings according to the invention, which are arranged on circular paths, in a workpiece;

7a–7c alternative Schneidphasen beim erfindungsgemäßen Schneiden von Öffnungen, die auf Kreisbahnen angeordnet sind, in ein Werkstück; 7a - 7c alternative cutting phases in the cutting according to the invention of openings, which are arranged on circular paths, in a workpiece;

8a–8d weitere Ausführungsformen von erfindungsgemäßen Laserschneidköpfen mit Scanneroptik und Schneiddüse; und 8a - 8d Further embodiments of laser cutting heads according to the invention with scanner optics and cutting nozzle; and

9a–9c weitere Anwendungen des erfindungsgemäßen Laserschneidverfahrens zum Erzeugen von Rohröffnungen, die in Reihen (9a), in einer Spirale (9b) und in einer Freiform (9c) angeordnet sind. 9a - 9c Further applications of the laser cutting method according to the invention for producing pipe openings which are arranged in rows ( 9a ), in a spiral ( 9b ) and in a free form ( 9c ) are arranged.

In der folgenden Beschreibung der Zeichnung werden für gleiche bzw. funktionsgleiche Bauteile identische Bezugszeichen verwendet.In the following description of the drawing, identical reference numerals are used for identical or functionally identical components.

Die in 1 gezeigte Laserschneidmaschine 1 dient zum Laserschneiden von Öffnungen 2 mit Radien von kleiner als 5 mm in ein metallisches Werkstücks 3 mittels eines Laserstrahls 4. Bei dem Werkstück 4 handelt es sich beispielsweise um ein Blech mit einer Dicke von höchsten 2 mm.In the 1 shown laser cutting machine 1 is used for laser cutting of openings 2 with radii of less than 5 mm in a metallic workpiece 3 by means of a laser beam 4 , At the workpiece 4 it is, for example, a sheet with a thickness of 2 mm highest.

Die Laserschneidmaschine 1 umfasst einen Laserstrahlerzeuger 5 zum Erzeugen des Laserstrahls 4, einen Laserschneidkopf 6, aus dem der Laserstrahl 4 auf das Werkstück 3 austritt, einen Vorschubantrieb 7 zum Verfahren des Werkstücks 2 relativ zum Laserschneidkopf 6 in der X-Richtung, eine im Laserschneidkopf 6 angeordnete Scanneroptik (z. B. Galvoscanner oder akustooptische Scanner) 8, die mit Scannerspiegel(n), angetrieben von einem Scannerantrieb 9, den Laserstrahl 4 in der X- und in der Y-Richtung zweidimensional ablenken kann, eine im Laserschneidkopf 6 in Richtung des Laserstrahls 4 nach der Scanneroptik 8 angeordnete Schneiddüse 10, aus der der Laserstrahl 4 zusammen mit einem Schneidgas 11 austritt, sowie eine Maschinensteuerung 12, die programmiert ist, beim Laserschneiden der Öffnungen 2 den Vorschubantrieb 7, den Scannerantrieb 9, das Ein- und Ausschalten des Laserstrahls 4 und weitere Prozessparameter zu steuern. Der Laserschneidkopf 6 weist außerdem noch eine zwischen Scanneroptik 8 und Schneiddüse 10 angeordnete Fokussieroptik 13 auf, die den Laserstrahl 4 auf das Werkstück 3 fokussiert. Der Laserstrahlerzeuger 5 kann beispielsweise ein CO₂-Laser, Diodenlaser oder Festkörperlaser sein und als CW-Laser oder gepulster Laser mit an die Bearbeitung angepasster Repetitionsfrequenz ausgeführt sein.The laser cutting machine 1 includes a laser beam generator 5 for generating the laser beam 4 , a laser cutting head 6 from which the laser beam 4 on the workpiece 3 exit, a feed drive 7 for moving the workpiece 2 relative to the laser cutting head 6 in the X direction, one in the laser cutting head 6 arranged scanner optics (eg galvoscanner or acousto-optic scanner) 8th using scanner mirror (s), powered by a scanner drive 9 , the laser beam 4 in the X and Y directions can deflect two-dimensional, one in the laser cutting head 6 in the direction of the laser beam 4 after the scanner optics 8th arranged cutting nozzle 10 from which the laser beam 4 together with a cutting gas 11 exit, as well as a machine control 12 which is programmed when laser cutting the openings 2 the feed drive 7 , the scanner drive 9 , the switching on and off of the laser beam 4 and control other process parameters. The laser cutting head 6 also has a between scanner optics 8th and cutting nozzle 10 arranged focusing optics 13 on that the laser beam 4 on the workpiece 3 focused. The laser beam generator 5 For example, it can be a CO ₂ laser, diode laser or solid-state laser and can be embodied as a CW laser or pulsed laser with a repetition frequency adapted to the machining.

Zum Erzeugen der Öffnungen 2 wird das Werkstück 3 mit beispielsweise konstanter Vorschubgeschwindigkeit in X-Richtung (Vorschubrichtung) verfahren. Alternativ können auch das Werkstück 3 und der Laserschneidkopf 6 relativ zueinander in X-Richtung verfahren werden. Dabei wird in einem ersten Verfahrensschritt, wie in 2a gezeigt, ein durchgehendes Einstichloch 14 durch Einstechen des Laserstrahls 4 in das Werkstück 3 an einer Position innerhalb der zu schneidenden Öffnung 2 mit ersten Prozessparametern erzeugt, wobei die Scanneroptik 8 in X-Richtung gegenläufig zum verfahrenden Werkstück 3 bewegt wird, um den Laserstrahl 4 an der gleichen Werkstückposition zu halten. Das Einstechen erfolgt vorzugsweise fliegend, d. h. der Laserstrahl 4 wird bei schon bewegter Scanneroptik 8 eingeschaltet. Das Einstechen erfolgt ohne Schneidgas, aber vorteilhaft mit einem Crossjet oder einer Saugdüse (nicht gezeigt), um die Fokussieroptik 13 vor entgegen der Laserstrahlrichtung ausgetriebenem Material zu schützen.To create the openings 2 becomes the workpiece 3 with, for example, more constant Feedrate in the X direction (feed direction). Alternatively, the workpiece can also 3 and the laser cutting head 6 be moved relative to each other in the X direction. It is in a first step, as in 2a shown a continuous puncture hole 14 by piercing the laser beam 4 into the workpiece 3 at a position within the opening to be cut 2 generated with first process parameters, the scanner optics 8th in the X direction opposite to the moving workpiece 3 is moved to the laser beam 4 to hold at the same workpiece position. The piercing is preferably on the fly, ie the laser beam 4 becomes with already moving scanner optics 8th switched on. The piercing takes place without cutting gas, but advantageously with a crossjet or a suction nozzle (not shown) to the focusing optics 13 to protect against expelled material against the laser beam direction.

In einem zweiten Verfahrensschritt wird, wie in 2b gezeigt, ausgehend vom Einstichloch 14 die Öffnungskontur 15 der Öffnung 2 mittels des Laserstrahls 4 mit anderen, zweiten Prozessparametern geschnitten, indem die Bewegung der Scanneroptik 8 in X- und Y-Richtung einerseits und die Relativbewegung zwischen Werkstück 3 und Laserschneidkopf 6 in X-Richtung andererseits überlagert werden. Vorzugsweise wird der Laserstrahl 4 zwischen dem ersten und zweiten Verfahrensschritt mindestens für die Zeitdauer ausgeschaltet, die zum Umschalten zwischen den ersten und zweiten Prozessparametern erforderlich ist. Das Schneiden der Öffnung 2 erfolgt mit Schneidgas 11, um durch die Gasströmung das aufgeschmolzene Material in Laserstrahlrichtung auszutreiben. Die Abmessung der zu schneidenden Öffnungskontur 15 ist einerseits durch die Vorschubgeschwindigkeit des Werkstücks 3 und andererseits durch den Öffnungsquerschnitt der Schneiddüse 10 limitiert.In a second process step, as in 2 B shown, starting from the puncture hole 14 the opening contour 15 the opening 2 by means of the laser beam 4 cut with other, second process parameters by moving the scanner optics 8th in the X and Y direction on the one hand and the relative movement between the workpiece 3 and laser cutting head 6 in the X direction on the other hand be superimposed. Preferably, the laser beam becomes 4 between the first and second process steps, at least for the period of time required to switch between the first and second process parameters. The cutting of the opening 2 done with cutting gas 11 to expel the molten material in the laser beam direction by the gas flow. The dimension of the opening contour to be cut 15 is on the one hand by the feed rate of the workpiece 3 and on the other hand through the opening cross-section of the cutting nozzle 10 limited.

Die ersten und die zweiten Prozessparameter können sich beispielsweise in mindestens einem der folgenden Parameter unterscheiden: Schneidgas 11 bzw. Prozessgas, Schneidgasströmung, Querströmung oder Unterdruck, Pulsparameter des Laserstrahls 4, Leistung des Laserstrahls 4, Fokussierung des Laserstrahls 4, Fokuslage des Laserstrahls 4, Fokusdurchmesser des Laserstrahls 4, Abstand der Schneiddüse 10 zum Werkstück 3, Wellenlänge des Laserstrahls 4, Geschwindigkeit der Relativbewegung zwischen Werkstück 3 und Laserschneidkopf 6.For example, the first and second process parameters may differ in at least one of the following parameters: cutting gas 11 or process gas, cutting gas flow, cross flow or negative pressure, pulse parameters of the laser beam 4 , Power of the laser beam 4 , Focusing the laser beam 4 , Focus position of the laser beam 4 , Focus diameter of the laser beam 4 , Distance of the cutting nozzle 10 to the workpiece 3 , Wavelength of the laser beam 4 , Speed of relative movement between workpiece 3 and laser cutting head 6 ,

3a zeigt die Bahnkurve 16 des Laserstrahls 4 auf dem Werkstück 3 beim Schneiden einer kreisförmigen Öffnungskontur 15, wenn die Scanneroptik 8 den Laserstrahl 4 in X-Richtung gegenläufig zur Vorschubrichtung 17 des Werkstücks 3 überlagert. 3b zeigt die Bahnkurve 16 des Laserstrahls 4 auf dem Werkstück 3 beim Schneiden der kreisförmigen Öffnungskontur 15, wenn die Scanneroptik 8 den Laserstrahl 4 in X-Richtung gleichläufig zur Vorschubrichtung 17 des Werkstücks 3 überlagert. Der Laserstrahl 4 wird zum Zeitpunkt t_A bei fliegender, d. h. bei schon bewegter, Scanneroptik 8 eingeschaltet und zum Zeitpunkt t_E ausgeschaltet. 3a shows the trajectory 16 of the laser beam 4 on the workpiece 3 when cutting a circular opening contour 15 if the scanner optics 8th the laser beam 4 in the X direction opposite to the feed direction 17 of the workpiece 3 superimposed. 3b shows the trajectory 16 of the laser beam 4 on the workpiece 3 when cutting the circular opening contour 15 if the scanner optics 8th the laser beam 4 in the X direction in the same direction as the feed direction 17 of the workpiece 3 superimposed. The laser beam 4 is at time t _A in flying, ie already moving scanner optics 8th switched on and switched off at the time t _E.

4 zeigt ein Werkstück 3 mit einer Matrix 18 von identischen kreisrunden Öffnungen 2, die wie folgt hergestellt werden. Die Öffnungen 2 werden zeilenweise geschnitten, wobei jede Zeile zweimal überfahren wird und in der ersten Überfahrt die Einstichlöcher und in der zweiten Überfahrt ausgehend von den Einstichlöchern die Öffnungskonturen geschnitten werden. Dabei wird für jede Zeile eine in Zeilenrichtung für alle Zeilen identische Bezugsposition für die in dieser Zeile zu schneidenden Einstechlöcher und Öffnungskonturen anhand einer am Werkstück 3 vorhandenen Markierung 19 (1) und eines am Laserschneidkopf 6 vorhandenen Sensors 20 (1), welcher die Markierung 19 detektiert, ermittelt. Auf diese Weise ist sichergestellt, dass die Öffnungen 2 einer Zeile zu den Öffnungen 2 jeder anderen Zeile in exakter Zeilen-Spalten-Anordnung, also ohne einen von Zeile zu Zeile auftretenden Jitter, positioniert sind. Die Markierung 19 kann beispielsweise die in Vorschubrichtung vordere Kante des Werkstücks 3 sein, die mittels einer Lichtschranke des Laserschneidkopfes 6 detektiert wird und die Start- bzw. Bezugsposition darstellt. Werden die Zeilen nur in einer Richtung bearbeitet, reicht eine einzige Markierung, z. B. die vordere Werkstückkante. Werden die Zeilen in beiden Richtungen bearbeitet, sind zwei Markierungen sinnvoll, z. B. die vordere und hintere Werkstückkante. 4 shows a workpiece 3 with a matrix 18 of identical circular openings 2 which are manufactured as follows. The openings 2 are cut line by line, each line is crossed twice and in the first crossing the puncture holes and in the second crossing starting from the puncture holes, the opening contours are cut. In this case, a reference position which is identical in the row direction for all lines for the puncture holes and opening contours to be cut in this row is determined for each row by means of a workpiece 3 existing mark 19 ( 1 ) and one on the laser cutting head 6 existing sensor 20 ( 1 ), which the mark 19 detected, determined. In this way it is ensured that the openings 2 a line to the openings 2 every other line are positioned in exact row-column-arrangement, ie without a jitter occurring from line to line. The mark 19 For example, the front edge of the workpiece in the feed direction 3 be, by means of a light barrier of the laser cutting head 6 is detected and represents the starting or reference position. If the lines are only processed in one direction, a single mark, z. B. the front edge of the workpiece. If the lines are processed in both directions, two markings are useful, eg. B. the front and rear edge of the workpiece.

5a, 5b zeigen jeweils ein Werkstück 3 mit einer Matrix 18 von hantelförmigen Öffnungen 2. Im ersten Verfahrensschritt werden alle Einstichlöcher 14 mittels des Laserstrahls 4 mit den ersten Prozessparametern erzeugt. Anschließend werden im zweiten Verfahrensschritt zeilenweise die Öffnungskonturen 15, jeweils ausgehend von den Einstichlöchern 14, mittels des Laserstrahls 4 mit den zweiten Prozessparametern geschnitten. In 5a wird eine Schneiddüse 10 mit einer Düsenöffnung verwendet, die größer als die Abmessungen der Öffnungen 2 ist, so dass die Öffnungen 2 in einer einzigen Zeilenüberfahrt erzeugt werden können. In 5b wird hingegen eine Schneiddüse 10 mit einer Düsenöffnung verwendet, die kleiner als die Abmessungen der Öffnungen 2 ist, so dass in einer ersten Zeilenüberfahrt nur eine Teilöffnung erzeugt werden kann, die dann in der zweiten Zeilenüberfahrt zu der gewünschten hantelförmigen Öffnungskontur 15 vervollständigt wird. 5a . 5b each show a workpiece 3 with a matrix 18 of dumbbell-shaped openings 2 , In the first step, all puncture holes 14 by means of the laser beam 4 generated with the first process parameters. Subsequently, the opening contours are line by line in the second step 15 , in each case starting from the puncture holes 14 , by means of the laser beam 4 cut with the second process parameters. In 5a becomes a cutting nozzle 10 used with a nozzle opening larger than the dimensions of the openings 2 is, so the openings 2 can be generated in a single line crossing. In 5b on the other hand, it becomes a cutting nozzle 10 used with a nozzle opening smaller than the dimensions of the openings 2 is, so that in a first line crossing only a partial opening can be generated, which then in the second line crossing to the desired dumbbell-shaped opening contour 15 is completed.

6a–6d zeigen die verschiedenen Schneidphasen beim Schneiden von auf Kreisbahnen angeordneten kreisrunden Öffnungen 2 ₁–2 ₅ in ein Werkstück 3, wobei die zuvor erzeugten Einstichlöcher nicht gezeigt sind. In der ersten Schneidphase (6a) wird die Zentrumsöffnung 2 ₁, die in den Düsenquerschnitt der Schneiddüse passt, geschnitten, indem bei unbewegtem Werkstück 3 die Scanneroptik 8 den Laserstrahl 4 innerhalb der Schneiddüse 10 entsprechend ablenkt. In der zweiten Schneidphase (6b) werden die Öffnungen 2 ₂, 2 ₃ der beiden inneren Kreisbahnen, die beide in den Düsenquerschnitt der Schneiddüse passen, gemeinsam geschnitten, indem die Kreisbahnen einerseits und die Öffnungskonturen andererseits durch eine überlagerte kreisförmige Relativbewegung von Werkstück 3 und Scanneroptik 8 abgefahren bzw. geschnitten werden. In der dritten Schneidphase (6c) werden die Öffnungen 2 ₄ der nächsten Kreisbahn, die in den Düsenquerschnitt der Schneiddüse passen, durch eine überlagerte kreisförmige Relativbewegung von Werkstück 3 und Scanneroptik 8 geschnitten. In der vierten Schneidphase (6d) werden die Öffnungen 2 ₅ der äußeren Kreisbahn, die in den Düsenquerschnitt der Schneiddüse passen, durch eine überlagerte kreisförmige Relativbewegung von Werkstück 3 und Scanneroptik 8 geschnitten. Entweder in dieser vierten Schneidphase oder nachfolgend wird das Bauteil mit den geschnittenen Öffnungen 2 ₁–2 ₅ entlang einer Kreisbahn 21 ausgeschnitten. 6a - 6d show the various cutting phases when cutting arranged on circular paths circular openings 2 ₁ - 2 ₅ in a workpiece 3 wherein the previously created puncture holes are not shown. In the first cutting phase ( 6a ) becomes the center opening 2 ₁ , which fits into the nozzle section of the cutting nozzle, cut by moving the workpiece stationary 3 the scanner optics 8th the laser beam 4 inside the cutting nozzle 10 distracts accordingly. In the second cutting phase ( 6b ) will be the openings 2 ₂ , 2 _{3 of} the two inner circular paths, which both fit into the nozzle cross-section of the cutting nozzle, cut together by the circular paths on the one hand and the opening contours on the other hand by a superimposed circular relative movement of the workpiece 3 and scanner optics 8th be cut or cut. In the third cutting phase ( 6c ) will be the openings 2 _{4 of} the next circular path, which fit in the nozzle cross-section of the cutting nozzle, by a superimposed circular relative movement of the workpiece 3 and scanner optics 8th cut. In the fourth cutting phase ( 6d ) will be the openings 2 _{5 of} the outer circular path, which fit in the nozzle cross section of the cutting nozzle, by a superimposed circular relative movement of the workpiece 3 and scanner optics 8th cut. Either in this fourth cutting phase or subsequently, the component with the cut openings 2 ₁ - 2 ₅ along a circular path 21 cut out.

7a–7c zeigen zu 6 alternative Schneidphasen beim Schneiden von auf Kreisbahnen angeordneten kreisrunden Öffnungen 2 ₁–2 ₅, wenn die Öffnungen nicht auf Kreisbahnen, sondern zeilenweise (linear) abgefahren und geschnitten werden. Die 7a–7c zeigt die erste, zweite und letzte Schneidphase, in denen jeweils alle innerhalb des Düsenquerschnitts liegenden Öffnungen und Teilöffnungen geschnitten werden. 7a - 7c show 6 alternative cutting phases when cutting arranged on circular paths circular openings 2 ₁ - 2 ₅ , if the openings are not traveled on circular paths, but line by line (linear) and cut. The 7a - 7c shows the first, second and final cutting phase, in which all lying within the nozzle cross section openings and partial openings are cut respectively.

Im Unterschied zur 2 weist der in 8a gezeigte Laserschneidkopf 6 eine erste Scanneroptik 8a mit Fokussieroptik 13a für einen ersten Laserstrahl 4a zum Einstechen und eine zweite Scanneroptik 8b mit Fokussieroptik 13b für einen separaten, zweiten Laserstrahl 4b zum Schneiden auf, wodurch sich zwei getrennte Arbeitsfelder zum Einstechen und Schneiden ergeben. Im Unterschied zur 8a weist der in 8b gezeigte Laserschneidkopf 6 eine gemeinsame Scanneroptik 8 mit Fokussieroptik 13 für den Einstechlaserstrahl 4a und den Schneidlaserstrahl 4b auf, wobei die beiden Laserstrahlen 4a, 4b gegeneinander winkelversetzt auf die Scanneroptik 8 treffen. Die Scanneroptik 8 lenkt den Einstechlaserstrahl 4a seitlich neben der Schneiddüse 10 vorbei auf das Werkstück 3 und den Schneidlaserstrahl 4b durch die Schneiddüse 10 hindurch auf das Werkstück 3, wodurch sich zwei getrennte Arbeitsfelder zum Einstechen und Schneiden ergeben. Im Unterschied zur 8b weist der in 8c gezeigte Laserschneidkopf 6 eine gemeinsame Scanneroptik 8 mit Fokussieroptik 13 für einen einzigen Laserstrahl 4 auf, der von der gemeinsamen Scanneroptik 8 entweder als Einstechlaserstrahl 4a seitlich neben der Schneiddüse 10 vorbei auf das Werkstück 3 oder durch die Schneiddüse 10 hindurch als Schneidlaserstrahl 4b auf das Werkstück 3 gelenkt wird, wodurch sich zwei getrennte Arbeitsfelder zum Einstechen und Schneiden ergeben. Im Unterschied zur 8c weist der in 8d gezeigte Laserschneidkopf 6 einen der Scanneroptik 8 vorgeschalteten optischen Schalter 20 auf, der in seinen beiden Schaltstellungen jeweils zueinander winkelversetzte Einstech- und Schneidlaserstrahlen 4a, 4b erzeugt, die von der gemeinsamen Scanneroptik 8 entweder seitlich neben der Schneiddüse 10 vorbei auf das Werkstück 3 bzw. durch die Schneiddüse 10 hindurch auf das Werkstück 3 gelenkt werden, wodurch sich zwei getrennte Arbeitsfelder zum Einstechen und Schneiden ergeben.In contrast to 2 has the in 8a shown laser cutting head 6 a first scanner optics 8a with focusing optics 13a for a first laser beam 4a for piercing and a second scanner optics 8b with focusing optics 13b for a separate, second laser beam 4b for cutting, resulting in two separate fields of work for piercing and cutting. In contrast to 8a has the in 8b shown laser cutting head 6 a common scanner optics 8th with focusing optics 13 for the piercing laser beam 4a and the cutting laser beam 4b on, with the two laser beams 4a . 4b against each other angularly offset to the scanner optics 8th to meet. The scanner optics 8th directs the piercing laser beam 4a laterally next to the cutting nozzle 10 past the workpiece 3 and the cutting laser beam 4b through the cutting nozzle 10 through to the workpiece 3 , resulting in two separate fields of work for piercing and cutting. In contrast to 8b has the in 8c shown laser cutting head 6 a common scanner optics 8th with focusing optics 13 for a single laser beam 4 on top of the common scanner optics 8th either as a piercing laser beam 4a laterally next to the cutting nozzle 10 past the workpiece 3 or through the cutting nozzle 10 through as a cutting laser beam 4b on the workpiece 3 is steered, resulting in two separate fields of work for piercing and cutting. In contrast to 8c has the in 8d shown laser cutting head 6 one of the scanner optics 8th upstream optical switch 20 on, in each case in its two switching positions with each other angularly offset piercing and cutting laser beams 4a . 4b generated by the common scanner optics 8th either at the side of the cutting nozzle 10 past the workpiece 3 or through the cutting nozzle 10 through to the workpiece 3 be steered, resulting in two separate fields of work for piercing and cutting.

In den 9a–9c sind weitere Anwendungen des erfindungsgemäßen Laserschneidverfahrens zum Erzeugen von Öffnungen 2 in ein rohrförmiges Werkstück 3 gezeigt. Das Werkstück 3 wird vom Werkstückantrieb um seine Rohrachse in einer ersten Richtung 22 gedreht und axial in einer zweiten Richtung 23 linear bewegt werden. In 9a werden die Öffnungen 2 in axial versetzten, parallelen Reihen geschnitten, indem in jeder Reihe die konstante Drehbewegung des Werkstücks 3 in der ersten Richtung 22 und die Bewegung der Scanneroptik 8 überlagert werden. In 9b werden die Öffnungen 2 in einer Spirale geschnitten, indem die konstante Drehbewegung des Werkstücks 3 in der ersten Richtung 22, die konstante Vorschubbewegung des Werkstücks 3 in der zweiten Richtung 23 und die XY-Bewegung der Scanneroptik 8 einander überlagert werden. In 9c werden die Öffnungen 2 in einer Freiform geschnitten, indem die konstante Drehbewegung des Werkstücks 3 in der ersten Richtung 22, eine beliebige Vorschubbewegung des Werkstücks 3 in der zweiten Richtung 23 und die XY-Bewegung der Scanneroptik 8 einander überlagert werden.In the 9a - 9c are other applications of the laser cutting method according to the invention for producing openings 2 in a tubular workpiece 3 shown. The workpiece 3 gets from the workpiece drive around its tube axis in a first direction 22 rotated and axially in a second direction 23 be moved linearly. In 9a be the openings 2 cut in axially offset, parallel rows, by the constant rotational movement of the workpiece in each row 3 in the first direction 22 and the movement of the scanner optics 8th be superimposed. In 9b be the openings 2 cut in a spiral by the constant rotational movement of the workpiece 3 in the first direction 22 , the constant feed movement of the workpiece 3 in the second direction 23 and the XY movement of the scanner optics 8th superimposed on each other. In 9c be the openings 2 cut in a freeform, adding the constant rotational movement of the workpiece 3 in the first direction 22 , any feed movement of the workpiece 3 in the second direction 23 and the XY movement of the scanner optics 8th superimposed on each other.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

EP 1475182 A1 [0002]

Claims

Method for laser cutting openings ( 2 ), which opening contours ( 15 ) with radii of less than 5 mm, in a particular metallic workpiece ( 3 ) a workpiece thickness of at most 2 mm by means of a laser beam ( 4 ; 4a . 4b ) and a cutting gas ( 11 ), both from a cutting nozzle ( 10 ) of a laser cutting head ( 6 ), whereby the workpiece ( 3 ) and the laser cutting head ( 6 ) are moved relative to each other in at least a first direction (X) and the laser beam ( 4 ; 4a . 4b ) of one in the laser cutting head ( 6 ) in front of the cutting nozzle ( 9 ) arranged scanner optics ( 8th ) in the first and an oblique, second direction (X, Y) on the workpiece ( 3 ) is deflected, each with the following steps for cutting the openings ( 2 ): b) producing a continuous puncture hole ( 14 ) in the workpiece ( 3 ) by piercing the laser beam ( 4 ; 4a ) in the workpiece ( 3 ) at a position within an opening to be cut ( 2 ) with first process parameters; and b) starting from the puncture hole ( 14 ) Cutting an opening contour ( 15 ) of the opening ( 2 ) in the workpiece ( 3 ) by means of the laser beam ( 4 ; 4b ) with other, second process parameters by overlaying the movement of the scanner optics ( 8th ) on the one hand and a relative movement between the workpiece ( 3 ) and laser cutting head ( 6 ) on the other hand.

Method according to claim 1, characterized in that for cutting a plurality of openings ( 2 ) the laser beam ( 4 ; 4a . 4b ) the web leaves at least twice, wherein at the first shutdown only the puncture holes ( 14 ) of the openings ( 2 ) is generated with the first process parameters and the second traverses the opening contours ( 15 ) of the openings ( 2 ) are cut with the second process parameters.

A method according to claim 1, characterized in that after generating the puncture hole ( 14 ) an opening ( 2 ) then the opening contour ( 15 ) an opening ( 2 ) is cut before the puncture hole ( 14 ) a next opening ( 2 ) is produced.

Method according to one of the preceding claims, characterized in that the laser beam ( 4a ) for piercing and the laser beam ( 4b ) for cutting on different optical beam paths to the workpiece ( 3 ).

Method according to claim 4, characterized in that the laser beam ( 4a . 4b ) between the two steps a) and b) for at least the time required for switching between the two different optical beam paths is switched off.

Method according to one of claims 1 to 3, characterized in that the laser beam ( 4 ) for piercing and the laser beam ( 4 ) for cutting on the same optical beam path to the workpiece ( 3 ).

Method according to claim 6, characterized in that the laser beam ( 4 ) between the two steps a) and b) for at least the time required to switch between the first and second process parameters is turned off.

Method according to one of the preceding claims, characterized in that in a further method step starting from an already cut opening ( 2 ) the opening contour ( 15 ) by means of the laser beam ( 4 ; 4b ) with the second process parameters by superimposing the movement of the scanner optics ( 8th ) on the one hand and a relative movement between the workpiece ( 3 ) and laser cutting head ( 6 ) on the other hand is increased.

Method according to one of the preceding claims, characterized in that the first and the second process parameters differ in at least one of the following parameters: cutting gas ( 11 ) or process gas, cutting gas flow, cross flow or negative pressure, pulse parameters of the laser beam ( 4 ; 4a . 4b ), Power of the laser beam ( 4 ; 4a . 4b ), Focusing the laser beam ( 4 ; 4a . 4b ), Focal position of the laser beam ( 4 ; 4a . 4b ), Focus diameter of the laser beam ( 4 ; 4a . 4b ), Distance of the cutting nozzle ( 10 ) to the workpiece ( 3 ), Type of cutting nozzle ( 10 ), Wavelength of the laser beam ( 4 ; 4a . 4b ), Speed of relative movement between workpiece ( 3 ) and laser cutting head ( 6 ).

Method according to one of the preceding claims, characterized in that for cutting openings arranged in rows ( 2 ) the openings ( 2 ) are cut line by line and that for each line at least one in the row direction for all lines identical reference position of the cutting machining on the basis of a workpiece ( 3 ) or on the laser cutting head ( 6 ) existing mark ( 19 ) and one at the other ( 6 . 3 ) existing sensor ( 20 ) containing the mark ( 19 ) is detected, determined.

Method according to one of the preceding claims, characterized in that the scanner optics ( 8th ) even before switching on the laser beam ( 4 ; 4a . 4b ) is moved.

Laser cutting machine ( 1 ) for laser cutting of openings ( 2 ) in a workpiece ( 3 ) by means of a laser beam ( 4 ; 4a . 4b ), comprising: a laser beam generator ( 2 ) for generating the laser beam ( 4 ; 4a . 4b ), a laser cutting head ( 6 ) from which the laser beam ( 4 ; 4a . 4b ) on the workpiece ( 3 ), a feed drive ( 7 ) for moving the workpiece ( 3 ) and / or the laser cutting head ( 6 ) in at least one first direction (X), one in the laser cutting head ( 6 ) arranged scanner optics ( 8th ), which by means of a scanner drive ( 9 ) the laser beam ( 4 ; 4a . 4b ) deflected in the first and an inclined, second direction (X, Y), one in the laser cutting head ( 6 ) in the beam direction after the scanner optics ( 8th ) arranged cutting nozzle ( 10 ), from which the laser beam ( 4 ; 4b ) together with a cutting gas ( 11 ), and a controller ( 12 ), which is programmed to control the feed drive ( 7 ), the scanner drive ( 9 ) and process parameters according to the method of any one of the preceding claims.

Laser cutting machine according to claim 12, characterized in that the laser cutting head ( 6 ) two different beam paths for the piercing laser beam ( 4 ; 4a ) and the cutting laser beam ( 4 ; 4b ) having.

Laser cutting machine according to claim 12, characterized in that the laser cutting head ( 6 ) a single beam path for the piercing laser beam ( 4 ; 4a ) and the cutting laser beam ( 4 ; 4b ) having.

Laser cutting machine according to one of claims 12 to 14, characterized in that the laser cutting head ( 6 ) for the piercing laser beam ( 4 ; 4a ) and the cutting laser beam ( 4 ; 4b ) a common scanner optics ( 8th ) or two scanner optics ( 8a . 8b ) having.

Laser cutting machine according to one of claims 12 to 15, characterized in that the scanner optics ( 8th ) an optical switch ( 20 ) is connected upstream of the laser beam ( 4 ) in the one switching position as a cutting laser beam ( 4b ) through the cutting nozzle ( 10 ) and in the other switching position as Einstechlaserstrahl ( 4a ) not through the cutting nozzle ( 10 ) through the workpiece ( 3 ).

Laser cutting machine according to one of claims 12 to 16, characterized in that the laser cutting head ( 6 ) one to the controller ( 12 ) connected sensor ( 20 ) for detecting a workpiece ( 3 ) with moved marking ( 19 ), or vice versa.

Laser cutting head ( 6 ) with a cutting nozzle ( 10 ) and at least one scanner optics ( 8th ; 8a . 8b ) for deflecting a laser beam ( 4 . 4a ) for piercing a workpiece ( 3 ) and a laser beam ( 4 ; 4b ) for cutting the workpiece ( 3 ), wherein the laser cutting head ( 6 ) two different beam paths for the piercing laser beam ( 4 ; 4a ) and for the through the cutting nozzle ( 10 ) cutting laser beam ( 4 ; 4b ) having.

Laser cutting head according to claim 18, characterized in that the scanner optics ( 8th ) an optical switch ( 20 ) is connected upstream of the laser beam ( 4 ) in the one switching position as a cutting laser beam ( 4b ) through the cutting nozzle ( 10 ) and in the other switching position as Einstechlaserstrahl ( 4a ) not through the cutting nozzle ( 10 ) through the workpiece ( 3 ).

A computer program product comprising code means adapted to perform all the steps of the method of any one of claims 1 to 11 when the program is run on a controller ( 12 ) a laser cutting machine ( 1 ) expires.