DE102017219424A1 - Method for determining an oxygen purity in laser cutting, and laser processing machine and computer program product - Google Patents

Method for determining an oxygen purity in laser cutting, and laser processing machine and computer program product Download PDF

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Abstract

Das erfindungsgemäße Verfahren zum Ermitteln einer Sauerstoffreinheit (Vol.-%(O)) beim Laserbrennschneiden mit Sauerstoff als Schneidgas (7) umfasst folgende Schritte:(a) Durchführen eines Laserbrennschnitts an einem Werkstück (6), wobei die Schneidgeschwindigkeit mindestens so weit erhöht wird, bis es zu einem Schnittabriss kommt; und(b) Ermitteln einer Reinheit des in Schritt (a) eingesetzten Sauerstoffs aus der in Schritt (a) festgestellten Schnittabrissgeschwindigkeit (v) anhand eines für das Material des Werkstücks (6) beim Laserbrennschneiden vorbekannten Zusammenhangs zwischen der Sauerstoffreinheit (Vol.-%(O)) und derjenigen Schneidgeschwindigkeit (v), ab der es zu einem Schnittabriss kommt.The method according to the invention for determining an oxygen purity (vol .-% (O)) in laser cutting with oxygen as the cutting gas (7) comprises the following steps: (a) performing a laser cutting on a workpiece (6), wherein the cutting speed is increased at least so far until it comes to a cut; and (b) determining a purity of the oxygen used in step (a) from the cut-off rate (v) determined in step (a) on the basis of a relationship between the oxygen purity (vol.% (%) previously known for the material of the workpiece (6) during laser flame cutting O)) and that cutting speed (v), from which it comes to a cut.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Ermitteln einer Sauerstoffreinheit beim Laserbrennschneiden mit Sauerstoff als Schneidgas, sowie eine zum Durchführen des Verfahrens geeignete Laserbearbeitungsmaschine und ein Computerprogrammprodukt.The invention relates to a method for determining an oxygen purity in laser cutting with oxygen as a cutting gas, as well as a suitable for performing the method laser processing machine and a computer program product.

Beim Laserbrennschneiden wird das Werkstück durch den als Schneidgas eingesetzten Sauerstoff oxidiert, was aufgrund der exothermen Reaktion zusätzliche Energie in den Schneidprozess einbringt. Für eine fehlerfreie Durchführung eines hochproduktiven Schneidprozesses mit den dafür an der Laserschneidanlage eingestellten Schneidparametern (z.B. Laserleistung, Schneidgasdruck, Schneidgeschwindigkeit) ist der Einsatz von Sauerstoff hoher Reinheit (mindestens 99,95%) notwendig. Steht nur Sauerstoff geringerer Reinheit, verunreinigt durch Fremdgase, zur Verfügung, so kann dies zu Schneidproblemen und verminderter Schnittqualität, wie beispielsweise Schmelzeanhaftungen oder einem Schnittabriss, führen.In laser flame cutting, the workpiece is oxidized by the oxygen used as the cutting gas, which due to the exothermic reaction introduces additional energy into the cutting process. For an error-free implementation of a highly productive cutting process with the cutting parameters set for it at the laser cutting machine (for example laser power, cutting gas pressure, cutting speed) the use of high purity oxygen (at least 99.95%) is necessary. If only oxygen of lesser purity, contaminated by foreign gases, is available, this can lead to cutting problems and reduced cutting quality, such as, for example, melt adhesion or a cut to break.

Aus EP 0 383 668 A1 , WO 02/43917 A1 oder JP S61165291 A ist dazu bekannt, dass bei einer geringeren Reinheit des Sauerstoff-Schneidgases die Schneidgeschwindigkeit beim Laserbrennschneiden verringert werden muss.Out EP 0 383 668 A1 . WO 02/43917 A1 or JP S61165291 A It is known that with a lower purity of the oxygen cutting gas, the cutting speed during laser flame cutting must be reduced.

Da Schneidprobleme verschiedene Ursachen haben können, ist jedoch ein eindeutiger Nachweis für den Einfluss des Schneidgases schwierig, wenn beispielsweise die genaue Sauerstoffreinheit, die beim Anwender zur Verfügung steht, nicht bekannt ist. Eine Messung der Sauerstoffreinheit in der erforderlichen Auflösung (z.B. mittels Gaschromatographie) beim Anwender vor Ort ist aufgrund des Aufwands und der Kosten nicht sinnvoll.However, since cutting problems can have several causes, clear evidence of the influence of the cutting gas is difficult, for example, if the exact oxygen purity available to the user is not known. Measurement of the oxygen purity in the required resolution (e.g., by gas chromatography) by the on-site user is not useful because of the expense and cost.

Aus EP 2 777 863 A1 ist es bekannt, beim Laserschneiden mit Sauerstoff oder Sauerstoff-Inertgas-Gemischen die Schnittqualität mit Hilfe einer Kamera zu überwachen und die Schneidgeschwindigkeit und/oder den Schneidgasstrom bezüglich seiner Gehalte an Sauerstoff, Kohlendioxid und/oder Helium und/oder seines Schneidgasdrucks auf Grundlage der Schnittqualität einzustellen. Ein solches Verfahren ist allerdings aufwändig und setzt eine online-Prozessüberwachung voraus.Out EP 2 777 863 A1 It is known to monitor the quality of cut by means of a camera during laser cutting with oxygen or oxygen-inert gas mixtures and the cutting speed and / or the cutting gas flow with respect to its contents of oxygen, carbon dioxide and / or helium and / or its cutting gas pressure based on the quality of cut adjust. However, such a procedure is complex and requires online process monitoring.

Demgegenüber stellt sich der vorliegenden Erfindung die Aufgabe, ein einfaches Verfahren anzugeben, mit dem die Reinheit des beim Laserbrennschneiden verwendeten Sauerstoffs bestimmt werden kann. Insbesondere soll bei auftretenden Schneidproblemen auch festgestellt werden können, ob eine zu geringe Reinheit des eingesetzten Sauerstoffs die Probleme verursacht oder zumindest dazu beiträgt.In contrast, the present invention has the object to provide a simple method by which the purity of the oxygen used in laser cutting can be determined. In particular, should it be found when occurring cutting problems, whether too low purity of the oxygen used causes or at least contributes to the problems.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren zum Ermitteln einer Sauerstoffreinheit beim Laserbrennschneiden mit Sauerstoff als Schneidgas mit folgenden Schritten gelöst:

  1. (a) Durchführen eines Laserbrennschnitts an einem Werkstück, wobei die Schneidgeschwindigkeit mindestens so weit erhöht wird, bis es zu einem Schnittabriss kommt, also kein durch das Werkstück vollständig hindurchgehender Schnitt mehr erzeugt wird; und
  2. (b) Ermitteln einer Reinheit des in Schritt (a) eingesetzten Sauerstoffs aus der in Schritt (a) festgestellten Schnittabrissgeschwindigkeit anhand eines für das Material des Werkstücks beim Laserbrennschneiden vorbekannten Zusammenhangs zwischen der Schnittabrissgeschwindigkeit und der Sauerstoffreinheit.
This object is achieved by a method for determining an oxygen purity in laser cutting with oxygen as a cutting gas with the following steps:
  1. (A) Performing a laser focal section on a workpiece, wherein the cutting speed is increased at least until it comes to a cut, so no more completely through the workpiece passing cut is generated; and
  2. (b) determining a purity of the oxygen used in step (a) from the cut-breaking speed determined in step (a) on the basis of a relationship between the cut-breaking speed and the oxygen purity known in advance for the material of the workpiece during laser flame cutting.

Erfindungsgemäß wird aus der beim Laserbrennschneiden festgestellten Schnittabrissgeschwindigkeit anhand von vorbekannten Korrelationen zwischen Schnittabrissgeschwindigkeit und Sauerstoffreinheit unmittelbar auf die Reinheit des verwendeten Sauerstoffs zurückgeschlossen. Der zum Ermitteln der Sauerstoffreinheit durchgeführte Laserbrennschnitt kann dabei in einem speziell dafür vorgesehenen Testwerkstück erfolgen. Es ist aber auch möglich, den Testschnitt an einem zu bearbeitenden Werkstück durchzuführen, wenn dessen Materialart und Werkstückdicke bekannt sind. Die übrigen Schneidparameter (z.B. Fokuslage, Laserleistung, Schneidgasdruck) bleiben während des Testschnitts konstant und sind so gewählt, dass im Schritt (a) eine geeignete Streckenlänge für den Testschnitt erhalten wird.According to the invention, the cut-off speed determined during laser-cutting is deduced directly from the purity of the oxygen used on the basis of previously known correlations between the cutting-off speed and the oxygen purity. The performed for determining the oxygen purity laser focal section can be done in a specially designed test workpiece. But it is also possible to perform the test cut on a workpiece to be machined, if its material type and workpiece thickness are known. The remaining cutting parameters (e.g., focus position, laser power, cutting gas pressure) remain constant during the test cut and are selected so that in step (a) a suitable track length is obtained for the test cut.

Versuche haben gezeigt, dass bei einer Sauerstoffreinheit im Bereich zwischen 99% und 99,95% bei einer vorgegebenen Laserleistung und Werkstückdicke ein nahezu linearer Zusammenhang zwischen der Sauerstoffreinheit und der Schnittabrissgeschwindigkeit bzw. der maximal möglichen Schneidgeschwindigkeit, bei der noch kein Schnittabriss eintritt, besteht. Diese lineare Abhängigkeit gilt bei unterschiedlichen Werkstückdicken und ebenso bei allen üblicherweise eingesetzten Laserleistungen. Die in den Versuchen ermittelten linearen Korrelationen für die verschiedenen Werkstückdicken und Laserleistungen können in der Maschinensteuerung der Lasermaschine in einem Datenspeicher gespeichert werden und die Basis für das erfindungsgemäße Verfahren bilden.Experiments have shown that at an oxygen purity in the range between 99% and 99.95% for a given laser power and workpiece thickness, there is a nearly linear relationship between the oxygen purity and the cut-off rate or the maximum possible cutting speed at which no cut-off occurs yet. This linear dependence applies to different workpiece thicknesses and also to all commonly used laser powers. The linear correlations determined for the various workpiece thicknesses and laser powers in the tests can be stored in the data base of the machine control of the laser machine and form the basis for the method according to the invention.

Die Schneidgeschwindigkeit kann in Schritt (a) entweder schrittweise oder, was bevorzugt ist, kontinuierlich (mit konstanter oder ortsabhängiger Beschleunigung) mindestens so weit erhöht werden, bis es zu einem Schnittabriss kommt.The cutting speed in step (a) may be either stepwise or, which is preferred, continuous (with constant or location dependent Acceleration) at least until it comes to a cut.

Der Zusammenhang zwischen der Schnittabrissgeschwindigkeit und der Sauerstoffreinheit wird beispielsweise zuvor in Testreihen für unterschiedliche Werkstücke und Werkstückdicken und für unterschiedliche Schneidparameter, wie z.B. Laserleistungen, ermittelt und kann beispielsweise in der Maschinensteuerung einer Laserbearbeitungsmaschine in Form von Technologietabellen gespeichert werden. Sollten für die Dicke eines Werkstücks und/oder für die in Schritt (a) verwendeten Schneidparameter noch keine Korrelationen vorliegen, so kann der Zusammenhang durch Inter- oder Extrapolation vorbekannter Korrelationen (Zusammenhänge) gewonnen werden. Idealerweise ist der Zusammenhang zwischen der Schnittabrissgeschwindigkeit und der Sauerstoffreinheit für alle gebräuchlichen Werkstückmaterialien vorbekannt.For example, the relationship between the cut-off rate and the oxygen purity is previously determined in test series for different workpieces and workpiece thicknesses, and for different cutting parameters, such as those shown in FIG. Laser powers, determined and can be stored for example in the machine control of a laser processing machine in the form of technology tables. If there are no correlations for the thickness of a workpiece and / or for the cutting parameters used in step (a), the relationship can be obtained by interpolation or extrapolation of previously known correlations (relationships). Ideally, the relationship between the cutting breaking speed and the oxygen purity for all common workpiece materials is already known.

Zur leichteren Bestimmung der Position des Schnittabrisses ist es von Vorteil, wenn die Schneidgeschwindigkeiten am Anfang und am Ende des am Werkstück durchgeführten Laserbrennschnitts so gewählt werden, dass der Schnittabriss im letzten Drittel der Schnittlinie auftritt.To facilitate the determination of the position of the cut-off, it is advantageous if the cutting speeds at the beginning and at the end of the laser cutting performed on the workpiece are selected such that the cut-off occurs in the last third of the cut line.

In einer bevorzugten Verfahrensvariante wird in Schritt (a) die Schnittabrissgeschwindigkeit jeweils an mehreren Werkstücken unterschiedlicher Dicke festgestellt, und es wird nur dann in Schritt (b) ein Reinheitswert des in Schritt (a) eingesetzten Sauerstoffs aus den in Schritt (a) festgestellten Schnittabrissgeschwindigkeiten anhand des für unterschiedliche Werkstückdicken vorbekannten Zusammenhangs ermittelt, wenn die maximale Abweichung der in Schritt (a) ermittelten Schnittabrissgeschwindigkeiten zueinander unter einem festgelegten Grenzwert liegt, wenn die Streubreite der ermittelten Schnittabrissgeschwindigkeiten also nicht zu groß ist. Wenn die Schnittabrissgeschwindigkeiten der einzelnen Messungen zu stark voneinander abweichen, so wird daraus geschlossen, dass andere Ursachen für die Schneidprobleme vorliegen müssen. Liegen die Werte dagegen eng beieinander, so kann der Reinheitswert des Sauerstoffs beispielsweise als Mittelwert der einzelnen Messergebnisse bestimmt werden.In a preferred variant of the method, in step (a) the cut-breaking speed is determined in each case on a plurality of workpieces of different thicknesses and only in step (b) is a purity value of the oxygen used in step (a) taken from the cut-off speeds determined in step (a) of the previously known for different workpiece thickness relationship determined when the maximum deviation of the determined in step (a) Schnittabrissgeschwindigkeiten each other is below a specified limit, if the spread of the determined Schnittabrissgeschwindigkeiten is not too large. If the cut-off rates of the individual measurements deviate too much from each other, it is concluded that other causes of the cutting problems must be present. By contrast, if the values are close to one another, then the purity value of the oxygen can be determined, for example, as the mean value of the individual measurement results.

In einer weiteren bevorzugten Verfahrensvariante werden in Schritt (a) am gleichen Werkstück mehrere Laserbrennschnitte in unterschiedlichen Richtungen, und insbesondere auch in einander entgegengesetzten Richtungen (z.B. jeweils in positiver und negativer X- und Y-Richtung), durchgeführt. In Schritt (b) wird nur dann die Reinheit des in Schritt (a) eingesetzten Sauerstoffs aus den in Schritt (a) festgestellten Schnittabrissgeschwindigkeiten ermittelt, wenn die maximale Abweichung der in Schritt (a) ermittelten Schnittabrissgeschwindigkeiten zueinander unter einem festgelegten Grenzwert liegt. Gibt es eine große Abweichung der maximalen Schneidgeschwindigkeit in X- und Y-Richtung, so deutet dies auf richtungsabhängige Ursachen für Schneidprobleme hin, wie z.B. eine außermittige Positionierung des Laserstrahls in der Schneidgasdüse oder Schmutz auf einem Schutzglas im Laserbearbeitungskopf. Bei einer zu großen Streubreite der in Schritt (a) gemessenen Schnittabrissgeschwindigkeiten müssen also andere Ursachen für die Schneidprobleme überprüft werden. Liegen die gemessenen Schnittabrissgeschwindigkeiten dagegen eng beieinander, so kann die Reinheit des Sauerstoffs beispielsweise als Mittelwert der einzelnen im Schritt (b) erhaltenen Werte bestimmt werden.In a further preferred variant of the method, a plurality of laser focal cuts in different directions, and in particular also in opposite directions (for example in each case in the positive and negative X and Y directions) are performed on the same workpiece in step (a). In step (b), the purity of the oxygen used in step (a) is only determined from the cut-off speeds determined in step (a) if the maximum deviation of the cut-off speeds determined in step (a) is below a specified limit value. If there is a large deviation in the maximum cutting speed in the X and Y directions, this indicates directional causes of cutting problems, such as a an off-center positioning of the laser beam in the cutting gas nozzle or dirt on a protective glass in the laser processing head. In the case of too large a spread of the cut tear speeds measured in step (a), therefore, other causes for the cutting problems must be checked. On the other hand, if the measured cut-off rates are close to each other, the purity of the oxygen can be determined, for example, as the average of the individual values obtained in step (b).

Beträgt beispielsweise die festgestellte Schneidgeschwindigkeit am Schnittabriss 110% der für die Werkstückdicke und Laserleistung voreingestellten Standard-Schneidgeschwindigkeit, so kann ein Gasproblem ausgeschlossen werden. Beträgt die festgestellte Schnittabrissgeschwindigkeit für mehrere Werkstückdicken lediglich zwischen 90 und 100% der Standard-Schneidgeschwindigkeit und ist in verschiedenen Schnittrichtungen annähernd gleich, so ist ein Gasproblem wahrscheinlich.If, for example, the determined cutting speed at the cutting break is 110% of the standard cutting speed preset for the workpiece thickness and laser power, a gas problem can be ruled out. If the determined cut-off speed for several workpiece thicknesses is only between 90 and 100% of the standard cutting speed and is approximately the same in different cutting directions, then a gas problem is probable.

Vorzugsweise wird die für einen anschließenden Laserbrennschnitt, d.h. für die anschließende tatsächliche Materialbearbeitung, vorgegebene Standard-Schneidgeschwindigkeit anhand der in Schritt (a) festgestellten Schnittabrissgeschwindigkeit oder der in Schritt (b) ermittelten Sauerstoffreinheit angepasst, so dass auch mit Sauerstoff geringerer Reinheit prozesssicher geschnitten werden kann. Dabei kann beispielsweise für jede Werkstückdicke in der Maschinensteuerung hinterlegt sein, um wie viel m/min die Standard-Schneidgeschwindigkeit bei einer Verschlechterung der Gasreinheit um 0,1 Prozentpunkte reduziert werden muss. Alternativ kann für jede Werkstückdicke eine (durchschnittliche) Geradengleichung gespeichert sein, die den Zusammenhang zwischen Gasreinheit und einzustellender Standard-Schneidgeschwindigkeit angibt. Alternativ kann auch für jede Werkstückdicke und jeweils verschiedene Laserleistungen jeweils eine Geradengleichung hinterlegt sein.Preferably, for a subsequent laser focal cut, i. adapted for the subsequent actual material processing, predetermined standard cutting speed based on the cut-off rate determined in step (a) or the oxygen purity determined in step (b), so that it can be cut reliably even with oxygen of lesser purity. In this case, for example, for each workpiece thickness can be stored in the machine control by how many m / min, the standard cutting speed must be reduced by 0.1 percentage points with a deterioration of the gas purity. Alternatively, an (average) straight line equation can be stored for each workpiece thickness, which indicates the relationship between gas purity and the standard cutting speed to be set. Alternatively, in each case a straight line equation can be stored for each workpiece thickness and each different laser powers.

Der Schnittabriss und die dabei geltende Schneidgeschwindigkeit können von der Maschinensteuerung der Laserbearbeitungsmaschine automatisiert bestimmt werden, z.B. mit Hilfe des in DE 10 2013 209 526 A1 offenbarten Verfahrens. Vorzugsweise wird die Schnittabrissgeschwindigkeit direkt mit verminderter Laserleistung neben die entsprechende Linie als Markierung in das Werkstück eingebracht. Alternativ ist es auch möglich, manuell die Länge der geschnittenen Strecke bis zum Schnittabriss am Werkstück zu messen und anhand der programmierten Steigerung der Schneidgeschwindigkeit den beim Schnittabriss gültigen Wert der Schneidgeschwindigkeit zu bestimmen.The cutting break and the applicable cutting speed can be determined automatically by the machine control of the laser processing machine, for example with the aid of the in DE 10 2013 209 526 A1 disclosed method. Preferably, the cut-breaking speed is introduced directly with reduced laser power next to the corresponding line as a mark in the workpiece. Alternatively, it is also possible to manually measure the length of the cut path to the cut to the workpiece and based on the programmed increase in the cutting speed to determine the value of the cutting speed valid at the time of cut-off.

Die Erfindung betrifft auch eine Laserbearbeitungsmaschine umfassend einen Laserstrahlerzeuger, einen Laserbearbeitungskopf mit einer Prozessgasdüse, aus der der Laserstrahl zusammen mit Sauerstoff als Schneidgas austritt, eine Werkstückauflage, wobei die Werkstückauflage und der Laserbearbeitungskopf relativ zueinander bewegbar sind, und eine Maschinensteuerung, die programmiert ist, bei einem Laserbrennschnitt an einem Werkstück die Schneidgeschwindigkeit mindestens so weit zu erhöhen, bis es zu einem Schnittabriss kommt. Die Laserbearbeitungsmaschine weist außerdem einen Datenspeicher auf, in dem der Zusammenhang zwischen der Schnittabrissgeschwindigkeit und der Sauerstoffreinheit gespeichert ist, wobei die Maschinensteuerung programmiert ist, aus einer beim Laserbrennschneiden festgestellten Schnittabrissgeschwindigkeit die Reinheit des eingesetzten Sauerstoffs anhand des gespeicherten Zusammenhangs zu ermitteln.The invention also relates to a laser processing machine comprising a laser beam generator, a laser processing head with a process gas nozzle from which the laser beam escapes together with oxygen as a cutting gas, a workpiece support, wherein the workpiece support and the laser processing head are relatively movable, and a machine control that is programmed at a laser cutting cut on a workpiece to increase the cutting speed at least until it comes to a cut. The laser processing machine also has a data memory in which the relationship between the cut-break speed and the oxygen purity is stored, the machine control is programmed to determine the purity of the oxygen used from the recorded relationship from a cut-breaking rate determined during laser cutting.

Die Erfindung betrifft schließlich auch ein Computerprogrammprodukt, welches Codemittel aufweist, die zum Durchführen aller Schritte des oben beschriebenen Verfahrens angepasst sind, wenn das Programm auf einer Maschinensteuerung einer Laserbearbeitungsmaschine abläuft.Finally, the invention also relates to a computer program product having code means adapted to perform all the steps of the above-described method when the program runs on a machine controller of a laser processing machine.

Weitere Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen des Gegenstands der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung, den Ansprüchen 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. Es zeigen:

  • 1 eine zum Durchführen des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Ermitteln einer Sauerstoffreinheit beim Laserbrennschneiden geeignete Laserbearbeitungsmaschine;
  • 2a, 2b den Zusammenhang zwischen derjenigen Schneidgeschwindigkeit, ab der es beim Laserbrennschneiden von Baustahl zu einem Schnittabriss kommt, und der Sauerstoffreinheit für unterschiedliche Werkstückdicken (2a) und für unterschiedliche Laserleistungen ( 2b); und
  • 3a, 3b Fotos (3a) und zugehörige schematische Zeichnungen (3b) von unterschiedlich langen Schnittabrisslängen beim Laserbrennschneiden mit unterschiedlichen Sauerstoffreinheiten in das gleiche Werkstück.
Further advantages and advantageous embodiments of the subject invention will become apparent from the description, the claims 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. Show it:
  • 1 a laser processing machine suitable for carrying out the method according to the invention for determining an oxygen purity in laser flame cutting;
  • 2a . 2 B the relationship between the cutting speed at which laser cutting of structural steel leads to a cut and the oxygen purity for different workpiece thicknesses ( 2a) and for different laser powers ( 2 B) ; and
  • 3a . 3b Photos ( 3a) and associated schematic drawings ( 3b) of differently long cutting lengths during laser cutting with different oxygen scavenging units in the same workpiece.

Die in 1 perspektivisch dargestellte Laserbearbeitungsmaschine 1 weist beispielsweise einen CO2-Laser, Diodenlaser oder Festkörperlaser als Laserstrahlerzeuger 2, einen in X- und Y-Richtung verfahrbaren (Laser)Bearbeitungskopf 3 und eine Werkstückauflage 4 auf. Im Laserstrahlerzeuger 2 wird ein Laserstrahl 5 erzeugt, der mittels eines (nicht gezeigten) Lichtleitkabels oder (nicht gezeigten) Umlenkspiegeln vom Laserstrahlerzeuger 2 zum Bearbeitungskopf 3 geführt wird. Auf der Werkstückauflage 4 ist ein plattenförmiges Werkstück 6 angeordnet. Der Laserstrahl 5 wird mittels einer im Bearbeitungskopf 3 angeordneten Fokussieroptik auf das Werkstück 6 gerichtet. Die Laserschneidmaschine 1 wird darüber hinaus mit Schneidgasen 7, beispielsweise Sauerstoff und Stickstoff, versorgt. Die Verwendung des jeweiligen Schneidgases 7 ist vom Werkstückmaterial und von Qualitätsanforderungen an die Schnittkanten abhängig. Weiterhin ist eine Absaugeinrichtung 8 vorhanden, die mit einem Absaugkanal 9, der sich unter der Werkstückauflage 4 befindet, verbunden ist. Das Schneidgas 7 wird einer Schneidgasdüse 10 des Bearbeitungskopfes 3 zugeführt, aus der es zusammen mit dem Laserstrahl 5 austritt. Die Laserbearbeitungsmaschine 1 weist weiterhin eine Maschinensteuerung 11 auf.In the 1 Perspective illustrated laser processing machine 1 has, for example, a CO 2 laser, diode laser or solid-state laser as a laser beam generator 2 , a movable in the X- and Y-direction (laser) machining head 3 and a workpiece support 4 on. In the laser beam generator 2 becomes a laser beam 5 generated by means of a (not shown) optical fiber cable or (not shown) deflecting mirrors from the laser beam generator 2 to the machining head 3 to be led. On the workpiece support 4 is a plate-shaped workpiece 6 arranged. The laser beam 5 is by means of a processing head 3 arranged focusing optics on the workpiece 6 directed. The laser cutting machine 1 is also using cutting gases 7 , For example, oxygen and nitrogen supplied. The use of the respective cutting gas 7 depends on the workpiece material and quality requirements for the cutting edges. Furthermore, a suction device 8th present, with a suction channel 9 that is under the workpiece support 4 is connected. The cutting gas 7 becomes a cutting gas nozzle 10 of the machining head 3 fed out of it together with the laser beam 5 exit. The laser processing machine 1 also has a machine control 11 on.

Beim Laserbrennschneiden wird das Werkstück 6 durch den als Schneidgas 7 eingesetzten Sauerstoff oxidiert, was aufgrund der exothermen Reaktion zusätzliche Energie in den Schneidprozess einbringt. Für eine fehlerfreie Durchführung eines hochproduktiven Schneidprozesses mit den dafür an der Laserbearbeitungsmaschine eingestellten Schneidparametern (z.B. Laserleistung, Schneidgasdruck, Schneidgeschwindigkeit) ist der Einsatz von Sauerstoff hoher Reinheit (mindestens 99,95%) notwendig. Steht nur Sauerstoff geringerer Reinheit zur Verfügung, so kann dies zu Schneidproblemen und verminderter Schnittqualität, wie beispielsweise Schmelzeanhaftungen oder einem Schnittabriss, führen.In laser cutting, the workpiece becomes 6 by the as cutting gas 7 oxidized, which introduces additional energy in the cutting process due to the exothermic reaction. For an error-free implementation of a highly productive cutting process with the cutting parameters set for it on the laser processing machine (eg laser power, cutting gas pressure, cutting speed) the use of high purity oxygen (at least 99.95%) is necessary. If only oxygen of lower purity is available, this can lead to cutting problems and reduced cutting quality, such as melt adhesion or a cut to break.

2a, 2b zeigen den beispielsweise vorab durch Versuche ermittelten Zusammenhang 12 zwischen derjenigen Schneidgeschwindigkeit (Schnittabrissgeschwindigkeit) vA , ab der es beim Laserbrennschneiden von Baustahl zu einem Schnittabriss kommt, und der Sauerstoffreinheit Vol.-%(O2). 2a zeigt den Zusammenhang für unterschiedliche Werkstückdicken d (2, 6, 10 und 15mm) bei 8 kW Laserleistung und 2b den Zusammenhang für unterschiedliche Laserleistungen (3, 3,5 und 5kW) bei 6mm dickem Baustahl. 2a . 2 B show the example, determined in advance by experiments context 12 between the cutting speed (cut-off speed) v A , from which laser cutting of structural steel leads to a cut in the cut, and the oxygen purity is Vol .-% (O 2 ). 2a shows the relationship for different workpiece thicknesses d (2, 6, 10 and 15mm) at 8 kW laser power and 2 B the relationship for different laser powers ( 3 . 3 , 5 and 5kW) with 6mm thick structural steel.

Wie in 2a gezeigt, besteht bei einer Sauerstoffreinheit im Bereich zwischen 99% und 99,95% bei einer vorgegebenen Laserleistung und Werkstückdicke ein nahezu linearer Zusammenhang zwischen der Sauerstoffreinheit Vol.-%(O2) und der Schnittabrissgeschwindigkeit vA bzw. der maximal möglichen Schneidgeschwindigkeit, bei der noch kein Schnittabriss eintritt. Diese lineare Abhängigkeit gilt bei unterschiedlichen Werkstückdicken (2a) und ebenso bei allen üblicherweise eingesetzten Laserleistungen (2b). Diese Korrelationen sind für die verschiedenen Werkstückdicken und Laserleistungen in einem Datenspeicher 13 der Maschinensteuerung 11 gespeichert und bilden die Basis für das nachfolgend beschriebene Verfahren.As in 2a With an oxygen purity in the range between 99% and 99.95%, given a given laser power and workpiece thickness, there is an almost linear relationship between the oxygen purity% by volume (O 2 ) and the Section stalling speed v A or the maximum possible cutting speed at which no cut occurs yet. This linear dependence applies to different workpiece thicknesses ( 2a) and also with all commonly used laser powers ( 2 B) , These correlations are for the different workpiece thicknesses and laser powers in a data memory 13 the machine control 11 stored and form the basis for the method described below.

Um die Reinheit des beim Laserbrennschneiden verwendeten Sauerstoffs zu bestimmen, wird wie folgt vorgegangen:

  • In einem ersten Schritt (a) wird an einem Werkstück 6 ein Laserbrennschnitt durchgeführt, wobei die Schneidgeschwindigkeit mindestens so weit erhöht wird, bis es zu einem Schnittabriss kommt, also kein durch das Werkstück 6 vollständig hindurchgehender Schnitt mehr erzeugt wird. Die dabei festgestellte Schneidgeschwindigkeit, ab der es zu einem Schnittabriss kommt, wird als Schnittabrissgeschwindigkeit vA bezeichnet.
  • In einem zweiten Schritt (b) wird die Reinheit des in Schritt (a) eingesetzten Sauerstoffs aus der in Schritt (a) festgestellten Schnittabrissgeschwindigkeit vA anhand des vorbekannten, gespeicherten Zusammenhangs 12 zwischen Schnittabrissgeschwindigkeit vA und Sauerstoffreinheit (Vol.-%(O2)) ermittelt. Anhand der gespeicherten Korrelationen kann somit bei einer vorgegebenen Laserleistung und Werkstückdicke aus der Schneidgeschwindigkeit beim Schnittabriss unmittelbar auf die Reinheit des eingesetzten Sauerstoffs zurückgeschlossen werden.
To determine the purity of the oxygen used in laser cutting, the procedure is as follows:
  • In a first step (a) is on a workpiece 6 a laser cutting performed, the cutting speed is increased at least until it comes to a cut, so no through the workpiece 6 completely passing cut is produced more. The thereby determined cutting speed, from which it comes to a cut, is called cut-breaking speed v A designated.
  • In a second step (b), the purity of the oxygen used in step (a) is determined by the cut-off rate determined in step (a) v A based on the previously known stored context 12 between cutting-off speed v A and oxygen purity (vol.% (O 2 )). On the basis of the stored correlations can thus be deduced directly from the cutting speed during cut to a certain laser power and workpiece thickness on the purity of the oxygen used.

Der Schnittabriss und die dabei geltende Schneidgeschwindigkeit können entweder automatisiert von der Maschinensteuerung 11 bestimmt werden, z.B. mit Hilfe des in DE 10 2013 209 526 A1 offenbarten Verfahrens, oder aber manuell, indem die Länge der geschnittenen Strecke bis zum Schnittabriss am Werkstück 6 gemessen und anhand der programmierten Steigerung der Schneidgeschwindigkeit der beim Schnittabriss gültige Wert vA der Schneidgeschwindigkeit bestimmt wird.The cutting break and the applicable cutting speed can either be automated by the machine control 11 be determined, for example, with the help of in DE 10 2013 209 526 A1 disclosed method, or manually, by the length of the cut distance to the cut to the workpiece 6 measured and based on the programmed increase in the cutting speed of the valid cut-off value v A the cutting speed is determined.

Die Reinheit des Sauerstoffs kann aus der festgestellten Schnittabrissgeschwindigkeit von der Maschinensteuerung 11 bestimmt werden.The purity of the oxygen can be determined from the determined cutting-off speed by the machine control 11 be determined.

Die für den Laserbrennschnitt von der Maschinensteuerung 11 vorgegebene Standard-Schneidgeschwindigkeit kann anhand der in Schritt (a) festgestellten Schnittabrissgeschwindigkeit vA bzw. der daraus in Schritt (b) ermittelten Sauerstoffreinheit angepasst werden, so dass auch mit Sauerstoff geringerer Reinheit prozesssicher geschnitten werden kann. Dabei kann beispielsweise für jede Blechdicke in der Maschinensteuerung 11 hinterlegt sein, um wie viel m/min die Standard-Schneidgeschwindigkeit bei einer Verschlechterung der Gasreinheit um 0,1 Prozentpunkte reduziert werden muss.The laser cutting for the machine control 11 predetermined standard cutting speed can be determined by the cut-off speed determined in step (a) v A or the oxygen purity determined therefrom in step (b), so that it can be cut reliably even with oxygen of lesser purity. In this case, for example, for each sheet thickness in the machine control 11 be set by how many m / min the standard cutting speed must be reduced by 0.1 percentage points with a deterioration of the gas purity.

3a zeigt drei Fotos von unterschiedlich langen Schnittabrisslängen L1 , L2 , L3 (L1< L2 < L3) beim Laserbrennschneiden mit gleicher Laserleistung und mit drei unterschiedlichen Sauerstoffreinheiten 2.2 (99,2%), 2.5 (99,5%), 3.5 (99,95%) in das gleiche Werkstück 6. 3b zeigt die zugehörigen schematische Zeichnungen. Je höher die Sauerstoffreinheit ist, desto größer sind die jeweilige Schnittabrissgeschwindigkeit vA1 , vA2 , vA3 und die jeweilige Schnittabrisslänge L1 , L2 , L3 . 3a shows three photos of different lengths of cut L 1 . L 2 . L 3 (L 1 <L 2 <L 3 ) in laser flame cutting with the same laser power and with three different oxygen scavenging units 2.2 (99.2%), 2.5 (99.5%), 3.5 (99.95%) in the same workpiece 6 , 3b shows the associated schematic drawings. The higher the oxygen purity, the greater the respective cutting-off speed v A1 . v A2 . v A3 and the respective Schnittabrisslänge L 1 . L 2 . L 3 ,

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Claims (12)

Verfahren zum Ermitteln einer Sauerstoffreinheit (Vol.-%(O2)) beim Laserbrennschneiden mit Sauerstoff als Schneidgas (7), mit folgenden Schritten: (a) Durchführen eines Laserbrennschnitts an einem Werkstück (6), wobei die Schneidgeschwindigkeit mindestens so weit erhöht wird, bis es zu einem Schnittabriss kommt; und (b) Ermitteln einer Reinheit des in Schritt (a) eingesetzten Sauerstoffs aus der in Schritt (a) festgestellten Schnittabrissgeschwindigkeit (vA) anhand eines für das Material des Werkstücks (6) beim Laserbrennschneiden vorbekannten Zusammenhangs (12) zwischen der Schnittabrissgeschwindigkeit (vA) und der Sauerstoffreinheit (Vol.-%(O2)).Method for determining an oxygen purity (vol .-% (O 2 )) in laser cutting with oxygen as cutting gas (7), comprising the following steps: (a) performing a laser cutting on a workpiece (6), the cutting speed being increased at least so far until it comes to a cut; and (b) determining a purity of the oxygen used in step (a) from the cut-off speed (v A ) determined in step (a) from a relationship (12) between the cut-breaking speed (v A ) and the oxygen purity (vol .-% (O 2 )). Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in Schritt (a) die Schneidgeschwindigkeit schrittweise oder kontinuierlich mindestens so weit erhöht wird, bis es zu einem Schnittabriss kommt.Method according to Claim 1 , characterized in that in step (a) the cutting speed is increased stepwise or continuously at least until a cut occurs. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Zusammenhang (12) zwischen der Schnittabrissgeschwindigkeit (vA) und der Sauerstoffreinheit (Vol.-%(O2)) für unterschiedliche Werkstückmaterialien durch vorhergehende Testmessungen bestimmt wurde.Method according to Claim 1 or 2 , characterized in that the relationship (12) between the cutting breaking speed (v A ) and the oxygen purity (Vol .-% (O 2 )) was determined for different workpiece materials by previous test measurements. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Zusammenhang (12) zwischen der Schnittabrissgeschwindigkeit (vA) und der Sauerstoffreinheit (Vol.-%(O2)) für die Dicke (d) des Werkstücks (6) und/oder für die in Schritt (a) verwendeten Schneidparameter durch Inter- oder Extrapolation von aus Testmessungen vorbekannten Korrelationen gewonnen wird.Method according to one of the preceding claims, characterized in that the relationship (12) between the cutting breaking speed (v A ) and the oxygen purity (Vol .-% (O 2 )) for the thickness (d) of the workpiece (6) and / or for the cutting parameters used in step (a), by interpolation or extrapolation of correlations previously known from test measurements. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in Schritt (a) die Schnittabrissgeschwindigkeit (vA) jeweils an mehreren Werkstücken (6) unterschiedlicher Dicke (d) festgestellt wird, und in Schritt (b) eine Reinheit des in Schritt (a) eingesetzten Sauerstoffs aus den in Schritt (a) festgestellten Schnittabrissgeschwindigkeiten (vA) anhand des für unterschiedliche Dicken (d) vorbekannten Zusammenhangs (12) nur dann ermittelt wird, wenn die maximale Abweichung der in Schritt (a) ermittelten Schnittabrissgeschwindigkeiten (vA) zueinander unter einem festgelegten Grenzwert liegt.Method according to one of the preceding claims, characterized in that in step (a) the cut-breaking speed (v A ) is determined in each case on a plurality of workpieces (6) of different thickness (d), and in step (b) a purity of the in step (a ) is determined from the cut-off rates (v A ) determined in step (a) on the basis of the known relationship (12) for different thicknesses (d) only if the maximum deviation of the cut-off rates (v A ) determined in step (a) each other below a specified limit. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in Schritt (a) am gleichen Werkstück (6) mehrere Laserbrennschnitte in unterschiedlichen Richtungen, insbesondere in einander entgegengesetzten Richtungen, durchgeführt werden und in Schritt (b) eine Reinheit des in Schritt (a) eingesetzten Sauerstoffs aus den in Schritt (a) festgestellten Schnittabrissgeschwindigkeiten (vA) richtungsabhängig nur dann ermittelt wird, wenn die maximale Abweichung der in Schritt (a) ermittelten Schnittabrissgeschwindigkeiten (vA) zueinander unter einem festgelegten Grenzwert liegt.Method according to one of the preceding claims, characterized in that in step (a) on the same workpiece (6) a plurality of laser focal cuts in different directions, in particular in opposite directions, performed and in step (b) a purity of the in step (a) The oxygen used from the determined in step (a) Schnittabrissgeschwindigkeiten (v A ) is determined depending on the direction only if the maximum deviation of the determined in step (a) Schnittabrissgeschwindigkeiten (v A ) is below a specified limit. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine für einen anschließenden Laserbrennschnitt vorgegebene Standard-Schneidgeschwindigkeit anhand der in Schritt (a) festgestellten Schnittabrissgeschwindigkeit (vA) oder der in Schritt (b) ermittelten Sauerstoffreinheit (Vol.-%(O2)) angepasst wird.Method according to one of the preceding claims, characterized in that a standard cutting speed predetermined for a subsequent laser cutting cut is determined on the basis of the cut-breaking speed (v A ) determined in step (a) or the oxygen purity determined in step (b) (% by volume (O 2 )). Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Zusammenhang (12) zwischen der Schnittabrissgeschwindigkeit (vA) und der Sauerstoffreinheit (Vol.-%(O2)) in einer Maschinensteuerung (11) einer Laserbearbeitungsmaschine (1) gespeichert wird.Method according to one of the preceding claims, characterized in that the relationship (12) between the cutting breaking speed (v A ) and the oxygen purity (Vol .-% (O 2 )) in a machine control (11) of a laser processing machine (1) is stored. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass von einer Maschinensteuerung (11) automatisiert der Schnittabriss erkannt und die dabei geltende Schneidgeschwindigkeit (vA) einer Laserbearbeitungsmaschine (1) bestimmt werden.Method according to one of the preceding claims, characterized in that automatically detected by a machine control (11), the cutting break and thereby the applicable cutting speed (v A ) of a laser processing machine (1) are determined. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass manuell die Länge der geschnittenen Strecke bis zum Schnittabriss am Werkstück (6) gemessen und anhand der vorgegebenen Steigerung der Schneidgeschwindigkeit der beim Schnittabriss gültige Wert (vA) der Schneidgeschwindigkeit bestimmt wird.Method according to one of Claims 1 to 8th , characterized in that manually measured the length of the cut distance to the cut to the workpiece (6) and determined on the basis of the predetermined increase in the cutting speed of the cutting cut value (v A ) of the cutting speed. Laserbearbeitungsmaschine (1) umfassend einen Laserstrahlerzeuger (2), einen Laserbearbeitungskopf (3) mit einer Prozessgasdüse (10), aus der der Laserstrahl (5) zusammen mit Sauerstoff als Schneidgas (7) austritt, eine Werkstückauflage (4), wobei der Laserbearbeitungskopf (3) und die Werkstückauflage (4) relativ zueinander bewegbar sind, einen Datenspeicher (13), in dem ein Zusammenhang (12) zwischen einer Schnittabrissgeschwindigkeit (vA) und einer Sauerstoffreinheit (Vol.-%(O2)) gespeichert ist, und eine Maschinensteuerung (11), die programmiert ist, beim Laserbrennschneiden eines Werkstücks (6) die Schneidgeschwindigkeit mindestens so weit zu erhöhen, bis es zu einem Schnittabriss kommt, und aus der festgestellten Schnittabrissgeschwindigkeit (vA) eine Reinheit des eingesetzten Sauerstoffs anhand des im Datenspeicher (13) gespeicherten Zusammenhangs (12) zu ermitteln.A laser processing machine (1) comprising a laser beam generator (2), a laser processing head (3) with a process gas nozzle (10) from which the laser beam (5) together with oxygen as cutting gas (7) emerges, a workpiece support (4), wherein the laser processing head ( 3) and the workpiece support (4) are movable relative to one another, a data memory (13) in which a relationship (12) between a section breaking speed (v A ) and an oxygen purity (Vol .-% (O 2 )) is stored, and a machine controller (11) which is programmed to increase the cutting speed during laser flame cutting of a workpiece (6) at least until a cut occurs, and from the determined cut break speed (v A ) a purity of the oxygen used based on the in the data memory (13) stored context (12) to determine. Computerprogrammprodukt, welches Codemittel aufweist, die zum Durchführen aller Schritte des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 10 angepasst sind, wenn das Programm auf einer Maschinensteuerung (11) einer Laserbearbeitungsmaschine (1) abläuft.A computer program product comprising code means adapted to perform all the steps of the method according to any one of Claims 1 to 10 are adjusted when the program is on a Machine control (11) of a laser processing machine (1) runs.
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