AT509911A1 - Laserschneidkopf - Google Patents

Description

Patentanmeldung

Laserschneidkopf l.Problem. das durch die Erfindung gelöst werden soll

Laserschnitte, etwa in Stahlblech mit einer Dicke von wenigen Millimetern weisen eine hervorragende Qualität auf, die dadurch charakterisiert ist, dass die Schnittflächen eine geringfügige Rauigkeit aufweisen, die durch annähernd periodische Riefen verursacht wird. Darüber hinaus haftet sowohl an der unteren und an der oberen Kante des Schnitts kein Material an, womit insgesamt die Laserschnitte völlig nachbearbeitungsfrei sind. Nähert sich die Blechstärke allerdings 8 bis 10mm so wird die schon erwähnte Rauigkeit erheblich größer, weil sowohl Abstand wie Tiefe der Riefen größer werden und außerdem haftet zum Teil geschmolzenes und allenfalls oxidiertes Material an den Schnittkante an („Bart"), so dass nach dem Laserschneiden eine Nachbearbeitung zwingend erforderlich wird (siehe Abb. 1). Die gegenständliche Erfindung hat nun das Ziel, einen Laser-Schneidkopf so zu gestalten, dass die obigen Qualitätsmangel vermieden werden. 2.Theoretischer Hintergrund der Erfindung

Das Auftreten dieser Qualitätsmangel hängt damit zusammen, dass sich am momentanen Ende des Schnittspalts, wo der Laserstrahl auf das Werkstück auftrifft und es erwärmt (siehe Abb. 2) eine dünne Schmelzzone ausbildet. Diese geschmolzene Zone wandert mit Schneidgeschwindigkeit durch das Werkstück und stellt das eigentliche Schneidwerkzeug dar, da sie an ihrer Oberfläche die Laserstrahlung absorbiert und an der Grenzfläche zum festen Material dieses aufschmilzt. Infolge der Reibung mit dem Schneidgasstrahl wird dann das aufgeschmolzene Material an der Unterseite des Werkstücks ausgetrieben.

Die geschmolzene Zone bewirkt nicht nur den Schneidvorgang, der mehr oder minder stationär verläuft, sondern auch zeitabhängige Phänomene(siehe Abb.3), die zur Ausbildung der schon erwähnten Riefen und auch des Anhaftens von geschmolzenem Material an der Unterseite des Werkstücks führen. Diese Phänomene kommen dadurch zustande, dass die Reibung zwischen der Oberfläche der geschmolzenen Zone und dem Schneidgasstrahl die 1

Schmelze in Bewegung versetzt, so dass das Material zu Unterseite des Werkstücks hin fließt. Dort kann das fließende Material die geschmolzene Zone nicht verlassen, da die Oberflächenspannung, die in der Regel erheblich größer ist als der hydrostatische Druck in der Schmelze, ein Austreten von Material verhindert. Allerdings baut die nach unten gerichtete Strömung in der geschmolzenen Zone an deren Unterseite einen Staudruck auf, der mit zunehmender Beschleunigung der Schmelzströmung ansteigt und sich der Oberflächenspannung nähert. Darüber hinaus führt der Aufbau dieses Staudrucks dazu, dass die Schmelzströmung an der Unterseite der geschmolzenen Zone umkehrt und wieder zur Oberseite des Werkstücks hin gerichtet ist, so dass insgesamt eine geschlossene Strömung zustande kommt.

Diese geschlossene ringförmige Strömung wird nun durch die Reibung mit dem Schneidgasstrahl immer weiter beschleunigt, womit wie schon gesagt der Staudruck wächst und schließlich die Oberflächenspannung übertrifft, so dass dann die Schmelze an der Unterseite des Werkstücks aus der geschmolzenen Zone austreten kann und damit aus dem Werkstück abfließt. Dadurch sinken die Masse und das Volumen der geschmolzenen Zone ab. Wird dann nach kurzer Zeit der Staudruck wieder kleiner als die Oberflächenspannung, so schließt sich die Oberflächenhaut über der geschmolzenen Zone wieder und diese gewinnt wieder Masse und Volumen durch Aufschmelzen festen Materials und die ringförmige Strömung baut sich neuerlich auf, so dass ein periodisches Ausstößen von geschmolzenen Material an der Unterseite des Werkstücks erfolgt. Dadurch schwanken auch Masse und Volumen der geschmolzenen Zone periodisch, was schließlich dazu führt, dass sich das oben erwähnte Muster an periodischen Riefen an den Schnittkanten ausbildet.

Die oben beschriebenen Vorstellungen liefern übrigens für das Schneiden von 8mm dickem Stahl bei einer Geschwindigkeit von zwei Metern pro Minute und einer Laserleistung von 3kW eine Frequenz der Riefenbildung von rund 100Hz, was hervorragend mit experimentellen Ergebnissen, die 130Hz ergeben, übereinstimmt.

Entsprechend dieser Modellvorstellung hängt die Zeitdauer während der die geschmolzene Zone an ihrer Unterseite durch die Oberflächenspannung verschlossen ist von der letzteren ab, wobei diese durch den Radius der Schmelzzone an der Unterseite des Werkstücks gemäß Abb. 3 bestimmt wird.

Dadurch wird bei dünnerer Schmelzzone die Oberflächenspannung größer und damit wird auch die Zeitdauer bis zum Aufreißen der Oberflächenhaut größer.

Da nun die Oberfläche der geschmolzenen Zone halbmondförmig von einem Ufer des Schnittspalts zum anderen verläuft, was mit der Form der durch die Erwärmung zustande kommenden Schmelzisotherme zusammenhängt (siehe Abb. 4), ist die Dicke der Schmelzzone in der Mitte des Schnittspalts (s0) am größten und an seinen Rändern (s) viel kleiner. Das führt dazu, dass die Oberflächenspannung an den Rändern des Schnittspalts größer ist und ein Aufreißen der Schmelzoberfläche daher als erstes in der Mitte des Schnittspalts erfolgen wird, wo die Oberflächenspannung kleiner ist und daher leichter durch 2 • · ♦ ♦ » ·« f · · · t · • · · * · t Ψ > · · · · · • * · · ·« ·»♦ den Staudruck überwunden werden kann. Das heißt, dass das flüssige Material normalerweise in der Mitte des Schnittspalts abfließt.

Bei größeren Werkstückdicken im Bereich von rund 10mm kann nun aber der Gasstrahl Schwankungen seiner Ausbreitungsrichtung aufweisen, so dass beispielsweise von Zeit zu Zeit eine Wand des Schnittspalts stärker getroffen wird als die andere Wand, womit dort die Reibung stärker wird und daher ein Aufreißen der Oberflächenspannung vor dem Öffnen der geschmolzenen Zone in der Mitte des Schnittspalts erfolgt. Damit fließt aber nun das geschmolzene Material entlang der Wand des Schnittspalts ab, was unter Umständen dazu führen kann, dass geschmolzenes Material an der Unterseite des Werkstücks durch Adhäsion an der Schnittkante haften bleibt ,ein Effekt der schon oben als Qualitätsmangel beschrieben wurde.

Bei dünnen Werkstücken ist einerseits die Schnittbreite kleiner als bei dickeren und andererseits ist der Durchmesser der Schneidgasdüse nach unten hin durch den Fokusdurchmesser begrenzt, was im Falle des Schneidens mit einem C02 Laser etwa einen halben Millimeter bedeutet. Aus diesem Grund kann bei dünneren Werkstücken mit einer Dicke von 1mm (Schnittbreiten wenige Zehntelmillimeter) durchaus der mittlere Durchmesser des Schneidgasstrahles größer sein als die Schnittbreite. Damit überdeckt aber das flache Maximum des Geschwindigkeitsprofils der Schneidgasströmung die Schnittbreite und es werden die Wände des Schnittspalts sowie das momentane Ende des Schnittspalts etwa mit der gleichen Geschwindigkeit angeströmt, so dass der oben beschriebene Effekt des Anhaftens von geschmolzenem Material bei diesen Dicken unwahrscheinlich ist.

Bei Werkstücken mit Stärken im Bereich von 10mm, die mit Düsen mit einer Öffnung von etwa 2mm geschnitten werden, ist zwar auch an der Oberfläche des Werkstücks über die Schnittbreite verlaufend die Strömungsgeschwindigkeit praktisch konstant, sodass nicht nur das momentane Ende des Schnittspalts sondern auch die Schnittflächen gleichmäßig angeströmt werden, aber im Verlauf des Eindringens des Gasstrahls in den Schnittspalt baut sich ähnlich wie bei einer Rohrströmung zwischen den Schnittflächen ein Geschwindigkeitsprofil mit einem ausgeprägten Maximum in der Mitte des Schnittspalts auf. Dieses Maximum kann nun durch Fluktuation der Strömung, etwa Verunreinigungen der Schneiddüse, zu einer Wand des Schnittspalts hin abgelenkt werden, was dazu führt, dass dort dann die Bedingung für das Aufreißen der Oberflächenspannung früher erfüllt ist als an der Oberfläche der geschmolzenen Zone in der Mitte des Schnittspalts, so dass flüssiges Material an der Wand des Schnittspalts abfließt und unter Umständen an der Unterseite des Werkstücks haften bleibt. 3 3. Erfindungsgemäße Lösung zur Verbesserung der Schnittqualität

Mit der obigen Modellvorstellung für das Zustandekommen der beschriebenen Qualitätsmangel beim Schneiden dickerer Werkstücke wie größere Rauigkeit und an der Unterseite des Werkstücks anhaftendes geschmolzenes und wiedererstarrtes Material, können nun Schlüsse gezogen werden wie diese Qualitätsmängel vermieden werden können. Das würde zu einer wesentlichen Qualitätssteigerung beim Laserschneiden von dicken Werkstücken und zu einer Minimierung der Kosten infolge des Entfalls einer Nachbehandlung führen. Diese Maßnahmen betreffen einerseits die für die beschriebenen dynamischen Phänomene entscheidende Oberflächenspannung und andererseits die für das Austreiben von geschmolzenem Material verantwortliche Gasströmung:

So kann einerseits das zum Schneiden verwendete Gas, üblicherweise ein Gemisch aus Sauerstoff und Stickstoff, vorgewärmt werden, womit dann die Schallgeschwindigkeit erhöht wird. Da die Schallgeschwindigkeit die maximale Geschwindigkeit beim Ausströmen aus der Schneidgasdüse darstellt, wird das Werkstück, also die geschmolzene Zone, von einer rascher fließenden Strömung getroffen und daher schneller ausgetrieben, was die Riefenfrequenz erhöht. Bei derartig höherer Riefenfrequenz wird auch der Abbau und neuerliche Aufbau der Schmelzzone in einem geringeren Maße stattfinden, sodass eine erhöhte Riefenfrequenz auch eine geringere Schwankung des Volumens der geschmolzenen Zone darstellt, was insgesamt dazu führt, dass eine erhöhte Riefenfrequenz auch mit einer verringerten Tiefe der Riefen, also mit einer geringeren Rauigkeit, verbunden ist. Denselben Effekt kann man auch erzielen, wenn die Oberflächenspannung des geschmolzenen Materials verringert wird, weil dann der Druck der zum Aufreißen der Oberflächen haut notwendig ist, kleiner ist und rascher aufgebaut werden kann. Maßnahmen dafür sind beispielsweise das Einblasen eines die Oberflächenspannung verringernden Materials in die Schmelze wie etwa Schwefel bei Stahl.

Um die Ausbildung eines Bartes, also an der Unterseite des Werkstückes anhaftendes wiedererstarrtes Material, zu verhindern, muss erreicht werden, dass die die Schmelze austreibende Gasströmung das Werkstück nicht an den Schnittflächen, also an den Rändern des Schnittspalts, sondern etwa in der Mitte der geschmolzenen Zone trifft (siehe Abb. 4). Um das zu erreichen müsste der die Schmelze austreibende Gasstrahl die Werkstückoberfläche nicht senkrecht erreichen, sondern geneigt, so dass die geschmolzen Zone etwa in der Mitte des Schneidspalts annähernd senkrecht vom Schneidgas getroffen wird. Darüber hinaus müsste der erwähnte Gasstrahl einen schmalen ovalen Querschnitt entsprechend der Form der Oberfläche der geschmolzenen Zone (Längsachse parallel zu den Schnittflächen) aufweisen. Damit wird dann auf die geschmolzene Zone nur eine Kraft in der Mitte des Schnittspalts und nicht an den Wänden desselben ausgeübt, so dass mit dieser Maßnahme die Ausbildung eines Bartes verhindert werden kann. Selbstverständlich sollte auch weiterhin der konventionelle Gasstrom durch die Düse des Bearbeitungskopfes senkrecht auf die Werkstückoberfläche, allerdings mit geringerem Druck als bei 4 konventionellen Schneidköpfen, aufrecht erhalten werden, da dieser Gasstrom sowohl die Gasdüse als auch die Fokussierlinse vor Verunreinigungen durch Spritzer des geschmolzenen Werkstücks schützt. 4. Ausführungsbeispiel für einen erfindungsgennäßen Laserschneidkopf

Aus diesen Überlegungen ergibt sich die Gestaltung eines Schneidkopfes, wie im folgenden Ausführungsmuster(siehe Abb.5).

Der erfindungsgemäße Laserschneidkopf enthält wie bekannte Schneidköpfe zunächst eine Fokussierlinse 1, die den Laserstrahl 5 auf die Oberfläche des Werkstücks fokussiert. An der Unterseite des Schneidkopfes ist dann eine Düse 2 angeordnet, durch die der fokussierte Laserstrahl durchtritt, bevor er auf das Werkstück auftrifft, und die einen scharf gebündelten Gasstrahl erzeugt, der dann das geschmolzene Material des Werkstücks austreibt. Dieser Gasstrom wird dem Schneidkopf durch eine Öffnung 3 zugeführt. Eine weitere Öffnung 4 im Schneidkopf erlaubt die Zufuhr eines pulverisierten Materials, dass aus einem Vorratsbehälter in den Schneidkopf einströmt und durch den schon erwähnten Gasstrom mitgerissen wird und dem Werkstück und zwar der am momentanen Ende des Schnittspalts befindlichen geschmolzenen Zone, zugeführt wird. Dieses Material kann etwa Schwefel sein, das die Oberflächenspannung des flüssigen Stahls, wie oben erwähnt, herabsetzt. Das Schneidgas, beispielsweise ein Gemisch aus Stickstoff und Sauerstoff, wird vor dem Einströmen in den Schneidkopf durch eine Heizeinrichtung, wie eine glühende Heizwendel 6, auf eine Temperatur von etwa 1000 Grad erwärmt, was dazu führt, dass beim Austreten aus der Düse eine höhere Austrittsgeschwindigkeit zustande kommt, die die von ihr ausgeübte Kraft auf die geschmolzene Zone erhöht, was zur Ausbildung von feineren Riefen und damit einer kleineren Rauigkeit, wie oben erwähnt, dient. Eine weitere Düse 7, deren Symmetrieachse schräg zur Achse der schon erwähnten, an der Unterseite des Schneidkopfs befindlichen Düse 2 angeordnet ist, erzeugt nun einen zweiten Gasstrahl, der das Werkstück unter einem schrägen Winkel (z.B. 45°) trifft und damit auf der Oberfläche der geschmolzenen Zone unter einem steilen Winkel auftrifft, sodass dort ein beträchtlicher Staudruck zustande kommt, der das Austreiben der Schmelze erleichtert und außerdem sicherstellt, dass ein Schmelzaustritt nur in der Mitte des Schnittspalts und nicht an den Rändern also den Schnittflächen zustande kommt. Diese Düse ist zur Horizontalen um den Punkt 9 schwenkbar ausgeführt, um bei jeder Neigung der geschmolzenen Zone ein senkrechtes Auftreffen des Gasstrahls zu erreichen, Die Mündung dieser Düse 11 ist schmal oval ausgeführt, damit der durch sie erzeugte Gasstrahl nur die Mitte der Schmelzzone, nicht aber die Wände des Schnittspalts trifft. Diese Düse ist auf einem Drehring 8 angeordnet, der so gelagert ist, dass er sich um 360° um den unteren Teil des Schneidkopfes drehen kann, 5 womit sichergestellt wird, dass bei jeder beliebigen Schneidrichtung der schräge Hilfsgasstrahl stets parallel zu den Schnitträndern auf die Mitte der geschmolzenen Zone auftrifft. Dieser Drehring wird von einem Motor 10 angetrieben, der seinerseits von der CNC-Steuerung betätigt wird.

Durch die kombinierte Wirkung des erhitzten Schneidgases, des in die geschmolzene Zone beim Laserschneiden eingeblasenen Schwefels und die mittig auf die geschmolzene Zone unter einem steilen Winkel gerichtete Hilfsgasströmung wird die Qualität der Laserschnitte verbessert, wobei einerseits eine feinere Riefung und damit eine geringere Rauigkeit zustande kommt und andererseits das Anhaften von geschmolzenem und wiedererstarrten Material (Bart) an der Unterseite des Werkstücks verhindert wird.

Varianten dieser Ausführung des Schneidkopfes enthalten eine gemeinsame Öffnung für die Zufuhr von Schneidgas und oberflächenspannungsverringerndem Schwefel. Statt dem letzteren kann jeder oberflächenspannungsverringernde Stoff entweder pulver-oder gasförmig oder sogar flüssig Verwendung finden, wobei im letzteren Fall doch eine eigene Zufuhröffnung im Schneidkopf erforderlich ist. 6

Claims (5)

1. Patenansprüche 1. Der erfindungsgemäße Laserschneid köpf ist dadurch gekennzeichnet, dass das zum Schneiden verwendete Gasgemisch (Stickstoff oder Stickstoff / Luft) durch einen unmittelbar beim Schneidkopf angebauten Wärmeaustauscher auf eine Temperatur von rund 1000 - 1400°C erwärmt wird und dass durch einen unterhalb des Gaseinlasses befindlichen zusätzlich Einlass pulverförmiges Material wie etwa Schwefel, dass aus einem Vorratsbehälter zufließt, vom Gasstrahl mitgerissen wird. Schließlich wird unter Verwendung einer Hilfsdüse mit schmal ovalem Querschnitt, die zur Strahlausbreitungsrichtung geneigt ist und die auf einem Drehring angeordnet ist, der rund um den Schneidkopf CNC gesteuert durch einen Elektromotor bewegt werden karwveine zusätzliche Gasströmung auf die Oberfläche der geschmolzenen Zone unter einem beliebigen ,etwa senkrechten Winkel erzeugt.
2. 2. Bearbeitungskopf nach Anspruch 1, bei dem statt Schwefel andere Pulver, Gase oder Flüssigkeiten zugeführt und auf das Werkstück gerichtet werden, um die Oberflächenspannung der Schmelze zu verringern.
3. 3. Bearbeitungskopf nach Anspruch l,bei dem nur eine Öffnung zur Zufuhr des Schneidgases sowie der oberflächenspannungsverringernden Stoffe dient.
4. 4. Bearbeitungskopf nach Anspruch l,bei dem der Winkel zwischen der Hilfsdüse zur Erzeugung eines auf die Oberfläche der Schmelzzone gerichteten Gasstromes und der Werkstückoberfläche manuell oder CNC gesteuert verändert werden kann.
5. 5. Bearbeitungskopf nach Anspruch 1, bei dem die Hilfsdüse einen schmal ovalen Querschnitt aufweist.