DE10012792B4

DE10012792B4 - Verfahren zum Schneiden von Bauteilen, bei dem durch einen lokalen Energieeintrag eine schmelzflüssige Phase erzeugt wird

Info

Publication number: DE10012792B4
Application number: DE10012792A
Authority: DE
Inventors: Eckhard Prof. Dr. Beyer; Ralf Dipl.-Ing. Imhoff
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 2000-03-13
Filing date: 2000-03-13
Publication date: 2011-06-16
Anticipated expiration: 2020-03-14
Also published as: US20010023527A1; US6423921B2; DE10012792A1

Abstract

Verfahren zum Schneiden von Bauteilen,
bei dem durch einen lokalen Energieeintrag mit einem Laserstrahl eine schmelzflüssige Phase erzeugt wird,
dadurch gekennzeichnet,
daß das Bauteil (9) im Bereich der schmelzflüssigen Phase (16) in Schwingungen, mit einer Frequenz oberhalb 15 kHz dadurch versetzt wird, dass ein Schutz oder Schneidgas mit überlagerter Schwingung auf den Bereich der schmelzflüssigen Phase (16) gerichtet und/oder
die Leistung eines Laserstrahls (1) periodisch, impulsförmig mit einer Frequenz oberhalb 15 kHz gesteuert wird und/oder
die Fokussierung eines Laserstrahls (1) periodisch verändert wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Schneiden vom Bauteilen, bei dem durch einen lokalen Energieeintrag eine schmelzflüssige Phase erzeugt wird. Dabei kann die Erfindung im Zusammenhang mit bekannten thermischen Schneidverfahren eingesetzt werden.
Bei den bekannten Schweiß- und Schneidverfahren, bei denen durch einen Energieeintrag lokal gezielt eine schmelzflüssige Phase erzeugt wird, treten in Abhängigkeit von den jeweiligen Werkstoffen, der Energiedichte und den daraus hervorgehenden Temperaturgradienten intensive Materialbewegungen innerhalb der gebildeten Schmelze auf, die u. a. durch den sogenannten Marangoni-Effekt hervorgerufen werden. Dieser Effekt beruht auf der temperaturabhängig beeinflussten Oberflächenspannung der Werkstoffe. Dieser Effekt wird insbesondere durch hohe Temperaturgradienten infolge sehr hoher Energieintensitäten, wie sie insbesondere beim Laserstrahl, Elektronenstrahl oder Plasmastrahl auftreten, hervorgerufen und beeinflusst.
Infolge von hohen Schubspannungen an der Oberfläche der schmelzflüssigen Phase treten Geschwindigkeiten in der Größenordnung von ca. 1 m/sec auf. Da diese Vorgänge bisher nur schwer beeinflussbar sind, müssen die an den Rändern beim Wiedererstarren der Schmelze auftretenden Oberflächenrauhigkeiten (Einbrandkerben) beim Schweißen oder Umschmelzen, aber auch die Porenbildung beim Schweißen in Kauf genommen werden.
Bei den thermischen Schneidverfahren, wie z. B. dem Laserstrahlschneiden, wird die lokal erzeugte Schmelze durch einen intensiven Gasstrahl aus der gebildeten Schnittfuge ausgetrieben. Hierbei tritt eine Riefenbildung an den Schneidkanten auf, die in vielen Anwendungsfällen eine mechanische Nachbearbeitung der Schnittkanten erforderlich macht.
Beim thermischen Schneiden ist außerdem zu beachten, daß bei einer schmalen Schnittfuge die Kapillarkräfte und die Oberflächenspannungen entsprechend erhöht sind, und dem Schmelzaustrieb aus dem Schnittfugenbereich entsprechend höhere Widerstände entgegengesetzt sind. Demzufolge wird der Schneidprozeß wesentlich von der entsprechend verwendeten Düsenkonfiguration und dem Gasstrom, d. h. der Gasgeschwindigkeit bzw. dem jeweiligen Volumenstrom beeinflusst. Dies betrifft in erster Linie die erreichbare Bearbeitungsgeschwindigkeit, so daß entsprechende Grenzen für das Hochgeschwindigkeitsschneiden sowie beim Schneiden von dicken Blechen gesetzt sind.
So ist es aus DD 122 207 A bekannt beim thermischen Trennen zusätzlich Ultraschallenergie in ein Werkstück in spezifischer Form einzukoppeln.
Die DD 107 226 A und DE 887 440 B betreffen Lösungen bei denen eine Überlagerung von Ultraschallwellen in einen Schneidstrahl erfolgen soll.
Es ist daher Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren vorzuschlagen, mit dem die Qualität der ausgebildeten Schneidkanten verbessert und die Bearbeitungsgeschwindigkeit erhöht werden kann.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungsformen und Weiterbildungen der Erfindung können mit den in den untergeordneten Ansprüchen genannten Merkmalen erreicht werden.
Erfindungsgemäß wird dabei so vorgegangen, daß das jeweilige Bauteil in Schwingungen versetzt wird, wobei die Schwingungen mit einer Frequenz oberhalb 15 kHz, bevorzugt im Ultraschallbereich, verwendet werden. Dadurch kann erreicht werden, daß diese Schwingungen auch in der schmelzflüssigen Phase wirken und deren Oberflächenspannung reduziert werden kann. Die Erfindung kann bei den verschiedensten thermischen Schneidverfahren eingesetzt werden, wobei sie sich insbesondere bei den Verfahren vorteilhaft auswirken kann, bei denen hohe Energiedichten erreicht werden können. Die Verfahren können auch in Kombination miteinander gleichzeitig durchgeführt werden, wobei mindestens zwei verschiedene Energiequellen benutzt werden.
Die im Bauteil bzw. der schmelzflüssigen Phase erzwungenen Schwingungen können auf verschiedene Art und Weise, auf die im Nachgang hierzu noch zurückzukommen sein wird, erzeugt werden.
Mit der erfindungsgemäßen Lösung kann beispielsweise bei den thermischen Schneidverfahren, wie z. B. dem Laserstrahlschneiden der Schmelzaustrieb erheblich erleichtert und demzufolge auch mit einem geringeren Gasdruck bei gleicher oder gar höherer Bearbeitungsgeschwindigkeit gearbeitet werden. Außerdem wird die bei der Beschreibung des bekannten Standes der Technik bereits erwähnte Riefenbildung erheblich vermindert, so daß in vielen Fällen auf eine mechanische Nachbearbeitung der Schneidkanten verzichtet werden kann. Außerdem kann mit der erfindungsgemäßen Lösung die sogenannte Bartanhaftung am Bauteil und dort an der jeweiligen Blech- bzw. Bauteilunterseite an den jeweiligen Schnittfugenkanten zumindest stark vermindert werden.
Die erzwungenen Schwingungen im Bauteil können mit mindestens einem Schwinger, der beispielsweise den Piezo-Effekt ausnutzt, erzeugt werden. Ein solcher Schwinger kann unmittelbar auf die Oberfläche eines Bauteils aufgesetzt werden und die in ihm erregten Schwingungen so in das Bauteil eingekoppelt werden. Günstig kann es sein, zwischen der Bauteiloberfläche und dem Schwinger einen Flüssigkeitsfilm auszubilden, mit dem die Einkopplung verbessert werden kann.
Ein solcher Schwinger kann aber auch an einer Einspannvorrichtung für entsprechend zu bearbeitende Bauteile angeordnet bzw. in eine solche Einspannvorrichtung integriert sein, so daß problemlos auch unterschiedliche Bauteilformate erfindungsgemäß beeinflusst werden können. Selbstverständlich besteht auch die Möglichkeit, mehr als einen solcher Schwinger einzusetzen, wobei es sinnvoll sein kann, diese so zu betreiben, daß die von den verschiedenen Schwingern eingekoppelten Schwingungen zu keiner wesentlichen Amplitudenverkleinerung führen. Hierbei kann die unterschiedliche Entfernung der jeweiligen Schwinger von der momentan ausgebildeten schmelzflüssigen Phase und die jeweilige Schallgeschwindigkeit im Bauteil berücksichtigt werden.
Erfolgt die Einkopplung der Schwingungen nicht über das Bauteilmaterial und deren Ausbreitung im Bauteil, so kann es zweckmäßig sein, die Einkopplung der Schwingungen in unmittelbarer Nähe der schmelzflüssigen Phase vorzunehmen. Dadurch können Dämpfungseffekte weitestgehend minimiert werden.
So kann es beispielsweise günstig sein, Schwingungen nicht unmittelbar mit einem Schwinger, sondern über ein Einkoppelelement einzukoppeln, wobei es sich hierbei um eine bewegliche Rolle oder ein Rad handeln kann, die/das entsprechend mit Schwingungen beaufschlagt wird. Eine solche Rolle bzw. ein solches Rad können entlang der Bauteiloberfläche auch an dessen Unterseite bewegt werden, so daß ein relativ geringer und konstanter Abstand zur ausgebildeten schmelzflüssigen Phase, auch bei entsprechender Relativbewegung zwischen Bauteil und dem momentanen Ort des Energieeintrages eingehalten werden kann. So kann beispielsweise eine solche Rolle mit einem Bearbeitungskopf, z. B. einem Laserbearbeitungskopf starr verbunden sein, der über das Bauteil bewegt wird.
Außerdem kann es günstig sein, ein entsprechend zu bearbeitendes Bauteil zumindest teilweise in eine Flüssigkeit einzutauchen. So kann das Bauteil halb oder vollständig von einer Flüssigkeit umgeben sein, wie dies z. B. beim Schneiden unter Wasser der Fall ist.
Eine weitere Möglichkeit, mit der eine erzwungene Schwingung im Bauteil und/oder der schmelzflüssigen Phase erzeugt werden kann, besteht darin, auf die Bauteiloberfläche einen schwingenden Flüssigkeitsstrahl zu richten, wobei eine entsprechende Frequenz gewählt werden sollte.
Analog hierzu, kann auch dem auf die Bauteiloberfläche und hier insbesondere in den Bereich der schmelzflüssigen Phase gerichteten Schutz- oder Schneidgasstrom eine entsprechende Schwingung überlagert werden, so daß auf diese Art und Weise ebenfalls der gewünschte Effekt erreichbar ist.
Die Erzeugung der Schwingungen im günstigen Frequenzbereich kann auch durch entsprechende Steuerung der Leistung eines Laserstrahls erreicht werden. Dabei wird die Leistung periodisch impulsförmig erhöht und wieder abgesenkt. Dies kann durch Eigenschwingungen im Resonator einer Laserlichtquelle erreicht werden, so daß kurze intensive Laserstrahlimpulse auf das zu bearbeitende Bauteil gerichtet werden, die zu einer kurzzeitigen Verdampfung der Werkstoffoberfläche und demzufolge zu einem erhöhten Druck auf die schmelzflüssige Phase führen. Für den Fall, daß keine Verdampfung erfolgt, können auch die entsprechend entstehenden Wärmequellen einen vergleichbaren Effekt hervorrufen. Wird eine Laserlichtquelle in Form eines CO₂-Lasers verwendet, kann bei dieser Laserlichtquelle ein schwingender Resonatorspiegel, der im gewünschten Frequenzbereich schwingt, benutzt werden.
Eine weitere Möglichkeit zur Erzeugung der gewünschten Schwingungen, zumindest im Bereich der schmelzflüssigen Phase kann auch durch Übertragung von Schwingungen durch die Umgebungsluft erreicht werden, wenn z. B. ein Schwinger in Form eines Ultraschallsenders, in einem bestimmten Abstand von der Bauteiloberfläche erregt wird. Ein solcher Ultraschallsender sollte bevorzugt eine relative schmale Schallkeule auf die schmelzflüssige Phase richten können.
Die für die Erregung der Schwingung erforderliche Energie kann beispielsweise dadurch verringert werden, indem eine Frequenz ausgewählt wird, bei der in der schmelzflüssigen Phase Resonanz auftritt. Da hierbei nicht nur materialspezifische Bedingungen einen Einfluss haben, sondern sich diese auch während der Bearbeitung ändern können, kann auch mit Schwingungen innerhalb eines vorgebbaren Frequenzintervalles gearbeitet werden, das sukzessive Durchfahren wird, so daß die Erregung mit wechselnden Frequenzen innerhalb dieses Intervalls durchgeführt wird.
Erfindungsgemäß sollen Schwingungen mit bauteilspezifischen Wellenlängen verwendet werden, bei denen im jeweiligen Bauteil Interferenz auftritt, so daß es zu Amplitudenerhöhungen kommt.
Nachfolgend soll die Erfindung beispielhaft beschrieben werden.
Dabei zeigen:
1 eine schematische Darstellung, bei der ein Bauteil in zwei Teile zerschnitten werden soll;
2 eine Seitenansicht im Schnitt, bei der ein Bauteil mittels eines Laserstrahls zerschnitten werden soll;
3 ein Beispiel einer Vorrichtung in einer geschnittenen Seitenansicht;
4 ein weiteres Beispiel einer Vorrichtung und
5 ein Beispiel einer Vorrichtung, bei der über eine Schneiddüse eine schwingende Flüssigkeit auf die Oberfläche eines Bauteils gerichtet ist.
In der 1 dargestellten Draufsicht ist erkennbar, wie durch eine Relativbewegung des Energiestrahls 1 lokal gezielt eine schmelzflüssige Phase 16 erhalten wird, deren örtliche Lage durch eine Relativbewegung zwischen Bauteilen 9 und Energiestrahl, wie mit dem eingezeichneten Pfeil deutlich gemacht, verändert wird.
Bei dem in dieser Figur gezeigten Beispiel ist an einer der hier vier Einspannvorrichtungen 7 ein Schwinger 8 vorhanden, mit dem Schwingungen in das Bauteil 9 eingeleitet und sich innerhalb dieses Bauteils 9 bis hin zur schmelzflüssigen Phase 16 ausbreiten, wobei die Oberflächenspannung der schmelzflüssigen Phase 16 zum festen Material des Bauteils 9 entsprechend verringert wird und demzufolge, die im allgemeinen Teil der Beschreibung erwähnten Vorteile erreicht werden können.
In den Einspannvorrichtungen 7 ist ein Bauteil 9 fixiert gehalten und mittels des Energiestrahls wird dieses in zwei Teile zerschnitten, wobei sich eine Schnittfuge 6 ausbildet, die eine wesentlich geringere Riefenbildung und zumindest eine verringerte Bartanhaftung gegenüber herkömmlicher Bearbeitung aufweist.
Bei dem in der 2 gezeigten Beispiel wird ein Schwinger 8 unmittelbar auf die Oberfläche des Bauteils 9 aufgesetzt und die Einkopplung der Schwingungen erfolgt so auf sehr direktem Wege. Die schmelzflüssige Phase 16 am Bauteil 9 wird hier mit einem Laserstrahl 1 erzeugt und wie hier mit der Schraffierung im rechten Teil des Bauteils 9 angedeutet, eine Schnittfuge im Bauteil 9 ausgebildet, wobei die Lage des Strahlfleckes im Bezug zum Bauteil 9, wie mit dem Pfeil angedeutet, verändert werden kann.
Bei dem in 3 gezeigten Beispiel einer Vorrichtung, mit der das erfindungsgemäße Verfahren durchgeführt werden kann, sind zwei verschiedene Möglichkeiten zu entnehmen, wie eine Schwingungsbeaufschlagung eines Bauteils bzw. eine Einkopplung von Schwingungen in das Bauteil 9 erfolgen kann.
Dabei wird einmal ein Schwinger 8 mit einer Rolle 10 verbunden, die über die Oberfläche des Bauteils 9 bewegt werden kann, so daß der Abstand zwischen schmelzflüssiger Phase 16 und Schwingungseinkopplung auch bei einer entsprechenden Relativbewegung konstant gehalten werden kann.
Die zweite Möglichkeit, mit der eine Schwingungsbeaufschlagung erreicht werden kann, besteht bei diesem Beispiel darin, daß ein Schwinger 8 mit einer Schneiddüse 3 verbunden ist, durch die entweder Schneid- oder Schutzgas 2 auf die Bauteiloberfläche, insbesondere in den Bereich der schmelzflüssigen Phase 16 oder in den Schnittfugenbereich gerichtet werden kann. Die Schwingungen des Schwingers 8 übertragen sich hierbei auf den Gasstrom und der gewünschte Effekt kann dementsprechend erreicht werden.
Es besteht die Möglichkeit, eine der beiden verschiedenen Möglichkeiten zur Schwingungsbeeinflussung allein oder beide in Kombination oder Kombinationen von solchen Möglichkeiten, die bereits beschrieben sind bzw. solche, die noch beschrieben werden, einzusetzen.
Die Leistung eines Energiestrahls, z. B. eines Laserstrahls kann impulsförmig beeinflusst werden. Dies kann beispielsweise neben der bereits erwähnten Erzeugung von Eigenschwingungen im Resonator auch durch wechselnde Leistungsdichten, die durch Veränderung der Fokussierung, also entsprechende Beeinflussung einer Fokussieroptik oder einer Strahlformungseinheit erreicht werden.
Bei dem in 5 gezeigten Beispiel wird ein Laserstrahl 1 z. B. eines Festkörperlasers durch eine Schneiddüse 3, in der eine optische Linse 13 zur Strahlformung angeordnet ist, auf die Oberfläche eines Bauteils 9 gerichtet, auf der ein Flüssigkeitsfilm 14 ausgebildet ist. Ähnlich, wie beim Beispiel nach 2 wird wieder ein Schwinger 8 auf die Oberfläche des Bauteils 9 aufgesetzt, wobei jedoch die Einkopplung der Schwingungen in das Bauteil 9 über den Flüssigkeitsfilm 14 günstig beeinflusst werden kann.
Zusätzlich kann eine Schwingungseinkopplung mit Schwinger 8 und Rolle 10, wie beim Beispiel nach 3 erfolgen.
In der 6 ist dargestellt, wie eine schwingende Flüssigkeit 15 durch eine Schneiddüse 3, durch die wieder ein Laserstrahl 13 eines Festkörperlasers auf das Bauteil 9 gerichtet ist, gerichtet werden kann. Dies ist in dieser Darstellung mit den an der Innenwandung der Schneiddüse 3 eingezeichneten Doppelpfeilen 15 angedeutet.
Die Schmelze kann, wie ebenfalls in 6 erkennbar, aus dem Schnittfugenbereich ausgetrieben werden, wobei die Möglichkeit gegeben ist, neben der Flüssigkeit auch einen Schneidgasstrom in herkömmlicher oder ebenfalls mit Schwingungen beaufschlagt zu verwenden.
Die Schwingungen des Gases bzw. der Flüssigkeit 15 können auch dadurch erreicht werden, daß die Schneiddüse 3, wie mit dem Doppelpfeil 17 angedeutet, translatorisch orthogonal mit entsprechender Frequenz in Bezug zur Bauteiloberfläche hin – und her bewegt wird.
Bezugszeichenliste

1: Laserstrahl
2: Gasstrahl
3: Schneiddüse
4: Bewegungsrichtung
6: Schnittfuge
7: Spannbacken
8: Ultraschallerzeuger
9: Werkstück
10: Kontaktrolle
11: Ultraschallschwingung des Lasers
13: Festkörperlaser, Linse
14: Flüssigkeit
15: schwingender Wasserstrahl
16: schmelzflüssige Phase
17: Schneiddüsenbewegung

Claims

Verfahren zum Schneiden von Bauteilen, bei dem durch einen lokalen Energieeintrag mit einem Laserstrahl eine schmelzflüssige Phase erzeugt wird, dadurch gekennzeichnet, daß das Bauteil (9) im Bereich der schmelzflüssigen Phase (16) in Schwingungen, mit einer Frequenz oberhalb 15 kHz dadurch versetzt wird, dass ein Schutz oder Schneidgas mit überlagerter Schwingung auf den Bereich der schmelzflüssigen Phase (16) gerichtet und/oder die Leistung eines Laserstrahls (1) periodisch, impulsförmig mit einer Frequenz oberhalb 15 kHz gesteuert wird und/oder die Fokussierung eines Laserstrahls (1) periodisch verändert wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mit einer Laserlichtquelle durch Eigenschwingungen im Resonator ein periodischer, impulsförmiger Laserstrahl (1) wechselnder Leistung erzeugt und auf das Bauteil (9) gerichtet wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß Schwingungen mindestens eines Schwingers (8), der an einer Einspannvorrichtung (7) für Bauteile (9) angeordnet oder in der Einspannvorrichtung (7) integriert ist, in das Bauteil (9) eingekoppelt werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß Schwingungen in unmittelbarer Nähe der schmelzflüssigen Phase (16) eingekoppelt werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Einkopplung der Schwingungen mittels einer in Bezug zum lokal veränderlichen Energieeintrag mitgeführten Rolle (10), als Einkoppelelement erreicht wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen Bauteiloberfläche und Einkoppelelement oder Schwinger (8) ein Flüssigkeitsfilm (14) ausgebildet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Bauteil (9) zumindest teilweise in eine Flüssigkeit eingetaucht wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß auf die Bauteiloberfläche ein schwingender Flüssigkeitsstrahl (15) gerichtet wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß Schallwellen eines Schwingers durch Luft auf die Bauteiloberfläche im Bereich der ausgebildeten schmelzflüssigen Phase (16) gerichtet werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Schwinger (8) unter Berücksichtigung ihres jeweiligen Abstandes von der ausgebildeten schmelzfähigen Phase (16) und der Schallgeschwindigkeit im Bauteil (9) synchron betrieben werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß Schwingungen mit einer bauteilspezifischen Wellenlänge im Resonanzbereich der schmelzflüssigen Phase (16) eingesetzt werden, bei der im Bauteil (9) Interferenz auftritt.