DE10063168A1 - Schneidgas und Verfahren zum Laserstrahlbrennschneiden - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Schneidgas und ein Verfahren zum Laserstrahlbrennschneiden von unlegierten oder niedriglegierten Stählen, insbesondere von Baustählen. Als Schneidgas wird erfindungsgemäß ein Gasgemisch aus Sauerstoff und Helium eingesetzt. Reproduzierbare Schnitte mit hoher Schnittqualität können bei hohen Laserleistungen und hoher Schneidgeschwindigkeit mit einem Schneidgas von weniger als 10 Vol.-% Helium erzeugt werden.

Description

Die Erfindung betrifft ein Schneidgas zum Laserstrahlbrennschneiden. Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zum Laserstrahlbrennschneiden von Werkstoffen aus unlegierten oder niedriglegierten Stählen, insbesondere aus Baustählen, wobei ein fokussierter Laserstrahl auf die zu bearbeitende Werkstückoberfläche geführt wird und ein Schneidgasstrom über mindestens eine Düse gegen die Werkstückoberfläche geleitet wird.

Die Eigenschaften der Laserstrahlung, insbesondere die Intensität und gute Fokussier­ barkeit, haben dazu geführt, dass Laser heute in vielen Gebieten der Materialbearbei­ tung zum Einsatz kommen. Die Laserbearbeitungsanlagen sind an sich bekannt. In der Regel weisen sie einen Laserbearbeitungskopf, gegebenenfalls mit einer zum Laser­ strahl koaxial angeordneten Düse auf. Oftmals werden Laserbearbeitungsanlagen in Verbindung mit CNC-Steuerungen von Führungsmaschinen für x-y-Schneidrichtung eingesetzt. Beim Laserstrahlschneiden finden immer häufiger auch Handhabungs­ systeme von dreidimensionalen Werkstücken Verwendung. Eine automatische Schneidparameterzuordnung (Laserleistung angepasst an die jeweilige Schnittge­ schwindigkeit während des Schneidprozesses) bezogen auf die zu schneidende Konturform ist in der Regel Voraussetzung für eine gute Schnittqualität auch an scharfen Ecken und spitzen Winkeln.

Das Laserstrahlschneiden ist das weltweit am häufigsten eingesetzte Laserbearbei­ tungsverfahren. Beispielsweise werden in Deutschland über 80% der Laserbearbei­ tungsanlagen zum Schneiden verwendet. Beim Laserstrahlschneiden wird zwischen den Varianten Laserstrahlbrennschneiden, Laserstrahlschmelzschneiden und Laser­ strahlsublimierschneiden unterschieden.

Beim Laserstrahlschmelzschneiden wird der Werkstoff durch die Laserstrahlung im Trennfleck aufgeschmolzen. Die Schmelze wird mit einem Schneidgas aus der Schnittfuge ausgetrieben. Das Laserstrahlschmelzschneiden mit Schneidgas unter Hochdruck hat sich beim Schneiden von Edelstählen durchgesetzt, wird aber teilweise auch bei anderen Werkstoffen wie Baustählen oder Aluminium verwendet. Als Schneidgas für das Laserstrahlschmelzschneiden wird üblicherweise ein Inertgas wie insbesondere Stickstoff verwendet.

Beim Laserstrahlbrennschneiden bringt der Laserstrahl den Werkstoff auf Zündtempe­ ratur. Bei Baustahl wird das zu schneidende Material auf der Oberfläche im Bereich der Schnittfuge durch den fokussierten Laserstrahl auf eine Zündtemperatur von etwa 1050 bis 1200°C erwärmt. Im Schneidsauerstoffstrahl verbrennt das Material in der Schnitt­ fuge zu einer dünnflüssigen Schlacke, die durch die kinetische Energie des Schneid­ sauerstoffstrahls aus der Schnittfuge geblasen wird. Die exotherme Reaktion des als Schneidgas verwendeten Sauerstoffs mit dem zu schneidenden Werkzeug erzeugt einen Teil der notwendigen Energie und ermöglicht dadurch hohe Schneidgeschwin­ digkeiten bei verhältnismäßig geringen Laserstrahlleistungen. So werden bei unlegier­ ten Stählen beispielweise etwa 40% der Energie für den Schneidprozess durch die exotherme Verbrennung des Eisens zugeführt, während die restlichen 60% der Energie durch den Laserstrahl eingebracht werden.

Es ist bekannt, dass die Sauerstoffreinheit auf das Schneidergebnis einen entschei­ denden Einfluss hat. So geht man davon aus, dass durch einen höheren Grad der Sauerstoffreinheit die für eine gute Schnittqualität maximal mögliche Schneidgeschwin­ digkeit erhöht werden kann. Empfohlene Reinheiten für den als Schneidgas eingesetz­ ten Sauerstoff betragen 99,95% oder höher. Dabei ist festzuhalten, dass Helium in der Praxis nicht als Verunreinigung von Sauerstoff auftritt.

Beim Laserstrahlbrennschneiden von Baustahl wird - wie beschrieben - das mit dem Laserstrahl erhitzte Material mit einem Sauerstoffstrahl hoher Reinheit aus der Schnitt­ fuge getrieben. Es kommt dabei zu der beschriebenen Verbrennung des zu schneiden­ den Materials, um die zusätzliche Energie für den Schneidprozess zu liefern. Eine Steigerung der Laserleistung hat dabei in der Regel eine Steigerung der Schneidge­ schwindigkeit zur Folge.

Es wurde beobachtet, dass je nach Materialstärke und Strahleigenschaften die Ge­ schwindigkeitssteigerung durch eine Leistungssteigerung des Lasers nur in einem gewissen Bereich möglich ist. Man stellt fest, dass eine zusätzliche Erhöhung der Laserstrahlleistung keine weitere Erhöhung der Schneidgeschwindigkeit bewirkt, sondern stattdessen die Qualität des Schneidergebnisses sogar rapide abnimmt.

Dies führt dazu, dass die bei vielen Laseranlagen zum Hochdruckschneiden (Laserstrahlschmelzschneiden) von beispielsweise Cr-Ni-Stählen oder Aluminium benötigten und somit anlagenseitig verfügbaren Laserstrahlleistungen nicht für das Laserstrahlbrennschneiden genutzt werden können.

Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Schneidgas und ein Verfahren der eingangs genannten Art aufzuzeigen, welche ein Laserstrahlbrenn­ schneiden auch und gerade bei hohen Laserstrahlleistungen erlauben. Dabei wird eine hohe Schneidgeschwindigkeit angestrebt. Insbesondere soll ein qualitativ hochwer­ tiges, prozesssicheres und reproduzierbares Laserstrahlbrennschneiden ermöglicht werden.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit einem Schneidgas gelöst, das ein Gas­ gemisch ist, welches zumindest die Bestandteile Sauerstoff und Helium enthält.

Es hat sich überraschenderweise gezeigt, dass durch die Zumischung von Helium zum Sauerstoff im Schneidgas ein Laserstrahlbrennschneiden auch mit hohen Laserstrahl­ leistungen erfolgen kann. Für die oben erwähnte Begrenzung des Laserstrahlbrenn­ schneidens im Hinblick auf die einsetzbaren Laserstrahlleistungen ist möglicherweise die Überhitzung des Gasstrahles verantwortlich. Es kommt zu einer Ionisation des Gases und damit zu einer Störung des Schneidprozesses. Durch die Beimischung von kleineren Anteilen Helium zum Sauerstoff im Schneidgas wird die Wärmeleitfähigkeit des Gasgemisches stark erhöht. Durch die Abfuhr der thermischen Energie an das Werkstück und die gleichmäßigere Verteilung der Temperatur werden die lokalen Tem­ peraturspitzen verhindert und der Schneidprozess stabilisiert sich auch bei höheren Laserstrahlleistungen. Helium bietet den Vorteil, dass die Wärmeleitfähigkeit ver­ gleichsweise hoch ist, gleichzeitig aber auch der Einfluss auf die Schneidgeschwin­ digkeit durch die Reduzierung der Sauerstoffreinheit wegen der geringeren Dichte verhältnismäßig gering ist.

Vorteilhafterweise enthält das Schneidgas weniger als 10 Vol.-% Helium.

In Ausgestaltung der Erfindung weist das Schneidgas einen Sauerstoffanteil von mindestens 90 Vol.-% auf.

In Ausgestaltung der Erfindung beträgt der Heliumanteil zwischen 0,01 und 9 Vol.-%, vorzugsweise zwischen 0,1 und 8 Vol.-%, besonders bevorzugt zwischen 0,5 und 6 Vol.-%. Insbesondere haben sich Sauerstoff und Helium enthaltende Schneidgasge­ mische bewährt, deren Heliumanteil zwischen 0,6 und 5 Vol.-%, vorzugsweise zwischen 0,75 und 4 Vol.-% liegt. Insbesondere kann der Heliumanteil zwischen 1 und 3 Vol.-% liegen.

Eine Heliumbeimengung von 1 Vol.-% im Schneidgas bewirkt bei gleicher Laserstrahl­ leistung in etwa eine Reduktion der Schneidgeschwindigkeit von ungefähr 4%. Gleich­ zeitig ist aber festzustellen, dass plötzlich auch bei hohen Laserstrahlleistungen die typischen Erscheinungsbilder der Überhitzung nicht mehr auftreten. Das bedeutet, dass vor allem bei dünneren Materialien plötzlich die doppelte oder sogar die dreifache Laserstrahlleistung eingesetzt werden kann. Dies wiederum gestattet eine entspre­ chende Steigerung der möglichen Schneidgeschwindigkeit bei guter Schnittqualität. Die Reduktion der Sauerstoffreinheit wird durch eine Steigerung der Laserleistung überkompensiert.

Die Erfindung basiert auf der bewussten Inkaufnahme eines an sich bekanntermaßen die Qualität verschlechternden Parameters, nämlich eines verringerten Sauerstoff­ anteils im Schneidgas, was allerdings erst die Ausnutzung hoher Laserleistungen ermöglicht. Auf diese Weise kann eine große Einschränkung des Laserstrahlbrenn­ schneidens mit der Erfindung aufgehoben werden. Die Grenze des qualitativ hoch­ wertigen Laserstrahlbrennschneidens kann sogar zu höheren Schneidgeschwindig­ keiten hin verschoben werden.

Der Einsatz neuer Anlagentechnologien mit Linear-Antrieben in Laserschneidanlagen ermöglicht höhere Bahngeschwindigkeiten. Um diese Möglichkeiten der neueren Anlagen voll ausnutzen zu können, muss der eigentliche Laserstrahlbrennschneid­ prozess schneller werden. Dies wird mit der vorliegenden Erfindung ermöglicht.

Vorteilhafterweise enthält das Schneidgas zu mindestens 92 Vol.-%, vorzugsweise zumindest 95 Vol.-%, besonders bevorzugt zumindest 97 Vol.-% Sauerstoff.

Grundsätzlich können Schneidgasgemische nach der Erfindung zum Sauerstoff weitere zugemischte Komponenten neben Helium enthalten. Aufgrund der oben beschriebenen Eigenschaften von Sauerstoff und Helium werden jedoch als Schneidgasgemische binäre Gemische aus Sauerstoff und Helium bevorzugt.

Mit Vorteil kann ein Hochleistungslaser zur Strahlerzeugung verwendet werden. Grund­ sätzlich können hier alle geeigneten Laserarten zum Einsatz kommen. Insbesondere eignen sich Nd : YAG-Laser oder vor allem CO₂-Laser. Vorteilhafterweise wird bei Laserleistungen über 1 kW, insbesondere über 1,2 kW, bevorzugt über 1,5 kW, beson­ ders bevorzugt über 2 kW geschnitten. Qualitativ hochwertige Schnitte können auch bei Laserleistungen über 2,5 kW, ja sogar über 3 kW erzeugt werden.

Beim erfindungsgemäßen Laserstrahlbrennschneiden werden insbesondere Schneid­ gasdrücke über 0,05 MPa, vorzugsweise zwischen 0,1 und 2,5 MPa, besonders bevor­ zugt zwischen 0,2 und 2,0 MPa eingehalten. Insbesondere bei größeren Materialstär­ ken sind mit der Erfindung erhöhte Schneidgasdrücke möglich. Qualitativ hochwertige Schnitte sind auch über 0,5 MPa, sogar über 0,7 MPa möglich. Die Schneidgasdrücke beziehen sich dabei auf Drücke an der Düse.

Die Erfindung erlaubt ein qualitativ hochwertiges und reproduzierbares Schneiden insbesondere von unlegierten und niedriglegierten Stählen, vor allem von Baustählen. Das Laserstrahlbrennschneiden nach der Erfindung hat sich als prozesssicher gezeigt.

Claims (12)

1. Schneidgas zum Laserstrahlbrennschneiden, dadurch gekennzeichnet, dass das Schneidgas ein Gasgemisch ist, welches zumindest Sauerstoff und Helium enthält.

2. Schneidgas nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Schneidgas weniger als 10 Vol.-% Helium enthält.

3. Schneidgas nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Schneid­ gas zumindest 90 Vol.-% Sauerstoff enthält.

4. Schneidgas nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Heliumanteil im Schneidgas zwischen 0,01 und 9 Vol.-%, vorzugsweise zwischen 0,1 und 8 Vol.-%, besonders bevorzugt zwischen 0,5 und 6 Vol.-%, beträgt.

5. Schneidgas nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Heliumanteil zwischen 0,6 und 5 Vol.-%, vorzugsweise zwischen 0,75 und 4 Vol.-%, beträgt.

6. Schneidgas nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Schneidgas zumindest 92 Vol.-%, vorzugsweise zumindest 95 Vol.-%, besonders bevorzugt zumindest 97 Vol.-%, Sauerstoff enthält.

7. Schneidgas nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Schneidgas aus einem binären Gemisch aus Sauerstoff und Helium besteht.

8. Verfahren zum Laserstrahlbrennschneiden von Werkstoffen aus unlegierten oder niedriglegierten Stählen, insbesondere aus Baustählen, wobei ein fokussierter Laserstrahl auf die zu bearbeitende Werkstückoberfläche geführt wird und ein Schneidgasstrom über mindestens eine Düse gegen die Werkstückoberfläche geleitet wird, dadurch gekennzeichnet, dass ein Schneidgas nach einem der Ansprüche 1 bis 7 eingesetzt wird.

9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass ein Hochleistungslaser verwendet wird.

10. Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass Laserleistun­ gen über 1 kW, insbesondere über 1,2 kW, bevorzugt über 1,5 kW, besonders bevorzugt über 2 kW, eingesetzt werden.

11. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass bei einem Schneidgasdruck über 0,05 MPa, vorzugsweise zwischen 0,1 und 2,5 MPa, besonders bevorzugt zwischen 0,2 und 2,0 MPa geschnitten wird.

12. Verwendung eines Schneidgases nach einem der Ansprüche 1 bis 7 zum Laser­ strahlbrennschneiden von Werkstoffen aus unlegierten oder niedriglegierten Stählen, insbesondere zum Laserstrahlbrennschneiden von Baustählen.