DE10064327A1 - Schneidgasgemisch und Verfahren zum Laserstrahlschmelzschneiden - Google Patents

Schneidgasgemisch und Verfahren zum Laserstrahlschmelzschneiden

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Schneidgasgemisch und ein Verfahren zum Laserstrahlschmelzschneiden. Als Schneidgas wird erfindungsgemäß ein Gasgemisch eingesetzt, welches außer einem Inertgas zumindest Sauerstoff und Wasserstoff enthält. Bevorzugt enthält das Schneidgasgemisch als Inertgas Stickstoff und/oder Argon. Die Erfindung führt zu einer Erhöhung der Schneidgeschwindigkeit bei hoher Schnittqualität.

Description

Die Erfindung betrifft ein Gasgemisch zum Laserstrahlschmelzschneiden. Die Erfin­ dung betrifft ferner ein Verfahren zum Laserstrahlschmelzschneiden von Werkstoffen, wobei ein fokussierter Laserstrahl auf die zu bearbeitende Werkstückoberfläche geführt wird und ein Schneidgasstrom über mindestens eine Düse gegen die Werkstück­ oberfläche 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 Laserstrahl schmelzschneiden wird üblicherweise ein Inertgas wie insbesondere Stickstoff verwendet.
Die Geschwindigkeit der Schweiß- und Schneidprozesse mit dem Laserstrahl ist begrenzt durch die Energiebilanz "eingebrachte Energie - verlorene Energie (Strahlung, Wärmeleitung)". Die Energie des Laserstrahls ist zwar sehr gebündelt, jedoch bei Materialien, die nicht mit Hilfe der exothermen Reaktion mit Sauerstoff geschnitten werden können, der limitierende Parameter.
Beispielseise beim Schneiden eines 3 mm Stahlblechs mit einem 900 W-Laser und reinem Sauerstoff als Arbeitsgas gehen neben den 900 Watt Energie, die vom Laser kommen, noch 600 Watt, die aus der Verbrennung des Eisens in der Schnittfuge kommen, in den Schneidprozess ein. Man erreicht damit eine Schneidgeschwindigkeit von ungefähr 3 m/min.
Aber beispielsweise beim Schneiden eines 3 mm Chrom-Nickelstahlblechs mit einem 900 Watt-Laser, das wegen der resultierenden Schlacke nicht mit Sauerstoff geschnitten wird, sondern mit einem Inertgas, wie Stickstoff oder Argon, geschnitten werden muss, fehlt diese zusätzliche Energie aus der Reaktion Fe + ½O2 → FeO. Die maximale Schneidgeschwindigkeit geht dementsprechend auf etwa 1,5 m/min zurück.
Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Schneidgasgemisch und ein Verfahren der eingangs genannten Art aufzuzeigen, welche ein verbessertes Laserstrahlschmelzschneiden erlauben. Dabei wird eine hohe Schneidgeschwindigkeit angestrebt. Insbesondere soll ein qualitativ hochwertiges, prozesssicheres und repro­ duzierbares Laserstrahlschmelzschneiden ermöglicht werden. Die Erfindung richtet sich dabei in erster Linie an Fälle, bei denen üblicherweise ein Inertgas als Schneidgas eingesetzt wird.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit einem Schneidgasgemisch gelöst, das außer mindestens einem Inertgas zumindest Sauerstoff und Wasserstoff enthält.
Die Erfindung beruht auf der Einkoppelung von Energie aus der Reaktion 2H2 + O2 → H2O in den Ort, wo der Laserstrahl arbeitet.
Die Reaktion 2H2 + O2 bringt verschiedene Vorteile mit sich, die gut mit dem Laserstrahl kombinieren:
  • 1. Sie ist sauber.
  • 2. Sie ist mehr oder weniger reduzierend je nach Mischverhältnis H2/O2, d. h. die Metallteile kommen blank aus dem Schneidprozess.
  • 3. Sie ist sehr schnell.
  • 4. Sie ist energiereich.
  • 5. Sie läuft vor allem dort ab, wo hohe Temperaturen auftreten, d. h. am Schneidort.
Vorteilhafterweise enthält das Schneidgasgemisch Stickstoff und/oder Argon als Inertgas. Stickstoff wird jedoch bevorzugt als Inertgas verwendet.
Insbesondere kann das Schneidgasgemisch mehr als 10 Vol.-% Stickstoff und/oder Argon, vorzugsweise zwischen 20 und 98 Vol.-% Stickstoff und/oder Argon, besonders bevorzugt zwischen 30 und 95 Vol.-% Stickstoff und/oder Argon, aufweisen. Möglich ist auch, dass in den genannten Inertgasmengen weitere Gase außer Stickstoff und Argon enthalten sind.
In Ausgestaltung der Erfindung ist der Sauerstoffanteil im Schneidgasgemisch im Verhältnis zum Wasserstoffanteil im Hinblick auf die Reaktion 2H2 + O2 → H2O unterstöchiometrisch gewählt. Dies hat zur Folge, dass das Schneidgasgemisch reduzierend wirkt und die Metallteile blank aus dem Schneidprozess kommen.
Erfindungsgemäß kann das Schneidgasgemisch einen Anteil an Sauerstoff zwischen 0,1 und 30 Vol.-%, vorzugsweise zwischen 0,5 und 25 Vol.-%, besonders bevorzugt zwischen 1 und 20 Vol.-%, aufweisen.
Mit Vorteil beträgt der Wasserstoffanteil im Schneidgasgemisch zwischen 1 und 70 Vol.-%, vorzugsweise zwischen 5 und 60 Vol.-%, besonders bevorzugt zwischen 10 und 50 Vol.-%.
In Weiterbildung der Erfindung ist das Schneidgasgemisch aus einem zumindest Wasserstoff oder Wasserstoff und Inertgas (insbesondere Stickstoff und/oder Argon) enthaltenden Gasgemisch und Luft gemischt.
In Ausgestaltung der Erfindung kann das Schneidgasgemisch
  • - aus einem ternären Gemisch aus Stickstoff, Sauerstoff und Wasserstoff,
  • - aus einem ternären Gemisch aus Argon, Sauerstoff und Wasserstoff oder
  • - aus einem quaternären Gemisch aus Stickstoff, Argon, Sauerstoff und Wasserstoff
bestehen.
Beim erfindungsgemäßen Verfahren zum Laserstrahlschmelzschneiden von Werkstoffen wird ein oben genanntes Schneidgasgemisch eingesetzt.
In Ausgestaltung der Erfindung kann insbesondere ein reduzierend wirkendes Schneid­ gasgemisch eingesetzt werden. Durch die Wahl des unterstöchiometrischen Verhält­ nisses von Sauerstoff zu Wasserstoff im Schneidgasgemisch im Hinblick auf die Reaktion 2H2 + O2 → H2O kann der Grad der reduzierenden Wirkung des Schneidgas­ gemisches bestimmt werden. Das bedeutet, dass je nach Wahl des unterstöchiome­ trischen Verhältnisses von Sauerstoff zu Wasserstoff im Schneidgasgemisch ein mehr oder weniger reduzierendes Schneidgasgemisch verwendet werden kann. Damit ist eine wertvolle Möglichkeit der Anpassung an die im Einzelfall vorliegenen Bedingungen einschließlich des zu schneidenden Werkstoffs gegeben.
Das Schneidgasgemisch kann vorgemischt der Laserschneidanlage zugeführt werden.
In einer alternativen Ausgestaltung der Erfindung werden zumindest einzelne Kompo­ neten des Schneidgasgemisches in der Laserschneidanlage vor der Schneiddüse gemischt und/oder in der Schneiddüse verwirbelt. In diesem Fall enthält die Schneid­ anlage bzw. die Schneiddüse entsprechend geeignete Mittel, insbesondere Einbauten als Strömungsleitmittel.
Das erfindungsgemäße Schneidgasgemische und das Verfahren eignen sich zur Verwendung für bzw. Anwendung bei Werkstoffen, die sich nicht mit dem Laserstrahl­ brennschneidverfahren schneiden lassen. Dabei ist insbesondere auf die üblicherweise erwartete Qualität und Durchführung abgestellt.
Die Erfindung erlaubt ein qualitativ hochwertiges und reproduzierbares Schneiden mit erhöhter Schneidgeschwindigkeit. Das Laserstrahlschmelzschneiden nach der Erfindung hat sich als prozesssicher gezeigt.
Die Erfindung führt ferner zu einer Verbesserung des Lochstechens beim Laserstrahl­ schmelzschneiden.
Die Erfindung macht in der Regel keine Modifikationen bestehender Lasergeräte und Armaturen erfoderlich.
Die Erfindung kann im Zusammenhang mit allen Arten von Lasern zur Anwendung kommen. Vor allem eignet sie sich für den Einsatz bei der Laserbearbeitung mit Nd- YAG-Laser, Dioden-Laser und CO2-Laser.
Das folgende Energiebilanzbeispiel zeigt, wieviel zusätzliche Energie für den Laserschneidprozess mit Hilfe der Erfindung bereitgestellt werden kann.
Es wird mit folgenden Gasmengen gearbeitet:
  • - 6 m3/h Gemisch 50% H2/N2 und 5 m3/h Druckluft.
Resultierendes Gemisch am Schneidort:
  • - 11 m3/h mit ungefähr 10% O2, 30% H2 und 60% N2.
Bei der Verbrennung der 10% O2 in diesem Gemisch werden pro Stunde 255.000 kJ frei, was eine zusätzliche Leistung von 70 kW bedeutet. Wenn nur 1/100 dieser Leistung in der Schnittfuge wirksam wird, bedeutet das, dass die Gesamtleistung des Laserschneidprozesses dadurch fast verdoppelt wird.

Claims (13)

1. Schneidgasgemisch zum Laserstrahlschmelzschneiden, dadurch gekenn­ zeichnet, dass das Schneidgasgemisch außer mindestens einem Inertgas zumindest Sauerstoff und Wasserstoff enthält.
2. Schneidgasgemisch nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Schneidgasgemisch Stickstoff und/oder Argon enthält.
3. Schneidgasgemisch nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Schneidgasgemisch mehr als 10 Vol.-% Stickstoff und/oder Argon, vorzugsweise zwischen 20 und 98 Vol.-% Stickstoff und/oder Argon, besonders bevorzugt zwischen 30 und 95 Vol.-% Stickstoff und/oder Argon, enthält.
4. Schneidgasgemisch nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Sauerstoffanteil im Schneidgasgemisch im Verhältnis zum Wasserstoff­ anteil im Hinblick auf die Reaktion 2H2 + O2 → H2O unterstöchiometrisch gewählt ist.
5. Schneidgasgemisch nach nach einem der Ansprüche 1 bis 3 und insbesondere nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Sauerstoffanteil zwischen 0,1 und 30 Vol.-%, vorzugsweise zwischen 0,5 und 25 Vol.-%, besonders bevorzugt zwischen 1 und 20 Vol.-%, beträgt.
6. Schneidgasgemisch nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Wasserstoffanteil im Schneidgasgemisch zwischen 1 und 70 Vol.-%, vorzugsweise zwischen 5 und 60 Vol.-%, besonders bevorzugt zwischen 10 und 50 Vol.-%, beträgt.
7. Schneidgasgemisch nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Schneidgasgemisch aus einem zumindest Wasserstoff oder Wasserstoff und Inertgas, insbesondere Stickstoff, enthaltenden Gasgemisch und Luft gemischt ist.
8. Schneidgasgemisch nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Schneidgasgemisch
  • - aus einem ternären Gemisch aus Stickstoff, Sauerstoff und Wasserstoff,
  • - aus einem ternären Gemisch aus Argon, Sauerstoff und Wasserstoff oder
  • - aus einem quaternären Gemisch aus Stickstoff, Argon, Sauerstoff und Wasserstoff
besteht.
9. Verfahren zum Laserstrahlschmelzschneiden von Werkstoffen, wobei ein fokussierter Laserstrahl auf die zu bearbeitende Werkstückoberfläche geführt wird und ein Schneidgasstrom über mindestens eine Düse gegen die Werkstück­ oberfläche geleitet wird, dadurch gekennzeichnet, dass ein Schneidgasgemisch nach einem der Ansprüche 1 bis 8 eingesetzt wird.
10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass durch die Wahl des unterstöchiometrischen Verhältnisses von Sauerstoff zu Wasserstoff im Schneid­ gasgemisch im Hinblick auf die Reaktion 2H2 + O2 → H2O der Grad der reduzierenden Wirkung des Schneidgasgemisches bestimmt wird.
11. Verfahren nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Schneid­ gasgemisch vorgemischt der Laserschneidanlage zugeführt wird.
12. Verfahren nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest einzelne Komponeten des Schneidgasgemisches in der Laserschneidanlage vor der Schneiddüse gemischt und/oder in der Schneiddüse verwirbelt werden.
13. Verwendung eines Schneidgasgemisches nach einem der Ansprüche 1 bis 8 für und Anwendung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 9 bis 11 bei Werkstoffen, die sich nicht mit dem Laserstrahlbrennschneidverfahren schneiden lassen.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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WO2005118208A1 (de) * 2004-05-27 2005-12-15 Linde Aktiengesellschaft Gasgemisch zum laserstrahlschmelzschneiden
DE102009009247B3 (de) * 2009-02-17 2010-06-24 Kirchhoff Automotive Deutschland Gmbh Verfahren zum Schmelzschneiden von Warmformteilen

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