DE102004026033A1

DE102004026033A1 - Gasgemisch zum Laserstrahlschmelzschneiden

Info

Publication number: DE102004026033A1
Application number: DE102004026033A
Authority: DE
Inventors: Wolfgang Dr. Danzer; Ernst Miklos
Original assignee: Linde GmbH
Current assignee: Linde GmbH
Priority date: 2004-05-27
Filing date: 2004-05-27
Publication date: 2005-12-15
Also published as: WO2005118208A1; AU2005249668A1; US20080264912A1; AU2005249668B2

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Gasgemisch zum Laserstrahlschmelzschneiden, enthaltend im Wesentlichen N¶2¶ und kleinere Anteile an O¶2¶ und H¶2¶. Sehr preisgünstig lässt sich das Gas herstellen, indem unreiner Stickstoff mit 1-6% O¶2¶ als Ausgangsprodukt mit H¶2¶ angereichert wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Gasgemisch zum Laserstrahlschmelzschneiden. Die Erfindung 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 Werkstückoberfläche geleitet wird.
Die Eigenschaften der Laserstrahlung, insbesondere die Intensität und gute Fokussierbarkeit, haben dazu geführt, dass Laser heute in vielen Gebieten der Materialbearbeitung zum Einsatz kommen. Die Laserbearbeitungsanlagen sind an sich bekannt. In der Regel weisen sie einen Laserbearbeitungskopf, gegebenenfalls mit einer zum Laserstrahl 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 Handhabungssysteme von dreidimensionalen Werkstücken Verwendung. Eine automatische Schneidparameterzuordnung (Laserleistung angepasst an die jeweilige Schnittgeschwindigkeit 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 Laserbearbeitungsverfahren. Beispielsweise werden in Deutschland über 80 % der Laserbearbeitungsanlagen zum Schneiden verwendet. Beim Laserstrahlschneiden wird zwischen den Varianten Laserstrahlbrennschneiden (mit Sauerstoff), Laserstrahlschmelzschneiden (mit Inertgas oder Stickstoff) und reaktivem Laserstrahlschneiden (mit reagierenden Gasen wie Wasserstoff und Sauerstoff, die durch die Knallgasreaktion Energie an die Arbeitsstelle einbringen). Solche Verfahren und Gasgemische sind z.B. aus der DE 100 64 327 A1 oder der DE 693 17 313 T2 bekannt.

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 Laserstrahlschmelzschneiden von Metallen, insbesondere beim Schneiden von Chromnickelstählen, wird Stickstoff eingesetzt, wobei dieses Gas eine möglichst hohe Freiheit von Sauerstoff haben soll, um eine Oxidation der Schnittflächen zu vermeiden. Gerade beim Schneiden von Chromnickelstählen oder Elektrostahlblechen größerer Dicke wird also Stickstoff hoher Reinheit (weniger als 1 % Sauerstoff) oder höchste Reinheit (weniger als 0,1 % O₂) verlangt. Gase solcher Reinheit werden durch kryogene Luftzerlegung erzeugt, da PSA- oder VSA-Anlagen (Pressure Swing Adsorption, Vakuum Swing Adsorption, adsorptive Trennungen von Luft in Stickstoff und Sauerstoff) bei der Herstellung von Stickstoff Ausgangsprodukte erzeugen, die einen höheren O₂-Anteil haben. Mit Adsorptions-Anlagen können auch Gase höherer Reinheit erzeugt werden, dann sinkt allerdings die Produktionsrate (m³/h) drastisch.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Gasgemisch zum Laserstrahlschmelzschneiden vorzuschlagen, welches billiger ist als Stickstoff hoher Reinheit und welches die gleichen Schnittgeschwindigkeiten und Schnittgüten wie ein Stickstoff hoher Reinheit bietet.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst von einem Gasgemisch mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Ausführungen der Erfindung, eine Verwendung des Gases und ein Verfahren zur Herstellung sind Gegenstände von Unteransprüchen.

Erfindungsgemäß wird also statt hochreinem Stickstoff ein unreines Ausgangsprodukt verwendet, das z. B. einer VSA-Anlage, einer Adsorptionsanlage, einer PSA-Anlage, einer on-site-Anlage, einer Membrantrennanlage oder einer anderen Luftzerlegungsanlage entstammt, welches typischerweise 91–96 % Stickstoff, ca. 1 % Argon und ca. 2–6 % Sauerstoff enthält. Ein solches Gas ist sehr preiswert herstellbar. Zum Erzeugen einer guten Schnittqualität und zum Erhalten einer hohen Schnittgeschwindigkeit wird erfindungsgemäß eine kleine Menge an Wasserstoff zugesetzt, welcher anscheinend den verbliebenen Sauerstoff reduziert und unschädlich macht. Durch Zusatz geringer Mengen Wasserstoff zu dem Schneidgas mit ca. 3 % Sauerstoff kommt man in der Schnittfuge zum gleichen oxidfreien Schnitt wie bei Verwendung eines Stickstoffs mit 0,1 % Sauerstoff. Bei dünnen Blechen, die beim Schneiden fast nicht heiß werden und damit auch kaum verzundern, muss nur wenig Wasserstoff zugesetzt werden. Bei Blechdicken über 3 mm wird eine höhere Wasserstoffzugabe notwendig sein.

Der Wasserstoffzusatz kann dem Sauerstoffgehalt des Ausgangsgases entsprechen oder höher sein (z. B. bis 12 %, wenn man 6 % Sauerstoff zulässt). Dies wäre eine stöchiometrische Wasserstoffzugabe. Erfolgreich waren Versuche mit überstöchiometrischer H₂-Zusage, also mehr als doppelt soviel H₂ wie O₂.

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 Laserstrahlschmelzschneiden.

Die Erfindung macht in der Regel keine Modifikationen bestehender Lasergeräte und Armaturen erforderlich.

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.

Wird mit einer handelsüblichen PSA-Anlage der Sauerstoff in der Luft (21 %) auf ca. 3 % reduziert, erhält man ein Gasgemisch mit 96 % Stickstoff, 1 % Argon und 3 % Sauerstoff; dabei liegt die Produktion dieses Gases bei ca. 100 m³/h. Will man mit der gleichen Anlage den Sauerstoffgehalt auf 0,1 % senken (was viele Schneidanwender fordern) so produziert die gleiche Anlage nurmehr 30 m³/h. Die Kosten für die Herstellung der gleichen Gasmenge sind also dreimal so hoch. Erfindungsgemäß kann nun durch einen Zusatz von Wasserstoff zum wesentlich billigeren PSA- Ausgangsprodukt mit niedriger Reinheit ein Schneidgas erzeugt werden, das einen ebenso oxidfreien Schnitt mit gleicher Schnittgeschwindigkeit erreicht.

Claims

Gasgemisch zum Laserstrahlschmelzschneiden, enthaltend im Wesentlichen N₂ und kleinere Anteile an O₂ und H₂, dadurch gekennzeichnet, dass unreiner Stickstoff mit 1–6 % O₂ als Ausgangsprodukt mit H₂ angereichert wurde.
Gasgemisch nach Anspruch 1 mit 91–97 %, bevorzugt 93–95 %, N₂ 1–6 %, bevorzugt 1–3 %, O₂ 0,5–1 % Argon 0,1–12 %, bevorzugt 0,1–6 %, H₂
Gasgemisch nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, gekennzeichnet durch ca. 93 % Stickstoff, ca. 3 % Sauerstoff, ca. 1 % Argon, ca. 3 % Wasserstoff.
Verwendung eines Gases nach einem der vorhergehenden Ansprüche zum Schneiden von Chromnickelstählen oder Elektrostahlblechen, insbesondere mit Dicken > 3 mm.
Verfahren zur Herstellung eines Gasgemisches nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass ein Ausgangsprodukt einer Stickstoffanlage mit 1–6 % O₂, wie einer PSA-Stickstoff-Anlage, verwendet wird und mit Wasserstoff angereichert wird.