DE102004052323A1

DE102004052323A1 - Verfahren zum Trennen von Werkstoffen mit einem Laserstrahl

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Publication number: DE102004052323A1
Application number: DE102004052323A
Authority: DE
Inventors: Wolfgang Dr. Schulz; Reinhart Prof. Dr. Poprawe; Stefan Dr. Kaierle; Dirk Dr. Petring
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 2004-10-27
Filing date: 2004-10-27
Publication date: 2006-05-11
Anticipated expiration: 2024-10-28
Also published as: US8791386B2; JP2008517772A; CN101090795B; DE102004052323B4; WO2006045431A2; CN101090795A; EP1833637A2; WO2006045431A3; US20080000888A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Trennen von Werkstoffen mit einem Laserstrahl, der von einem eine Schneiddüse mit einer Düseninnenkante aufweisenden Schneidkopf austritt und auf der Schneidfront absorbiert wird, wobei die Achse des Laserstrahls entlang einer Trennlinie mit einer festen Orientierung in Trennrichtung eines Werkstücks relativ zu dem Werkstück bewegt wird, das dadurch gekennzeichnet ist, dass die Position (p) des Schneidkopfs in Bezug auf seinen zeitlichen Mittelwert moduliert wird oder Laserleistung und Gasdruck in der Schneiddüse moduliert werden.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Trennen von Werkstoffen mit einem Laserstrahl, der von einem eine Schneiddüse mit einer Düseninnenkante aufweisenden Schneidkopf austritt und auf der Schneidfront absorbiert wird, wobei die Achse des Laserstrahls entlang einer Trennlinie mit einer festen Orientierung in Trennrichtung eines Werkstücks relativ zu dem Werkstück bewegt wird.

Das Trennen eines Werkstücks mit einem Laserstrahl ist ein etabliertes Trennverfahren. Unter den lasergestützten Fertigungsverfahren nimmt es in der industriellen Anwendung die führende Position ein. Eine anhaltende Forderung aus Anwendersicht ist die Steigerung der Produktivität des Verfahrens unter wachsenden Qualitätsanforderungen.

Wesentliche Merkmale, die beim Schmelzschneiden, wozu auch das Laserstrahlschneiden gehört, zuverlässig erreicht werden müssen, sind Produktivität des Prozesses, Qualität der Schneidkante, möglichst kleine Riefenamplitude, keine Bartbildung, keine Oxidation.

Auch kürzere Bearbeitungszeiten und das qualitativ hochwertige Trennen größerer Blechdicken sind die Trends der derzeitigen industriellen Entwicklung; zunehmend größere Laserleistungen und Anlagen mit hochwertigen Antrieben werden in die Fertigung eingeführt.

Die bekannten Techniken zum Schneiden von Metallen mit Laserstrahlung werden durch die beteiligten Mechanismen zur Einbringung der Schneidenergie in

– Laserstrahlschneiden mit reaktivem Schneidgasstrahl und
– Laserstrahlschneiden mit inertem Schneidgasstrahl

unterteilt.

Beim Laserstrahlschneiden mit reaktivem Schneidgasstrahl (z.B. Sauerstoff, Preßluft) stellen der Laserstrahl und eine exotherme chemische Reaktion gemeinsam die Schneidenergie zur Verfügung. Techniken zum Laserstrahlschneiden mit reaktivem Schneidgasstrahl werden weiter dadurch unterschieden, ob der Laserstrahl dominant in der Schneidfuge wirkt (Laserstrahlbrennschneiden) oder zusätzlich auf der Oberseite des Bleches (abbrandstabilisiertes Laserstrahlbrennschneiden) eingestrahlt wird.

Beim Laserstrahlschneiden mit inertem Schneidgasstrahl (z.B. Stickstoff bringt der Laserstrahl die Schneidenergie auf. Das Laserstrahlschneiden mit inertem Schneidgasstrahl wird durch die unterschiedlichen Mechanismen zum Beschleunigen/Austreiben der Schmelze weiter unterschieden. Zusätzlich zur Wirkung des Schneidgasstrahls kann die Verdampfung von schmelzflüssigem Material auftreten und die Schmelze beschleunigen. Mit zunehmender Vorschubgeschwindigkeit nimmt die antreibende Wirkung aufgrund der Verdampfung zu. Drei Verfahrensvarianten werden unterschieden:

– Laserstrahlschmelzschneiden:

Die Temperatur an der Oberfläche der Schmelze bleibt unterhalb der Verdampfungstemperatur und die Schmelze wird nur durch den Schneidgasstrahl ausgetrieben. Diese Verfahrensvariante wird im Bereich von Fein-, Mittel- und Dickblech industriell eingesetzt. Die Schmelze strömt dominant am Scheitel der Schneidfront – vor der Laserstrahlachse – aus. Qualitätsbegrenzend ist die Bartbildung, die unter zu großen und zu kleinen Schneidgeschwindigkeiten einsetzt.

– Schnellschneiden:

Die Verdampfungstemperatur wird auf dem unteren Teil der Schneidfront überschritten und die austreibende Wirkung aufgrund des Schneidgases und des verdampfenden Materials sind vergleichbar. Die Schmelze strömt dominant im vorderen Bereich der Schneidfront – rechts und links neben der Laserstrahlachse – aus. Diese Verfahrensvariante kann im Bereich von Fein- und Mittelblech angewandt werden. Qualitätsbegrenzend ist die Bartbildung, die für zu große Schneidgeschwindigkeit einsetzt.

– Hochgeschwindigkeitsschneiden:

Die Verdampfungstemperatur wird nahezu auf der gesamten Schneidfront überschritten. Die antreibende Wirkung aufgrund der Verdampfung ist dominant. Die Schmelze strömt um die Laserstrahlachse herum und verschließt einen Teil der Schnittfuge im Nachlauf des Laserstrahles und wird dort durch die Wirkung des Schneidgases ausgetrieben. Diese Verfahrensvariante wird für Feinbleche angewandt.

Der Stand der Technik des Schneidens von Metallen mit Laserstrahlung beschreibt Maßnahmen zum Optimieren des Prozesses mit konstant eingestellten Parametern der Laserschneidmaschine, die darauf zielen:
die Laserstrahlleistung möglichst vollständig auszunutzen (Ausleuchtung der Schneidfront) und die Leistungsverluste durch Erwärmen von Material, das an die Schnittfuge angrenzt, zu verringern und
die Schneidgaseffizienz zu erhöhen, um die Schmelze möglichst vollständig auszutreiben.

In der Literatur wird beschrieben, dass die Leistung des Laserstrahls zum Teil vom Material absorbiert und zum Teil reflektiert wird. Der absorbierte Teil steht dem Schneidprozess zur Verfügung und wird in die Nutzleistung und unterschiedliche Verlustleistungen aufgeteilt.

Aus der Literatur ist auch bekannt, dass beim Schneiden von engen Konturen die Schneidgeschwindigkeit reduziert werden sollte, da die Beschleunigung der Schneidmaschine begrenzt ist. Um eine unerwünschte Verbreiterung der Schnittfuge aufgrund zu großer Laserleistung und die Bildung von anhaftendem Bart aufgrund zu kleiner Schneidgeschwindigkeit zu vermeiden, kann die Laserleistung moduliert werden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Trennen mittels Laserstrahlung der eingangs genannten Art so weiterzubilden, dass höhere Schneidgeschwindigkeiten erreicht oder größere Blechdicken getrennt werden können, unter Beachtung der Qualität der Schnittkante, kleiner Riefenamplituden, einer geringen Bartbildung und einer oxidfreien Schnittkante.

Gelöst wird die Aufgabe durch ein Verfahren zum Trennen von Werkstoffen mit einem Laserstrahl, der von einem eine Schneiddüse mit einer Düseninnenkante aufweisenden Schneidkopf austritt und auf der Schneidfront absorbiert wird, wobei die Achse des Laserstrahls entlang einer Trennlinie mit einer festen Orientierung in Trennrichtung eines Werkstücks relativ zu dem Werkstück bewegt wird, das dadurch gekennzeichnet ist, dass die Position (p) des Schneidkopfs in Bezug auf seinen zeitlichen Mittelwert moduliert wird oder Laserleistung und Gasdruck in der Schneiddüse moduliert werden.

Mit diesem Verfahren werden die herkömmlichen Techniken zum Schneiden von Metallen mit Laserstrahlung so verbessert, dass größere Schneidgeschwindigkeiten oder größere Blechdicken getrennt werden können und eine Anhaftung von erstarrter Schmelze vermieden werden kann. Das Prozessfenster für den Qualitätsschnitt mit konstant eingestellten Parametern der Schneidmaschine wird zu größeren Geschwindigkeiten oder/und größeren Blechdicken erweitert. Der Leistungsverlust für den Schnitt wird verringert. In einer speziellen Ausführungsform wird auch der notwendige Massenstrom an Schneidgas verringert, was eine Verringerung der Schneidgasverbrauchs und damit der Kosten bewirkt. Es hat sich gezeigt, dass mit den erfindungsgemäßen Maßnahmen kleine Riefenamplituden, keine Bartbildung, oder, wenn überhaupt, nur eine geringe Bartbildung sowie eine oxidfreie Schnittkante erzielt werden können.

Die vorstehenden Angaben hinsichtlich Qualität der Schnittkante, Riefenamplitude, Bartbildung und Oxidation werden nachfolgend kurz erläutert.

- Qualität der Schnittkante: Ebenheit, Rechtwinkligkeit sind neben Rauheit und anhaftendem Bart sowie der Bildung von Oxidschichten wesentliche Qualitätsmerkmale der Schnittkante. Die Prozesskette Schneiden-Schweißen ist ein Beispiel, an dem zu erkennen ist, welche Bedeutung die Qualität der Schnittkante für die Vorbereitung des Fügespaltes hat. Um schlanke Schweißnähte – die keine Nacharbeit durch Schleifen und Richten erfordern – mit dem Laser herstellen zu können, ist ein Zuschnitt der zu fügenden Bauteile mit ebenen, rechtwinkligen sowie glatten, bart- und oxidfreien Schnittkanten erwünscht.
– möglichst kleine Riefenamplitude: insbesondere im unteren Teil der Schnittkante entstehen Riefen mit großen Amplituden, die durch das Erstarren von schmelzflüssigem Metall auf der Schnittkante hervorgerufen werden.
– keine Bartbildung: insbesondere bei großer Vorschubgeschwindigkeit löst die Schmelze nicht vollständig von der Unterkante des Werkstücks ab. Die anhaftende und erstarrte Schmelze bildet den unerwünschten Bart.
– keine Oxidation: die Bildung von Rissen und Poren in der Schweißnaht kann durch oxidierte Fügekanten verursacht werden, wie sie beim Brennschneiden entstehen. Das Schmelzschneiden mit inertem Schneidgas wird eingesetzt, um oxidfreie Schnittkanten zu erhalten.

Bei den bisher bekannten Verfahren werden die Parameter der Schneidmaschine bei Annäherung an die Grenze für den Qualitätsschnitt konstant eingestellt. Eine gezielte Verringerung der Konvektionsverluste ist mit den bekannten Verfahren nicht möglich.

Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren können, in Abhängigkeit von der Dicke des Bleches, der eingesetzten Schneidgasdüse, der Breite der Schnittfuge und des zu schneidenden Materials, Schnitte in Blechen mit größerer Dicke, mit größerer Schneidgeschwindigkeit, mit geringerem Schneidgasverbrauch und mit größerer Qualität hergestellt werden.

Für das erfindungsgemäße Verfahren ist von Bedeutung, dass zum Erweitern des Prozessfensters für den Qualitätsschnitt die Position des Schneidkopfes oder die Laserleistung oder der Kesseldruck moduliert werden müssen und nicht, wie bisher bekannt, konstant eingestellt werden.

Für die Erfindung ist von Vorteil, eine kombinierte Modulation der oben angegebenen Parameter der Schneidmaschine in Abhängigkeit von dem zu schneidenden Material (Materialeigenschaften, Blechdicke, etc.), dem eingesetzten Laserstrahl (Leistung, Intensitätsverteilung, Modulierbarkeit, etc.) und der eingesetzten Schneiddüse (runder Düsenquerschnitt, Langlochdüse, Abstand Düse-Blechoberseite, Position der Laserstrahlachse in der Düse, etc.) vorzusehen. Kennzeichnend für die Erfindung ist, dass eine Leistungsmodulation allein nicht vorteilhaft ist, sondern nur zusätzlich bzw. in Kombination mit der Modulation der anderen Parameter von Vorteil sein kann.

Weiterhin ist von Bedeutung, dass allein die Modulation der Position des Schneidkopfes ausreicht, um das Prozessfenster für den Qualitätsschnitt im Vergleich zu konstant eingestellten Parameter der Schneidmaschine zu erweitern.

Kennzeichnend ist eine zeitliche Modulation der Position p des Schneidkopfes im Vergleich zu seinem zeitlichen Mittelwert. Mit der Position p des Schneidkopfes werden die zueinander festen Positionen der Achsen von Laserstrahl und Schneiddüse verändert.

Bevorzugt erfolgt die Modulation der Position p des Schneidkopfes über eine genügend große Strecke p₁ in Trennrichtung, die mindestens den Laserstrahlradius wo im Fokus und höchstens den Abstand A = w_D + w(z=d) erreichen darf. Der Abstand A ist die Summe aus dem Abstand w_D zwischen der Achse des Laserstrahls und der vorlaufenden Position der Düseninnenkante und dem Laserstrahlradius w(z=d) an der Blechunterkante (z=d), wobei z die Tiefe im Blech, gemessen von der Oberkante aus, bezeichnet und wobei d die Blechdicke ist.

Bevorzugt wird weiterhin die Position p des Schneidkopfes um die Strecke (–p₀) (p₀ < 0) entgegen der Trennrichtung bewegt. Die Strecke (–p₀) sollte hierbei maximal den Wert w_D erreichen. Die Summe ds = p₀ + p₀ der Bewegungen p₀ und p₀ entspricht dem zeitlich gemittelten Vorschub in einer Modulationsperiode.

Wesentlich für das erfindungsgemäße Verfahren ist, dass das Aufschmelzen von festem Material (Abtragsphase) und das Austreiben von geschmolzenem Material (Austriebsphase) in zeitlich aufeinander folgenden Zeitintervallen erfolgt und dass diese zeitliche Abfolge durch die Modulation der Laserleistung oder der Position des Schneidkopfes oder des Gasdrucks in der Schneiddüse sowie die Modulation der Position des Schneidkopfes erreicht wird. Neben diesen Maßnahmen, die für die Grundeinstellungen herangezogen werden, wird zusätzlich die Laserleistung moduliert, und nicht wie bisher im Stand der Technik konstant eingestellt. In dieser Hinsicht sollte das Verfahren so modifiziert werden, dass zusätzlich die Laserleistung mit einer nahezu phasengleichen, zeitlichen Modulation von Laserleistung und Position p des Schneidkopfes im Vergleich zum zeitlichen Mittelwert erfolgt, so dass die Position des Schneidkopfes nicht über eine unnötig große Strecke (–p₀) bewegt werden muß. Für negative/positive Werte von p wird die Laserleistung so gesteuert, dass sie kleiner/größer als ihr zeitlicher Mittelwert ist.

In Bezug auf die vorstehenden Verfahrensweise sollte die Phasenverschiebung zwischen Laserleistung und Position des Schneidkopfes nicht 20% der Modulationsperiode übersteigen. Hierdurch ist gewährleistet, dass Aufschmelzen (Abtragsphase) und Austreiben (Austriebsphase) zeitlich getrennt erfolgen.

Für die Erfindung ist weiterhin von Vorteil, wenn die Modulation der Laserleistung so erfolgt, dass die minimale Laserleistung P_min in der rückwärtigen Position p₀ (die Position während der Austriebsphase) einen möglichst geringen Wert aufweist und genügend groß bleibt, um ein Erstarren von bereits geschmolzenem Material zu vermeiden.

Wenn die vorstehenden Verfahrensparameter eingehalten werden, kann zusätzlich der Gasdruck in der Schneiddüse (auch als Kesseldruck bezeichnet) moduliert werden. Hierzu wird der Gasdruck in der Schneiddüse so moduliert, dass der Massenstrom an Schneidgas, der aus der Düsenöffnung ausströmt, nahezu gegenphasig zur Laserleistung und zu der Position des Schneidkopfes moduliert wird.

Diese Maßnahme vergrößert den Gewinn an größerer, erreichbarer, mittlerer Schneidgeschwindigkeit bzw. den Gewinn an größerer, trennbarer Blechdicke, jedoch nimmt der Effekt für große Düsendurchmesser (Modulationshub wird zu groß) und große Blechdicken (Kompressibilität, Zeit für Relaxation der Gasströmung nimmt zu) ab. Daher sollte die Zeitdauer für die Austriebsphase genügend groß gewählt werden.

In Bezug auf die vorstehend angegebene Modulation des Gasdrucks in der Schneiddüse sollte vorzugsweise die Abweichung von einer gegenphasigen Modulation zwischen Massenstrom und Position des Schneidkopfs nicht 20% der Modulationsperiode übersteigen.

Die Modulation von Laserleistung und Gasdruck in der Schneiddüse kann so erfolgen, dass Laserleistung und Massenstrom an Schneidgas, der aus der Düsenöffnung ausströmt, nahezu gegenphasig moduliert werden. Hierdurch wird erreicht, dass Aufschmelzen (Abtragsphase) und Austreiben (Austriebsphase) zeitlich getrennt erfolgen. In Bezug auf diese Art der Modulation sollte die Abweichung von einer gegenphasigen Modulation zwischen Laserleistung und Massenstrom an Schneidgas, der aus der Düsenöffnung ausströmt, nicht 20% der Modulationsperiode übersteigen. Damit ist gewährleistet, dass Aufschmelzen (Abtragsphase) und Austreiben (Austriebsphase) weitgehend zeitlich getrennt erfolgen.

Um einen möglichst schnellen Wechsel in die Austriebsphase zu erreichen, ist die Modulation des Massenstroms am Düsenaustritt durch eine Änderung des Durchflusses an Schneidgas von Vorteil.

Weiterhin kann die Modulation der auf der Schneidfront absorbierten Laserleistung durch eine Bewegung der Laserstrahlachse entlang der Trennlinie mit wechselnder Orientierung erfolgen ohne die Schneiddüse zu bewegen (wechselnde Orientierung bedeutet hierbei, dass die Position der Laserstrahlachse vor und zurück bewegt wird). Gerade diese Maßnahme führt dazu, dass die Modulationsperiode kleine Werte annehmen kann, da der Laserstrahl masselos ist und die Trägheit eines Spiegels kleiner als die Trägheit einer Schneiddüse ist.

Wenn eine Bewegung der Laserstrahlachse über eine genügend große Strecke (p₁) in Trennrichtung vorgenommen wird, die mindestens dem Laserstrahlradius (w₀) im Fokus und höchstens dem vierfachen Wert des Laserstrahlradius w(z=d) an der Blechunterkante (z=d) entspricht, wobei z die Tiefe im Blech gemessen von der Oberkante bezeichnet und wobei d die Blechdicke ist, dann ergibt sich einen maximal große Strecke über die die Schmelzfront in das feste Material bewegt wird und gleichzeitig eine Ausleuchtung der gesamten Schneidfront bleibt gewährleistet.

Wenn die Bewegung der Laserstrahlachse um eine Strecke (–p₀) (mit p₀ < 0) entgegen der Trennrichtung erfolgt, wobei diese Strecke (–p₀) maximal den zweifachen Wert des Laserstrahlradius w(z=d) an der Blechunterkante (z=d) erreicht, dann wird die Schneidfront während der Austriebsphase nicht mehr vom Laserstrahl erfasst.

Um zu erreichen, dass kleine Werte für die Modulationsperiode eingestellt werden können, wird z.B. ein Scannerspiegel eingesetzt und die Bewegung der Laserstrahlachse wird pendelnd vorgenommen; außerdem wird eine genügend große Strecke (p₁) und die Bewegung der Laserstrahlachse um eine Strecke (–p₀) an der Blechunterkante (z=d) durch die pendelnde Bewegung eingehalten. Pendelnde Bewegung bedeutet hierbei, dass die Richtung der Laserstrahlachse verändert wird.

Für das erfindungsgemäße Verfahren ist weiterhin von Vorteil, wenn die Periodendauer der Modulation (Modulation, insbesondere in Bezug auf die Position des Schneidkopfes oder des Gasdrucks in der Schneiddüse oder der Laserleistung ) für eine größere Blechdicke und eine größere mittlerer Schneidgeschwindigkeit zunehmend größer eingestellt wird; hiermit sind eine größere Blechdicke bzw. eine größere mittlere Schneidgeschwindigkeit im Vergleich zum nicht modulierten Schneiden gemeint.

Es hat sich herausgestellt, dass dann, wenn von den vorstehenden Vorschriften abgewichen wird, zum Beispiel zu kleine oder zu große Werte von der Position p des Schneidkopfes und zu kleine Werte P_min der Laserleistung, dies zu kleineren Werfen für die erreichbare mittlere Schneidgeschwindigkeit bzw. trennbare Blechdicke und zu unvollständigem Schmelzaustrieb bzw. zu der Ausbildung eines anhaftenden Barts führt.

Weiterhin sollte bei dem Verfahren auf den zeitlichen Verlauf der Modulation, für eine Optimierung der Trennbedingungen, geachtet werden. Es hat sich gezeigt, dass Vorteile dann erreicht werden, wenn die Modulation der einzelnen Schneidparameter nicht harmonisch (z.B. sinusförmig) durchgeführt wird; hierzu wird eine nichtlineare Änderung der Schneidparameter vorgesehen.

Weiterhin sollte die Modulationsperiode in vier Zeitintervalle t_i(i = 1, 2, 3, 4) mit vier unterschiedlichen Raten für die Änderung der Modulationsamplitude p_ti unterteilt werden.

Von den vier Zeitintervallen sollte das erste Zeitintervall t₁ einen Teil der Austriebsphase darstellen, wobei Amplitude (p_t1) und Zeitdauer dieses ersten Zeitintervalls (t₁) so eingestellt werden, dass ein Abkühlen des schmelzflüssigen Materials durch Diffusion von Wärme aus der Schmelze in das noch zu schneidende Material erfolgt, bevor der Schmelzaustrieb dominant wird bzw. einsetzt.

Weiterhin sollten, in Bezug auf das zweite Zeitintervall t₂, das einen zweiten Teil der Austriebsphase darstellt, die Amplitude p_t2 und Zeitdauer des zweiten Zeitintervalls t₂ so eingestellt werden, dass möglichst viel Schmelze ausgetrieben wird und das Erstarren der Schmelze vermieden wird.

Weiterhin wird vorzugsweise das dritte Zeitintervall t₃, das einen Teil der Abtragsphase darstellt, hinsichtlich der Amplitude p_t3 und Zeitdauer so eingestellt, dass während der Abtragsphase möglichst viel Material aufgeschmolzen wird und der Laserstrahl die gesamte Schneidfront ausleuchtet. Das bedeutet, dass die Schmelzfront in möglichst kurzer Zeit möglichst weit in das noch zu trennende Material hineinbewegt wird. Damit die Schmelzfront in jeder Tiefe möglichst gleichmäßig aufgeheizt wird, ist von Vorteil, dass die gesamte Schneidfront vom Laserstrahl bestrahlt wird.

Das letzte der vier Zeitintervalle, d.h, das Zeitintervall t₄, das einen Teil der Abtragsphase darstellt, sollte so hinsichtlich Amplitude p_t4 und Zeitdauer eingestellt werden, dass die Abtragsphase so lange andauert, dass die gesamte Blechdicke vom Abtrag erfasst wird und der zunehmende Austrieb von heißer Schmelze möglichst klein bleibt. Das bedeutet, dass der Abtrag über eine genügend große Zeitdauer erfolgen muß, damit die Schmelzfront in jeder Tiefe möglichst gleichmäßig weit bewegt wird. Von Vorteil ist, wenn die Abtragsphase endet, bevor der Austrieb dominant einsetzen kann und die dann im zunehmend heißeren Zustand ausströmende Schmelze zu einem unnötigen Verlust an thermischer Energie führt.

Es ist von Vorteil, wenn die Auswirkung der gesteuerten Modulation überwacht wird oder die Modulationsparameter sogar geregelt werden.

Im Rahmen einer solchen Überwachung wird die thermische Emission der heißen Oberfläche des Schmelzfilms mit einer Kamera aufgenommen. Die Länge der Ausdehnung des intensiv leuchtenden Bereiches der Kameraaufnahmen und die Intensität des Meßsignals werden dann benutzt, um den Beginn und den Abschluß der unterschiedlichen Phasen für den Austrieb der Schmelze und den Abtrag bzw. die Effizienz der Steuerung zu überwachen.

Wenn die thermische Emission der heißen Oberfläche des Schmelzfilms mit einer Photodiode aufgenommen wird, kann die Überwachung bzw. Regelung mit einer kostengünstigeren Vorrichtung im Vergleich zur Kamera und mit größerer Aufnahmefrequenz durchgeführt werden. Die Länge der Ausdehnung des intensiv leuchtenden Bereiches der Kameraaufnahmen und die Intensität des Meßsignals können dann qualitativ auch durch ein räumlich gemitteltes Signal einer Photodiode erfasst werden. Die Messwerte aus dieser Überwachung können dann zur Regelung der vier unterschiedlichen Amplituden (p_t) und der vier unterschiedlichen Zeitintervalle (t), wie sie vorstehend angegeben sind, herangezogen werden.

Nachfolgend wird das erfindungsgemäße Verfahren anhand der Zeichnungen erläutert. In den Zeichnungen zeigt
1(a)–1(b) drei Einzelbilder, um die Modulation der Position eines Schneidkopfes zu erläutern,
2 eine schematische Darstellung eines geschnittenen Werkstücks,
3 ein schematisches Diagramm des zeitlichen Verlaufs der Modulation des Schneidkopfs, in vier Zeitintervalle unterteilt, und
4A–4C drei Einzelbilder, die das Überwachen der thermischen Emission von der Schneidfront während der Austriebsphase darstellen.
Die 1(a) bis 1(c) zeigen schematisch, in vier Phasen, die Modulation des Schneidkopfs. Bereits eine solche Modulation des Schneidkopfs reicht aus, um größere Schneidgeschwindigkeit zu erreichen und größere Blechdicken zu schneiden und eine qualitativ hochwertige Schnittkante geringer Riefen- und Bartbildung und praktisch keiner Oxidation an der Schnittkante zu erreichen.
In 1 ist das zu schneidende bzw. zu trennende Werkstück mit dem Bezugszeichen 1 bezeichnet. Dieses Werkstück 1 besitzt, wie in 1(b) angegeben ist, eine Dicke d. Der Laserstrahl, mit 2 bezeichnet, tritt aus einem Schneidkopf 3 einer nicht näher dargestellten Laserschneidmaschine aus. Der Innenradius w_D der Schneidgasdüse am Düsenaustritt, der in 1(a) angegeben ist, wird durch die Düseninnenkante 4 festgelegt. Die jeweilige Position des Schneidkopfs 3 relativ zu dem Werkstück 1 wird durch die Position der Laserstrahlachse, mit dem Bezugszeichen 5 bezeichnet, festgelegt.
Während 1(a) eine stationäre Position des Schneidkopfs ohne Modulation darstellt, sind in den 1(b) und 1(c) die Extrempositionen des Schneidkopfs während der zeitlichen Modulation gezeigt. Bei diesen Extrempositionen wird zum einen zwischen der Austriebsphase, die in 1(b) dargestellt ist, und der Abtragsphase, die in 1(c) dargestellt ist, unterschieden. Während der Austriebsphase (siehe 1(b)) befindet sich der Schneidkopf, in Schneidrichtung gesehen, in einer rückwärtigen Position und die Schmelze wird durch den Gasstrahl ausgetrieben. In der Abtragsphase (1(c)) heizt der Laserstrahl zunächst bei geringer Schmelzfilmdicke die Schneidfront auf und die Schmelzfront wird bewegt. Für die jeweiligen Phasen ist die zeitliche Modulation der Position p des Schneidkopfs im Vergleich zu seinem zeitlichen Mittelwert kennzeichnend. Die Modulation, wie sie in den Phasen, die in den 1(b) und 1(c) dargestellt sind, erfolgt, sollte mit einer genügend großen Strecke p₁ vorgenommen werden; diese Strecke p₁ sollte mindestens dem Laserstrahlradius wo im Fokus (1(b)) und höchstens dem Abstand A = w_D + w(z=d) entsprechen (z ist die Tiefe im Werkstück 1, von der Oberkante aus gemessen). Wesentlich ist, dass der Schneidkopf 3 um eine Strecke –p₀ entgegen der Schneidrichtung bewegt wird; allerdings darf die Strecke –p₀ maximal den Wert w_D erreichen. Die Summe ds (siehe 1(c)) der Bewegungen p₀ und p₁ entspricht dabei dem gemittelten Vorschub in der Modulationsperiode (ds = p₀ + p₁). Zu Beginn der Austriebsphase (siehe 1(b)) befindet sich die Schneidfront an der Position, die mit dem Bezugszeichen 1' gekennzeichnet ist. Während der Austriebsphase wird die Schmelze fast vollständig ausgetrieben. Zu Beginn der Abtragsphase (siehe 1(c)) befindet sich die Schneidfront an der Position, die mit dem Bezugszeichen 1' gekennzeichnet ist. Während der Abtragsphase wird festes Material aufgeschmolzen und nahezu keine Schmelze ausgetrieben.
In 2 nun ist ein Teil eines Werkstücks 1 mit einer Dicke d gezeigt, das entlang des Richtungspfeils 6 mit einem Laserstrahl geschnitten wird, um die Effekte entlang der Schnittkante sowie die Nutzleistung P_S als auch die Verlustleistungen P_K, P_λ sowie die absorbierte Leistung P_A zu verdeutlichen. Als Schmelzfront wird die Fläche zwischen festem und flüssigem Material (Schmelze) bezeichnet. In Schneidrichtung, d.h. in Richtung des Pfeils 6 gesehen, baut sich im Bereich des sich vorschiebenden Laserstrahls ein auf der Schmelzfront aufliegender Schmelzfilm 7 auf. Die Nutzleistung, die in 2 mit P_S bezeichnet ist, ist die Leistung zum Erwärmen und zum Aufschmelzen des Materials, das ausgetrieben werden soll. Die Nutzleistung P_S ist die minimal notwendige Leistung, um die Schnittfuge zu erzeugen.
Weiterhin treten Wärmeleitungsverluste P_λ während des Schneidens bzw. Trennens auf; hierbei handelt es sich um die Leistung zum Erwärmen des Materials des Werkstücks 1, das an die Schnittfuge angrenzt. Diese Verlustleistung verbleibt im geschnittenen Material und verringert die Nutzleistung P_S.
Weiterhin treten Konvektionsverluste P_K auf; hierbei handelt es sich um die Leistung zum Erwärmen der Schmelze auf Temperaturen größer als die Schmelztemperatur. Diese Leistung wird mit der Schmelze ausgetrieben und wird bei dem Abkühlen von anhaftendem Bart, der mit dem Bezugszeichen 8 bezeichnet ist, wieder in das Material geleitet. Auch diese Verlustleistung aufgrund von Konvektionsverlusten P_K verringert die Nutzleistung P_S.
Darüber hinaus sind weitere Verlustleistungen vorhanden; Wärmestrahlung der heißen Oberfläche, Wärmeübergang in das Schneid- bzw. Umgebungsgas sind Beispiele für solche Verlustleistungen. Diese Verlustleistungen sind aber klein im Vergleich zu der Nutzleistung P_S.
In 2 ist weiterhin die Schnittkante, die mit 9 bezeichnet ist, mit Riefen 10 versehen; sowohl diese Riefen als auch eine Bildung des anhaftenden Bartes 8 entlang der Schneidkante sollen vermieden werden.
Wie bereits angeführt wurde, kann eine nichtlineare Änderung der Schneidparameter vorgesehen werden. Hierzu werden aufeinanderfolgende Modulationsperioden in vier Zeitintervalle t₁, t₂, t₃, t₄ unterteilt, wie dies Inder grafischen Darstellung der 3 gezeigt ist. In diesen vier Zeitperioden wird die Position des Schneidkopfs P geändert. Die Positionsangaben ds, p₀ und p₁ der 3 korrelieren mit den Angaben in 1.
Die Periodendauer t₁ – t₄ kann in einen ersten Abschnitt, die Austriebsphase der Schmelze, die Zeitabschnitte t₁ und t₂ umfassend, und in einen zweiten Abschnitt, die Abtragsphase der Schmelze, die Zeitabschnitte t₃ und t₄ umfassend, unterteilt werden.
In der Austriebsphase wird die Position des Schneidkopfs so eingestellt, dass ein Abkühlen des schmelzflüssigen Materials durch eine Diffusion von Wärme aus dem schmelzflüssigen Material in das noch zu schneidende Material erfolgt, und zwar bevor der Schmelzaustrieb dominant wird und einsetzt (dieses Zeitintervall t₁ entspricht der Zeit, in der die Position des Schneidkopfs in die rückwärtige Position (siehe 1(b)) verfahren wird). Der Schneidkopf wird mit großer Geschwindigkeit (die Amplitude p_t1 ist groß zu wählen) in die rückwärtige Position bewegt, damit der Gasstrahl seine austreibende Wirkung möglichst schnell und über der gesamten Tiefe erreicht.
In dem zweiten Teil, der Austriebsphase, d.h. in dem Zeitintervall t₂, werden die Amplitude und die Länge des Zeitintervalls t₂ so eingestellt, dass möglichst viel Schmelze ausgetrieben wird und das Erstarren des schmelzflüssigen Materials vermieden wird.
Mit dem Zeitintervall t₃ beginnt die Abtragsphase, in der möglichst viel Material aufgeschmolzen und während der die ganze Schneidfront vom Laserstrahl ausgleuchtet werden soll. Der Schneidkopf wird mit großer Geschwindigkeit (die Amplitude p_t3 ist groß zu wählen) in Trennrichtung bewegt, so dass die Schmelzfront in möglichst kurzer Zeit möglichst weit in das noch zu trennende Material hineinbewegt wird. Damit die Schmelzfront in jeder Tiefe möglichst gleichmäßig aufgeheizt wird, ist von Vorteil, dass die gesamte Schneidfront vom Laserstrahl bestrahlt wird.
In dem vierten Zeitintervall t₄, dem zweiten Abschnitt der Abtragsphase, in der die Position des Schneidkopfs mit kleiner Geschwindigkeit in Trennrichtung bewegt wird, soll zwar möglichst lange andauern jedoch ist die Zeitdauer begrenzt, da der zunehmende Austrieb von jetzt heißer Schmelze möglichst klein bleiben soll. Anhand der Darstellung in 3 ist zu sehen, dass die Geschwindigkeiten in dem Zeitintervall t₃ und dem Zeitintervall t₄ unterschiedlich groß sind.
Die Auswirkung der vorstehend beschriebenen Modulation kann überwacht werden und mit den erfassten Werten können die Modulationsparameter auch geregelt werden. Hierzu wird die thermische Emission optisch erfasst. Die 4 zeigt im oberen Teil jeweils das Werkstück 1 mit dem Schmelzfilm 7 und der Oberfläche des Schmelzfilms, der Schneidfront 1' (die auch in 1(b) und 1(c) gezeigt ist. Im unteren Bereich sind die jeweils von oben, d.h. senkrecht zu der Oberfläche des Werkstücks 1 aus, gesehenen Intensitäten der thermischen Emission der Schneidfront während der Austriebsphase, entsprechend zu den Zeitintervallen t₁ und t₂ von 3, dargestellt. Mit dem Bezugszeichen 11 ist der fortschreitende Schnitt des Laserstrahls 2 angegeben. Die Zonen, die mit „1" angegeben sind, sind solche mit geringerer Intensität; diejenigen Bereiche, die mit „2" angegeben sind, sind solche mit mittlerer Intensität; und diejenigen, die mit „3" angegeben sind, sind solche mit großer Intensität der thermischen Emission. Neben der Erfassung der jeweiligen Intensität des Messsignals, das sich aus den intensiv leuchtenden Bereichen ergibt, sowie der Länge l der Ausdehnung dieses leuchtenden Bereiches, können diese Messergebnisse zur Regelung der jeweiligen Modulationsparameter verwendet werden.
Anhand der 4 ist weiterhin zu sehen, dass die Intensität des Messsignals und die Länge l gleichzeitig große/kleine Werte annehmen. Aus diesem Grund kann die Auswirkung der verwendeten Modulationsparameter mit einer räumlich gemittelten Messung zumindest qualitativ richtig erfasst werden.

Claims

Verfahren zum Trennen von Werkstoffen mit einem Laserstrahl, der von einem eine Schneiddüse mit einer Düseninnenkante aufweisenden Schneidkopf austritt und auf der Schneidfront absorbiert wird, wobei die Achse des Laserstrahls entlang einer Trennlinie mit einer festen Orientierung in Trennrichtung eines Werkstücks relativ zu dem Werkstück bewegt wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Position (p) des Schneidkopfs in Bezug auf seinen zeitlichen Mittelwert moduliert wird oder Laserleistung und Gasdruck in der Schneiddüse moduliert werden.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Modulation der Position (p) des Schneidkopfes über eine genügend große Strecke (p₁) in Trennrichtung erfolgt, die mindestens den Laserstrahlradius (w₀) im Fokus und höchstens den Abstand A = wp + w(z=d) erreicht, wobei der Abstand A die Summe aus dem Abstand (w_D) zwischen der Achse des Laserstrahls und der vorlaufenden Position der Düseninnenkante und dem Laserstrahlradius w(z=d) an der Blechunterkante (z=d) ist, und wobei z die Tiefe im Blech, gemessen von der Oberkante aus, bezeichnet und wobei d die Blechdicke ist.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Position (p) des Schneidkopfes um eine Strecke (–p₀) (mit p₀ < 0) entgegen der Trennrichtung bewegt wird, wobei diese Strecke (–p₀) maximal den Wert (w_D) erreicht, der dem Abstand (w_D) zwischen der Achse des Laserstrahls und der vorlaufenden Position der Düseninnenkante entspricht.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass zusätzlich eine nahezu phasengleiche, zeitliche Modulation von Laserleistung und Position (p) des Schneidkopfes im Vergleich zum zeitlichen Mittelwert erfolgt
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Phasenverschiebung zwischen Laserleistung und Position des Schneidkopfes nicht 20% der Modulationsperiode übersteigen.
Verfahren nach Anspruch 4 oder Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Modulation der Laserleistung so erfolgt, dass die minimale Laserleistung (P_min) in der rückwärtigen Position (p₀) einen möglichst geringen Wert aufweist und genügend groß bleibt, um ein Erstarren von bereits geschmolzenem Material zu vermeiden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Modulation des Gasdrucks in der Schneiddüse so erfolgt, dass der Massenstrom an Schneidgas, der aus der Düsenöffnung ausströmt, nahezu gegenphasig zu der Laserleistung und zu der Position des Schneidkopfes moduliert wird.
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Abweichung von einer gegenphasigen Modulation zwischen Massenstrom und Position des Schneidkopfs nicht 20% der Modulationsperiode übersteigen.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Modulation von Laserleistung und Gasdruck in der Schneiddüse so erfolgt, dass Laserleistung und Massenstrom an Schneidgas, der aus der Düsenöffnung ausströmt, nahezu gegenphasig moduliert werden.
Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Abweichung von einer gegenphasigen Modulation zwischen Laserleistung und Massenstrom an Schneidgas, der aus der Düsenöffnung ausströmt, nicht 20% der Modulationsperiode übersteigt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 7, 8, 20 bis 21, dadurch gekennzeichnet, dass die Modulation des Massenstroms am Düsenaustritt durch eine Änderung des Durchflusses an Schneidgas erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Modulation der auf der Schneidfront absorbierten Laserleistung durch eine Bewegung der Laserstrahlachse entlang der Trennlinie mit wechselnder Orientierung erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Bewegung der Laserstrahlachse über eine genügend große Strecke (p₁) in Trennrichtung erfolgt, die mindestens den Laserstrahlradius (w₀) im Fokus und höchstens dem vierfachen Wert des Laserstrahlradius w(z=d) an der Blechunterkante (z=d) ist, und wobei z die Tiefe im Blech gemessen von der Oberkante bezeichnet und wobei d die Blechdicke ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Bewegung der Laserstrahlachse um eine Strecke (–p₀) (mit p₀ <0) entgegen der Trennrichtung erfolgt, wobei diese Strecke (–p₀) maximal den zweifachen Wert des Laserstrahlradius w(z=d) an der Blechunterkante (z=d) erreicht.
Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Bewegung der Laserstrahlachse pendelnd erfolgt und die genügend große Strecke (p₁) und die Bewegung der Laserstrahlachse um eine Strecke (–p₀) an der Blechunterkante (z=d) durch die pendelnde Bewegung eingehalten werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, 9 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Periodendauer der Modulation für größere Materialdicken und größere mittlere Schneidgeschwindigkeiten zunehmend größer eingestellt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Modulation durch eine nichtlineare Änderung der Schneidparameter vorgenommen wird.
Verfahren nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Modulationsperiode in vier Zeitintervalle (t_i mit i = 1, 2, 3, 4) mit vier unterschiedlichen Raten für die Änderung der Modulationsamplitude (p_ti) unterteilt wird.
Verfahren nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Zeitintervall (t₁) einen Teil der Austriebsphase darstellt, wobei Amplitude (p_t1) und Zeitdauer des ersten Zeitintervalls (t₁) so eingestellt werden, dass ein Abkühlen des schmelzflüssigen Materials durch Diffusion von Wärme aus der Schmelze in das noch zu schneidende Material erfolgt, bevor der Schmelzaustrieb dominant wird bzw. einsetzt.
Verfahren nach Anspruch 18 oder Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Zeitintervall (t₂) einen zweiten Teil der Austriebsphase darstellt, wobei Amplitude (p_t2) und Zeitdauer des zweiten Zeitintervalls (t₂) so eingestellt werden, dass möglichst viel Schmelze ausgetrieben wird und das Erstarren der Schmelze vermieden wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 18 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass das dritte Zeitiintervall (t₃) einen Teil der Abtragsphase darstellt, wobei Amplitude (p_t3) und Zeitdauer des dritten Zeitintervalls (t₃) so eingestellt werden, dass während der Abtragsphase möglichst viel Material aufgeschmolzen wird und der Laserstrahl die gesamte Schneidfront ausleuchtet.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 21, dadurch gekennzeichnet, dass dass das vierte Zeitintervall (t₄) einen Teil der Abtragsphase darstellt, wobei Amplitude (p_t4) und Zeitdauer des vierten Zeitintervalls (t₄) so eingestellt werden, dass die Abtragsphase so lange andauert, dass die gesamte Blechdicke vom Abtrag erfasst wird und der zunehmende Austrieb von heißer Schmelze möglichst klein bleibt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 22, dadurch gekennzeichnet, dass die thermische Emission der heißen Oberfläche des Schmelzfilms mit einer Kamera aufgenommen wird und die Länge 1 der Ausdehnung des intensiv leuchtenden Bereiches der Kameraaufnahmen und die Intensität des Meßsignals benutzt werden, um den Beginn und den Abschluß der unterschiedlichen Phasen für den Austrieb der Schmelze und den Abtrag, oder die Effizienz der Steuerung, zu überwachen.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 22, dadurch gekennzeichnet, dass die thermische Emission der heißen Oberfläche des Schmelzfilms räumlich gemittelt aufgenommen wird.
Verfahren nach Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet, dass die Aufnahme der heißen Oberfläche mit einer Photodiode erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 23 bis 25, dadurch gekennzeichnet, dass die Messwerte aus der Überwachung zur Regelung der vier unterschiedlichen Amplituden (p_ti) und der vier unterschiedlichen Zeitintervalle (t_i) herangezogen werden.