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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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:
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– Laserstrahlschmelzschneiden:
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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.
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– Schnellschneiden:
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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.
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– Hochgeschwindigkeitsschneiden:
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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.
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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.
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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.
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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.
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Die
US 6,676,878 B2 beschreibt
ein lasersegmentiertes Schneiden, insbesondere von Silizium oder
anderen Materialien, mit dem Ziel, eine hohe Schneideffektivität auch dann
zu erreichen, wenn sich die zu schneidende Dicke solcher Materialien
erhöht.
Bei diesem segmentierten Schneiden werden jeweils Segmente geschnitten.
Erst nachdem der Laserstrahl über
ein Segment gescannt ist, wird er zu dem nächsten Segment bewegt, um auch
dort wieder gescannt zu werden. Aus den Angaben in dieser Schrift
ergibt sich, dass das Material mit einem Impuls nicht vollständig durchtrennt
wird, sondern dass durch die Folge mehrerer Impulse schrittweise
in die Tiefe des Materials eingedrungen wird. Auch wird nur eine
Achse bewegt, wie aus den Ausführungsbeispielen,
und insbesondere auch aus den Zeichnungen, ersichtlich ist.
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Die
US 5,367,142 A beschreibt
eine Vorrichtung für
das thermische Schneiden von Materialien, zum Beispiel von Metall,
mit einem CO
2-Laser, wobei ein unterstützender
Gas-Jet durch eine Düse
auf das Metall, das geschnitten werden soll, gerichtet wird. Ein
wesentlicher Aspekt hierbei ist, dass die Zuführung des Unterstützungsgases
zu der thermischen Schneideinrichtung in Form von Impulsen bei vorbestimmten
Frequenzen erfolgt. Mit dieser Maßnahme der gepulsten Zuführung der
Gasströmung
soll die Oberflächenrauigkeit
herabgesetzt werden.
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Die
JP 60 210 384 A (abstract)
beschreibt ein Verfahren zum Schneiden dicker Stahlplatten mittels Laserstrahl;
nach diesem Verfahren erfolgt die Bewegung des Schneidkopfs senkrecht
zur Schneidrichtung.
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Die
DE 100 36 146 C1 beschreibt
ein Verfahren zum Schneiden von Werkstücken mit einem Schneidstrahl,
bei dem der Schneidstrahl mit einer Vorschubgeschwindigkeit entlang
einer Schnittlinie über
das Werkstück
geführt
wird. Während
des Schneidvorgangs wird zur Beeinflussung der Bildung von Oberflächenstrukturen
an einer durch den Schneidstrahl erzeugten Schnittfläche zumindest
ein Schneidpara meter mit einer Frequenzperiode moduliert, die in
der Größenordnung
eines mit der Vorschubgeschwindigkeit multiplizierten reziproken
Abstands von Rillen und/oder Riefen liegt, die beim Schneiden ohne
Modulation des zumindest einen Schneidparameters an der Schnittfläche entstehen. Es
werden verschiedene Schneidparameter, wie Vorschubgeschwindigkeit,
Vorschubrichtung, Intensität und/oder
Breite des Schneidstrahls angegeben.
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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.
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Gelöst wird
die Aufgabe durch Verfahren, wie sie in den unabhängigen Ansprüchen 1 und
2 angegeben sind.
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Mit
diesen 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.
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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.
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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.
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Mit
den 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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Die
Modulation der Position p des Schneidkopfes erfolgt entsprechend
dem erfindungsgemäßen Verfahren über eine
genügend
große
Strecke p1 in Trennrichtung, die mindestens
den Laserstrahlradius w0 im Fokus und höchstens
den Abstand A = wD + w(z = d) erreichen
darf. Der Abstand A ist die Summe aus dem Abstand wD 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.
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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 wD erreichen.
Die Summe ds = p0 + p1 der
Bewegungen p0 und p1 entspricht dem
zeitlich gemittelten Vorschub in einer Modulationsperiode.
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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.
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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.
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Für die Erfindung
ist weiterhin von Vorteil, wenn die Modulation der Laserleistung
so erfolgt, dass die minimale Laserleistung Pmin in
der rückwärtigen Position
p0 (die Po- sition während der Austriebsphase) einen
möglichst
geringen Wert aufweist und genügend
groß bleibt,
um ein Erstarren von bereits geschmolzenem Material zu vermeiden.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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 eine maximal große
Strecke über
die die Schmelzfront in das feste Material bewegt wird, und gleichzeitig
bleibt eine Ausleuchtung der gesamten Schneidfront gewährleistet.
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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.
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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.
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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 mittlere Schneidgeschwindigkeit
zunehmend größer eingestellt
wird; hiermit sind eine größere Blechdicke
bzw. eine größere mittlere
Schneidgeschwindigkeit im Vergleich zum nicht modulierten Schneiden
gemeint.
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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 Pmin der Laserleistung, dies zu kleineren
Werten für die
erreichbare mittlere Schneidgeschwindigkeit bzw. trennbare Blechdicke
und zu unvollständigem Schmelzaustrieb
bzw. zu der Ausbildung eines anhaftenden Barts führt.
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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.
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Weiterhin
sollte die Modulationsperiode in vier Zeitintervalle ti(i
= 1, 2, 3, 4) mit vier unterschiedlichen Raten für die Änderung der Modulationsamplitude
pti unterteilt werden.
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Von
den vier Zeitintervallen sollte das erste Zeitintervall t1 einen Teil der Austriebsphase darstellen,
wobei Amplitude (pt1) 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.
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Weiterhin
sollten, in Bezug auf das zweite Zeitintervall t2,
das einen zweiten Teil der Austriebsphase darstellt, die Amplitude
pt2 und Zeitdauer des zweiten Zeitintervalls
t2 so eingestellt werden, dass möglichst
viel Schmelze ausgetrieben wird und das Erstarren der Schmelze vermieden
wird.
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Weiterhin
wird vorzugsweise das dritte Zeitintervall t3,
das einen Teil der Abtragsphase darstellt, hinsichtlich der Amplitude
pt3 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.
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Das
letzte der vier Zeitintervalle, d.h. das Zeitintervall t4, das einen Teil der Abtragsphase darstellt, sollte
so hinsichtlich Amplitude pt4 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.
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Es
ist von Vorteil, wenn die Auswirkung der gesteuerten Modulation überwacht
wird oder die Modulationsparameter sogar geregelt werden.
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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.
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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 (pt) und der vier unterschiedlichen Zeitintervalle
(t), wie sie vorstehend angegeben sind, herangezogen werden.
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Nachfolgend
wird das erfindungsgemäße Verfahren
anhand der Zeichnungen erläutert.
In den Zeichnungen zeigt
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1(a)-(b) drei Einzelbilder, um die Modulation
der Position eines Schneidkopfes zu erläutern,
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2 eine
schematische Darstellung eines geschnittenen Werkstücks,
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3 ein
schematisches Diagramm des zeitlichen Verlaufs der Modulation des
Schneidkopfs, in vier Zeitintervalle unterteilt, und
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4A-C drei Einzelbilder, die das Überwachen
der thermischen Emission von der Schneidfront während der Austriebsphase darstellen.
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Die 1(a) bis (c) zeigen schematisch, in vier
Phasen, die Modulation des Schneidkopfs. Bereits eine solche Modulation
des Schneidkopfs reicht aus, um eine 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.
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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 wD 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.
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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
w0 im Fokus (1(b))
und höchstens
dem Abstand A = wD + 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 wD erreichen.
Die Summe ds (siehe 1(c)) der Bewegungen
p0 und p1 entspricht
dabei dem gemittelten Vorschub in der Modulationsperriode (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.
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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 PS als auch die Verlustleistungen
PK, Pλ sowie die absorbierte
Leistung PA 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 PS bezeichnet
ist, ist die Leistung zum Erwärmen
und zum Aufschmelzen des Materials, das ausgetrieben werden soll.
Die Nutzleistung PS ist die minimal notwendige
Leistung, um die Schnittfuge zu erzeugen.
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Weiterhin
treten Wärmeleitungsverluste
Pλ 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 PS.
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Weiterhin
treten Konvektionsverluste PK 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 PK verringert
die Nutzleistung PS.
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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 PS.
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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.
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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 in der 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.
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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.
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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 pt1 ist groß zu wählen) in
die rückwärtige Position
bewegt, damit der Gasstrahl seine austreibende Wirkung möglichst
schnell und über
der gesamten Tiefe erreicht.
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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.
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Mit
dem Zeitintervall t3 beginnt die Abtragsphase,
in der möglichst
viel Material aufgeschmolzen und während der die ganze Schneidfront
vom Laserstrahl ausgeleuchtet werden soll. Der Schneidkopf wird
mit großer
Geschwindigkeit (die Amplitude pt3 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.
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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.
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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 (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.
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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.