DE102007059987B4

DE102007059987B4 - Verfahren zum keyhole-freien Laserschmelzschneiden mittels vor- und nachlaufender Laserstrahlen

Info

Publication number: DE102007059987B4
Application number: DE102007059987.2A
Authority: DE
Inventors: Tobias Hofmann
Original assignee: Trumpf Werkzeugmaschinen SE and Co KG
Current assignee: Trumpf Werkzeugmaschinen SE and Co KG
Priority date: 2007-12-11
Filing date: 2007-12-11
Publication date: 2015-03-05
Anticipated expiration: 2027-12-12
Also published as: WO2009074140A3; US20100308025A1; DE102007059987A1; WO2009074140A2; CN101896308A; US8941029B2; CN101896308B

Abstract

Verfahren zum Keyhole-freien Schmelzschneiden eines Werkstücks (2), wobei das Werkstück (2) durch einen Laserstrahl (3) entlang einer zu erzeugenden Schnittfuge (5) aufgeschmolzen wird und eine dabei entstehende Schmelze (7) durch einen Gasstrahl mit hohem Druck aus der erzeugten Schnittfuge (5) ausgetrieben wird und wobei zur Verbesserung der Schneidqualität zumindest einer der beiden Schneidflanken des Werkstücks (2) dem Laserstrahl (3) in Schneidrichtung (6) mindestens ein Laserstrahl (4) nachläuft, der auf die Schmelze (7) des vorlaufenden Laserstrahls (3) trifft, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine nachlaufende Laserstrahl (4) gegenüber dem vorlaufenden Laserstrahl (3) lateral versetzt auf das Werkstück (2) auftrifft.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Keyhole-freien Schmelzschneiden eines Werkstücks, wobei das Werkstück durch einen Laserstrahl entlang einer zu erzeugenden Schnittfuge aufgeschmolzen wird und eine dabei entstehende Schmelze durch einen Gasstrahl mit hohem Druck aus der erzeugten Schnittfuge ausgetrieben wird und wobei zur Verbesserung der Schneidqualität zumindest einer der beiden Schneidflanken des Werkstücks dem Laserstrahl in Schneidrichtung mindestens ein Laserstrahl nachläuft, der auf die Schmelze des vorlaufenden Laserstrahls trifft.
Ein derartiges Schmelzschneidverfahren ist beispielsweise aus der JP 02 034 291 A bekannt.
Beim bekannten klassischen Laserschmelzschneiden schmilzt ein mit einem CO₂-Laser oder einem Festkörperlaser erzeugter Laserstrahl das Material auf, und inertes Gas (z. B. Stickstoff oder Argon) bläst Schmelze und Schlacke mit hohem Druck nach unten aus der Schnittfuge. Die Ausprägung des Schmelzbades sowie die auftretenden Schmelzflussvektoren sind absorptionsabhängig. Im Gegensatz zum klassischen Laserschmelzschneiden wird beim so genannten Keyhole-Laserschneiden das Material nicht nur aufgeschmolzen, sondern auch Dampf erzeugt. Wenn der Dampf abströmt, übt er Druck auf die Schmelze aus und verdrängt sie, wodurch eine schmale Dampfkapillare (Keyhole) erzeugt wird. Die Dampfkapillare ist von Schmelze umgeben und bewegt sich mit dem Laserstrahl durch das Werkstück.
Beim Schneiden von Stählen mittels CO₂-Strahlung kann davon ausgegangen werden, dass aufgrund des schmalen Brewstermaximums nur ein lokal begrenzter Bereich der Schneidfront die Laserstrahlung optimal absorbiert, wodurch die Oberflächentemperatur der Schmelze nicht den Siedepunkt erreicht. Dadurch erfolgt der Schmelzaustrieb bei dickeren Blechen vorwiegend am Scheitel der Schneidfront. Daraus resultiert ein Schmelzflussvektor, der sich entlang der Schneidfront nur geringfügig ändert, da in diesem Fall keine Oberflächenverdampfung auftritt. Das Ergebnis ist ein sehr gerichteter, gebündelter Schmelzaustriebskegel, wie dies für das CO₂-Schmelzschneiden bekannt ist.
Bei Verwendung eines Festkörperlasers mit einer Wellenlänge im Bereich von ca. 1 μm ändern sich der Brewsterwinkel sowie die Lage des Brewstermaximums und somit die Absorption im Vergleich zum CO₂-Laser mit einer Wellenlänge von 10,6 μm. Diese veränderte Absorption entlang der Schneidfront führt lokal zu Oberflächenverdampfung mit hohen Temperaturgradienten. Dies resultiert in Änderungen der temperaturabhängigen Oberflächenspannung der Schmelze im Scheitel der Schneidfront und somit auch in Schmelzflussvektoren, die nicht nur ausschließlich vertikale, sondern auch horizontale Anteile aufweisen. Diese sind zeitlich instabiler und führen zu dem beim Festkörperlaser-Schmelzschneiden bekannten schlechteren Grundriefenbild der Schnittkante und zu einer schlechteren Schnittkantenrauhigkeit. Bisherige Laserstrahlschmelzschnitte in Edelstählen mit Festkörperlasern zeigen ab einer Blechdicke von größer als 2 mm schlechtere Schnittkantenqualität, verstärkte Gratbildung, sowie vermehrte Oxidation an den Schnittflanken. Mögliche Prozessfenster sind im Vergleich zu CO₂-Laserstrahlprozessen oft sehr klein und darüber hinaus sind insbesondere im mittleren und dicken Blechbereich deutlich schlechtere Rauhigkeitswerte an der Schnittflanke messbar.
Aus der eingangs genannten JP 02 034 291 A ist ein Verfahren bekannt, bei dem zur Verbesserung der Schnittkantenqualität ein in Vorschubrichtung vor- und ein nacheilender Laserstrahl auf die Bearbeitungsstelle projiziert werden.
Weiterhin ist in DE 10 2006 012 984 A1 ein Verfahren zum Laserschneiden offenbart, bei dem ein erster Laserstrahl in einem oberflächennahen Bereich des Blechs fokussiert wird, während ein zweiter Laserstrahl nacheilend über einen nach vorne (in Richtung des ersten Strahls) gerichteten Anstellwinkel auf die Blechunterseite fokussiert wird.
Schließlich ist aus der DE 198 46 368 C1 ein Verfahren zur Lasermaterialbearbeitung (u. a. zum Schneiden) bekannt, bei dem zwei in Vorschubrichtung nacheinander angeordnete Teilstrahlen mit unterschiedlichen Fokuslagen auf ein zu bearbeitendes Werkstück treffen.
Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein Laserschmelzschneidverfahren der eingangs genannten Art dahingehend weiterzubilden, dass die Schneidqualität, wie z. B. die Schnittkantenrauhigkeit, verbessert werden kann, und zwar insbesondere beim Laserschneiden mit solchen Laserwellenlängen und -intensitäten, die bisher am Werkstück zu erhöhten horizontalen Schmelzflussvektorenanteilen führen.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass der mindestens eine nachlaufende Laserstrahl gegenüber dem vorlaufenden Laserstrahl lateral versetzt auf das Werkstück auftrifft.
Der vorlaufende Laserstrahl wird entlang der auszubildenden Schnittfuge bewegt und führt den eigentlichen Schnitt aus, während der nachlaufende Laserstrahl die Schneidfront in der Art beeinflusst, dass sich günstigere Bedingungen für den Schmelzaustrieb ergeben. Dies erfolgt durch die Beeinflussung des Abströmens der Schmelze am Scheitel der Schneidfront des vorlaufenden Laserstrahls durch den nachlaufenden Laserstrahl. Dadurch können die Schmelzanteile des vorlaufenden Strahles, die offenbar zu dem bekannten schlechteren Riefenbild beim Festkörperlaser-Schmelzschneiden führen, ohne größere Beeinflussung der später ausgebildeten Schnittflanke durch den inerten Gasstrahl ausgetrieben werden, bevor diese erstarren und zu einem schlechten Riefenbild führen. Erfindungsgemäß wird der durch das Absorptionsverhalten bei entsprechendem Auftreffwinkel und insbesondere durch den Gradienten der Oberflächenspannung der Schmelze bestimmte Schmelzfluss entlang der Schneidfront im Schnittspalt beeinflusst. Mit vorliegender Erfindung konnten z. B. mit Festkörperlasern hoher Leistung die erreichbaren gemittelten Rauhigkeitswerte in der Materialstärke 5 mm um bis zu 25% gegenüber konventioneller Singlespottechnik verringert werden.
Die Teile der Schmelze des vorlaufenden Laserstrahls treffen auf die Schmelzströmung des lateral versetzten Laserstrahls, welcher das Temperaturniveau der anströmenden Schmelze erhöht und die Schmelzviskosität verringert. Die horizontalen Schmelzflussanteile des nachlaufenden Laserstrahls fallen aufgrund des kleineren Aufschmelzvolumens geringer aus und führen so zu einer geringeren Beeinflussung des Riefenbildes. Vorzugsweise trifft der mindestens eine nachlaufende Laserstrahl höchstens um den Durchmesser des vorlaufenden Laserstrahls lateral versetzt auf das Werkstück auf, und zwar gegenüber dem vorlaufenden Laserstrahl um einen Winkel von ca. 20° bis 70° bezüglich der Schneidrichtung, bevorzugt ca. 40°, lateral versetzt. Bei nur einem asymmetrisch nachlaufenden Laserstrahl wird auch nur die eine Schnittflanke (Gutseite) verbessert. Mit zwei beidseitig und symmetrisch nachlaufenden Laserstrahlen können beide Schnittflanken verbessert werden, also zwei Gutseiten erzielt werden.
Der vorlaufende Laserstrahl und der mindestens eine nachlaufende Laserstrahl können auf oder innerhalb des Werkstücks partiell überlappen, und ein Fokus des vorlaufenden Laserstrahls und ein Fokus des mindestens einen nachlaufenden Laserstrahls können zueinander in Strahlrichtung versetzt sein. Da der vorlaufende Laserstrahl den eigentlichen Schnitt ausführt und der mindestens eine nachlaufende Laserstrahl die Schneidfront lediglich beeinflussen soll, ist vorzugsweise eine Leistung des vorlaufenden Laserstrahls größer als eine Leistung des mindestens einen nachlaufenden Laserstrahls, insbesondere im Verhältnis von ca. 60:40 verteilt.
Der vorlaufende Laserstrahl und der mindestens eine nachlaufende Laserstrahl werden vorzugsweise von einem Festkörperlaser mit einer Wellenlänge von kleiner als 10 μm, vorzugsweise von ca. 1 μm oder kleiner, erzeugt. Wenn dem vorlaufenden Laserstrahl ein Laserstrahl nachläuft, können der vorlaufende Laserstrahl und der nachlaufende Laserstrahl zwei Teilstrahlen des gleichen Laserstrahls sein, die z. B. über eine Bifokaloptik erzeugt werden. Die Bifokaloptik teilt im Wesentlichen den Rohstrahl durch einen Strahlteiler in zwei Teilstrahlen auf, welche dann durch die Schneidoptik auf die Blechoberfläche fokussiert werden. Anstelle einer Bifokaloptik ist auch eine diffraktive Optik vorstellbar, die nicht zwei Teilstrahlen erzeugt, sondern über eine beispielsweise dreieckige Strahlformung mit entsprechender Intensitätsverteilung eine Mehrstrahlanordnung simuliert. Alternativ kann mit einem oder zwei Linienfoki gearbeitet werden.
Weitere Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen, der Beschreibung und der Zeichnung.
Es zeigen:
1 ein nicht-erfindungsgemäßes Verfahren, bei dem ein vorlaufender Laserstrahl und ein zentrisch nachlaufender Laserstrahl jeweils mit der gleichen Leistung auf das Werkstück auftreffen;
2 eine erste Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens, bei dem ein vorlaufender Laserstrahl und ein lateral versetzt nachlaufender Laserstrahl jeweils mit der gleichen Leistung auf das Werkstück auftreffen;
3 eine zweite Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens, bei dem ein vorlaufender Laserstrahl und ein lateral versetzt nachlaufender Laserstrahl mit unterschiedlicher Leistung auf das Werkstück auftreffen; und
4 eine dritte Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens, bei dem ein vorlaufender Laserstrahl und beidseitig jeweils ein lateral versetzt nachlaufender Laserstrahl jeweils mit der gleichen Leistung auf das Werkstück auftreffen.
Die in 1 gezeigte Strahlanordnung 1 dient zum Laserschmelzschneiden eines Werkstücks 2 mittels eines vorlaufenden und eines zentrisch nachlaufenden Laserstrahls 3, 4, die beide von oben auf das Werkstück 2 auftreffen. Der vorlaufende Laserstrahl 3 wird entlang der zu erzeugenden Schnittfuge 5 in Schneidrichtung 6 bewegt und führt den eigentlichen Schnitt aus, wobei die dabei entstehende Schmelze 7 durch einen aus einer Düse 8 austretenden inerten Gasstrahl mit hohem Druck aus der erzeugten Schnittfuge 5 nach unten ausgetrieben wird. Der in Schneidrichtung 6 nachlaufende Laserstrahl 4 weist auf dem Werkstück 2 den gleichen Strahldurchmesser sowie die gleiche Leistung wie der vorlaufende Laserstrahl 3 auf. Vorteil dieser Strahlanordnung ist eine schnellere Schneidgeschwindigkeit im Vergleich zum klassischen Laserschmelzschneiden ohne den nachlaufenden Laserstrahl 4.
Bei allen gezeigten Ausführungsformen ist der Fokuspunkt des nachlaufenden Laserstrahls 4 also im nachlaufenden Teil der Schnittfront 10 angeordnet, und Versuche wurden mit einer Bifokaloptik (Brennweite 150 mm) und einem kleinstmöglichsten Punktabstand zwischen den beiden Foki der Laserstrahlen 3, 4 von 300 μm durchgeführt. Im Rahmen der Versuche wurde dieser kleinstmöglichste Punktabstand von 300 μm eingestellt und untersucht, da aus den berechneten fokussierten Strahlkaustiken hervorgeht, dass größere Punktabstände zu einer geringeren Ausleuchtung der Schneidfront führen, da ein Grossteil der Leistung des nacheilenden Laserstrahles die Schneidfront nicht erreicht und dadurch ungenutzt durch den Schnittspalt propagiert.
Bei der in 2 gezeigten Strahlanordnung 1 trifft der nachlaufende Laserstrahl 4 lateral versetzt zum vorlaufenden Laserstrahl 3 auf das Werkstück 2 auf, und zwar mit der gleichen Leistung und dem gleichen Strahldurchmesser wie der vorlaufende Laserstrahl 3. Der nachlaufende Laserstrahl 4 trifft etwa um den Strahlradius des vorlaufenden Laserstrahls 3 lateral versetzt auf das Werkstück 2 auf, und zwar gegenüber dem vorlaufenden Laserstrahl 3 etwa um einen Winkel α von ca. 40°. Die Teile der Schmelze 7 des vorlaufenden Laserstrahls 3 treffen auf die Schmelzströmung des lateral versetzt nachlaufenden Laserstrahls 4, welcher das Temperaturniveau der anströmenden Schmelze 7 erhöht und die Schmelzviskosität verringert. Wie Versuche gezeigt haben, wird die Schmelze 7 bzw. die Schneidfront 10 durch den lateral versetzt nachlaufenden Laserstrahl 4 derart beeinflusst, dass die dem nachlaufenden Laserstrahl 4 nächstgelegene Schnittflanke 9b des Werkstücks 2 eine bessere Schneidqualität, insbesondere eine geringere Schnittkantenrauhigkeit, aufweist als ohne den nachlaufenden Laserstrahl 4. Offenbar werden die Schmelzanteile des vorlaufenden Laserstrahles 3, die zu dem bekannten schlechteren Riefenbild beim Festkörperlaser-Schmelzschneiden führen, ohne größere Beeinflussung der später ausgebildeten Schnittflanke durch den inerten Gasstrahl ausgetrieben, bevor diese erstarren und zu einem schlechten Riefenbild führen.
Von der Strahlanordnung der 2 unterscheidet sich die in 3 gezeigte Strahlanordnung 1 lediglich dadurch, dass hier die beiden Laserstrahlen 3, 4 nicht die gleiche Leistung aufweisen, sondern der vorlaufende Laserstrahl 3 eine höhere Leistung als der nachlaufende Laserstahl 3 aufweist. Wie Versuche für eine Leistungsverteilung von 60:40 gezeigt haben, wird auch hier die Schmelze 7 durch den lateral versetzt nachlaufenden Laserstrahl 4 derart beeinflusst, dass die dem nachlaufenden Laserstrahl 4 nächstgelegene Schnittflanke 9b eine bessere Schneidqualität, insbesondere eine geringere Schnittkantenrauhigkeit, aufweist als ohne den nachlaufenden Laserstrahl 4.
Bei der in 4 gezeigten Strahlanordnung 1 läuft dem vorlaufenden Laserstrahl 3 beidseitig jeweils ein gegenüber dem vorlaufenden Laserstrahl 3 lateral versetzter Laserstrahl 4 nach, wodurch beide Schnittflanken 9a, 9b des Werkstücks 2 eine bessere Schneidqualität aufweisen als ohne den nachlaufenden Laserstrahl 4.
Im Rahmen der Versuche mit Bifokaloptik wurden auch verschiedene Fokuslagen eingestellt, nämlich Fokuslage 0 mm (Foki der Laserstrahlen 3, 4 liegen auf der Werkstückoberseite) sowie Fokuslagen –1 mm und –2 mm (Foki der Laserstrahlen 3, 4 liegen im Werkstück).
Unter den Bifokalversuchen zeigte sich, dass die Variante mit lateral winkelversetztem, nachlaufendem Laserstrahl 4 unter 40° mit einem geänderten Strahlteilerverhältnis des vorlaufenden und des nachlaufenden Laserstrahls 3, 4 von 60:40 die besten Rauigkeitswerte erreicht. Dazu wurden die gemittelten Rautiefen der Schnittflanke an 3 Messpositionen jeweils 0,5 mm von der Blechober-/unterseite sowie in der Mitte gemessen, wobei die Rauigkeitswerte zur Werkstückunterseite hin ansteigen. Bei der Variante mit nicht lateral winkelversetztem, nachlaufendem Laserstrahl 4 und bei der Variante mit lateral winkelversetztem, nachlaufendem Laserstrahl 4 unter 40° mit einem Strahlteilerverhältnis des ersten und des zweiten Laserstrahls 3, 4 von 50:50 sind die Rauigkeitswerte jeweils größer als bei der erstgenannten Variante.
Wie Versuche weiter gezeigt haben, führen – bei ansonsten identischen Schneidparametern – reduzierte Gasdrücke zu einer stärkeren Oxidation der Schnittkante an der Werkstückunterseite.

Claims

Verfahren zum Keyhole-freien Schmelzschneiden eines Werkstücks (2), wobei das Werkstück (2) durch einen Laserstrahl (3) entlang einer zu erzeugenden Schnittfuge (5) aufgeschmolzen wird und eine dabei entstehende Schmelze (7) durch einen Gasstrahl mit hohem Druck aus der erzeugten Schnittfuge (5) ausgetrieben wird und wobei zur Verbesserung der Schneidqualität zumindest einer der beiden Schneidflanken des Werkstücks (2) dem Laserstrahl (3) in Schneidrichtung (6) mindestens ein Laserstrahl (4) nachläuft, der auf die Schmelze (7) des vorlaufenden Laserstrahls (3) trifft, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine nachlaufende Laserstrahl (4) gegenüber dem vorlaufenden Laserstrahl (3) lateral versetzt auf das Werkstück (2) auftrifft.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine nachlaufende Laserstrahl (4) höchstens um den Durchmesser des vorlaufenden Laserstrahls (3) lateral versetzt auf das Werkstück (2) auftrifft.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine nachlaufende Laserstrahl (4) gegenüber dem vorlaufenden Laserstrahl (3) um einen Winkel (α) von 20° bis 70° bezüglich der Schneidrichtung (6) lateral versetzt auf das Werkstück (2) auftrifft.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine nachlaufende Laserstrahl (4) gegenüber dem vorlaufenden Laserstrahl (3) um einen Winkel (α) von ca. 40° bezüglich der Schneidrichtung (6) lateral versetzt auf das Werkstück (2) auftrifft.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass dem vorlaufenden Laserstrahl (3) in Schneidrichtung (6) beidseitig jeweils ein gegenüber dem vorlaufenden Laserstrahl (3) lateral versetzter Laserstrahl (4) nachläuft.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der vorlaufende Laserstrahl (3) und der mindestens eine nachlaufende Laserstrahl (4) auf oder innerhalb des Werkstücks (2) partiell überlappen.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Fokus des vorlaufenden Laserstrahls (3) und ein Fokus des mindestens einen nachlaufenden Laserstrahls (4) zueinander in Strahlrichtung versetzt sind.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass eine Leistung des vorlaufenden Laserstrahls (3) größer als eine Leistung des mindestens einen nachlaufenden Laserstrahls (4) ist.
Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Leistung des vorlaufenden Laserstrahls (3) und die Leistung des mindestens einen nachlaufenden Laserstrahls (4) im Verhältnis von ca. 60:40 verteilt sind.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der vorlaufende Laserstrahl (3) und/oder der mindestens eine nachlaufende Laserstrahl (4) eine Wellenlänge von kleiner als 10 μm aufweist.
Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der vorlaufende Laserstrahl (3) und/oder der mindestens eine nachlaufende Laserstrahl (4) eine Wellenlänge von ca. 1 μm oder kleiner aufweist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest der vorlaufende Laserstrahl (3) mittels eines Festkörperlasers erzeugt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4 oder 6 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass dem vorlaufenden Laserstrahl (3) ein Laserstrahl (4) nachläuft und dass der vorlaufende Laserstrahl (3) und der nachlaufende Laserstrahl (4) zwei Teilstrahlen des gleichen Laserstrahls sind.