DE102008030374A1

DE102008030374A1 - Verfahren zum Laserschneiden und CO2-Laserschneidmaschine

Info

Publication number: DE102008030374A1
Application number: DE102008030374A
Authority: DE
Inventors: Michael Von Borstel
Original assignee: Trumpf Laser und Systemtechnik GmbH
Current assignee: Trumpf Laser und Systemtechnik GmbH
Priority date: 2008-06-26
Filing date: 2008-06-26
Publication date: 2009-12-31
Anticipated expiration: 2028-06-27
Also published as: DE102008030374B4

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Laserschneiden eines metallischen Werkstücks mittels eine CO₂-Laserstrahls (6), bei dem die Wellenlänge (λ₁, λ₂, λ₃) des Laserstrahls (6) in Abhängigkeit von der Dicke des Werkstücks aus einem Intervall 9 µm und 12 µm ausgewählt wird. Die Erfindung betrifft auch eine CO₂-Laserschneidmaschine zur Durchführung des Verfahrens, die einen Laserresonator (2) zur Erzeugung eines CO₂-Laserstrahls (6) aufweist, wobei der Laserresonator (2) zur Einstellung der Wellenlänge (λ₁, λ₂, λ₃) des CO₂-Laserstrahls (6) ausgelegt ist, und wobei die CO₂-Laserschneidmaschine eine Steuerungseinrichtung aufweist, die ausgebildet ist, die Wellenlänge des CO₂-Laserstrahls (6) in Abhängigkeit von der Dicke des zu schneidenden Werkstücks aus einem Intervall zwischen 9 µm und 12 µm auszuwählen. Die Erfindung betrifft weiterhin eine CO₂-Laserschneidmaschine, die einen Laserresonator (2) zur Erzeugung eines CO₂-Laserstrahls (6) aufweist und die ausgelegt ist, metallische Werkstücke (8) mit einer Dicke (d) von mehr als 6 mm zu schneiden, und bei welcher der Laserresonator (2) ausgelegt ist, einen CO₂-Laserstrahl (6) mit einer Wellenlänge (λ) von mehr als 11 µm zu erzeugen.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Laserschneiden eines metallischen Werkstücks, das insbesondere aus Eisen, Eisen-Legierungen oder Aluminium besteht, mittels eines CO₂-Laserstrahls, sowie eine CO₂-Laserschneidmaschine zur Durchführung des Verfahrens, die einen Laserresonator zur Erzeugung eines CO₂-Laserstrahls aufweist, sowie eine CO₂-Laserschneidmaschine, die einen Laserresonator zur Erzeugung eines CO₂-Laserstrahls aufweist und die ausgelegt ist, um metallische Werkstücke mit einer Dicke von mehr als 6 mm zu schneiden.
Abhängig von der Schneidgeschwindigkeit stellt sich beim Laserschneiden mit einem CO₂-Laserstrahl ein Schneidfrontwinkel im Schnittspalt ein, der bei senkrecht zur Werkstückoberfläche ausgerichteter Laserstrahlachse dem Einfallswinkel des Laserstrahls (gemessen zum Lot auf die Schneidfrontebene) entspricht. Für ein vollständiges Durchtrennen des Werkstücks ist es erforderlich, dass die Schneidgeschwindigkeit so gewählt wird, dass ein minimaler Schneidfrontwinkel nicht unterschritten wird, der mit der Dicke des Werkstücks zunimmt. Dünnere Werkstücke können also bei gleicher Laserleistung mit höherer Geschwindigkeit geschnitten werden als dickere Werkstücke. Die Absorption der Laserstrahlung im Werkstück beim Laserschneiden ist unter anderem abhängig vom Einfallswinkel des Laserstrahls auf die Schneidfront und damit vom Schneidfrontwinkel.
Aus der EP 1736272 B1 ist es bekannt, einen CO₂-Laser mit einer Wellenlänge, die in Abhängigkeit vom verwendeten Lasertyp zwischen 9,6 μm und 11 μm liegen kann, zum Laserschneiden von Sanitärprodukten zu verwenden. Diese Produkte bestehen meist aus weißem, durchscheinendem oder milchigem Material und weisen für sichtbares Licht eine hohe Reflektivität auf, wohingegen die Absorption im Infrarot-Bereich, insbesondere für CO₂-Laserstrahlung, wesentlich stärker ist, so dass zum Laserschneiden solcher Produkte ein CO₂-Laser besonders gut geeignet ist.
Aus der Habilitationsschrift „Strahlwerkzeug Laser: Energieeinkopplung und Prozesseffektivität" von Dr. rer. nat. habil. Friedrich Dausinger, Univ. Stuttgart, Teubner, 1995, ISBN 3-519-06217-8, ist es bekannt, dass der Schneidfrontwinkel, bei dem ein maximaler Einkopplungsgrad der Laserstrahlung in das Werkstück erreicht wird, von der Wellenlänge der verwendeten Laserstrahlung abhängig ist, und zwar aufgrund der wellenlängenabhängigen Verschiebung des Winkels des Brewster-Maximums, d. h. des Winkels, bei dem für p-polarisierte Laserstrahlung ein Maximum der Absorption an der flüssigen Metalloberfläche auftritt. Der Zusammenhang zwischen Schneidfrontwinkel und Energieeinkopplung wird dort für die Wellenlängen 0,5 μm, 1 μm, 5 μm und 10 μm betrachtet, wobei bei jeder dieser Wellenlängen bei einem jeweiligen Schneidfrontwinkel die Energieeinkopplung maximal ist, bei dem der Einfallswinkel des Laserstrahls auf die Schneidfront dem Winkel des Brewster-Maximums für die Absorpton von p-polarisierter Strahlung dieser Wellenlänge entspricht. Zur Optimierung des Schneidergebnisses bei Verwendung eines CO₂-Lasers wird in der Habilitationsschrift vorgeschlagen, eine optimale Winkelbeziehung an der Schneidfront durch Neigung des Laserstrahls bezüglich der Oberfläche des Werkstücks zu erreichen.
Aus der US 4,547,651 ist es bekannt, eine Erhöhung der Strahlungseinkopplung in das Werkstück durch Drehen der Polarisationsebene des Laserstrahls zu bewirken, wobei die Polarisationsebene dort auf eine solche Weise gedreht wird, dass die Polarisationsebene immer tangential bezüglich der Kontur eines Schnittspalts in dem Werkstück verläuft. Auf diese Weise soll die Schneidgeschwindigkeit beim Laserschneiden erhöht werden können.
Aufgabe der Erfindung
Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zum Laserschneiden sowie eine CO₂-Laserschneidmaschine mit verbesserter Schneidgeschwindigkeit und/oder Schneidqualität beim Schneiden von Metallen bereitzustellen.
Gegenstand der Erfindung
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Verfahren der eingangs genannten Art, bei dem die Wellenlänge des Laserstrahls in Abhängigkeit von der Dicke des Werkstücks aus einem Intervall zwischen 9 μm und 12 μm ausgewählt wird und insbesondere einstellbar ist, wobei der Laserstrahl bei dem Verfahren typischer Weise senkrecht zur Oberfläche des Werkstücks ausgerichtet ist.
Die Erfinder haben erkannt, dass zum Erreichen einer möglichst hohen Absorption der Laserstrahlung beim Laserschneiden die Wellenlänge des Laserstrahls in Abhängigkeit von der Werkstückdicke wählbar bzw. einstellbar sein sollte, was durch die verschiedenen Rotations-Schwingungs-Übergänge des CO₂-Moleküls im oben angegebenen Wellenlängenbereich möglich ist. Die Erfindung nutzt hierbei die Verschiebung des Winkels, unter dem für p-polarisierte Strahlung maximale Absorption an der Metalloberfläche, auf der sich ein dünner Film geschmolzenen Metalls befindet, auftritt, durch die Änderung der Wellenlänge der Laserstrahlung, um abhängig von der Werkstückdicke und der Schneidgeschwindigkeit und damit vom Schneidfrontwinkel die Wellenlänge des Laserstrahls so einzustellen, dass die Einkopplung der Laserstrahlung in das Werkstück möglichst groß wird. Mit Hilfe des erfindungsgemäßen Verfahrens ist es daher möglich, metallische Werkstücke auch bei großer Werkstückdicke mit größtmöglicher Geschwindigkeit zu schneiden.
In einer vorteilhaften Variante wird mit zunehmender Dicke des Werkstücks eine größere Wellenlänge für den Laserstrahl ausgewählt. Je größer die Dicke des Werkstücks, desto größer ist in der Regel der zum vollständigen Durchtrennen des Werkstücks benötigte Schneidfrontwinkel, der idealerweise dem Winkel des Brewster-Maximums für die Absorption von p-polarisierter Strahlung an dem Werkstück entsprechen soll, der mit größer werdenden Wellenlängen des Laserstrahls zunimmt.
In einer besonders bevorzugten Variante werden Werkstücke mit einer Dicke größer als 6 mm mit einer insbesondere konstanten Wellenlänge λ₃ von mehr als 11 μm geschnitten. Es hat sich gezeigt, dass sich insbesondere bei Werkstücken mit hoher Dicke die Verwendung einer Wellenlänge von mehr als 11 μm, bevorzugt von mehr als 11,2 μm, besonders günstig auf das Schneidergebnis auswirkt.
Bevorzugt werden Werkstücke mit einer Dicke kleiner als 2 mm mit einer Wellenlänge kleiner als 9,3 μm und Werkstücke mit einer Dicke zwischen 2 mm und 6 mm mit einer Wellenlänge zwischen 9,3 μm und 11 μm geschnitten. Diese Wahl der Wellenlängen in Abhängigkeit von der Werkstückdicke hat sich als besonders vorteilhaft herausgestellt.
Besonders bevorzugt wird die Wellenlänge des Laserstrahls so gewählt, dass der Scheidfrontwinkel am Werkstück im Wesentlichen dem Winkel des Brewster-Maximums für p-polarisierte Laserstrahlung an der geschmolzenen Metalloberfläche bei dieser Wellenlänge entspricht. Abhängig von der Werkstückdicke und damit vom Schneidfrontwinkel wird die Wellenlänge des CO₂-Laserstrahls hierbei derart eingestellt, dass der Winkel für die maximale Absorption von p-polarisiertem Licht dem Einfallswinkel des Laserstrahls auf der Schneidfront und damit auch dem Schneidfrontwinkel entspricht oder möglichst nahe bei diesem liegt. Unter einem im Wesentlichen dem Winkel des Brewster-Maximums entsprechenden Schneidfront- Winkel wird hierbei ein Schneidfrontwinkel verstanden, der vom Winkel des Brewster-Maximums um einen Betrag von höchstens ca. 10° abweicht.
In einer bevorzugten Variante wird der Laserstrahl radial polarisiert. Bei radialer Polarisation trifft die Laserstrahlung in jedem Punkt p-polarisiert auf die im Wesentlichen zylinderförmige Schneidfront im Werkstück, so dass die Anpassung der Laserwellenlänge an den Schneidfrontwinkel in diesem Fall zu einer besonders wirkungsvollen Erhöhung der Absorption führt. Die radiale Polarisation kann hierbei durch optische Elemente außerhalb des Laserresonators erzeugt werden, bevorzugt ist es aber, die radiale Polarisation direkt im Laserresonator selbst zu erzeugen. Ein Laserresonator mit einer Polarisator-Einrichtung zur Erzeugung radial oder azimutal polarisierter Laserstrahlung ist durch den Artikel „Optical Elements of a Laser Cavity for the Production of a Beam with Axially Symmetric Polarization" von Goncharskii et al., Optics and Spectroscopy Vol. 89, Nr. 1, 2000, Seiten 146–149, bekannt geworden. Die Erzeugung radial oder azimutal polarisierter Laserstrahlung in einem Laserresonator kann daneben auch durch Polarisator-Einrichtungen wie bspw. in der US 6,680,799 B1 , der DE 10 2004 042 748 A1 , der US 6,191,890 B1 oder der DE 10 2007 033 567 der Anmelderin beschrieben ausgeführt sein, welche allesamt bezüglich dieses Aspekts durch Bezugnahme zum Inhalt dieser Anmeldung gemacht werden.
Bevorzugt wird die Wellenlänge des Laserstrahls durch Verkippen eines Gitterspiegels im Laserresonator ausgewählt, der insbesondere als Rückspiegel des Laserresonators ausgebildet ist. Auf diese Weise wird eine schnelle und kontinuierliche Verstellung der Wellenlänge ermöglicht. Der Gitterspiegel kann ein sogenanntes Blazegitter sein, dessen Ausrichtung im Laserresonator variiert wird, wie von Rüdiger Paul in „Messungen an einem HF-angeregten CO2-Laser mit Gitterresonator", Kurzbericht des Instituts für Strahlwerkzeuge, Mai 1989, dargestellt ist, bei dem durch Verkippen des Beugungsgitters Lasertätigkeit bei 11 verschiedenen Wellenlängen zwischen 9,43 μm und 9,59 μm nachgewiesen wurde. Auch kann durch Einbringen eines Beugungsgitters in einen Ringresonator eine Einstellung der Wellenlänge eines CO₂-Lasers in einem Bereich zwischen 9,7 μm und 10,6 μm erfolgen, wie in der US 3,691,477 beschrieben ist, welche bezüglich dieses Aspekts zum Inhalt dieser Anmeldung gemacht wird.
In einer besonders vorteilhaften Variante wird zum Auswählen der Wellenlänge des Laserstrahls wenigstens ein optisches Element im Strahlengang des Laserresonators entfernt oder gegen ein anderes optisches Element ausgetauscht. Die Verstellung der Wellenlänge am Laserresonator kann durch Auswechseln von unterschiedlich beschichteten optischen Elementen erfolgen, wobei das für die gewünschte Wellenlänge passend beschichtete optische Element in den Strahlengang eingebracht wird, wobei ggf. gleichzeitig ein zu einer anderen Wellenlänge gehöriges, typischer Weise reflektives optisches Element aus dem Strahlengang entfernt wird. Eine konstruktiv einfachere Variante zur digitalen (schrittweise) Auswahl zwischen zwei oder mehreren Wellenlängen ist möglich, indem zwei oder mehr Rückspiegel im Laserresonator angeordnet werden, die entweder durch direktes Einschwenken in den Strahlengang oder auch durch Verstellen von Strahlweichen auswählbar sind.
Zur Beeinflussung der Wellenlänge des Laserstrahls, insbesondere für Wellenlängen größer als 11 μm, kann an Stelle von C¹²O₂ das Dioxid des C13-Isotops von Kohlenstoff als laseraktives Gas im Laserresonator verwendet werden. C¹³O₂ weist Rotations-Schwingungs-Übergänge bei größeren Wellenlängen auf als C¹²O₂. Aus Kostengründen ist diese Verfahrensvariante in der Regel nur mit Laserresonatoren realisierbar, die ohne Gasaustausch (”sealed off”) betrieben werden. Es versteht sich aber, dass Laserstrahlung mit Wellenlängen von mehr als 11 μm auch mit herkömmlichem Kohlendioxid als laseraktivem Gas erzeugt werden kann.
In einer Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird die Temperatur des Werkstücks insbesondere durch induktives Vorwärmen vor dem Laserschneiden erhöht. Zusätzlich zur Wellenlängenverstellung kann so eine Temperaturverstellung bzw. Temperaturregelung am Werkstück vorgenommen werden. Auch die Temperatur im Schnittspalt beeinflusst die Lage der Absorptionskurve der Laserstrahlung und die absolute Größe der Absorption. Für den Wellenlängenbereich des CO₂-Lasers nimmt die Absorption mit der Temperatur von flüssigem Eisen oder Aluminium, das den Strahl absorbiert, zu, so dass ein Vorwärmen auf Temperaturen von mindestens 80°C oder darüber sich günstig auf die Absorption auswirkt.
Die Erfindung ist auch verwirklicht in einer CO₂-Laserschneidmaschine der eingangs genannten Art mit einem Laserresonator, der zur Einstellung der Wellenlänge des CO₂-Laserstrahls ausgelegt ist, und mit einer Steuerungseinrichtung, die ausgebildet ist, die Wellenlänge des Laserstrahls in Abhängigkeit von der Dicke des zu schneidenden Werkstücks aus einem Intervall zwischen 9 μm und 12 μm auszuwählen. Es versteht sich, dass der CO₂-Laserresonator nicht zwingend zur Erzeugung von Laserstrahlung in dem gesamten Intervall zwischen 9 μm und 12 μm ausgelegt sein muss, sondern dass ggf. auch die Einstellbarkeit von zwei oder drei Wellenlängen genügt, um die Qualität des Laserschneidens stark zu verbessern.
Bevorzugt ist die Steuerungseinrichtung ausgelegt, um für das Schneiden von metallischen Werkstücken mit einer Dicke von mehr als 6 mm eine Wellenlänge von mehr als 11 μm auszuwählen. Insbesondere bei dicken Werkstücken lässt sich die Schneidgeschwindigkeit erheblich steigern, wenn hohe Wellenlängen für die Laserstrahlung gewählt werden. Die Verwendung von CO₂-Laserstrahlung mit Wellenlängen von 11 μm oder mehr ist zwar ungewöhnlich, aber aufgrund der Ausdehnung des Rotations-Schwingungs-Spektrums in diesen Wellenlängenbereich möglich und für die vorliegende Anwendung besonders günstig.
Bei einer vorteilhaften Ausführungsform weist der Laserresonator für die Einstellung der Wellenlänge eine Bewegungseinrichtung auf, die zur Bewegung mindestens eines optischen Elements in dem Laserresonator ausgelegt ist. Die Bewegungseinrichtung kann hierbei insbesondere zur Verkippung oder Verschiebung eines Resonatorspiegels ausgelegt sein, welcher als Endspiegel ausgebildet ist, oder zur Bewegung mindestens eines z. B. als Strahlweiche dienenden Spiegelelements in- bzw. aus dem Strahlengang dienen.
Insgesamt kann durch die Einstellbarkeit der Wellenlänge die Qualität des Laserschneidens verbessert werden, auch ohne dass hierzu die senkrechte Ausrichtung des Laserstrahls zum Werkstück verändert werden muss. Somit kann die Laserschneidmaschine mit einer herkömmlichen Strahlführung ausgestattet werden, die den Laserstrahl senkrecht auf die Werkstückoberfläche ausrichtet, und es kann insbesondere auf eine Verkippung des Laserbearbeitungskopfs bezüglich des Werkstücks verzichtet werden.
Die Erfindung ist auch verwirklicht in einer CO₂-Laserschneidmaschine der eingangs genannten Art, deren Laserresonator ausgelegt ist, einen CO₂-Laserstrahl mit einer Wellenlänge von mehr als 11 μm zu erzeugen. Die erfindungsgemäße CO₂-Laserschneidmaschine kann auch gezielt ausgelegt sein, um metallische Werkstücke mit einer Dicke von mehr als 6 mm zu schneiden. In diesem Fall ist es ausreichend, wenn der Laserresonator Laserstrahlung mit einer festen Wellenlänge von mehr als 11 μm erzeugt, wozu bevorzugt im Laserresonator C¹³O₂ als laseraktives Gas eingebracht ist.
Weitere Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und der Zeichnung. Ebenso können die vorstehend genannten und die noch weiter aufgeführten Merkmale je für sich oder zu mehreren in beliebigen Kombinationen Verwendung finden. Die gezeigten und beschriebenen Ausführungsformen sind nicht als abschließende Aufzählung zu verstehen, sondern haben vielmehr beispielhaften Charakter für die Schilderung der Erfindung.
Es zeigen:
1 eine schematische Darstellung einer Ausführungsform einer erfindungsgemäßen CO₂-Laserschneidmaschine,
2a, b eine perspektivische Darstellung sowie eine Schnitt-Darstellung einer Schneidfront an einem Schnittspalt eines Werkstücks,
3a–c schematische Darstellungen von CO₂-Laserresonatoren zur Erzeugung eines Laserstrahls mit einstellbarer Wellenlänge,
4 die Reflektivität eines metallischen Werkstücks für s-polarisierte Strahlung sowie für p-polarisierte Strahlung in Abhängigkeit vom Einfallswinkel, und
5a, b jeweils einen Querschnitt eines Laserstrahls mit linearer und mit radialer Polarisation.
1 zeigt eine CO₂-Laserschneidmaschine 1 zum Laserschneiden mit einem CO₂-Laserresonator 2, einem Laserbearbeitungskopf 4 und einer Werkstückauflage 5. Ein von dem Laserresonator 2 erzeugter Laserstrahl 6 wird mittels einer Strahlführung 3 von (nicht gezeigten) Umlenkspiegeln zum Laserbearbeitungskopf 4 geführt und in diesem fokussiert sowie mit Hilfe von ebenfalls nicht bildlich dargestellten Spiegeln senkrecht zur Oberfläche 8a eines Werkstücks 8 ausgerichtet, d. h. die Strahlachse (optische Achse) des Laserstrahls 6 verläuft senkrecht zum Werkstück 8.
Zum Laserschneiden des Werkstücks 8 wird mit dem Laserstrahl 6 zunächst eingestochen, d. h. das Werkstück 8 wird an einer Stelle punktförmig aufgeschmolzen oder oxidiert und die hierbei entstehende Schmelze wird ausgeblasen. Nachfolgend wird der Laserstrahl 6 über das Werkstück 8 bewegt, so dass ein durchgängiger Schnittspalt 9 entsteht, an dem entlang der Laserstrahl 6 das Werkstück 8 durchtrennt.
Sowohl das Einstechen als auch das Laserschneiden können durch Hinzufügen eines Gases unterstützt werden. Als Schneidgase 10 können Sauerstoff, Stickstoff, Druckluft und/oder anwendungsspezifische Gase eingesetzt werden. Welches Gas letztendlich verwendet wird, ist davon abhängig, welche Materialien geschnitten und welche Qualitätsansprüche an das Werkstück gestellt werden. Entstehende Partikel und Gase können mithilfe einer Absaugeinrichtung 11 aus einer Absaugkammer 12 abgesaugt werden.
Das Werkstück 8 mit der Schnittfuge 9, das in 2a, b im Detail dargestellt ist, weist in dem Bereich, in dem der Laserstrahl 6 auf das Werkstück 8 auftrifft, eine im Wesentlichen zylindrische Schneidfront 13 auf, die sich entlang der Dicke d des Werkstücks 8 unter einem Schneidfrontwinkel α bezüglich der Werkstückoberfläche 8a erstreckt. Wie in 2b zu erkennen ist, stimmt hierbei der Schneidfrontwinkel α mit dem Einfallswinkel im Zentrum des fokussierten Laserstrahls 6 bezogen auf die Flächennormale der Schneidfront 13 überein.
Die CO₂-Laserschneidmaschine 1 weist hierbei die Besonderheit auf, dass die Wellenlänge des vom Laserresonator 2 erzeugten Laserstrahls 6 mit Hilfe einer Steu erungseinrichtung 14 einstellbar ist. Der Steuerungseinrichtung 14, welche auch weitere Steuerungsaufgaben der Laserschneidmaschine 1 übernimmt, ist hierbei die Dicke d des zu bearbeitenden metallischen Werkstücks 8 bereits bekannt, um Bearbeitungsparameter wie z. B. eine geeignete Fokuslage einzustellen. In Abhängigkeit von der Dicke d des zu schneidenden Werkstücks 8 wählt die Steuerungseinrichtung 14 eine Wellenlänge für den Laserstrahl 6 aus und übermittelt die Information über die gewünschte Wellenlänge an den Laserresonator 2, um diesen geeignet einzustellen.
Je größer die Dicke d des Werkstücks 8 ist, desto größer ist in der Regel der zum vollständigen Durchtrennen des Werkstücks 8 benötigte Schneidfrontwinkel, der idealeweise dem Winkel des Brewster-Maximums für die Absorption von p-polarisierter Strahlung an der geschmolzenen Metalloberfläche entsprechen sollte, um eine möglichst hohe Einkopplung der Laserstrahlung in das Werkstück 8 zu erhalten. Da der Winkel des Brewster-Maximums von metallischen Werkstücken mit größer werdenden Wellenlängen zunimmt, wählt die Steuerungseinrichtung 14 mit zunehmender Dicke d des Werkstücks 8 größere Wellenlängen für den Laserstrahl 6 aus und stellt diese am Laserresonator 2 ein.
Verschiedene Möglichkeiten für die Einstellung unterschiedlicher Wellenlängen in dem mit (nicht gezeigtem) CO₂-Gas gefüllten Laserresonator 2 werden im Folgenden anhand der 3a–c dargestellt. Die 3a und 3b zeigen den Laserresonator 2 mit jeweils drei hochreflektierenden Endspiegeln 15a–c und einem teildurchlässigen Auskoppelspiegel 16. Bei dem in 3a gezeigten Laserresonator 2 sind im Strahlengang 17 zwischen den Endspiegeln 15a–c und dem Auskoppelspiegel 16 zwei Faltungsspiegel 18, 19 angeordnet, die unter einem Einfallswinkel von jeweils 45° betrieben werden. Der dritte Endspiegel 15c im Laserresonator 2 ist ortsfest angeordnet, der erste und zweite Endspiegel 15a, 15b sind mit einer durch Pfeile angedeuteten Bewegungseinrichtung 20 in Form eines Stellantriebs linear verschiebbar und können wahlweise aus dem Strahlengang 17 herausgefahren oder in diesen hinein bewegt werden. Sind die beiden beweglichen Endspiegel 15a, 15b in einer Position außerhalb des Strahlengangs 17 angeordnet, trifft die Laserstrahlung auf den dritten Endspiegel 15c, der eine Beschichtung aufweist, die dazu führt, dass im Laserresonator 2 ein Laserstrahl 6 mit einer dritten Wellenlänge λ₃ von 11,2 μm erzeugt wird. Wird der zweite Endspiegel 15b in den Strahlengang 17 eingebracht, wird ein Laserstrahl 6 mit einer zweiten Wellenlänge λ₂ von 10,6 μm erzeugt, und entsprechend bildet sich beim Einbringen des ersten Endspiegels 15a in den Strahlengang 17 ein Laserstrahl 6 mit einer ersten Wellenlänge λ₁ von 9,28 μm aus.
Der in 3b dargestellte Laserresonator 2 unterscheidet sich von dem in 3a gezeigten Laserresonator 2 dadurch, dass zwei wahlweise in den bzw. aus dem Strahlengang bewegbare Faltungsspiegel 18a, 18b als Strahlweichen vorgesehen sind, die, wie oben im Zusammenhang mit 3a dargestellt ist, durch Verschieben mittels einer Bewegungseinrichtung 20 in Form eines Stellantriebs dazu verwendet werden können, einen von drei unterschiedlich beschichteten Endspiegeln 15a–c zur Erzeugung des Laserstrahls 6 auszuwählen.
Wie oben dargestellt ist, steuert die Steuerungseinrichtung 14 die in 3a, b gezeigten Laserresonatoren 2 bzw. deren Bewegungseinrichtungen 20 derart an, dass bei einer jeweiligen Dicke des Werkstücks 8 die geeignete Wellenlänge ausgewählt wird. Metallische Werkstücke mit einer Dicke kleiner als 2 mm werden hierbei mit der ersten Wellenlänge λ₁ von 9,28 μm, Werkstücke mit einer Dicke zwischen 2 mm und 6 mm mit der zweiten Wellenlänge λ₂ von 10,6 μm und Werkstücke mit einer Dicke größer als 6 mm mit einer dritten Wellenlänge λ₃ von 11,2 μm geschnitten. Es versteht sich, dass der Laserresonator 2 auf die oben beschriebene oder eine geeignet abgewandelte Weise auch derart ausgelegt werden kann, dass lediglich zwei Wellenlängen einstellbar sind. Alternativ ist es selbstverständlich auch möglich, eine größere Anzahl von beweglichen optischen Elementen in dem Laserresonator vorzusehen, um zwischen mehr als drei diskreten Wellenlängen auszuwählen.
Schließlich ist es auch möglich, gezielt für das Schneiden von dicken Werkstücken eine CO₂-Laserschneidmaschine 1 vorzusehen, deren Laserresonator 2 CO₂-Laserstrahlung 6 mit einer festen Wellenlänge λ₃ von mehr als 11 μm erzeugt, wozu C¹³O₂ als laseraktives Gas in den Laserresonator 2 eingebracht werden kann, da dessen Rotations-Schwingungs-Übergänge im Vergleich zu herkömmlichem Kohlendioxid (C¹²O₂) bei größeren Wellenlängen liegen. Hierbei kann auch vollständig auf die Einstellbarkeit der Wellenlänge verzichtet werden.
Bei dem in 3c gezeigten Laserresonator 2 kann die Wellenlänge λ_var kontinuierlich durchgestimmt werden, indem ein Endspiegel 15d, welcher als Gitterspiegel mit Beugungsstrukturen ausgelegt ist, mittels einer Bewegungseinrichtung 20a verkippt wird. Auf diese Weise kann eine schnelle Anpassung der Wellenlänge λ_var an die Dicke des Werkstücks 8 erfolgen, wobei aufgrund der kontinuierlichen Durchstimmbarkeit der Wellenlänge λ_var regelbar eine gute Annäherung des Winkels des Brewster-Maximums an den Schneidfrontwinkel α erreicht werden kann.
Für eine optimale Einkopplung des Laserstrahls 6 in das Werkstück 8 ist es weiterhin günstig, wenn der Laserstrahl p-polarisiert auf die Schneidfront 13 auftrifft, wie anhand von 4 zu erkennen ist, in der beispielhaft zwei Absorptionskurven 21a, 21b für s-polarisierte und für p-polarisierte Laserstrahlung an der Oberfläche von flüssigem Eisen in Abhängigkeit vom Einfallswinkel α gezeigt sind. S-polarisierte Laserstrahlung ist hierbei senkrecht zur Einfallsebene ausgerichtet, die durch den einfallenden und reflektierten Laserstrahl gebildet wird, p-polarisierte Laserstrahlung parallel zur Einfallsebene. Wie in 4 ebenfalls zu erkennen, weist lediglich die Absorptionskurve 21b der p-polarisierten Laserstrahlung ein Maximum bei einem auch als Brewster-Winkel α_B bezeichneten Einfallswinkel auf.
Daher ist es günstig, wenn die auf das Werkstück 8 auftreffende Laserstrahlung an jedem Punkt der Schneidfront 13 p-polarisiert ist, da für diesen Fall eine besonders hohe Absorption erzielt werden kann. Die für gewöhnlich in Laserresonatoren erzeugte Laserstrahlung ist jedoch unpolarisiert oder linear polarisiert. Linear polarisierte Laserstrahlung weist eine identische Ausrichtung des elektrischen Feldstärkevektors, welche auch als Polarisationsrichtung E_y bezeichnet wird, über den gesamten Strahlquerschnitt 22 auf und hat keine Komponente des elektrischen Feldstärkevektors in einer dazu senkrechten Polarisationsrichtung E_x, wie in 5a gezeigt ist. Durch einen Phasenschieber in der Strahlführung 3 wird die linear polarisierte Laserstrahlung üblicherweise in zirkular polarisierte Strahlung umgewandelt. Bei zirkular polarisierter Strahlung ist der elektrische Feldstärkevektor zeitlich gemittelt über alle Raumrichtungen verteilt, so dass die bevorzugte p-Polarisation an der Schneidfront nur im zeitlichen Mittel auftritt.
Für die vorliegende Anwendung ist es hingegen vorteilhaft, wenn der Laserstrahl 6 radial polarisiert ist, wie in 5b gezeigt ist. In diesem Fall ist der Laserstrahl 6 lokal linear polarisiert, weist aber über den Strahlquerschnitt 22 hinweg eine radiale Polarisationsverteilung auf, d. h. der elektrische Feldstärkevektor Er verläuft an jedem Punkt in radialer Richtung. Der in 5b gezeigte, radial polarisierte Laserstrahl 6 trifft daher immer p-polarisiert auf die zylindrische Schneidfront 13, wodurch eine besonders wirkungsvolle Erhöhung der Absorption gewährleistet werden kann.
Zur Erzeugung radialer Polarisation in der CO₂-Laserschneidmaschine 1 bestehen unterschiedliche Möglichkeiten. Einerseits kann ein optisches Element in die Strahlführung 3 eingebracht werden, welches eine lokal unterschiedliche Drehung des Feldstärkevektors bewirkt. Besonders günstig ist es jedoch, wenn die gewünschte radiale Polarisation schon im Laserresonator 2 erzeugt wird. Dies ist möglich, indem dort phasenschiebende Elemente, insbesondere in Form von Gittern angebracht werden, die dazu führen, dass sich nur Lasermoden mit radialer Polarisation in dem Laserresonator 2 ausbilden. Die Gitter können hierbei beispielsweise wie in der US 6,680,799 B1 , der DE 10 2004 042 748 A1 , der US 6,191,890 B1 , der DE 10 2007 033 567 oder dem eingangs zitierten Artikel von Goncharski et al. beschrieben ausgeführt sein.
Weiterhin kann durch Vorwärmen des Werkstücks 8 vor dem Laserschneiden – insbesondere durch induktives Vorwärmen – die Temperatur im Schnittspalt beeinflusst werden, welche ebenfalls die Lage der Absorptionskurve der Laserstrahlung und die absolute Größe der Absorption beeinflusst. Für den Wellenlängenbereich des CO₂-Lasers zwischen ca. 9 μm und 12 μm nimmt die Absorption mit der Temperatur von flüssigem Eisen oder Aluminium als Werkstück 8 zu, so dass ein Vorwärmen des Werkstückes bei diesen Materialien sich günstig auf die Einkopplung des Laserstrahls auswirkt.
Zusammengefasst kann durch die oben beschriebenen Maßnahmen die Einkopplung der Laserleistung in das Werkstück gesteigert werden, so dass metallische Werkstücke auch bei großer Werkstückdicke mit größtmöglicher Geschwindigkeit und/oder Schneidqualität geschnitten werden können.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- EP 1736272 B1 [0003]
- US 4547651 [0005]
- US 6680799 B1 [0013, 0044]
- DE 102004042748 A1 [0013, 0044]
- US 6191890 B1 [0013, 0044]
- DE 102007033567 [0013, 0044]
- US 3691477 [0014]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

- „Strahlwerkzeug Laser: Energieeinkopplung und Prozesseffektivität” von Dr. rer. nat. habil. Friedrich Dausinger, Univ. Stuttgart, Teubner, 1995, ISBN 3-519-06217-8 [0004]
- „Optical Elements of a Laser Cavity for the Production of a Beam with Axially Symmetric Polarization” von Goncharskii et al., Optics and Spectroscopy Vol. 89, Nr. 1, 2000, Seiten 146–149 [0013]
- „Messungen an einem HF-angeregten CO2-Laser mit Gitterresonator”, Kurzbericht des Instituts für Strahlwerkzeuge, Mai 1989 [0014]
- Goncharski et al. [0044]

Claims

Verfahren zum Laserschneiden eines metallischen Werkstücks (8), das insbesondere aus Eisen, Eisen-Legierungen oder Aluminium besteht, mittels eines CO₂-Laserstrahls (6), dadurch gekennzeichnet, dass die Wellenlänge (λ₁, λ₂, λ₃, λ_var) des Laserstrahls (6) in Abhängigkeit von der Dicke (d) des Werkstücks (8) aus einem Intervall zwischen 9 μm und 12 μm ausgewählt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die Wellenlänge (λ₁, λ₂, λ₃, λ_var) des Laserstrahls (6) einstellbar ist.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei dem mit zunehmender Dicke (d) des Werkstücks (8) eine größere Wellenlänge (λ₁, λ₂, λ₃, λ_var) für den Laserstrahl (6) ausgewählt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem Werkstücke mit einer Dicke (d) größer als 6 mm mit einer insbesondere konstanten Wellenlänge (λ₃) von mehr als 11 μm geschnitten werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem Werkstücke (8) mit einer Dicke (d) kleiner als 2 mm mit einer Wellenlänge (λ₁) von kleiner als 9,3 μm, und Werkstücke mit einer Dicke (d) zwischen 2 mm und 6 mm mit einer Wellenlänge (λ₂) zwischen 9,3 μm und 11,0 μm geschnitten werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Wellenlänge (λ₁, λ₂, λ₃, λ_var) des Laserstrahls (2) so gewählt wird, dass der Scheidfrontwinkel (α) am Werkstück (8) im Wesentlichen dem Winkel (α_B) des Brewster-Maximums für die Absorption von p-polarisierter Laserstrahlung an der geschmolzenen Metalloberfläche bei dieser Wellenlänge (λ₁, λ₂, λ₃, λ_var) entspricht.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem der Laserstrahl (6) radial polarisiert wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Wellenlänge (λ_var) des Laserstrahls (6) durch Verkippen eines Gitterspiegels (15d) im Laserresonator (2) ausgewählt wird, der insbesondere als Endspiegel des Laserresonators (2) ausgebildet ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, bei dem zum Auswählen der Wellenlänge (λ₁, λ₂, λ₃) des Laserstrahls (6) wenigstens ein optisches Element (15a–c) im Strahlengang (17) des Laserresonators (2) entfernt oder gegen ein anderes optisches Element (15a–c) ausgetauscht wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem C¹³O₂ als laseraktives Gas im Laserresonator (2) genutzt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Temperatur des Werkstücks (8) vor dem Laserschneiden erhöht wird, insbesondere durch induktives Vorwärmen.
CO₂-Laserschneidmaschine (1) zur Durchführung des Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche, die einen Laserresonator (2) zur Erzeugung eines CO₂-Laserstrahls (6) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass der Laserresonator (2) zur Einstellung der Wellenlänge (λ₁, λ₂, λ₃, λ_var) des Laserstrahls (6) ausgelegt ist, und dass die CO₂-Laserschneidmaschine (1) eine Steuerungseinrichtung (14) aufweist, die ausgebildet ist, die Wellenlänge des Laserstrahls (6) in Abhängigkeit von der Dicke (d) des zu schneidenden Werkstücks (8) aus einem Intervall zwischen 9 μm und 12 μm auszuwählen.
CO₂-Laserschneidmaschine nach Anspruch 12, bei der die Steuerungseinrichtung (14) ausgelegt ist, für das Schneiden von metallischen Werkstücken (8) mit einer Dicke (d) von mehr als 6 mm eine Wellenlänge (λ₃) von mehr als 11 μm auszuwählen.
CO₂-Laserschneidmaschine nach Anspruch 12 oder 13, bei welcher der Laserresonator (2) für die Einstellung der Wellenlänge (λ₁, λ₂, λ₃, λ_var) eine Bewegungseinrichtung (20, 20a) aufweist, die zur Bewegung mindestens eines optischen Elements (15a, 15b, 15d, 18a, 18b) in dem Laserresonator (2) ausgelegt ist.
CO₂-Laserschneidmaschine (1), die einen Laserresonator (2) zur Erzeugung eines CO₂-Laserstrahls (6) aufweist und die ausgelegt ist, metallische Werkstücke (8) mit einer Dicke (d) von mehr als 6 mm zu schneiden, dadurch gekennzeichnet, dass der Laserresonator (2) ausgelegt ist, einen CO₂-Laserstrahl (6) mit einer Wellenlänge (λ₃) von mehr als 11 μm zu erzeugen.
CO2-Laserschneidmaschine nach einem der Ansprüche 12 bis 15, bei der im Laserresonator (2) C¹³O₂ als laseraktives Gas enthalten ist.