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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Laserstrahlschrägschneiden
eines Werkstücks,
bei dem ein aus einer Schneidgasdüse austretender Überschall-Schneidgasstrom unter
einem Schrägschneidwinkel
zur Werkstückoberfläche ausgerichtet
wird, und bei dem das Werkstück
und der Laserschneidstrahl beim Laserstrahlschrägschneiden relativ zueinander
bewegt werden, wobei der Schrägschneidwinkel
rechtwinklig zu einer Vorschubrichtung verläuft. Die Erfindung betrifft
auch eine Laserbearbeitungsmaschine zum Laserstrahlschrägschneiden
eines Werkstücks,
umfassend: eine unter einem Schrägschneidwinkel
relativ zu einer Werkstückoberfläche ausrichtbare
Schneidgasdüse
zur Erzeugung eines Überschall-Schneidgasstroms, eine
Bewegungseinrichtung zur Bewegung des Werkstücks und des Laserschneidstrahls
relativ zueinander unter einem rechtwinklig zu einer Vorschubrichtung
verlaufenden Schrägschneidwinkel,
und einen Laserbearbeitungskopf zum Positionieren eines Laserschneidstrahls
an einer Position auf der Werkstückoberfläche.
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Um
zwei insbesondere rohrförmige
Werkstücke
unter Ausbildung eines Winkels von z. B. 90° miteinander zu verbinden, können diese
zunächst schräg unter
einem Winkel von 45° abgetrennt
und anschließend
an den Schnittkanten miteinander verschweißt werden. Für das Schweißen sollten
die Schnittkanten möglichst
flächig
aneinander anliegen, was jedoch nicht möglich ist, wenn der Laserschneidstrahl
während
des Schneidvorgangs senkrecht zur Flächennormalen der Werkstückoberfläche ausgerichtet
ist, da in diesem Fall beim Trennen verwundene Schnittflächen entstehen.
Um dies zu vermeiden, wird beim sog. Laserstrahlschrägschneiden
der Laserschneidstrahl und der das Laserschneiden unterstützende Überschall-Schneidgasstrom unter
einem Winkel zur Flächennormalen
geneigt, dem sog. Schrägschneidwinkel.
Wird der Schrägschneidwinkel während des
Schneidprozesses variiert, kann auch bei einem schrägen Schnitt
an einem Rohr eine plane Schnittfläche erzeugt werden, so dass
das Verschweißen
der Schnittkanten wesentlich vereinfacht wird. Es versteht sich,
dass das Schrägschneiden nicht
nur an rohrförmigen,
sondern auch insbesondere an dicken, plattenförmigen Werkstücken vorgenommen
werden kann, um diese an den beim Schrägschneiden gebildeten, schrägen Schnittkanten
leichter miteinander verschweißen
zu können.
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Der
oben beschriebene Laserstrahlschrägschneidprozess ist aber bis
jetzt noch keineswegs beherrscht, d. h. es muss mit deutlichen Vorschubsreduzierungen
(bei einem Schrägschneidwinkel
von 45° bis
zu 70%) und deutlichen Qualitätseinbußen gegenüber dem
konventionellen Laserstrahlschneiden mit senkrecht zur Werkstückoberfläche ausgerichtetem
Laserschneidstrahl gerechnet werden. Insbesondere wiesen die beim
Laserstrahlschrägschneiden
erzeugten Schnittkanten in Abhängigkeit vom
Schrägschneidwinkel
unterschiedliche Oberflächenguten
auf, wobei an einer Schnittkante eine starke Gratbildung, an der
anderen Schnittkante eine raue Oberflächenstruktur zu beobachten
ist.
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Aus
dem Artikel „Melt
Expulsion by a Coaxial Gas Jet in Trepanning of CMSX-4 with Microsecond Nd:YAG
Laser Radiation" von
J. Willach et al., Proceedings of the SPIE, Vol. 5063, pp. 435–440, ist
es bekannt, beim Trepanieren von Mikrobohrungen in Turbinenschaufeln
den unter einem Schrägschneidwinkel
zum Werkstück
ausgerichteten Laserschneidstrahl und den parallel zu diesem ausgerichteten Überschall-Schneidgasstrom
bzw. die Schneidgasdüse
lateral zueinander zu ver schieben, um den Stagnationspunkt bzw.
das Hochdruckgebiet des Überschall-Schneidgasstroms
unmittelbar über
der Bohrung zu positionieren. Auf diese Weise soll verhindert werden,
dass der Gasdruck und die Dicke der erstarrten Schmelze periodisch
entlang der Wand der Bohrung variieren, wie dies bei koaxialer Ausrichtung
von Gasströmung
und Laserstrahlachse der Fall ist. Durch den Lateralversatz sollen
diese Oszillationen unterbunden und ein erhöhter Gasfluss durch die Bohrung
und damit ein leichterer Austritt der Schmelze an der Unterseite
der Bohrung erreicht werden. Um eine durch Trepanieren erhaltene
Bohrung zu vergrößern, wird
eine weitere Bohrung mit Überlappung
daneben platziert, wobei sich Überlappungen zwischen
den Bohrungen im Bereich zwischen 50% und 80% als besonders günstig ergeben
haben.
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Die
JP 05 057 470 A beschreibt
ein Verfahren zum Laserstrahlschneiden eines Werkstücks, bei dem
ein aus einer Schneidgasdüse
austretender Schneidgasstrom unter einem Schrägschneidwinkel zur Oberfläche des
Werkstücks
ausgerichtet wird und bei dem das Werkstück und ein Laserschneidstrahl relativ
zueinander bewegt werden. In einer Ausführung des dort beschriebenen
Verfahrens wird eine optische Achse des Laserschneidstrahls gegenüber dem
Zentrum der Schneidgasdüse
in Richtung auf das Werkstück
hin verschoben.
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Aufgabe der Erfindung
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Es
ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zum Laserstrahlschrägschneiden
sowie eine Laserbearbeitungsmaschine zur Durchführung des Verfahrens dahingehend
weiterzubilden, dass ein qualitativ hochwertiger Schnitt bei hohen
Vorschubgeschwindigkeiten ermöglicht
wird.
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Gegenstand der Erfindung
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Diese
Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch
ein Verfahren der eingangs genannten Art, bei dem während der
Relativbewegung die Position des Laserschneidstrahls auf der Werkstückoberfläche so eingestellt
wird, dass der Laserschneidstrahl in einem innerhalb des Überschall-Schneidgasstroms
gebildeten Hochdruckbereich auf die Werkstückoberfläche auftrifft. Die Position
des Hoch druckbereichs innerhalb des Überschall-Schneidgassfroms
ist hierbei vom sich ggf. während
des Laserschneidens verändernden
Schrägschneidwinkel
abhängig.
Der Hochdruckbereich und damit die Position des Laserschneidstrahls
auf der Werkstückoberfläche sind hierbei
für Winkel,
bei denen der Laserschneidstrahl nicht senkrecht zur Werkstückoberfläche ausgerichtet
ist, zur Düsenachse
der Schneidgasdüse,
welche dem Zentrum des Überschall-Schneidgasstroms
entspricht, versetzt.
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Die
Erfinder haben erkannt, dass ein Versatz zwischen Laserschneidstrahl
und Zentrum des Überschall-Schneidgasstroms
nicht nur bei der Erzeugung von Bohrungen (Trepanieren) günstig ist,
sondern auch beim Laserstrahlschrägschneiden, d. h. bei einer
Vorschubbewegung zwischen Werkstück und
Laserschneidstrahl, da in diesem Fall die Schneidgasdynamik den
limitierenden Faktor darstellt: Ein Großteil des Schneidgases strömt an der schräg zum Überschall-Schneidgasstrom
verlaufenden Werkstückoberfläche ab und
steht somit dem Schneidprozess nicht mehr zur Verfügung, weshalb das
hierbei erzeugte statische Druckniveau im Schnittspalt zu gering
ist.
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Durch
Erzeugen eines gewollten Versatzes (Exzentrizität) zwischen dem Laserschneidgasstrahl und
dem Zentrum des Überschall-Schneidgasstroms lässt sich
eine Verschiebung des Schnittspalts in einen strömungstechnisch günstigeren
Bereich erzielen. Die Verschiebung des Laserschneidstrahls bzw. des
Schnittspalts findet dabei rechtwinklig zur Vorschubrichtung und
um einen definierten Wert statt, der vom (variablen) Schrägschneidwinkel
abhängt. Die
auf diese Weise verbesserte Einkopplung des Überschall-Schneidgasstroms
in den Schnittspalt hat eine Steigerung des statischen Druckniveaus
im Schnittspalt um mehrere Größenordnungen
zur Folge. Beispielhafte numerische Strömungsberechnungen ergaben im
Vergleich zur bisherigen Verfahrensvariante eine Steigerung um ca.
350%. Eine Erhöhung
des statischen Druckniveaus im Schnittspalt hat nachweislich einen
verbesserten Schmelzaustrieb zur Folge, was wiederum eine Überhitzung
des Schnittspaltes aufgrund des Anstauens von Metallschmelze verhindert.
Das so optimierte Austriebsvermögen
der Schmelze kann daher direkt in eine Vorschubssteigerung umgewandelt
werden. Die maximal erreichten Vorschübe unterscheiden sich hierbei kaum
von den blechdickenabhängigen
Vorschüben, die
beim herkömmlichen
Laserstrahlschneiden erreicht werden können. Auch lassen sich an den Schnittkanten
auf beiden Seiten Kanten- und Oberflächenqualitäten erzeugen, die mit denjenigen
beim senkrechten Laserstrahlschneiden konkurrenzfähig sind.
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Die
Variation des Schrägschneidwinkels
ist hierbei insbesondere beim Schrägschneiden von Rohren erforderlich,
da zur Erzeugung einer ebenen Schnittfläche bei einem 45°-Abschnitt
an einem Rohr der Schrägschneidwinkel
senkrecht zur Vorschubrichtung z. B. zwischen – 45° und 45° variiert werden muss. Bei rechtwinkliger Ausrichtung
des Werkstücks
(Schrägschneidwinkel
0°) liegt
das Hochdruckgebiet auf dem Werkstück hierbei im Zentrum des Überschall-Schneidgasstroms,
bei nicht rechtwinkliger Ausrichtung weist die Position des Hochdruckgebiets
davon ab und variiert mit dem Schrägschneidwinkel, so dass die
Position des Laserstrahls auf dem Werkstück nachgeführt werden muss, um sicherzustellen,
dass der Laserstrahl während
des Schrägschneidens
im Hochdruckgebiet verbleibt.
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In
einer bevorzugten Variante wird zum Einstellen der Position des
Laserschneidstrahls während
des Laserstrahlschneidens der Abstand zwischen der Schneidgasdüse und dem
Werkstück
bestimmt. Der Abstand zwischen Schneidgasdüse und Werkstück ändert sich
in der Regel während
des Schrägschneidprozesses
mit der Veränderung
des Schrägschneidwinkels.
Da die Position des Hochdruckgebiets auf dem Werkstück auch
vom Abstand zwischen Schneidgasdüse
und Werkstück
abhängt, ist
es günstig,
den Abstand während
des Schrägschneidprozesses
möglichst
kontinuierlich zu erfassen und den erfassten Abstand zur Einstellung
bzw. Anpassung der Position des Laserschneidstrahls zu nutzen.
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In
einer vorteilhaften Weiterbildung wird zum Bestimmen des Abstands
die Kapazität
zwischen Schneidgasdüse
und Werkstück
gemessen, wobei der Einfluss des Schrägschneidwinkels auf die Kapazität bei der
Bestimmung des Abstands berücksichtigt
wird. Die kapazitive Messung des Abstandes zwischen Werkstück und Schneidgasdüse ist prinzipiell bekannt
und kann wie in der
EP
0 873 813 B1 oder der
EP 1 684 046 A1 der Anmelderin dargestellt
erfolgen, welche bezüglich
dieses Aspekts durch Bezugnahme zum Inhalt dieser Anmeldung gemacht werden.
Bei der Veränderung
des Schrägschneidwinkels
verändert
sich die Ausrichtung der Schneidgasdüse relativ zum Werkstück, was
eine Veränderung
der elektrischen Feldlinien zwischen Schneidgasdüse und Werkstück und damit
einhergehend eine Veränderung
der Kapazität
auch bei gleichem Abstand zur Folge hat. Die Veränderung der Kapazität mit dem
Schrägschneidwinkel
muss daher für
die Abstandsmessung berücksichtigt
werden, um zu einem jeweiligen Schrägschneidwinkel einen jeweils korrekten
Abstandswert zu erhalten.
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In
einer vorteilhaften Variante wird die Position des Laserschneidstrahls
in Abhängigkeit
vom Abstand a zwischen der Schneidgasdüse und der Werkstück oberfläche sowie
dem Durchmesser d der Düsenöffnung bestimmt.
Der Abstand e zwischen dem Zentrum des Überschall-Schneidgasstroms
und einem parallel zum Überschall-Schneidgasstrom
ausgerichteten Laserschneidstrahl, der in seiner idealen Schnittspaltposition
in der Mitte des Hochdruckgebietes angeordnet ist, lässt sich
in Abhängigkeit
der drei Parameter α,
a und d wie folgt bestimmen: e = sin(α)(a + (d/2)sin(α)),wie
weiter unten im Einzelnen dargestellt wird. Da der momentane Schrägschneidwinkel α, der Düsendurchmesser
d sowie der Abstand a (ggf. durch eine Abstandsmessung) der Maschinensteuerung
bekannt sind, kann eine Laserbearbeitungsmaschine, an der das Verfahren
durchgeführt
wird, die Exzentrizität
e selbst bestimmen und während
des Laserstrahlschrägschneidens
geeignet anpassen. Insbesondere können hierbei alle benötigten Größen im Maschinencode
der numerischen Steuerung („numerical
control") bereits
vorgegeben werden. Es versteht sich, dass unter dem Düsendurchmesser
nicht notwendiger Weise der Durchmesser einer kreisförmigen Düsenöffnung verstanden
wird, sondern dass ggf. auch Schneidgasdüsen mit anderen geometrischen
Formen, z. B. mit elliptischer Form der Düsenöffnung eingesetzt werden können. In
diesem Fall bezieht sich der Durchmesser der Düsenöffnung auf deren momentane
(maximale) Ausdehnung senkrecht zur Vorschubrichtung.
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In
einer bevorzugten Variante werden der Laserschneidstrahl und die
Düsenachse
der Schneidgasdüse
parallel ausgerichtet und die Position des Laserschneidstrahls auf
der Werkstückoberfläche wird
durch Verändern
des Abstands zwischen dem Laserschneidstrahl und der Düsenachse
eingestellt. Dies kann durch Verschieben des Linsenrohrs mit dem
Laserstrahl relativ zur (ortsfesten) Schneidgasdüse, durch Verschieben der Schneidgasdüse beim ortsfestem
Laserstrahl oder durch Überlagern
dieser beiden Bewegungen erfolgen. In jedem Fall kann zur Bestimmung
der Exzentrizität
e die obige Formel verwendet werden, wobei diese ggf. noch durch
das Hinzufügen
von (konstanten) Korrekturfaktoren an die konkreten Prozessbedingungen
angepasst werden kann.
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Bei
einer besonders vorteilhaften Variante werden der Laserschneidstrahl
und die Düsenachse der
Schneidgasdüse
nicht parallel ausgerichtet und bevorzugt wird die Position des
Laserschneidstrahls auf der Werkstückoberfläche durch winkelschiefe Fokussierung
des Laserschneidstrahls eingestellt. Die Erfinder haben erkannt,
dass es nicht zwingend erforderlich ist, den Laserschneidstrahl
parallel zur Düsenachse
auszurichten bzw. diesen als Ganzes lateral zur Düsenöffnung zu
verschieben, um einen Versatz auf der Werkstückoberfläche zu erzeugen. Vielmehr kann
der für
die vorliegende Anwendung erforderliche, verhältnismäßig geringe Strahlversatz z.
B. auch dadurch erreicht werden, dass der Laserschneidstrahl winkelschief
fokussiert wird, d. h. der Laserschneidstrahl trifft nicht wie sonst
im Wesentlichen senkrecht auf ein fokussierendes Element, sondern
seine optische Achse ist bezüglich
des fokussierenden Elements geneigt, so dass der Laserschneidstrahl
an dem fokussierenden Element umgelenkt wird und sich dadurch ebenfalls
eine laterale Verschiebung bezüglich
der Düsenachse
ergibt.
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In
einer bevorzugten Weiterbildung wird zur winkelschiefen Fokussierung
des Laserschneidstrahls ein fokussierendes Element und/oder ein
im Strahlengang des Laserschneidstrahls vor dem fokussierenden Element
angeordneter Umlenkspiegel verkippt. Eine relativ geringe Auslenkung
des Umlenkspiegels bzw. des fokussierenden (Linsen-)Elements ist
ausreichend, um eine vergleichsweise große Exzentrizität des Laserbearbeitungsstrahls
auf dem Werkstück
zu erreichen. Insbesondere bei der Verkippung des Umlenkspiegels
ist die Verstelleinrichtung hinreichend weit vom eigentlichen Prozess entfernt,
so dass dieser störungsunempfindlicher wird.
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In
einer besonders vorteilhaften Variante wird der Laserschneidstrahl
in einem Abstand von mehr als 50%, bevorzugt von mehr als 70% der
Dicke des Werkstücks
unterhalb der Werkstückoberseite fokussiert.
Die Erfinder haben herausgefunden, dass im Gegensatz zu herkömmlichen
Laserschneidprozessen, bei denen der Fokus auf der Werkstückoberfläche oder
im oberen Drittel bzw. der oberen Hälfte des Werkstücks fokussiert
wird, um einen trichterförmigen
Schnittspalt zu erhalten, bei der vorliegenden Anwendung eine Fokussierung
in der unteren Hälfte des
Werkstücks,
ggf. sogar noch unterhalb der Werkstückunterseite günstig ist,
um eine hohe Qualität
des Laserschneidprozesses zu gewährleisten.
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Als
Schneidgas kann ein inertes Gas, insbesondere Stickstoff gewählt werden.
Der Überschall-Schneidgasstrom
wird in der Regel mit inerten Gasen durchgeführt, d. h. ein zusätzlicher
Energieeintrag durch reaktive Gase wie z. B. Sauerstoff findet nicht
statt. Das Schneidgas steht hierbei unter einem hohen Druck von
mehr als 10 bar, typischer Weise ca. 15 bar, ggf. auch von 20 bar
oder mehr.
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Die
Erfindung ist auch verwirklicht in einer Laserbearbeitungsmaschine
der eingangs genannten Art, welche zusätzlich aufweist: eine Einstelleinrichtung
zum Einstellen der Position des Laserschneidstrahls auf der Werkstückoberfläche relativ zum Überschall-Schneidgasstrom,
sowie eine Steuerungseinrichtung, die ausgelegt ist, die Position
des Laserschneidstrahls auf der Werkstückoberfläche so einzustellen, dass der
Laserschneidstrahl bei der Relativbewegung in einem innerhalb des Überschall-Schneidgasstroms
gebildeten Hochdruckgebiet verbleibt. Die Laserberarbeitungsmaschine
kann insbesondere zum Laserstrahlschneiden von rohrförmigen Werkstücken ausgelegt
sein. Es versteht sich aber, dass ggf. auch ein Schrägschneiden
an anderen, insbesondere plattenförmigen Werkstücken erfolgen
kann, bei denen der Schrägschneidwinkel
ggf. während
des Laserstrahlschrägschneidens
konstant bleibt.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform
weist die Laserbearbeitungsmaschine eine Abstandsmesseinrichtung
zur Abstandsmessung zwischen der Schneidgasdüse und dem Werkstück auf.
Die Abstandsmessung kann z. B. optisch oder mechanisch erfolgen.
Mit Hilfe der Abstandsmesseinrichtung kann der Abstand so eingestellt
werden, dass er einerseits groß genug
ist, um das Berühren
der Schneidgasdüse
an dem Werkstück
bzw. an von diesem abstehenden Teilen zu verhindern, und andererseits
klein genug, um eine gute Einkopplung des Schneidgasstrahls in das
Werkstück
zu ermöglichen.
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In
einer besonders vorteilhaften Ausführungsform ist die Abstandsmesseinrichtung
ausgelegt, die Kapazität
zwischen der Schneidgasdüse und
dem Werkstück
zu messen und unter Berücksichtigung
des Einflusses des Schrägschneidwinkels auf
die Kapazität
den Abstand zwischen Schneidgasdüse
und Werkstückoberfläche zu bestimmen.
Zu diesem Zweck können
Kennlinien in der Abstandsmesseinrichtung hinterlegt werden, welche
den Zusammenhang zwischen Kapazität und Abstand bei einem jeweiligen
Schrägschneidwinkel
(z. B. bei 0°, 15°, 30°, 45° etc.) definieren.
Die Kennlinien können hierbei
durch Kalibrations-Messungen erhalten werden, bei denen der (bekannte)
Abstand zwischen Schneidgasdüse
und Werkstückoberfläche bei
festem Schrägschneidwinkel
variiert wird.
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In
einer besonders bevorzugten Ausführungsform
ist die Steuerungseinrichtung ausgelegt, die an den Schrägschneidwinkel
angepasste Position des Laserschneidstrahls in Abhängigkeit
vom Abstand zwischen der Schneidgasdüse und der Werkstückoberfläche sowie
dem Durchmesser der Düsenöffnung zu
bestimmen. Dies kann auf besonders einfache Weise durch die oben
angegebene Formel erfolgen.
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In
einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform umfasst die Einstelleinrichtung
eine Verschiebeeinrichtung zur Einstellung der Position des Laserschneidstrahls
auf der Werkstückoberfläche durch Verändern des
Abstands zwischen der Düsenachse der
Schneidgasdüse
und dem parallel zur Düsenachse
ausgerichteten Laserschneidstrahl. Als Verschiebeeinrichtung können z.
B. Linearmotoren dienen, welche am Laserbearbeitungskopf angebracht
sind und die Bewegung der Schneidgasdüse relativ zum Laserbearbeitungskopf
entlang einer typischer Weise senkrecht zur Düsenachse ausgerichteten Raumrichtung
ermöglichen.
Alternativ oder zusätzlich
kann auch das Linsenrohr bzw. können
optische Elemente, z. B. Umlenkspiegel, in der Strahlführung verschoben
oder verkippt werden, um die Position des Laserschneidstrahls in
der Düsenöffnung zu
verändern und
auf diese Weise einen Lateralversatz zwischen Düsenachse und Laserschneidstrahl
zu erreichen.
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In
einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform umfasst die Einstelleinrichtung
eine Verkippungseinrichtung zum Verkippen eines fokussierenden Elements
und/oder eines im Strahlengang des Laserschneidstrahls vor dem fokussierenden
Element angeordneten Umlenkspiegels, um die Position des Laserschneidstrahls
auf der Werkstückoberfläche durch
winkelschiefe Fokussierung einzustellen. Durch winkelschiefe Fokussierung
kann ebenfalls der Strahlversatz bzw. die Exzentrizität des Laserschneidstrahls
relativ zum Überschall-Schneidgasstrom
auf der Werkstückoberfläche eingestellt
werden, wobei in diesem Fall die Düsenachse der Schneidgasdüse und die
Strahlachse des Laserschneidstrahls nicht parallel zueinander verlaufen.
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Es
versteht sich, dass neben den oben aufgezeigten Möglichkeiten
zur Erzeugung eines lateralen Versatzes zwischen Laserschneidstrahl
und Überschall-Schneidgasstrom
noch weitere Möglichkeiten
bestehen, z. B. kann der Laserschneidstrahl exzentrisch durch eine
insbesondere nicht radialsymmetrische Düsenöffnung hindurch treten und
durch Drehen des Düsenkörpers ebenfalls
ein lateraler Versatz zwischen dem Laserbearbeitungsstrahl und dem Überschall-Schneidgasstrom
erzeugt werden.
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Die
Erfindung ist weiterhin verwirklicht in einem Computerprogrammprodukt,
welches Codemittel zum Erstellen eines Bearbeitungsprogramms aufweist,
das zum Durchführen
aller Schritte des oben beschriebenen Verfahrens angepasst ist,
wenn das Bearbeitungsprogramm auf der Steuerungseinrichtung der
Laserbearbeitungsmaschine abläuft.
Das Computerprogrammprodukt kann z. B. eine Diskette oder ein anderer
Datenträger
sein, auf dem ein Programmcode als Codemittel gespeichert ist, der
geeignet ist, das Bearbeitungsprogramm anhand von durch einen Benutzer über eine
geeignete Bedienoberfläche
vorgebbaren Angaben über
den gewünschten
Schrägschneidprozess
(Art des Werkstücks,
Art der Kontur, etc.) zu erstellen. Das Bearbeitungsprogramm kann
schon lange vor dem Bearbeiten des Werkstückes erstellt werden und erst
unmittelbar vor dem Bearbeiten mittels eines computerlesbaren Mediums
oder mittels einer anderen Form der Datenübertragung an die Steuerungseinrichtung übermittelt
werden.
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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.
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Es
zeigen:
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1a,
b eine schematische Darstellung eines rohrförmigen Werkstücks mit
einem 45°-Abschnitt
mit ebener Schnittfläche
(a) und einen erfindungsgemäßen Laserstrahlschrägschneidprozess zur
Erzeugung eines solchen Abschnitts mittels eines exzentrisch zu
einem Überschall-Schneidgasstrom ausgerichteten
Laserschneidstrahl,
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2a–c schematische
Darstellungen der elektrischen Feldstärke zwischen einem Werkstück und einer
Schneidgasdüse
bei einem Schrägschneidwinkel
von 0°,
30° bzw.
45°,
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3a,
b schematische Darstellungen von Teilbereichen einer erfindungsgemäßen Laserbearbeitungsmaschine
zur Bearbeitung von rohrförmigen bzw.
von plattenförmigen
Werkstücken,
und
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4a,
b schematische Darstellungen der winkelschiefen Fokussierung des
Laserschneidstrahls (a) sowie einer drehbaren Schneidgasdüse mit elliptischem
Querschnitt (b) jeweils zur Erzeugung eines lateralen Versatzes
zwischen Laserschneidstrahl und Überschall-Schneidgasstrom.
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1a zeigt
ein rohrförmiges
Werkstück 1, an
dem ein 45°-Abschnitt
mit einer ebenen Schnittfläche 1b gebildet
ist, welche mit einem weiteren (nicht gezeigten) rohrförmigen Werkstück mit ebener Schnittfläche unter
Bildung eines 90°-Winkels
entlang einer die Schnittflächen
verbindenden dünnen Schweißnaht verschweißt werden
kann. Um die ebene Schnittfläche 1b zu
erzeugen, ist es erforderlich, an dem rohrförmigen Werkstück 1 einen
Schrägschneidprozess
durchzuführen,
bei dem der Schrägschneidwinkel α (vgl. 1b)
im Bereich zwischen –45° und 45° variiert
wird, da bei einem herkömmlichen
Schneidprozess mit konstantem Schrägschneidwinkel α eine verwundene
Schnittfläche
an dem Werkstück 1 entstehen
würde.
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1b zeigt
eine Momentaufnahme eines solchen Laserstrahl-Schrägschneidprozesses
an dem rohrförmigen
Werkstück 1 bei
einem Schrägschneidwinkel α von ca. –20°, bei dem
ein Laserschneidstrahl 2 mit seiner Strahlachse 2a bezüglich der
Flächennormalen
auf die Werkstückoberfläche 1a ausgerichtet
ist. Parallel zum Laserschneidstrahl 2 ist die Düsenachse 3a einer
Schneidgasdüse 3 ausgerichtet,
aus der ein Überschall-Schneidgasstrom 4 austritt
und auf die Werkstückoberfläche 1a gerichtet
wird. Der Überschall-Schneidgasstrom 4 bildet
hierbei einen Hoch druckbereich 5 an der Werkstückoberfläche 1a aus,
der zur Düsenachse 3a der Schneidgasdüse 3 versetzt
ist und dessen Lage bezüglich
der Düsenachse 3a neben
dem Schrägschneidwinkel α auch vom
Durchmesser d der Schneidgasdüse 3 und
dem Abstand a zwischen dem Rand der Düsenöffnung 3b der Schneidgasdüse 3 und
der Werkstückoberfläche 1a abhängt.
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Um
den Laserschneidstrahl 2 im Hochdruckbereich 5 auf
der Werkstückoberfläche 1a zu
positionieren, wird die Strahlachse 2a des Laserschneidstrahls 2 und
damit auch die Schnittfuge 1c bei dem Laserstrahlschrägschneidprozess
um einen Abstand (Exzentriziät)
e zur Düsenachse 3a versetzt.
Zur Bestimmung der Exzentrizität
e in Abhängigkeit
von den Parametern α,
d und a wird im Folgenden ein einfaches geometrisches Modell verwendet,
welches auf dem Impulserhaltungssatz basiert: Der höchste Druck
und damit die Mitte des Hochdruckgebiets 5 befinden sich
dort, wo die Atome des Überschall-Schneidgasstroms 4 im
Wesentlichen senkrecht auf die Werkstückoberfläche 1a auftreffen. Geht
man davon aus, dass die Gasmoleküle
annähernd
konzentrisch aus der Düsenöffnung 3b austreten,
so ist diese Position P festgelegt durch denjenigen Punkt auf der
Werkstückoberfläche 1a,
welcher direkt unterhalb des Mittelpunkts M der Düsenöffnung 3b und
um eine Länge
L von diesem beabstandet auf der Werkstückoberfläche 1a liegt.
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Wie
aus 1b unmittelbar zu ersehen ist, gilt: e = Lsin(α). Wie aus 1b ebenfalls
direkt abgelesen werden kann, gilt für die Länge L = a + d/2sin(α). Somit
ergibt sich insgesamt für
die Exzentrizität
zwischen Strahlachse 2a des Laserschneidstrahls 2 und
der Düsenachse 3a der
Laserbearbeitungsdüse 3 der
folgende Zusammenhang: e = sin(α)(a + (d/2)sin(α)).
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Aus
obiger Formel kann bei gegebenem, während des gesamten Schrägschneidens
konstantem Düsendurchmesser
d sowie dem vorgebbaren, variablen Abstand a zwischen Schneidgasdüse 3 und
Werkstückoberfläche 1a und
dem Schrägschneidwinkel α die Exzentrizität e bestimmt
werden, die eingestellt werden muss, damit der Laserschneidstrahl 2 im
Hochdruckgebiet 5 verbleibt, wenn das rohrförmige Werkstück 1 unter
Variation des Schrägschneidwinkels α entlang
einer Vorschubrichtung Y eines XYZ-Koordinatensystems gedreht wird,
wie in 1b durch einen Pfeil angedeutet
ist. Ein solcher Vorschub ist notwendig, damit an dem rohrförmigen Werkstück 1 der
in 1a gezeigte, 45°-Abschnitt erzeugt
werden kann. Bei der Variation des Schrägschneidwinkels α in X-Richtung,
d. h. rechtwinklig zur Vorschubrichtung Y in einem Bereich zwischen –45° und 45° muss die
Position P des Laserschneidstrahls 2 entsprechend nachgeführt werden,
damit der Laserschneidstrahl 2 im Hochdruckbereich 5 verbleibt.
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Hierzu
ist es günstig,
den Abstand a zwischen der Scheidgasdüse
3 und dem Werkstück
1 während des
Schrägschneidprozesses
zu überwachen
und ggf. zu regeln. Zu diesem Zweck kann wie in
2a–c gezeigt
eine kapazitive Abstandsmesseinrichtung
6 vorgesehen sein,
welche wie in der eingangs zitierten
EP 1 684 046 A1 oder der
EP 0 873 813 B1 ausgebildet
sein kann, und deren Funktionsweise hier nicht im Einzelnen beschrieben
wird. Die Abstandsmesseinrichtung
6 erzeugt eine Potentialdifferenz
zwischen dem metallischen Düsenkörper der
Schneidgasdüse
3 und
dem ebenfalls metallischen Werkstück
1, so dass sich
zwischen beiden ein elektrisches Feld E ausbildet, dessen Feldlinien
in
2a–c
für Schrägschneidwinkel α von 0°, 30° und 45° gezeigt
sind. In Abhängigkeit
von der Kapazität, die
zwischen der Schneidgasdüse
3 und
dem metallischen Werkstück
1 gemessen
wird, verändert
sich die Lage der Feldlinien E und somit die Kapazität zwischen
Werkstück
1 und
Schneidgasdüse
3.
Um den Zusammenhang zwischen Kapazität und Abstand a bei gegebenem
Schrägschneidwinkel α zu ermitteln, kann
z. B. bei den drei in
2a–c gezeigten Schrägschneidwinkeln α jeweils
eine Kapazitätsmessung bei
variablem, bekanntem Abstand vorgenommen werden, um Kennlinien für den Abstand
in Abhängigkeit
von der Kapazität
bei konstantem Schrägschneidwinkel
zu erhalten. Für
die Abstandsmessung bei Schrägschneidwinkeln α, für die keine
solche Kennlinie bestimmt wurde, kann zwischen den bekannten Kennlinien
interpoliert werden. Der kapazitiv gemessene Abstand a' wird hierbei zwischen
der Außenkante
der Schneidgasdüse
3 und
dem Werkstück
1 bestimmt,
wohingegen der in
1b gezeigte Abstand a zwischen
der Kante der Düsenöffnung
3b und
dem Werkstück
1 definiert
ist. Es versteht sich, dass bei bekannter Düsengeometrie der Schneidgasdüse
3 in
der Abstandsmesseinrichtung
6 eine Umrechnung des kapazitiv
gemessenen Abstands a' in
den Abstand a zwischen der Kante der Düsen öffnung
3a und dem
Werkstück
1 erfolgen kann,
um letzteren in die oben angegebene Formel einzusetzen.
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Wie
in 2a–c
ebenfalls zu erkennen ist, wird die Strahlachse 2a des
Laserschneidstrahls 2 bei den unterschiedlichen Schrägschneidwinkeln α in unterschiedlichem
Abstand e zur Düsenachse 3a ausgerichtet,
um den Schneidgasstrahl 2 im Hochdruckgebiet 5 zu
halten. Weiterhin wird der Laserschneidstrahl 2 nicht auf
der Werkstückoberfläche 1a fokussiert,
sondern darunter, und zwar in einem Abstand von mehr als 50% der
Dicke d des Werkstücks 1 von
dessen Werkstückoberseite 1a.
Durch eine solche Fokussierung kann die Qualität der Schnittkanten beim Schrägschneiden
zusätzlich
gesteigert werden. Die Fokussierung kann hierbei auch in einem Abstand
von mehr als 70% der Dicke des Werkstücks 1 von der Werkstückoberseite 1a erfolgen;
abhängig von
den Prozessbedingungen kann der Laserschneidstrahl 2 auch
unterhalb der Unterseite des Werkstücks 1 fokussiert werden.
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3a zeigt
einen Ausschnitt einer Laserbearbeitungsmaschine 7, welche
zur Durchführung
des oben beschriebenen Verfahrens an dem rohrförmigen Werkstück 1 ausgelegt
ist. In der Laserbearbeitungsmaschine 7 wird der Laserschneidstrahl 2 mittels
einer nicht näher
beschriebenen Strahlführung auf
einen adaptiven Umlenkspiegel 8 gelenkt und tritt nachfolgend
in einen Laserbearbeitungskopf 9 ein, in dem ein weiterer
Umlenkspiegel 10 angeordnet ist, von dem der Laserschneidstrahl 2 in
einen Gehäuseteil 11 des
Laserbearbeitungskopfs umgelenkt wird, der mittels einer Dreheinrichtung 11a (vgl.
Doppelpfeil) um eine Achse parallel zur Y-Richtung drehbar ist,
um unterschiedliche Schrägschneidwinkel α an dem Werkstück 1 einstellen
zu können.
In dem drehbaren Gehäuseteil 11 befinden
sich ein erster und zweiter Umlenkspiegel 12a, 12b sowie
eine Fokussierlinse 13 zur Fokussierung des Laserschneidstrahls 2 auf
dem Werkstück 1 bzw.
wie oben beschrieben unterhalb der Werkstückoberfläche 1a. Die Fokuslage
des Laserstrahls 2 kann hierbei durch den adaptiven Umlenkspiegel 8 in
gewissen Grenzen verändert
werden, indem dessen Form z. B. mit Hilfe von Piezo-Elementen oder
durch Druckbeaufschlagung mit einem Fluid an seiner Rückseite
geeignet verändert
wird. Als Bewegungseinrichtung zur Bewegung des Werkstücks 1 in
der ZY-Ebene weist die Laserbearbeitungsmaschine 7 ein
Spannfutter 14 (vgl. Pfeil) auf, welches zur Erzeugung
einer Drehbewegung des Werkstücks 1 dient,
wobei mittels des Spannfutters 14 gleichzeitig auch eine
Bewegung des Werkstücks 1 in
X-Richtung erfolgen kann, um den in 1a gezeigten
45°-Abschnitt
zu erzeugen. Es versteht sich, dass ggf. auch der Laserbearbeitungskopf 9 mittels
konventioneller Verschiebeeinheiten in X-Richtung verschiebbar sein kann, um
den in 1a gezeigten 45°-Abschnitt
an dem Werkstück 1 zu
erzeugen.
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Zur
Erzeugung der Exzentrizität
des Laserschneidstrahls 2 relativ zur an dem Laserbearbeitungskopf 9 befestigten
Schneidgasdüse 3 kann
diese mittels einer als Einstelleinrichtung dienenden Verschiebeeinrichtung 15 in
Form eines konventionellen Linearantriebs in X-Richtung bewegt werden. Eine
Steuerungseinrichtung 16 dient hierbei der Steuerung der
Verschiebeeinrichtung 15 auf eine solche Weise, dass der
Laserschneidgasstrahl 2 in der X-Richtung im gewünschten
Abstand zum (in 3 nicht gezeigten) Überschall-Schneidgasstrahl 4 ausgerichtet
ist. Die oben angegebene Formel für die Exzentrizität e kann
hierbei in der Maschinensteuerung der Laserbearbeitungsmaschine 1 hinterlegt
werden, so dass die Steuerungseinrichtung 16 die optimale Exzentrizität selbst
berechnen kann.
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Es
versteht sich weiterhin, dass die Laserbearbeitungsmaschine 7 von 3a auch
zum Schrägschneiden
eines plattenförmigen
Werkstücks 1 ausgelegt
sein kann, wie in 3b dargestellt ist, bei der die
Vorschubrichtung in X-Richtung verläuft. Auch in diesem Fall kann
die Exzentrizität
e zwischen Laserstrahlachse 2 und Düsenachse 3a auf die
oben beschriebene oder auf andere Weise eingestellt werden. Insbesondere
beim in 3b gezeigten Schneiden von plattenförmigen Werkstücken muss
der Schrägschneidwinkel
nicht zwingend während
des Laserstrahlschneidens variiert werden. Vielmehr kann der Schrägschneidwinkel
auch einen konstanten Wert annehmen, so dass eine plane, schräge Schnittkante
an dem Werkstück 1 gebildet
wird. Bei der Verbindung zweier solcher plattenförmiger Werkstücke unter
einem Winkel von z. B. 90° entlang
zweier schräger
Schnittkanten liegen diese flächig
aneinander an, so dass die zwei plattenförmigen Werkstücke leichter
miteinander verschweißt
werden können. Es
versteht sich, dass auch an plattenförmigen Werkstücken kompliziertere
geometrische Formen geschnitten werden können, die eine Veränderung
des Schrägschneidwinkels
während
des Laserstrahlschneidens erfordern.
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Es
versteht sich weiterhin, dass zur Erzeugung eines Versatzes zwischen
der Strahlachse 2a des Laserschneidstrahls 2 und
dem Überschall-Schneidgasstrom 4 bzw.
der Düsenachse 3a verschiedene
Möglichkeiten
bestehen, z. B. kann auch durch Verschieben oder Verkippen eines
optischen Elements, z. B. der Umlenkspiegel 12a, 12b die
gewünschte
Exzentrizität
e erzeugt werden. Da bei dem Schrägschneidprozess die Laserstrahlachse 2a nicht
zwingend parallel zur Düsenachse 3a ausgerichtet
sein muss, ist es auch möglich,
die Exzentrizität
e auf der Werkstückoberfläche 1a durch
winkelschiefes Fokussieren an der Fokussierlinse 13 zu
erzeugen, wie im Folgenden anhand von 4a dargestellt
wird.
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Zur
winkelschiefen Fokussierung kann der erste Umlenkspiegel 12a mittels
einer in 3 angedeuteten, konventionellen
Verkippungseinrichtung 17 z. B. in Form eines Piezoaktors
verkippt werden, so dass der Laserschneidstrahl 2 nicht
senkrecht, sondern unter einem Winkel φ bezüglich der Z-Richtung auf die
Fokussierlinse 13 auftrifft und zusätzlich mit seiner Laserstrahlachse 2a bezüglich der
optischen Achse 13a der Fokussierlinse 13 um einen
Abstand eL in X-Richtung versetzt auftrifft.
Der zur Erzeugung einer gewünschten
Exzentrizität
e auf dem Werkstück 1 erforderliche
Kippwinkel φ lässt sich
hierbei aus dem Abstand zwischen dem Umlenkspiegel 12a und
der Fokussierlinse 13 sowie der Fokuslänge f durch einfache geometrische Überlegungen
bestimmen. Es versteht sich, dass alternativ zum oben beschriebenen
Vorgehen auch die Fokussierlinse 13 verkippt werden kann,
um den gewünschten
lateralen Versatz zwischen Laserschneidstrahl 2 und Düsenachse 3a zu
erhalten. Es versteht sich weiterhin, dass zur winkelschiefen Fokussierung
nicht zwingend die Erzeugung eines Abstands eL zwischen
der optischen Achse 13a der Fokussierlinse 13 und
der Laserstrahlachse 2a erforderlich ist, sondern dass die
Laserstrahlachse 2a idealer Weise die Fokussierlinse 13 zentrisch
an deren optischen Achse 13a schneidet.
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Eine
weitere Möglichkeit
zur Erzeugung eines lateralen Versatzes zwischen Laserschneidstrahl 2 und Überschall-Schneidgasstrom
ist in 4b anhand einer Schneidgasdüse 3 mit
ellipsenförmiger Düsenöffnung 3b gezeigt.
Der Laserschneidstrahl 2, hinter dem sich entlang der Vorschubrichtung
Y ein Schnittspalt 18 ausbildet, ist hierbei nicht im Zentrum M
der Düsenöffnung 3b angeordnet,
sondern zu dieser lateral versetzt. Die Schneidgasdüse 3 kann
hierbei mittels einer durch einen Pfeil angedeuteten Dreheinrichtung 19 um
die Laserstrahlachse des Laserschneidstrahls 2 gedreht
werden, wodurch sich die Lage des Zentrums M der Düsenöffnung 3b in X-Richtung
verändert
und sich ebenfalls ein lateraler Versatz zwischen Laserschneidstrahl 2 und
dem Zentrum M der Düsenöffnung 3b bzw.
dem Überschall-Schneidgasstrom
ergibt. Es versteht sich, dass zur Verbesserung des Schneidergebnisses
zusätzlich
ein Vorlauf des Laserschneidstrahls 2 (in Y-Richtung) in
der Schneidgasdüse
möglich
ist, ohne dass hierbei gleichzeitig die Exzentriziät durch
Drehen der Schneidgasdüse
einstellbar sein muss.
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Um
geeignete Prozessbedingungen für
den Schrägschneidprozess
zu erhalten, wird als Schneidgas ein inertes Gas, z. B. Stickstoff,
verwendet, das sich unter einem hohen Schneidgasdruck von typischer
Weise mehr als 10 bar in einem (nicht gezeigten) Druckraum des Laserschneidkopfs 9 befindet, der
sich an die Schneidgasdüse 3 anschließt. Ferner sollte
der Abstand zwischen der Schneidgasdüse 3 und der Werkstückoberfläche 1a möglichst
gering gewählt
werden, um optimale Schneidergebnisse zu erhalten. Weiterhin ist
es für
das Schrägschneiden
bei großen
Schrägschneidwinkeln
von z. B. 45° günstig, wenn
der (Innen-)Durchmesser der Schneidgasdüse 3 groß gewählt wird,
z. B. 2 mm oder mehr, wobei wie in 4b gezeigt
nicht zwingend ein runder Düsenquerschnitt
gewählt
werden muss.
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Der
oben beschriebene Prozess zum Laserstrahlschrägschneiden ist vom bearbeiteten
Material sowie von dessen Dicke weitgehend unabhängig und kann insbesondere
zum Schneiden von Edelstahl, Baustahl oder Aluminium eingesetzt
werden. Es versteht sich, dass der Schrägschneidprozess nicht auf das
Trennschneiden von rohrartigen Werkstücken beschränkt ist, vielmehr können auf
die oben beschriebene Weise mittels des Laserschneidstrahls beliebige
Konturen z. B. auch an plattenförmigen Werkstücken geschnitten
werden. In jedem Fall können
sowohl eine hohe Qualität
der beim Trennschnitt erzeugten Schnittkanten als auch Vorschubgeschwindigkeiten
erreicht werden, die denen beim senkrechten Laserstrahlschneiden
bezogen auf die effektive Schnitttiefe vergleichbar sind.