DE102008047761A1

DE102008047761A1 - Verfahren zum schneidgaslosen Laserschmelzschneiden

Info

Publication number: DE102008047761A1
Application number: DE102008047761A
Authority: DE
Inventors: Peter Schäfer; Peter Olschowsky; Hubertus Melbert; Thomas Schwörer
Original assignee: Trumpf Laser GmbH
Current assignee: Trumpf Laser GmbH
Priority date: 2008-09-17
Filing date: 2008-09-17
Publication date: 2010-04-15

Abstract

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zum schneidgaslosen Laserschmelzschneiden eines Werkstücks (1) wird in dem Werkstück (1) mittels eines Laserstrahls (2) eine Schnittfuge (3) aufgeschmolzen und dabei der Laserstrahldurchmesser (D) im Arbeitspunkt derart gewählt, dass das aufgeschmolzene Material (4) ohne ein Schneidgas aus der Schnittfuge (3) ausgetrieben wird.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Laserschmelzschneiden eines Werkstücks insbesondere aus Metall.
Beim bekannten Laserschmelzschneiden wird in dem Werkstück mittels eines Laserstrahls eine Schnittfuge aufgeschmolzen und das dabei aufgeschmolzene Material mittels eines Schneidgases, wie z. B. Stickstoff oder Argon, aus der Schnittfuge ausgetrieben. Neben dem bei Drücken bis zu 20 bar hohen Verbrauch des Schneidgases ist auch die Zuführung des Schneidgases sowohl hinsichtlich der Zugänglichkeit an der Bearbeitungsstelle als auch der Nachführung problematisch. Dies zeigt sich insbesondere bei sogenannten Remote-Anwendungen, bei denen der Laserstrahl über eine Scanneroptik ohne Verfahrbewegung des Bearbeitungskopfes ein weites Bearbeitungsfeld abdecken kann. Die DE 102 04 993 A1 schlägt dazu vor, an der Scanneroptik (Laserscanner) Gasdüsen beweglich anzubringen und diese durch eine Ansteuerung in Abhängigkeit der Strahlablenkung nachzuführen, damit die Gasströmung und der aus dem Laserscanner austretende Laserstrahl auf der Werkstückoberfläche zusammentreffen. Nachteilig sind hierbei neben dem nach wie vor hohen Gasverbrauch die vorhandene Störkontur der Gasdüsen bzw. die größeren Abmessungen des Bearbeitungskopfes sowie der Aufwand der steuerungstechnischen Integration. Zudem ist die Ablenkgeschwindigkeit des Laserstrahls durch die maximale Verfahrgeschwindigkeit der Gasdüsen limitiert.
Beim Sublimier- oder auch Sublimationsschneiden, bei dem das Material in der Schnittfuge durch Laserpulse hoher Leistungsdichte (höher als beim bekannten Laserschmelzschneiden) möglichst schmelzarm verdampft wird, kann auf ein Schneidgas verzichtet werden, da durch den Materialdampf in der Schnittfuge ein ausreichend hoher Druck erzeugt wird, der die Schmelzanteile nach oben und/oder unten aus der Schnittfuge oder dem Abtragbereich austreibt. Je nach Anwendungsfall wird die Bearbeitungsstelle über ein Prozessgas, wie z. B. Stickstoff, Argon oder Helium, zum Schutz vor Oxidation abgeschirmt. Für die Durchführung des Verfahrens sind allerdings hohe Laserleistungsdichten erforderlich, so das die Abtragrate und somit die Schnitttiefe in der Praxis, insbesondere bei Metallen, begrenzt ist. Mit zunehmender Materialdicke erfordert das Verfahren aufgrund geringer Abtragsvolumina eine mehrfache Konturbearbeitung.
Demgegenüber ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zum Laserschmelzschneiden anzugeben, bei dem auf eine Schneidgaszuführung mit den damit verbundenen Nachteilen auch bei größeren Blechdicken verzichtet werden kann.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Verfahren zum schneidgaslosen Laserschmelzschneiden eines Werkstücks insbesondere aus Metall, wobei in dem Werkstück mittels eines Laserstrahls eine Schnittfuge aufgeschmolzen wird und dabei der Laserstrahldurchmesser im Arbeitspunkt, also je nach Werkstückdicke auf oder innerhalb des Werkstücks, derart gewählt wird, dass das aufgeschmolzene Material ohne ein Schneidgas aus der Schnittfuge ausgetrieben wird.
Erfindungsgemäß ist erkannt worden, dass bei vergrößertem Laserstrahldurchmesser schon der in der Schnittfuge im Bereich der Schneidfront entstehende Materialdampf und der daraus resultierende Dampfdruck ausreichen, um die Schmelze an der Schneidfront vorwiegend nach unten auszutreiben. Vorzugsweise wird der Laserstrahldurchmesser im Arbeitspunkt auf mindestens das ca. 1,5-fache, insbesondere auf das ca. 1,5- bis ca. 7-fache, des zum Laserschmelzschneiden des Werkstücks mit einem Schneidgas erforderlichen maximalen Laserstrahldurchmessers im Arbeitspunkt eingestellt. Wie Versuche gezeigt haben, kann der Laserstrahldurchmesser im Arbeitspunkt sogar bis zum 15- bis 30-fachen des Durchmessers konventioneller Laserschmelzschneidverfahren mit Schneidgas betragen. Dies verwundert umso mehr, als dass die durch den größeren Laserstrahldurchmesser im Arbeitspunkt größere Schnittbreite einen ausreichenden Druckaufbau innerhalb der Schnittfuge eigentlich nicht vermuten lässt. Vorzugsweise liegt der Laserstrahldurchmesser im Arbeitspunkt beim erfindungsgemäßen Verfahren im Bereich von ca. 0,3 bis ca. 3 mm, insbesondere ca. 0,5 bis ca. 1 mm. Der Laserstrahldurchmesser im Arbeitspunkt kann durch den Fokus selbst oder durch eine Defokussierung vom Arbeitspunkt gebildet werden.
Vorzugsweise werden die Leistungsdichte zum Aufschmelzen der Schnittfuge und die Vorschubgeschwindigkeit des Laserstrahls relativ zum Werkstück, so gewählt, dass der Prozess des Schmelzaustriebs ohne Schneidgas unterstützt wird.
Bevorzugt wird die Leistungsdichte des Laserstrahls zum Aufschmelzen der Schnittfuge gegenüber der bei gleicher Vorschubgeschwindigkeit zum Laserschmelzschneiden des Werkstücks mit Schneidgas erforderlichen Leistungsdichte reduziert.
Gegenüber konventionellen Laserschmelzschneidverfahren mit Schneidgas kann erfindungsgemäß die Leistungsdichte des Laserstrahls auf dem Werkstück reduziert werden. Bevorzugt liegt die Leistungsdichte auf dem Werkstück dabei im Bereich vom konventionellen Laserstrahlschweißen, wobei im Vergleich zum konventionellen Laserschweißen beim Einschweißen ins volle Material bei einer Einschweißtiefe gleich der Werkstückdicke die Vorschubgeschwindigkeit reduziert, insbesondere auf bis zu 30 bis 60% vermindert wird. Bei höheren Vorschubgeschwindigkeiten wird wegen des dann schmaleren Schmelzbereiches die Oberflächenspannung des aufgeschmolzenen Materials (Schmelze) durch den Materialdampf und somit -druck nicht mehr überwunden. Limitiert wird die Reduzierung der Vorschubgeschwindigkeit andererseits durch einen daraus resultierenden zu hohen Wärmeeintrag mit damit verbundenen größeren Schmelzvolumina, die über den Materialdampf nicht mehr ausgetrieben werden können. Hier, insbesondere bei Vorschubgeschwindigkeiten kleiner ca. 1,5 m/min, setzt wieder der Schweißprozess ein.
Da eine Schneidgaszuführung mit ihren oben genannten Nachteilen nicht erforderlich ist, ist das erfindungsgemäße schneidgaslose Laserschmelzschneidverfahren flexibel einsetzbar, insbesondere auch in Verbindung mit Systemen zur Remote-Bearbeitung und/oder an schwer zugänglichen Stellen.
Unabhängig von der Verwendung eines Systems zur Remote-Bearbeitung oder eines Systems mit feststehender Optik, bei dem die Strahlführung ausschließlich über die Bewegung des Bearbeitungskopfes über eine Handhabungseinrichtung erfolgt, sind basierend auf der Erfindung Standard-Optiken, insbesondere Schweißoptiken, einsetzbar. Besonders vorteilhaft ist in diesem Zusammenhang die Option, Schweiß- und Schneidaufgaben, insbesondere in einem Blechdickenbereich von ca. 0,5 bis ca. 5 mm, ohne Umrüstaufwand durchführen zu können.
Bevorzugt werden die Leistungsdichte des Laserstrahls zum Aufschmelzen der Schnittfuge und die Vorschubgeschwindigkeit des Laserstrahls relativ zum Werkstück derart gewählt, dass das aufgeschmolzene Material zumindest größtenteils auf der dem Laserstrahl gegenüberliegenden Werkstückseite aus der Schnittfuge ausgetrieben wird. Wie Versuche gezeigt haben, weist der Schmelzaustrieb an der Austrittsseite (Blechunterseite) in Schneidvorschubrichtung weisende Anteile auf. Bei konventionellen Schmelzschneidverfahren mit Schneidgas sind diese primär dem Schneidvorschubrichtung entgegengerichtet.
Die Erfindung betrifft weiterhin die Verwendung einer Maschine zum Laserschweißen eines Werkstücks auch zum schneidgaslosen Laserschmelzschneiden eines Werkstücks. Zum Umschalten vom konventionellen Laserschweißen auf schneidgasloses Laserschmelzschneiden braucht lediglich die Vorschubgeschwindigkeit reduziert zu werden, insbesondere auf bis zu 30 bis 60% der Vorschubgeschwindigkeit beim konventionellen Laserschweißen, wenn die Schweißanwendung die Anforderung an den Laserstrahldurchmesser zum schneidgaslosen Laserstrahlschmelzschneiden erfüllt. Ggf. kann hier der Laserstrahldurchmesser über Optiken zur Fokusgrößenänderung oder Defokussierungseinrichtungen auch einfach angepasst werden.
Die Erfindung betrifft schließlich noch die Verwendung einer Maschine zum Laserschmelzschneiden eines Werkstücks mit Schneidgas auch zum schneidgaslosen Laserschmelzschneiden eines Werkstücks. Zum Umschalten vom konventionellen Laserschmelzschneiden mit Schneidgas auf schneidgasloses Laserschmelzschneiden braucht lediglich der Laserstrahldurchmesser vergrößert und ggf. die Leistungsdichte des Laserstrahls auf dem Werkstück reduziert und die Schneidvorschubgeschwindigkeit entsprechend eingestellt zu werden.
Weitere Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen, 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 gezeigte und beschriebene Ausführungsform ist nicht als abschließende Aufzählung zu verstehen, sondern hat vielmehr beispielhaften Charakter für die Schilderung der Erfindung.
Die einzige Figur zeigt schematisch das erfindungsgemäße Verfahren zum schneidgaslosen Laserschmelzschneiden, bei dem in einem Werkstück 1 aus Metall mittels eines Laserstrahls 2 eine Schnittfuge 3 aufgeschmolzen. Dabei werden die Leistungsdichte des Laserstrahls 2 zum Aufschmelzen der Schnittfuge 3 und die Vorschubgeschwindigkeit v des Laserstrahls 2 relativ zum Werkstück 1 derart gewählt, dass das aufgeschmolzene Material (Schmelze) 4 ohne ein Schneidgas aus der Schnittfuge 3 ausgetrieben wird, und zwar größtenteils auf der dem Laserstrahl 2 gegenüberliegenden Werkstückunterseite 5. Das so aus der Schnittfuge 3 auf der Werkstückunterseite 5 ausgetriebene Material (Schmelze, Schlacke) ist mit 6 und der dabei entstehende Rauch ist mit 7 bezeichnet.
Versuche haben gezeigt, dass bei gegenüber dem konventionellen Laserschmelzschneiden mit einem Schneidgas vergrößertem Laserstrahldurchmesser und insbesondere auch reduzierter Leistungsdichte und reduzierter Vorschubgeschwindigkeit v der in der Schnittfuge 3 herrschende entstehende Materialdampf und der daraus resultierende Druck ausreichen, um das dort aufgeschmolzene Material 4 an der Schneidfront vorwiegend nach unten auszutreiben. Der Schmelzaustrieb weist an der Werkstückunterseite 5 in Vorschubrichtung v weisende Anteile auf.
Im Vergleich zum konventionellen Laserschmelzschneiden mit einem Schneidgas wird beim schneidgaslosen Laserschmelzschneiden über die Aufweitung des Durchmessers D des Laserstrahls 2 auf dem Werkstück 1 ein vergrößerter Schnittspalt bzw. Schnittfuge 3 realisiert, so dass über die Schmelz- und Dampfdruckbildung ein Austrieb der Schmelze ohne Schneidgas ermöglicht wird. Der Durchmesser D kann bis zum 30-fachen, vorzugsweise bis zum 15-fachen des Durchmessers konventioneller Laserschmelzschneidverfahren betragen, insbesondere das 1,5- bis 7-fache. Typischerweise liegt der Durchmesser D beim schneidgaslosen Laserschmelzschneiden im Bereich von 0,3 bis 3 mm, insbesondere 0,5 bis 1 mm.
Die Leistungsdichte des Laserstrahls 2 liegt bevorzugt im Bereich der Leistungsdichte beim Laserschweißen, wobei die Vorschubgeschwindigkeit v des Laserstrahls 2 auf dem Werkstück 1 im Vergleich zum Laserschweißen beim Einschweißen ins volle Material bei gleicher Einschweißtiefe wie Blechdicke reduziert, insbesondere auf bis zu 30 bis 60% vermindert wird. Wie Versuche gezeigt haben, wird bei höheren Vorschubgeschwindigkeiten die Oberflächenspannung wegen des dann schmaleren Schmelzbereiches durch den Materialdampf und somit -druck nicht mehr überwunden. Limitiert wird die Reduzierung der Vorschubgeschwindigkeit v andererseits durch einen daraus resultierenden zu hohen Wärmeeintrag mit damit verbundenen größeren Schmelzvolumina, die über den Materialdampf nicht mehr ausgetrieben werden können. Hier, insbesondere bei Vorschubgeschwindigkeiten v von kleiner 1,5 m/min, setzt wieder der Laserschweißprozess ein.
Unabhängig von der Verwendung eines Systems zur Remote-Bearbeitung oder eines Systems mit feststehender Optik, bei dem die Strahlführung ausschließlich über die Bewegung des Bearbeitungskopfes erfolgt, sind beim schneidgaslosen Laserschmelzschneiden Standard-Optiken, insbesondere Schweißoptiken, einsetzbar. Besonders vorteilhaft ist in diesem Zusammenhang die Option, Schweiß- und Schneidaufgaben, insbesondere in einem Blechdickenbereich von 0,5 bis 5 mm, ohne Umrüstaufwand durchführen zu können. Zum Umschalten vom konventionellen Laserschweißen auf schneidgasloses Laserschmelzschneiden braucht lediglich die Vorschubgeschwindigkeit reduziert zu werden, insbesondere auf bis zu 30 bis 60% der Vorschubgeschwindigkeit beim konventionellen Laserschweißen, wenn die Schweißanwendung die Anforderung an den Laserstrahldurchmesser zum schneidgaslosen Laserstrahlschmelzschneiden erfüllt.

Im Folgenden sind die wesentlichen Unterschiede zwischen dem schneidgaslosen Laserschmelzschneiden und dem herkömmlichen Laserschmelzschneiden mit Schneidgas für ein in etwa 0,5 bis 5 mm dickes Stahlblech zusammengestellt:

	Laserschmelzschneiden mit Schneidgas	schneidgasloses Laserschmelzschneiden
Schneidgas	vorhanden	entfällt
Schneiddüse	vorhanden	entfällt
Scanneroptik	nur mit erheblichem Aufwand realisierbar	realisierbar
Laserstrahldurchmesser Im Arbeitspunkt	0,10–0,25 mm	0,3–3,0 mm
Arbeitsabstandstoleranz	≈ 1 mm	≤ 10 mm
Laserleistungsdichte	100–300 kW/mm²	10–50 kW/mm²

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- DE 10204993 A1 [0002]

Claims

Verfahren zum schneidgaslosen Laserschmelzschneiden eines Werkstücks (1) insbesondere aus Metall, wobei in dem Werkstück (1) mittels eines Laserstrahls (2) eine Schnittfuge (3) aufgeschmolzen wird und dabei der Laserstrahldurchmesser (D) im Arbeitspunkt derart gewählt wird, dass das aufgeschmolzene Material (4) ohne ein Schneidgas aus der Schnittfuge (3) ausgetrieben wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Laserstrahldurchmesser (D) im Arbeitspunkt auf mindestens das ca. 1,5-fache, insbesondere auf das ca. 1,5- bis ca. 7-fache, des zum Laserschmelzschneiden des Werkstücks (1) mit einem Schneidgas erforderlichen Laserstrahldurchmessers im Arbeitspunkt eingestellt wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Laserstrahldurchmesser (D) im Arbeitspunkt im Bereich von ca. 0,3 und ca. 3 mm, vorzugsweise ca. 0,5 bis ca. 1 mm, beträgt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Leistungsdichte des Laserstrahls (2) zum Aufschmelzen der Schnittfuge (3) und die Vorschubgeschwindigkeit (v) des Laserstrahls (2) relativ zum Werkstück (1) derart gewählt werden, dass der schneidgaslose Austrieb des aufgeschmolzenen Materials (4) aus der Schnittfuge (3) unterstützt wird.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Leistungsdichte des Laserstrahls (2) zum Aufschmelzen der Schnittfuge (3) und die Vorschubgeschwindigkeit (v) des Laserstrahls (2) relativ zum Werkstück (1) derart gewählt werden, dass der schneidgaslose Austrieb des aufgeschmolzenen Materials (4) zumindest größtenteils auf der dem Laserstrahl (2) gegenüberliegenden Werkstückseite (5) erfolgt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Leistungsdichte des Laserstrahls (2) zum Aufschmelzen der Schnittfuge (3) gegenüber der bei gleicher Vorschubgeschwindigkeit (v) zum Laserschmelzschneiden des Werkstücks (1) mit einem Schneidgas erforderlichen Leistungsdichte reduziert wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Leistungsdichte des Laserstrahls (2) zum Aufschmelzen der Schnittfuge (3) auf die zum Laserschweißen des Werkstücks (1) erforderliche Leistungsdichte eingestellt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorschubgeschwindigkeit (v) des Laserstrahls (2) relativ zum Werkstück (1) auf 20 bis 70%, insbesondere auf 30 bis 60%, der zum Laserschweißen des Werkstücks (1) bei gleicher Leistungsdichte und bei einer Einschweißtiefe gleich der Werkstückdicke erforderlichen Vorschubgeschwindigkeit eingestellt wird.
Verwendung einer Maschine zum Laserschweißen von Werkstücken (1) auch zum schneidgaslosen Laserschmelzschneiden von Werkstücken (1).
Verwendung einer Maschine zum Laserschmelzschneiden von Werkstücken (1) mit einem Schneidgas auch zum schneidgaslosen Laserschmelzschneiden von Werkstücken (1).