DE102008053397B4 - Method for the fusion cutting of workpieces with laser radiation - Google Patents
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Abstract
Verfahren zum Schmelzschneiden von Werkstücken mit Laserstrahlung, bei dem bei vorgegebener Werkstückdicke eine maximale Absorption der Laserstrahlung erreichbar ist, dabei ein Laserstrahl mit einem Einfallswinkel φIN auf eine in der Wechselwirkungszone von Laserstrahl, einem Schneidgasstrahl und Werkstoff ausgebildete Schneidfront mit einem Neigungswinkel φC auftrifft und Einfallswinkel φIN und Neigungswinkel φC ein Komplementärwinkelpaar zu 90° bilden, dadurch gekennzeichnet, dass der Neigungswinkel φC der Schneidfront permanent durch eine der Vorschubbewegung überlagerte Bewegung des Brennpunktes des Laserstrahls so verändert wird, dass der Einfallswinkel φIN des Laserstrahls innerhalb eines Intervalls um den Brewster-Winkel φBr gehalten wird.Process for fusion cutting of workpieces with laser radiation, in which a maximum absorption of the laser radiation can be achieved for a given workpiece thickness, a laser beam with an angle of incidence φIN strikes a cutting front formed in the interaction zone of the laser beam, a cutting gas beam and material with an inclination angle φC and an angle of incidence φIN and angle of inclination φC form a complementary angle pair to 90 °, characterized in that the angle of inclination φC of the cutting front is permanently changed by a movement of the focal point of the laser beam superimposed on the feed movement so that the angle of incidence φIN of the laser beam is kept within an interval around the Brewster angle φBr becomes.
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum thermischen Trennen von Werkstoffen mittels Laserstrahlung, bei dem der Schneidprozess modifiziert wird.The invention relates to a method for the thermal separation of materials by means of laser radiation, in which the cutting process is modified.
Das Laserstrahlschneiden ist ein etabliertes und industriell eingeführtes Verfahren zum thermischen Trennen von Werkstücken entlang einer vorgegebenen Schnittkontur. In Abhängigkeit vom wirksamen Trennmechanismus werden grundsätzlich das Laserstrahl-Schmelzschneiden und das Laserstrahl-Verdampfungsschneiden unterschieden. Das Laserstrahl-Schmelzschneiden ist die bevorzugte Technologie zum Trennen metallischer Werkstoffe in einem großen Blechdickenbereich.Laser beam cutting is an established and industrially established method for the thermal cutting of workpieces along a predetermined cutting contour. Depending on the effective separation mechanism, the laser beam fusion cutting and the laser beam evaporation cutting are basically differentiated. Laser beam fusion cutting is the preferred technology for separating metallic materials in a large sheet thickness range.
Die Materialtrennung erfolgt beim Laserstrahl-Schmelzschneiden durch den kombinierten Einsatz eines fokussierten Laserstrahls und eines Schneidgasstrahls, die in der Regel koaxial auf das bearbeitete Werkstück einwirken. Das Verfahrensprinzip beruht darauf, dass der Grundwerkstoff im Bereich der Schnittfuge aufgeschmolzen und durch den simultan realisierten Impulsübertrag des Schneidgasstrahls aus der Schnittfuge ausgetrieben wird, wodurch ein Schnittspalt entlang der Schnittkontur entsteht (s.
Der Mindestwert EMIN der zuzuführenden Prozessenergie resultiert beim Laserstrahl-Schmelzschneiden aus dem Erfordernis, das aus dem Schnittspalt auszutreibende Materialvolumen aufzuschmelzen:
Der Energiebedarf EMIN ist eine Funktion der thermischen Werkstoffkennwerte Dichte ρ, spezifische Wärmekapazität c, Schmelztemperatur ϑm.p., und spezifische Schmelzenthalpie Δhm sowie der Temperatur ϑ0 des Grundwerkstoffes und der Schnittspaltabmessungen Breite bK, Tiefe dK und Länge lK.The energy demand E MIN is a function of the thermal material properties density ρ, specific heat capacity c, melting temperature θ mp , and specific enthalpy of fusion Δh m and the temperature θ 0 of the base material and the kerf dimensions width b K , depth d K and length l K.
Der Mindestwert PMIN der zuzuführenden Prozessleistung resultiert beim Laserstrahl-Schmelzschneiden aus dem Erfordernis, das aus dem Schnittspalt auszutreibende Materialvolumen innerhalb eines vorgegebenen Zeitintervalls, der Prozessdauer tC, bzw. mit der in der Regel konstanten Prozessgeschwindigkeit vC aufzuschmelzen: The minimum value P MIN of the process output to be supplied results in the laser beam fusion cutting from the requirement to melt the volume of material to be expelled from the cutting gap within a predetermined time interval, the process duration t C , or at the generally constant process speed v C :
Für eine konkrete Schneidaufgabe sind die Werkstoffkennwerte über die Vorgabe des Werkstoffes als auch die Schnittspalttiefe dK über die Vorgabe der zu schneidenden Materialdicken feste Größen. Dagegen ist die Schnittspaltbreite bK eine Funktion der Prozessparameter. Der inhärente Materialverlust mv ergibt sich zu
Effizient ausgeführte Schneidprozesse in Hinblick auf Energiebedarf PMIN und Materialverlust mv sind darauf ausgerichtet, die Schnittspaltbreite bK möglichst klein zu halten.Efficiently executed cutting processes with regard to energy requirement P MIN and material loss m v are designed to keep the kerf width b K as small as possible.
Aus Energiebilanzgründen ist ein Schmelzschneidprozess nur dann durchführbar, wenn die während des Schneidprozesses übertragene Leistung PDISS, d. h. die dissipierte Leistung, im Bereich der Wechselwirkungszone von Laserstrahl, Schneidgasstrahl und Werkstoff größer ist als die erforderliche Leistung PMIN zum Aufschmelzen des Schnittspaltvolumens.For reasons of energy balance, a fusion cutting process can only be carried out if the power P DISS transmitted during the cutting process, ie the dissipated power, in the area of the interaction zone between laser beam, cutting gas jet and material is greater than the required power P MIN for melting the kerf volume .
Die während des Schneidprozesses dissipierte Leistung PDISS muss größer als die Leistung PMIN zum Aufschmelzen des Schnittspaltvolumens sein aufgrund unvermeidlicher Energieverluste während des Schneidprozesses. Diese sind insbesondere durch die Wärmeleitung in den an die Schnittfront angrenzenden Grundwerkstoff sowie durch die notwendige Überhitzung der Schmelzfilmoberfläche an der Schnittfront auf Temperaturen oberhalb der Schmelztemperatur bedingt. Letzteres ist erforderlich, um einen Schmelzfilm bestimmter Dicke zu erzielen, der dann in Wechselwirkung mit dem Schneidgasstrahl aus der Schnittfuge ausgetrieben wird.The dissipated power P DISS during the cutting process must be greater than the power P MIN to melt the kerf volume due to unavoidable energy losses during the cutting process. These are due in particular to the heat conduction in the base material adjoining the cut front and the necessary overheating of the melt film surface at the cut front to temperatures above the melting temperature. The latter is necessary to achieve a melt film of certain thickness, which is then expelled in interaction with the cutting gas jet from the kerf.
Das Verhältnis des Mindestwertes PMIN der notwendigerweise zuzuführenden Leistung zur dissipierten Leistung PDISS wird als Schmelzwirkungsgrad ηS bezeichnet: The ratio of the minimum value P MIN of the power necessarily to be supplied to the dissipated power P DISS is referred to as melting efficiency η S :
sDer Schmelzwirkungsgrad ηS ist insbesondere eine Funktion der thermischen Materialkennwerte und kann durch prozesstechnische Maßnahmen nicht unmittelbar beeinflusst werden. Allerdings kann aufgrund der Tatsache, dass der Werkstoff aus der Schnittfuge simultan zum Aufschmelzvorgang ausgetrieben wird, davon ausgegangen werden, dass Energieverluste bezüglich der dissipierten Leistung beim Laserstrahl-Schmelzschneiden klein bleiben und keinen dominierenden Einfluss auf die Gesamteffizienz des Verfahrens haben.The melting efficiency η S is, in particular, a function of the thermal material parameters and can not be directly influenced by process engineering measures. However, due to the fact that the material is driven out of the kerf simultaneously to the reflow process, it can be assumed that energy losses with respect to the dissipated power in the laser beam fusion cutting remain small and have no dominating influence on the overall efficiency of the process.
Das Verhältnis von dissipierter Leistung PDISS zu insgesamt zugeführter Leistung PZU wird als Energieübertragungswirkungsgrad ηT bezeichnet: The ratio of dissipated power P DISS to total supplied power P ZU is referred to as energy transfer efficiency η T :
Aufgrund der Tatsache, dass der Schmelzwirkungsgrad ηS in der Regel hoch ist, wird der Gesamtwirkungsgrad ηC eines Laserstrahlschneidprozesses entsprechend maßgeblich durch den Energieübertragungswirkungsgrad ηT bestimmt.Due to the fact that the melting efficiency η S is usually high, the overall efficiency η C of a laser beam cutting process becomes corresponding significantly determined by the energy transfer efficiency η T.
Effizient ausgeführte Schneidprozesse im Hinblick auf den Energie- bzw. Leistungsbedarf müssen darauf ausgerichtet sein, einen möglichst hohen Energieübertragungswirkungsgrad ηT zu gewährleisten.Efficiently executed cutting processes with regard to energy and power requirements must be geared towards ensuring the highest possible energy transfer efficiency η T.
Die Variante des Laserstrahl-Inertgasschweißens ermöglicht ein oxidfreies Schneiden von Metallen und ist daher die bevorzugte Variante zum Trennen von qualitativ hochwertigen Materialien wie rostfreien und anderen hochlegierten Stählen, sowie von Aluminium- und Titanlegierungen. Als Schneidgas kommen vorwiegend Stickstoff und Argon zum Einsatz. Der Energiebedarf des Schneidprozesses zum Aufschmelzen des Materials wird allein aus der einfallenden Laserstrahlung gedeckt:
Der Energieübertragungswirkungsgrad ηT,L beim Laserstrahl-Inertgasschneiden wird maßgeblich durch das Absorptionsvermögen A metallischer Werkstoffe bezüglich der eingestrahlten Laserleistung bestimmt.The energy transfer efficiency η T, L in the laser beam inert gas cutting is significantly determined by the absorption capacity A of metallic materials with respect to the irradiated laser power.
Trifft ein Laserstrahl mit der Leistung PL auf die Oberfläche eines Werkstoffes auf, dringt nur ein Teil der Laserstrahlung PL,T in den Werkstoff ein, während der andere Teil PL,R reflektiert wird.If a laser beam with the power P L impinges on the surface of a material, only a part of the laser radiation P L, T penetrates into the material, while the other part P L, R is reflected.
Im Falle metallischer Werkstoffe wird der transmittierte Leistungsanteil PL,T bei den üblicherweise verwendeten Laserstrahlquellen innerhalb einer sehr dünnen oberflächennahen Schicht absorbiert. Es ist zulässig, den transmittierten Leistungsanteil PL,T als an der Oberfläche des Werkstoffes absorbiert zu betrachten, d. h. der absorbierte Leistungsanteil PL,A entspricht dem Leistungsanteil PL,T und es gilt allgemein die Leistungsbilanz
Unter Voraussetzung der plausiblen Annahme, dass Mehrfachreflexionen an der Schneidfront keinen merklichen Beitrag zum Gesamtenergieeintrag liefern, entspricht der Energieübertragungswirkungsgrad ηT,L dem Absorptionsgrad A:
Folglich ist die Prozesseffizienz des Inertgas-Laserstrahlschneidens maßgeblich vom Absorptionsgrad A bzw. Reflexionsgrad R abhängig.Consequently, the process efficiency of the inert gas laser beam cutting is significantly dependent on the degree of absorption A or reflectance R.
Der Reflexionsgrad R bzw. Absorptionsgrad A eines metallischen Werkstoffes für Strahlung der üblicherweise in der Lasermaterialbearbeitung eingesetzten Strahlquellen ist allgemein eine Funktion des Polarisationszustandes, des Einfallswinkels φIn, sowie der optischen Materialkennwerte Brechungsindex n und Extinktionskoeffizient k, die wiederum abhängig von der Temperatur T und insbesondere abhängig von der Wellenlänge λ der einfallenden Laserstrahlung sind. Eine theoretische Berechnung des Reflexionsgrades ist über die fresnelschen Gleichungen möglich. Für metallische Werkstoffe ergeben sich folgende Näherungen in denen RP den Reflexionsgrad parallel polarisierter Strahlung und RS den Reflexionsgrad senkrecht polarisierter Strahlung bezeichnet.The reflectance R or degree of absorption A of a metallic material for radiation of the beam sources commonly used in laser material processing is generally a function of the polarization state, the angle of incidence φ In , and the optical material properties refractive index n and extinction coefficient k, which in turn depends on the temperature T and in particular depending on the wavelength λ of the incident laser radiation. A theoretical calculation of the reflectance is possible via the Fresnel equations. For metallic materials, the following approximations result in which R P denotes the reflectance of parallel polarized radiation and R S denotes the reflectance of perpendicularly polarized radiation.
Der Reflexionsgrad RUP zirkular polarisierter bzw. unpolarisierter Strahlung ergibt sich als arithmetisches Mittel der Reflexionsgrade RP und RS von parallel und senkrecht polarisierter Strahlung. Für den Absorptionsgrad AUP folgt The reflectance R UP of circularly polarized or unpolarized radiation results as an arithmetic mean of the reflectances R P and R S of parallel and perpendicularly polarized radiation. For the absorptance A UP follows
Berechnete Abhängigkeiten des Absorptionsgrades A von Eisen bei Schmelztemperatur zeigt
Für das Laserstrahl-Inertgasschneiden von Konturschnitten ist die Verwendung zirkular polarisierter oder unpolarisierter Strahlung üblich, um eine Richtungsabhängigkeit im Absorptionsverhalten zu vermeiden.For the laser beam inert gas cutting of contour cuts, the use of circularly polarized or unpolarized radiation is customary in order to avoid a directional dependence in the absorption behavior.
Effizient ausgeführte Schneidprozesse im Hinblick auf den Energie- bzw. Leistungsbedarf müssen darauf ausgerichtet sein, die Laserleistung unter einem Winkel φIN ≈ φBr auf den zu bearbeitenden Werkstoff einzustrahlen.Efficient cutting processes with regard to energy and power requirements must be geared towards irradiating the laser power at an angle φ IN ≈ φ Br to the material to be machined.
Das Laserstrahl-Schmelzschneiden wird unter Einsatz verschiedener Hochleistungslaser ausgeführt. Hierzu zählen insbesondere CO2-, Faser-, Scheiben- und Diodenlasersysteme. Unterschiede bezüglich der erreichbaren Effizienz des Schneidprozesses und der Qualität der Schneidergebnisse resultieren aus Unterschieden in den jeweils verfügbaren Ausgangsleistungen, der Laserwellenlänge und der Strahlqualität.Laser beam fusion cutting is carried out using various high-power lasers. These include in particular CO 2 , fiber, disc and diode laser systems. Differences in the achievable efficiency of the cutting process and the quality of the cutting results result from differences in the respective available output powers, the laser wavelength and the beam quality.
Die emittierte Laserstrahlung wird in der Regel als Strahl mit kreisförmigen Strahlquerschnitt emittiert. Für das Schmelzschneiden wird dieser Strahl auf kleine Fokusradien r0 fokussiert, um die für das lokale Aufschmelzen metallischer Werkstoffe erforderlichen Intensitäten zu erzielen.The emitted laser radiation is usually emitted as a beam with a circular beam cross section. For fusion cutting, this beam is focused on small focus radii r 0 in order to achieve the intensities required for the local melting of metallic materials.
Der unter Verwendung optischer Komponenten erreichbare Fokusradius kann unter den für die Lasermaterialbearbeitung charakteristischen Fokussierbedingungen über die Beziehung abgeschätzt werden. In dieser Gleichung bezeichnet f die Brennweite der Fokussieroptik, D den Strahldurchmesser vor der Fokussierung und λ die Laserwellenlänge. M2 ist ein Maß für die Strahlqualität. Für einen idealen, d. h. beugungsbegrenzten, Strahl ist M2 = 1. Der erreichbare Strahlradius ist dem Produkt aus Laserwellenlänge λ und Strahlqualitätszahl M2 direkt proportional.The focus radius achievable using optical components can be determined by the relationship between the focusing conditions characteristic of laser material processing be estimated. In this equation, f denotes the focal length of the focusing optics, D the beam diameter before focusing, and λ the laser wavelength. M 2 is a measure of the beam quality. For an ideal, ie diffraction-limited, beam, M 2 = 1. The achievable beam radius is directly proportional to the product of laser wavelength λ and beam quality number M 2 .
Der Strahlradius r0 wird nur im Brennpunkt der verwendeten Fokussieroptik mit der Brennweite f erreicht. Ausgehend von der Position z = 0 des Brennpunktes divergiert der Strahl als Funktion der Ortskoordinate z in Strahlausbreitungsrichtung entsprechend der Beziehung The beam radius r 0 is reached only at the focal point of the focusing optics used with the focal length f. Starting from the position z = 0 of the focal point, the beam diverges as a function of the spatial coordinate z in the beam propagation direction according to the relationship
Die Rayleighlänge zR bezeichnet den Abstand zwischen dem Brennpunkt mit z = 0 und jenem Punkt in Strahlausbreitungsrichtung, an dem der Strahlradius r0 auf den Wert r(zR) = 1.41 r·0 angewachsen ist. Die Rayleighlänge kann über die Beziehung bestimmt werden. Die Rayleighlänge zR ist dem Produkt aus Strahlqualitätszahl M2 und Laserwellenlänge λ indirekt proportional.The Rayleigh length z R is the distance between the focal point with z = 0 and the point in the beam propagation direction, where the beam radius is r 0 grown to the value r (z R) = 1:41 r · 0th The Rayleigh length can be about the relationship be determined. The Rayleigh length z R is indirectly proportional to the product of beam quality number M 2 and laser wavelength λ.
Die Strahlgeometrie, i. e. die radiale Ausdehnung r(z) des Laserstrahls in Strahlausbreitungsrichtung z, hat entscheidenden Einfluss auf die Breite bK des generierten Schnittspaltes. Die Breite bK des Schnittspaltes ist proportional dem mittleren Radius rm des Laserstrahls über die zu schneidende Blechdicke dK.The beam geometry, ie the radial extent r (z) of the laser beam in beam propagation direction z, has a decisive influence on the width b K of the generated kerf. The width b K of the kerf is proportional to the mean radius r m of the laser beam over the sheet metal thickness d K to be cut.
Effizient ausgeführte Schneidprozesse in Hinblick auf Energiebedarf und Materialverlust müssen darauf ausgerichtet sein, einen Strahl mit möglichst kleinem mittleren Strahlradius rm über die zu schneidende Blechdicke dK zu generieren.Efficient cutting processes with regard to energy demand and material loss must be geared towards generating a beam with the smallest possible mean beam radius r m over the sheet metal thickness d K to be cut.
Kleine mittlere Strahlradien rm lassen sich unter Verwendung von Laserstrahlquellen realisieren, die eine kurze Wellenlänge λ bei gleichzeitig hoher Strahlqualität M2 ≈ 1 aufweisen.Small mean beam radii r m can be realized using laser beam sources which have a short wavelength λ with simultaneously high beam quality M 2 ≈ 1.
Die Kriterien einer kurzen Emissionswellenlänge bei gleichzeitig hoher Strahlqualität werden insbesondere von Faser- und Scheibenlasern erfüllt, die erst seit wenigen Jahren als Hochleistungslaser im kW-Bereich zur Verfügung stehen. Beide Systeme emittieren Laserstrahlung bei einer Wellenlänge von λ ≈ 1 μm. Die Ausgangsleistung PL beugungsbegrenzter Laseraggregate mit M2 1 ist zunehmend steigend.The criteria of a short emission wavelength combined with high beam quality are met in particular by fiber and disk lasers, which have only been available as high-power lasers in the kW range for a few years. Both systems emit laser radiation at a wavelength of λ ≈ 1 μm. The output power P L diffraction-limited laser aggregates with
CO2-Laser stehen bereits seit geraumer Zeit als Hochleistungssysteme zur Verfügung und sind die dominierende Laserstrahlquelle zum Schneiden metallischer Werkstoffe. CO2-Laser emittieren Laserstrahlung mit einer Wellenlänge von λ = 10.6 μm bei gleichzeitig hoher Strahlqualität mit M2 ≈ 1 in einem großen Leistungsbereich.CO 2 lasers have been available as high-performance systems for some time now and are the dominant laser beam source for cutting metallic materials. CO 2 lasers emit laser radiation with a wavelength of λ = 10.6 μm with simultaneously high beam quality with M 2 ≈ 1 in a large power range.
Das Laserstrahl-Schmelzschneiden wird konventionell mit konstanten Laser-, Schneidgas-, und Prozessparametern durchgeführt. Zu den Laserparametern gehören die Laserleistung, die realisierte Strahlgeometrie sowie die Laserwellenlänge. Die Schneidgasparameter betreffen insbesondere die Schneidgaszusammensetzung, den Schneidgasdruck sowie die Geometrie der Schneidgasdüse. Zu den Prozessparametern zählen die Art des Werkstoffes, die zu schneidende Blechdicke sowie die Prozessgeschwindigkeit.Laser beam fusion cutting is conventionally carried out with constant laser, cutting gas and process parameters. The laser parameters include the laser power, the realized beam geometry and the laser wavelength. The cutting gas parameters relate in particular to the cutting gas composition, the cutting gas pressure and the geometry of the cutting gas nozzle. The process parameters include the type of Material, the sheet thickness to be cut and the process speed.
Bei konstant eingestellten Laser-, Schneidgas- und Prozessparametern bildet sich in der Wechselwirkungszone von Laserstrahl, Schneidgasstrahl und Werkstoff eine in der Regel quasistationäre Schneidfront unter einem bestimmten Neigungswinkel φC aus. In der Folge trifft die Laserstrahlung nicht senkrecht, sondern unter einem bestimmten Einfallswinkel φIN auf die Schnittfrontfläche auf (s.
Dementsprechend bilden der Einfallwinkel φIN und der Neigungswinkel φC bei Wahl eines gemeinsames Bezugssystems ein Komplementärwinkelpaar, d. h. es ist
Der sich in Abhängigkeit von den Prozessparametern einstellende Neigungswinkel φC hat folglich einen maßgeblichen Einfluss auf die Absorption der eingestrahlten Laserleistung und damit auf den Gesamtwirkungsgrad ηC.The angle of inclination φ C , which depends on the process parameters, consequently has a significant influence on the absorption of the irradiated laser power and thus on the overall efficiency η C.
Der sich in Abhängigkeit von den Prozessparametern einstellende Neigungswinkel φC der Schneidfront ist eine Funktion der Strahlgeometrie bzw. der Strahlkaustik r(z). Näherungsweise lässt sich der mittlere Neigungswinkel der Schneidfront über die Beziehung abschätzen, in der dK die zu schneidende Werkstoffdicke (Blechdicke), und r0 den Fokusradius bedeutet. Für die Abschätzung ist angenommen, dass die Fokussierung auf die Werkstückoberseite erfolgt (s.
Für manche Schneidanwendungen erfolgt eine Strahlfokussierung in das zu schneidende Material, d. h. die Fokuslage liegt im Werkstück. Eine derartige Verschiebung der Fokuslage wirkt sich nur geringfügig auf den Wert des Neigungswinkels φC der Schneidfront aus (s.
Der sich einstellende Wert des Neigungswinkels φC wird durch den erzielten Fokusradius r0 und die Strahlkaustik r(z), insbesondere jedoch durch die Dicke des zu schneidenden Werkstoffes bestimmt (s.
Bei konventioneller Prozessführung des Laserstrahlschneidens mit gleichförmiger Relativbewegung zwischen Laserstrahl und zu schneidendem Werkstück stellt sich der Neigungswinkel entsprechend der Prozess- und Materialparameter ein.In conventional process control of laser beam cutting with uniform relative movement between the laser beam and the workpiece to be cut adjusts the angle of inclination according to the process and material parameters.
Es besteht bei gegebener Strahlkaustik r(z) keine unmittelbare Möglichkeit der gezielten Einflussnahme auf die Größe des Neigungswinkels φC der Schneidfront. Insbesondere bei Verwendung von Laserstrahlquellen mit kurzer Wellenlänge und gleichzeitig hoher Strahlqualität können sich Neigungswinkel φC einstellen, deren Betrag deutlich größer als der Brewster-Winkel φBr ist. Dies führt zu einer unkontrollierten Reduzierung des absorbierten Leistungsanteils PL,A und kann die Prozesseffizienz des Laserstrahlschneidens deutlich verschlechtern.For a given beam caustic r (z), there is no immediate possibility of deliberate influence on the size of the tilt angle φ C of the cutting front. In particular, when using laser beam sources with a short wavelength and high beam quality at the same time angle of inclination φ C can be adjusted, the amount of which is significantly greater than the Brewster angle φ Br . This leads to an uncontrolled reduction of the absorbed power component P L, A and can significantly degrade the process efficiency of the laser beam cutting.
So ist aus
In
In
Die mit der Erfindung zu lösende Aufgabe besteht darin, beim Schmelzschneiden von Werkstücken mit Laserstrahlung den Wirkungsgrad und den Absorptionsgrad gegenüber den bekannten Verfahren zu erhöhen.The problem to be solved by the invention is to increase the efficiency and the degree of absorption compared with the known methods during the fusion cutting of workpieces with laser radiation.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe mit einem Verfahren, das die Merkmale des Anspruchs 1 aufweist, gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung können mit in untergeordneten Ansprüchen bezeichneten Merkmalen erreicht werden.According to the invention, this object is achieved by a method having the features of
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren soll so vorgegangen werden, dass eine maximale Absorption der Laserstrahlung bei vorgegebener Werkstückdicke erreicht wird, indem der Neigungswinkel φC der Schneidfront durch eine der Vorschubbewegung überlagerte Bewegung des Brennpunktes des Laserstrahls verändert wird. Zusätzlich kann eine Anpassung der Geometrie eines Laserstrahls mittels Strahlformung erfolgen.In the method according to the invention, the procedure is such that maximum absorption of the laser radiation is achieved for a given workpiece thickness by changing the inclination angle φ C of the cutting front by a movement of the focal point of the laser beam superimposed on the advancing movement. In addition, an adaptation of the geometry of a laser beam by means of beam shaping can take place.
Zur Erzielung einer hohen Prozesseffizienz ηC ist es erforderlich, dass die Laserstrahlung so auf die Schneidfront auftrifft, dass der Einfallswinkel φIN des Laserstrahls auf die Schneidfront im Bereich des Brewster-Winkels φBr liegt und ein Absorptionsgrad nahe dem Optimum gewährleistet wird. Dabei wird so vorgegangen, dass der Neigungswinkel φC der Schneidfront permanent so verändert wird, dass der Einfallswinkel φIN innerhalb eines Intervalls um den Brewster-Winkel φBr liegt. Der Brewster-Winkel soll dabei innerhalb des Intervalls liegen. Er muss nicht zwingend in dessen Mitte liegen. To achieve a high process efficiency η C , it is necessary for the laser radiation to impinge on the cutting front in such a way that the angle of incidence φ IN of the laser beam lies on the cutting front in the region of the Brewster angle φ Br and an absorption coefficient close to the optimum is ensured. The procedure is such that the angle of inclination φ C of the cutting front is permanently changed so that the angle of incidence φ IN is within an interval around the Brewster angle φ Br . The Brewster angle should be within the interval. He does not necessarily have to be in the middle of it.
Eine Verringerung des Neigungswinkels der Schneidfront lässt sich auch durch eine Vergrößerung des Fokusradius r0 erreichen. Allerdings führt eine solche Vorgehensweise ebenfalls zu einer Reduzierung der Intensität und Energiedichte. Gleichzeitig steigt der Leistungsbedarf PMIN insgesamt, da sich bei größerem Strahlradius die Schnittfugenbreite erhöht und folglich mehr Werkstoff aufgeschmolzen werden muss.A reduction in the inclination angle of the cutting front can also be achieved by increasing the focus radius r 0 . However, such a procedure also leads to a reduction in intensity and energy density. At the same time, the power requirement P MIN increases overall, since the kerf width increases with a larger jet radius and consequently more material has to be melted.
Bei. der zusätzlichen Möglichkeit, eine Einflussnahme auf die Geometrie durch Strahlformung des Laserstrahls zu erreichen, sollte beachtet werden, dass der zusätzliche Leistungsbedarf in Folge einer verbreiterten Schnittfuge sich vermeiden lässt, sofern eine Strahlaufweitung lediglich in Vorschubachsrichtung realisiert wird, siehe
Eine gezielte Einflussnahme auf die Größe des Neigungswinkels bei gleich bleibender Intensität lässt sich ebenfalls durch eine der gleichförmigen Relativbewegung zwischen Laserstrahl und Werkstück überlagerte nichtlineare oszillierende Auslenkung des Laserstrahls und eine damit verbundene Bewegung des Brennpunktes erreichen, siehe
Durch die oszillierende Strahlbewegung ist der Neigungswinkel φC der Schneidfront durch Wahl oder Oszillationsform, der Oszillationsamplitude a und der Oszillationsfrequenz f beeinflussbar. Dadurch kann die Neigung für eine jeweils gegebene Werkstückdicke dK, und den weiteren Prozessgrößen wie Strahlkaustik r(z), Laserleistung PL und Schneidgeschwindigkeit vC so eingestellt werden, dass eine maximale Absorption. der Laserstrahlung am Werkstoff bzw. Werkstück erreicht wird.By the oscillating beam movement of the inclination angle φ C of the cutting front by choice or oscillation shape, the oscillation amplitude a and the oscillation frequency f can be influenced. As a result, the inclination for each given workpiece thickness d K , and the other process variables such as Strahlkaustik r (z), laser power P L and cutting speed v C can be adjusted so that a maximum absorption. the laser radiation is achieved on the material or workpiece.
Die überlagerte oszillierende Auslenkung zwischen den beiden Umkehrpunkten dieser Bewegung sollte einen Mindestweg erreichen, der größer als der mittlere Durchmesser des Querschnitts des Laserstrahls in seinem Brennpunkt ist. Dabei sollte dieser Weg (Amplitude) mit steigender Dicke dK des Werkstücks größer werden. Es können dabei Wege des Brennpunkts zwischen den Umkehrpunkten zurückgelegt werden, die einige Millimeter betragen können. Dabei kann, wie bereits angedeutet auch eine Frequenz für die Oszillationsbewegung eingehalten werden, die im Bereich zwischen 10 Hz und 1000 Hz liegen sollte.The superimposed oscillatory deflection between the two reversal points of this movement should reach a minimum distance which is greater than the average diameter of the cross section of the laser beam at its focal point. In this case, this path (amplitude) should increase with increasing thickness d K of the workpiece. It can thereby be covered paths of the focal point between the reversal points, which may be a few millimeters. In this case, as already indicated, a frequency for the oscillation movement can be maintained, which should be in the range between 10 Hz and 1000 Hz.
Die oszillierende Auslenkung des Laserstrahls bei resultierender Bewegung des Brennpunktes kann in unterschiedlicher Form erfolgen. Bei einer longitudinalen Oszillation in Vorschubachsrichtung können unterschiedliche Ablenkfunktionen, wie z. B. harmonische, dreieckförmige und sägezahnförmige genutzt werden. Neben eindimensionalen Oszillationsformen können auch elliptische und achtförmige Laserstrahlbewegungen durchgeführt werden.The oscillating deflection of the laser beam with resulting movement of the focal point can take place in different forms. In a longitudinal oscillation in feed axis direction different deflection functions, such as. B. harmonic, triangular and sawtooth are used. In addition to one-dimensional oscillation forms, elliptical and eight-shaped laser beam movements can also be performed.
Sowohl der Strahlformung in Vorschubachsrichtung, als auch der oszillierenden Auslenkung des Laserstrahls sind bei Einsatz konventioneller Schneiddüsen mit kreisförmigen Durchlassöffnungen für Laserstrahl und Schneidgas Grenzen gesetzt. Eine einfache Vergrößerung des freien Querschnitts der Austrittsöffnung reduziert die Schneidgaswirkung und erhöht dessen Verbrauch, was daher zu vermeiden, zumindestens aber in Grenzen zu halten ist.Both the beam shaping in the feed axis direction and the oscillating deflection of the laser beam are limited when using conventional cutting nozzles with circular passage openings for laser beam and cutting gas. A simple enlargement of the free cross section of the outlet opening reduces the cutting gas effect and increases its consumption, which is therefore to be avoided, but at least to be kept within limits.
Vorteilhaft können Schneidgasdüsen eingesetzt werden, die an die jeweilige der beiden erfindungsgemäß aufgezeigten Alternativen, nämlich der Formung des Laserstrahlquerschnitts und der oszillierenden Auslenkung des Laserstrahls angepasst sind. Die Querschnitte der Austrittsöffnung können so eine rechteckige oder elliptische Gestalt aufweisen, siehe
Bei wechselnden Vorschubachsrichtungen kann die Schneiddüse synchron gedreht und deren Ausrichtung mit der geometrischen Gestalt der Austrittsöffnung an die jeweilige momentane Vorschubachsrichtung angepasst werden.With changing feed axis directions, the cutting nozzle can be rotated synchronously and their alignment with the geometric shape of the outlet opening can be adapted to the respective instantaneous feed axis direction.
Die erzielbare Verbesserung des Prozesswirkungsgrades ist von den jeweiligen Strahl- und Prozessparametern abhängig.The achievable improvement in process efficiency depends on the respective jet and process parameters.
Nachfolgend soll die Erfindung beispielhaft auch mit den teilweise selbsterklärenden Figuren näher erläutert werden.The invention will be explained in more detail by way of example with the partially self-explanatory figures.
Dabei zeigen:Showing:
Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren wurden Untersuchungen an einem Werkstück aus rostfreiem Edelstahl mit einer Werkstückdicke von 8 mm durchgeführt. Es wurde mit einem Faserlaser gearbeitet, der Laserstrahlung mit einer Wellenlänge von 1,07 μm bei einer Laserleistung von 2,5 kW emittierte. Der Laserstrahl wurde so fokussiert, dass der Durchmesser im Brennpunkt 110 μm aufwies. Die Brennpunktebene lag dabei 6 mm tief im zu trennenden Werkstück. Der Durchmesser des Laserstrahls an der Werkstückoberfläche konnte mit 400 μm berechnet werden. Die normale Vorschubbgeschwindigkeit, ohne Berücksichtigung der überlagerten oszillierenden Auslenkung, lag bei 0,6 m/min. Es wurde mit Stickstoff als Schneidgas, das über die Schneiddüse in die Schnittfuge gerichtet worden ist, gearbeitet.With the method according to the invention investigations were carried out on a workpiece made of stainless steel with a workpiece thickness of 8 mm. It worked with a fiber laser that emitted laser radiation with a wavelength of 1.07 microns at a laser power of 2.5 kW. The laser beam was focused so that the diameter at the focal point was 110 μm. The focal plane was 6 mm deep in the workpiece to be cut. The diameter of the laser beam at the workpiece surface could be calculated as 400 μm. The normal feed rate, excluding the superimposed oscillating deflection, was 0.6 m / min. It was worked with nitrogen as the cutting gas that had been directed into the kerf via the cutting nozzle.
Mit den in den
So wurde einmal bei konstanter Oszillationsfrequenz von 200 Hz ausgelenkt und lediglich der vom Brennfleck zwischen den Umkehrpunkten zurückgelegte Weg (Oszillationsamplitude 2a) variiert (s.
Mit dem in
Wie im allgemeinen Teil der Beschreibung zum Ausdruck gebracht, kann so auch der Einfallswinkel φIN beeinflusst werden.As expressed in the general part of the description, the angle of incidence φ IN can also be influenced in this way.
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