DE102009017441A1 - Laser beam machining method for machining a metallic workpiece, comprises coaxially directing a cutting gas at a processing location of a laser beam together with the laser beam to or into the metallic workpiece - Google Patents
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Abstract
Description
Technisches GebietTechnical area
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Laserstrahlschneiden gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1 sowie die Verwendung eines Gases dabei.The The invention relates to a method for laser beam cutting according to the The preamble of claim 1 and the use of a gas thereby.
Stand der TechnikState of the art
Laserstrahlschneiden ist eine Form des thermischen Trennens, bei der als Schneidwerkzeug ein Laserstrahl benutzt wird. Dazu wird der Laserstrahl auf die gewünschte Stelle gelenkt, wofür er in der Regel mit einer Linse im Schneidkopf der auf die Oberfläche des zu schneidenden Werkstücks oder in das Innere des Werkstücks fokussiert wird. Die hohe Energiedichte führt zu einer schnellen Erwärmung des zu schneidenden Werkstoffs.laser cutting is a form of thermal cutting, when used as a cutting tool a laser beam is used. For this purpose, the laser beam on the The desired body is directed, for which he usually with a lens in the cutting head on the surface of the to be cut workpiece or in the interior of the workpiece is focused. The high energy density leads to a rapid heating of the material to be cut.
Beim Laserstrahlschmelzschneiden wird das Material auf Schmelztemperatur erwärmt, beim Lasersublimierschneiden auf Verdampfungstemperatur. Beim Laserstrahlbrennschneiden wird an die zu schneidende Stelle Sauerstoff geleitet, damit, wie zum Brennschneiden notwendig, durch die Verbrennung des Sauerstoffs mit dem Werkstoff zusätzliche Energie eingebracht wird. Der Laserstrahl erwärmt dazu das Werkstück an der Bearbeitungsstelle fortwährend auf die Entzündungstemperatur, so dass die Verbrennung des Werkstoffmaterials mit dem Schneidsauerstoff stattfinden kann.At the Laser beam melting cuts the material to melting temperature heated, in laser sublimation cutting to evaporation temperature. When laser beam cutting is to the point to be cut Passed oxygen, so as necessary for flame cutting through the combustion of oxygen with the material adds energy is introduced. The laser beam heats the workpiece at the processing station continuously on the ignition temperature, so that the combustion of the material material with the cutting oxygen can take place.
Das geschmolzene Material wird beim Laserstrahlschneiden mit dem Schneidgas aus der Schnittfuge ausgetrieben, wobei beim Laserstrahlbrennschneiden der Schneidsauerstoffstrahl neben dem geschmolzenen Material auch die entstehende Schlacke austreibt. Als Schneidgas wird beim Laserstrahlbrennschneiden Sauerstoff verwendet, ansonsten wird als Schneidgas meist Stickstoff, Argon, Kohlendioxid (auch in Mischung mit Stickstoff) und/oder Helium verwendet. Auch Druckluft wird eingesetzt. Der Laserstrahl ist ein ideales Werkzeug, um metallische und nichtmetallische Werkstoffe geringer Dicken zu schneiden. Mit zunehmender Werkstoffdicke nimmt die Schneidgeschwindigkeit des Laserstrahls jedoch stark ab. So können beispielsweise beim Laser strahlbrennschneiden Bleche mit einer Dicke von etwa zwei Millimetern sechsmal schneller als Bleche mit einer Dicke von etwa fünfzehn Millimetern geschnitten werden.The Molten material is produced by laser cutting with the cutting gas expelled from the kerf, with the laser beam cutting the cutting oxygen jet next to the molten material too expels the resulting slag. As a cutting gas is laser beam cutting Oxygen used, otherwise is usually used as cutting gas nitrogen, Argon, carbon dioxide (also mixed with nitrogen) and / or helium used. Also compressed air is used. The laser beam is on ideal tool for metallic and non-metallic materials to cut small thicknesses. As the material thickness increases However, the cutting speed of the laser beam from strong. So For example, laser cutting can be used in laser cutting with a thickness of about two millimeters six times faster than Cut sheets with a thickness of about fifteen millimeters become.
Der
Stand der Technik schlägt zur Erhöhung der Schneidgeschwindigkeit
vor, das Schneidgas in einem turbulenten Strom zuzuführen.
So ist beispielsweise aus der Druckschrift
Die
Verwendung von Gasen bei tiefen Temperaturen zum Schneiden ist bekannt.
In der
Weiter
ist die Verwendung von Gasen bei tiefen Temperaturen zum Schneiden,
zur abrasiven Behandlung, zum Polieren oder zu einer sonstigen Modifikation
der Oberfläche auch aus der Druckschrift
Im
Verfahren der
Die
Druckschrift
Zusammenfassung der ErfindungSummary of the invention
Zur Lösung des oben erwähnten Problems schlägt diese Erfindung ein Laserstrahlschneidverfahren vor, bei dem zusammen mit dem Laserstrahl ein Schneidgas auf die Bearbeitungsstelle des Laserstrahls auf oder in einem metallischen Werkstück gerichtet wird, dadurch gekennzeichnet, dass das Gas bei einer Temperatur von 0°C bis –100°C und einem Druck von 1 bis 80 bar am Auslass einer Düse mit einem Durchsatz von 1 bis 200 Nm3/h eingesetzt wird.To solve the above-mentioned problem, this invention proposes a laser beam cutting method in which, together with the laser beam, a cutting gas is directed onto the processing point of the laser beam on or in a metallic workpiece, characterized in that the gas is at a temperature of 0 ° C to -. 100 ° C and a pressure of 1 to 80 bar at the outlet of a nozzle with a throughput of 1 to 200 Nm 3 / h is used.
Eine weitere Ausführungsform der Erfindung betrifft die Verwendung eines Schneidgases bei einer Temperatur von 0°C bis –100°C und einem Druck von 1 bis 80 bar am Auslass einer Düse mit einem Durchsatz von 3 bis 200 Nm3/h zum Laserstrahlschneiden eines metallischen Werkstücks.Another embodiment of the invention relates to the use of a cutting gas at a temperature of 0 ° C to -100 ° C and a pressure of 1 to 80 bar at the outlet of a nozzle with a throughput of 3 to 200 Nm 3 / h for laser beam cutting of a metallic workpiece ,
Kurze Beschreibung der ZeichnungShort description of the drawing
Beschreibung der AusführungsformenDescription of the embodiments
Im Verfahren der Erfindung wird in einem Laserstrahlschneidverfahren zusammen mit dem Laserstrahl ein Schneidgas ein Verfahren vor, bei dem in einem Laserstrahlschneidverfahren zusammen mit dem Laserstrahl ein Schneidgas bei einer Temperatur von 0°C bis –100°C und einem Druck von 1 bis 80 bar am Auslass einer Düse mit einem Durchsatz von 1 bis 200 Nm3/h auf die Bearbeitungsstelle des Laserstrahls auf oder in einem metallischen Werkstück (d. h. in dessen Schnittfuge) gerichtet wird.In the method of the invention, in a laser beam cutting method together with the laser beam, a cutting gas before a method in which in a laser beam cutting process together with the laser beam, a cutting gas at a temperature of 0 ° C to -100 ° C and a pressure of 1 to 80 bar Outlet of a nozzle with a throughput of 1 to 200 Nm 3 / h on the processing point of the laser beam on or in a metallic workpiece (ie in the kerf) is directed.
Die Erfindung betrifft auch die Verwendung eines solchen Schneidgases zum Laserstrahlschneiden eines metallischen Werkstücks.The The invention also relates to the use of such a cutting gas for laser beam cutting of a metallic workpiece.
Außer dem gekühlten Schneidgas kann in geringen Mengen, gewöhnlich < 10 Vol.-%, insbesondere < 5 Vol.-%, ein wärmeres (z. B. 10–25°C) Spülgas für das Umspülen oder Nachspülen der Linse der Fokussiereinrichtung eingesetzt werden, das aus Stickstoff, Argon und/oder Helium ausgewählt ist. Da Spülgas soll die Kondensation von Feuchtigkeit auf der Linse verhindern.Except The cooled cutting gas can in small amounts, usually <10 vol .-%, in particular <5 vol .-%, a warmer (eg 10-25 ° C) purge gas for the rinsing or rinsing the lens of the focusing device can be used, which is selected from nitrogen, argon and / or helium is. Since purge gas is said to condensation of moisture prevent on the lens.
Das Schneidgas ist bevorzugt aus Sauerstoff, Stickstoff, Argon, Kohlendioxid (auch in Mischung mit Stickstoff), Druckluft und Helium und deren Mischungen und aus Mischungen von Wasserstoff mit Stickstoff, Argon und Helium und der Mischungen ausgewählt.The Cutting gas is preferably oxygen, nitrogen, argon, carbon dioxide (also in mixture with nitrogen), compressed air and helium and their Mixtures and mixtures of hydrogen with nitrogen, argon and helium and the mixtures selected.
Beim Laserstrahlbrennschneiden wird bevorzugt Sauerstoff allein eingesetzt.At the Laser beam cutting is preferably used alone oxygen.
In bevorzugen Ausführungsformen beträgt die Schneidgastemperatur 0°C bis –40°C. Der Druck des Schneidgases am Auslass der Düse beträgt bevorzugt 1 bis 50 bar, z. B. 1 bis 40 bar, bevorzugter 5 bis 40 bar und insbesondere 5 bis 20 bar.In Preferred embodiments is the cutting gas temperature 0 ° C to -40 ° C. The pressure of the cutting gas at the outlet of the nozzle is preferably 1 to 50 bar, z. B. 1 to 40 bar, more preferably 5 to 40 bar and in particular 5 to 20 bar.
Der Durchsatz bei Gas, das keinen Sauerstoff enthält, beträgt bevorzugt 10 bis 100 Nm3/h, zum Beispiel 20 bis 80 Nm3/h, besonders bevorzugt 30 bis 60 Nm3/h. Bei sauerstoffhaltigem Gas liegt der bevorzugte Bereich bei 1 bei 40 Nm3/h, z. B. bei 10 bis 20 Nm3/h im Fall von N2/O2-Mischungen (also auch von Druckluft) und bei 1–4 Nm3/h im Fall von Sauerstoff allein.The throughput for gas containing no oxygen is preferably 10 to 100 Nm 3 / h, for example 20 to 80 Nm 3 / h, particularly preferably 30 to 60 Nm 3 / h. For oxygen-containing gas, the preferred range is 1 at 40 Nm 3 / h, z. B. at 10 to 20 Nm 3 / h in the case of N 2 / O 2 mixtures (ie also of compressed air) and at 1-4 Nm 3 / h in the case of oxygen alone.
Beim Laserstrahlschneiden ist die Schnittfuge sehr schmal. Dadurch wird die Gasbewegung gehemmt, und zwar umso mehr, je tiefer die Schnittfuge ist. Die Gasbewegung ist für das Austreiben des aus der Schnittfuge zu entfernenden Materials von großer Bedeutung. Beim Laserschmelzschneiden ist dieses Material geschmolzen. Neben geschmolzenem Material müssen beim Lasersublimationsverfahren auch in der Gasphase vorliegende Materialien aus der Schnittfuge entfernt werden, beim Lasserstrahlbrennschneiden auch die Oxidationsprodukte des Materials (”Schlacke”), da sonst eine ”Bartbildung” (Ablagerung von Schlacke) am Rand der Schnittfuge stattfindet.At the Laser cutting is the kerf very narrow. This will the gas movement is inhibited, and the more so, the deeper the kerf is. The gas movement is for the expulsion of the kerf material to be removed of great importance. For laser fusion cutting this material is melted. In addition to molten material need in the laser sublimation process also present in the gas phase Materials are removed from the kerf, when Lasserstrahlbrennschneiden also the oxidation products of the material ("slag"), otherwise a "beard formation" (deposition of slag) takes place at the edge of the kerf.
Geschieht dieses Austreiben nicht schnell genug, wird das Verfahren verlangsamt, wenn man keine optischen und sonstige Qualitätseinbußen in Kauf nehmen will. Dies macht sich insbesondere beim Schneiden von Werkstücken mit einer Dicke von mehr als 3 mm, zum Beispiel sehr dicken Blechen mit einer Dicke von mehr als 10 mm, bemerkbar, da mit zunehmender Materialdicke nicht nur der Austreibvorgang zunehmend gehemmt ist, sondern auch die Menge an auszutreibendem Material ansteigt.happens this exhalation not fast enough, the process is slowed down, if you do not lose optical and other quality wants to accept. This is especially true when cutting of workpieces with a thickness of more than 3 mm, for Example of very thick sheets with a thickness of more than 10 mm, noticeable, because with increasing material thickness not only the expulsion process is increasingly inhibited, but also the amount of expelled Material increases.
Eine Temperaturerniedrigung und Druckerhöhung des Schneidgases bei relativ hohem Durchsatz bewirkt, dass sowohl mehr Gas in die Schnittfuge gelangt als auch die Gasbewegung durch die plötzliche Ausdehnung in der vom Laserstrahl erhitzten Fuge turbulent wird. Vorteilhaft wird dadurch
- a) beim Laserstrahlschmelzschneiden oder Lasersublimierschneiden mit einem Schneidgas (z. B. Stickstoff, Argon, Kohlendioxid, Druckluft und/oder Helium) das schmelzflüssige und/oder sublimierte Material aus dem metallischen Werkstück besser ausgetragen;
- b) beim Laserstrahlbrennschneiden mit Sauerstoff neben der Verbesserung des Austragens von geschmolzenem Material und Schlacke auch die Reaktionsgeschwindigkeit zwischen Metall und Sauerstoff erhöht, wodurch sich mehr Sauerstoff in der Schnittfuge befindet und somit das Gleichgewicht Richtung Oxid verschoben wird.
- a) in laser beam fusion cutting or laser sublimation cutting with a cutting gas (eg., Nitrogen, argon, carbon dioxide, compressed air and / or helium) the molten and / or sublimated material from the metal workpiece better discharged;
- b) in the laser cutting with oxygen, in addition to improving the discharge of molten material and slag and the Re action rate between metal and oxygen increased, which is more oxygen in the kerf and thus the balance is shifted towards oxide.
Folglich kann bei gleichbleibender Schnittqualität eine höhere Schneidgeschwindigkeit erzielt. Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht deshalb ein effizientes Schneiden auch bei Werkstücken mit einer Dicke von mehr als 5 mm, z. B. 10–30 mm.consequently can with a constant cutting quality a higher Cutting speed achieved. The invention Method therefore enables efficient cutting also for workpieces with a thickness of more than 5 mm, z. B. 10-30 mm.
Ein weiterer Vorteil ist, dass das abgekühlte Gas auch die Linse der Laserfokussiereinrichtung kühlt, was die optische Eigenschaften der Linse beibehält. Ein eventueller Fokussiershift durch Erwärmen entfällt.One Another advantage is that the cooled gas and the Lens of Laserfokussiereinrichtung cools what the optical Properties of the lens maintains. A possible focus shift by heating is eliminated.
Nun wird auf die Figuren Bezug genommen.Now reference is made to the figures.
In
Die Vorteile der Erfindung zeigen sich sowohl beim Laserstrahlschmelzschneiden als auch beim Laserstrahlsublimationsschneiden und Laserstrahlbrennschneiden bei allen zu schneidenden Metallen und allen verwendeten Schneidgasen.The Advantages of the invention are evident both in laser beam fusion cutting as well as laser beam sublimation cutting and laser beam cutting for all metals to be cut and all cutting gases used.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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- - DE 102004052323 A1 [0005] - DE 102004052323 A1 [0005]
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- - WO 99/51393 A1 [0007] WO 99/51393 A1 [0007]
- - EP 484392 B1 [0008, 0009] - EP 484392 B1 [0008, 0009]
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