DE102009060908A1 - Method for laser cutting of metallic workpiece by pulsed/continuously processed laser beam under use of auxiliary layers of solid/fluid auxiliary materials, comprises arranging the auxiliary layer on part surface turned to the laser beam - Google Patents

Method for laser cutting of metallic workpiece by pulsed/continuously processed laser beam under use of auxiliary layers of solid/fluid auxiliary materials, comprises arranging the auxiliary layer on part surface turned to the laser beam Download PDF

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Abstract

The method for laser cutting of a metallic workpiece (1) by a pulsed or continuously processed laser beam (3) under use of auxiliary layers (2) of a solid or fluid auxiliary materials that are easily volatile than the material of the workpiece, comprises arranging the auxiliary layer on a part surface turned to the laser beam and selecting a laser beam power, focusing diameter and a cut feed of the laser beam in such a way that a pressure expansion of the auxiliary material is produced for expelling 80% of the melt from the cutting gap in influencing area of the laser beam. The method for laser cutting of a metallic workpiece (1) by a pulsed or continuously processed laser beam (3) under use of auxiliary layers (2) of a solid or fluid auxiliary materials that are easily volatile than the material of the workpiece, comprises arranging the auxiliary layer on a part surface turned to the laser beam and selecting a laser beam power, focusing diameter and a cut feed of the laser beam in such a way that a pressure expansion of the auxiliary material is produced for expelling 80% of the melt from the cutting gap in influencing area of the laser beam during the evaporation phase, and a volume of the auxiliary material is subjected in an overcritical condition. The auxiliary layer comprises a main layer and an intermediate layer arranged between the part surfaces of the workpiece. The intermediate layer consists of a material, whose evaporation temperature lies below the melting temperature of the material of the main layer. The laser beam power, the focusing diameter and the cut feed are selected in such a way that a volume of the intermediate layer between the main layer and the part surface of the workpiece is subjected in an overcritical condition in influential area of the laser beam. Zinc material is used as auxiliary material. The zinc material is subjected by an alloy-hot dip coating method on the part surface of the workpiece. A main layer is formed from zinc and intermediate layer is formed from an alloy component. The zinc material is electrolytically applied on the part surface of the workpiece. Aluminum-silicon-alloy is used as auxiliary material. A fluid is used as auxiliary material. An independent claim is included for a laser cutting device with device for producing a laser beam.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Laserschneiden eines metallischen Werkstücks sowie eine Laserschneidvorrichtung jeweils nach den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche.The invention relates to a method for laser cutting a metallic workpiece and a laser cutting device in each case according to the features of the independent claims.

Verfahren zum Laserschneiden von metallischen Werkstücken sind bekannt. Aus der DE 10 2004 039 916 A1 ist beispielsweise ein Verfahren zur Erzeugung einer engen Ausnehmung in einem metallischen Werkstück bekannt, bei dem ein Hochenergiestrahl in das Werkstück eindringt und dort eine Schmelze erzeugt, die mit Unterstützung einer externen Hilfskraft aus der Ausnehmung ausgeworden wird. Als Hilfskraft wird dabei eine auf die Schmelze wirkende Lorentz-Kraft eingesetzt. Dabei wird das Problem adressiert, dass mit kleiner werdender Dimensionierung der durch den Hochenergiestrahl erzeugten Ausnehmung das Entfernen von Schmelze aus der hergestellten Ausnehmung Probleme bereiten kann. Dabei wird im günstigeren Fall die Arbeitsgeschwindigkeit des Verfahrens beeinträchtigt, im ungünstigen Fall jedoch sogar die Qualität vermindert. Zur Lösung dieses Problems ist auch bekannt, beispielsweise aus der GB 1,088,510 , das Auswerfen von Schmelze aus der hergestellten Ausnehmung dadurch zu unterstützen, dass unterhalb des Werkstücks eine leicht verdampfende Substanz angeordnet wird. Durchstößt der Hochenergiestrahl das Werkstück und trifft auf diese Substanz, so verdampft diese. Der hierdurch erzeugte Dampfdruck wirft dann die Schmelze aus der Ausnehmung nach oben aus. Ferner ist in der EP 1 614 499 A1 bereits vorgeschlagen worden, in einem Verdampfungsverfahren einen gepulsten Laser mit einer sehr hohen Laserintensität von mehr als 108 Watt/cm2 zu verwenden, um damit Siliziumwafer zu schneiden, wobei das zu schneidende Halbleitermaterial unmittelbar verdampft wird. Als alternatives Verfahren wird Laserschneiden mit einer geringeren Laserintensität und längeren Pulsdauern vorgestellt, wobei geschmolzenes Material mittels eines Hochdruckgasjets aus dem Spalt geblasen wird. Ferner wird in der EP 1 614 499 A1 ein Laserschneidverfahren vorgeschlagen, bei dem der Laserstrahl eine derartige Intensität und Pulsdauer aufweist, dass zumindest ein Teil von geschmolzenem Material verdampft und eine Kraft auf die Schmelze ausübt wird, die damit aus dem Schneidspalt entfernt wird.Methods for laser cutting of metallic workpieces are known. From the DE 10 2004 039 916 A1 For example, there is known a method for producing a narrow recess in a metallic workpiece, in which a high-energy beam penetrates into the workpiece and generates a melt there, which is extracted from the recess with the assistance of an external auxiliary force. The auxiliary force used is a Lorentz force acting on the melt. In this case, the problem is addressed that with decreasing dimensioning of the recess generated by the high-energy beam, the removal of melt from the prepared recess can cause problems. In this case, the working speed of the process is affected in the more favorable case, in the worst case, however, even reduces the quality. To solve this problem is also known, for example from the GB 1,088,510 to assist the ejection of melt from the produced recess by arranging an easily evaporating substance below the workpiece. If the high-energy beam penetrates the workpiece and strikes this substance, it evaporates. The vapor pressure generated thereby then ejects the melt from the recess upwards. Furthermore, in the EP 1 614 499 A1 It has already been proposed, in an evaporation method, to use a pulsed laser with a very high laser intensity of more than 10 8 watt / cm 2 in order to cut silicon wafers, wherein the semiconductor material to be cut is directly evaporated. As an alternative method, laser cutting with lower laser intensity and longer pulse durations is presented wherein molten material is blown out of the gap by means of a high pressure gas jet. Furthermore, in the EP 1 614 499 A1 proposed a laser cutting method in which the laser beam has such intensity and pulse duration that at least a portion of molten material evaporates and a force is exerted on the melt, which is thus removed from the cutting gap.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, den Stand der Technik weiterzuentwickeln, insbesondere ein Laserschneiden von metallischen Werkstücken mit einer hohen Arbeitsgeschwindigkeit und gleichzeitig einfacher Handhabung zu ermöglichen.The object of the present invention is to further develop the state of the art, in particular to enable laser cutting of metallic workpieces with a high operating speed and at the same time simple handling.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind den abhängigen Ansprüchen zu entnehmen.The object is achieved with the features of the independent claims. Advantageous developments can be found in the dependent claims.

Das erfindungsgemäße Verfahren zum Laserschneiden eines metallischen Werkstücks mittels eines Laserstrahls unter Verwendung einer Hilfsschicht eines festen oder fluiden Hilfsstoffs zeichnet sich dadurch aus, dass die Hilfsschicht auf einer dem Laserstrahl zugewandten Teiloberfläche angeordnet ist, wobei ein Schneidspalt in der genannten Teiloberfläche erzeugt und eine Laserleistung, ein Fokusdurchmesser und ein Schneidvorschub des Laserstrahls derartig gewählt werden, dass im Einwirkungsbereich des Laserstrahls während einer Verdampfungsphase eine Druckausdehnung des Hilfsstoffs zum Ausschleudern von mindestens 80% der Schmelze aus dem Schneidspalt erzeugt wird. Vorzugsweise ist vorgesehen, dass der Hilfsstoff aus einem Material besteht, das leichter verdampfbar ist als das Material des Werkstücks. Vorzugsweise wird ein Hilfsstoff gewählt, der eine geringere Verdampfungsenthalpie als das Material des Werkstücks aufweist. Dabei liegt vorzugsweise die Verdampfungstemperatur des Hilfsstoffs unter der Schmelztemperatur des Materials des Werkstücks. Da die Hilfsschicht auf einer dem Laserstrahl zugewandten Teiloberfläche angeordnet ist, ist eine sehr einfache Handhabung der Werkstücke während der Durchführung des Verfahrens möglich. Erfindungsgemäß ist eine Entfernung von Schmelze aus dem Schneidspalt ohne Einsatz von Druckgas möglich, so dass hohe Betriebskosten durch Druckgasverbrauch sowie die Bereitstellung von Druckgas vermieden werden können.The inventive method for laser cutting a metallic workpiece by means of a laser beam using an auxiliary layer of a solid or fluid excipient is characterized in that the auxiliary layer is disposed on a part of the surface facing the laser beam, wherein a cutting gap generated in said part surface and a laser power Focus diameter and a cutting feed of the laser beam are chosen such that in the area of action of the laser beam during an evaporation phase, a pressure expansion of the excipient for ejection of at least 80% of the melt is generated from the cutting gap. It is preferably provided that the auxiliary material consists of a material which is easier to evaporate than the material of the workpiece. Preferably, an adjuvant is selected which has a lower enthalpy of vaporization than the material of the workpiece. In this case, preferably, the evaporation temperature of the excipient is below the melting temperature of the material of the workpiece. Since the auxiliary layer is arranged on a part of the surface facing the laser beam, a very simple handling of the workpieces during the implementation of the method is possible. According to a removal of melt from the cutting gap without the use of compressed gas is possible, so that high operating costs can be avoided by compressed gas consumption and the provision of compressed gas.

Ferner ermöglicht die Anordnung der Hilfsschicht auf einer dem Laserstrahl zugewandten Teiloberfläche, dass, sobald ein das metallische Werkstück durchdringender Schneidspalt gebildet wurde, Schmelze nach unten aus dem Schneidspalt ausgetrieben wird – hier wurde vorausgesetzt, dass der Laserstrahl die Teiloberfläche von oben trifft. Besonders geeignet sind leicht oxidierbare Materialien als Hilfsstoff. Laserleistung, Fokusdurchmesser und Schneidvorschub des Laserstrahls werden derart gewählt, dass während der Verdampfungsphase eine Druckausdehnung des Hilfsstoffs in Richtung des Laserfokus gedrängt werden, da die Wärmeleitfähigkeit während des Prozesses weitgehend konstant ist und mit der Erhöhung der Prozessgeschwindigkeit die Verdampfungsisotherme des Hilfsstoffs näher an den Laserfokus drücken. Die vergasenden Oberflächenschichten des Hilfsstoffs kommen dem entstehenden Schneidspalt sehr nahe und können sich in den Spaltbereichen hinein ausdehnen, wobei flüssige metallische Schmelze mitgerissen wird.Furthermore, the arrangement of the auxiliary layer on a partial surface facing the laser beam makes it possible that, as soon as a cutting gap penetrating the metallic workpiece has been formed, the melt is expelled downwards out of the cutting gap - here it was assumed that the laser beam strikes the partial surface from above. Particularly suitable are readily oxidizable materials as an excipient. Laser power, focus diameter and cutting feed of the laser beam are selected such that a pressure expansion of the excipient in the direction of the laser focus are forced during the evaporation phase, since the thermal conductivity during the process is largely constant and press the evaporation isotherm of the excipient closer to the laser focus with increasing the process speed , The gasifying surface layers of the excipient are very close to the resulting cutting gap and can expand in the gap areas, wherein liquid metal melt is entrained.

Gegenüber einem Verfahren ohne Hilfsstoff kommt das erfindungsgemäße Verfahren mit einer geringeren Laserleistung aus, so dass die thermische Belastung des Werkstücks im Bereich des Schneidspalts geringer wird und damit beispielsweise thermische Cracks weitgehend vermieden werden können. Andererseits sind die oberen und unteren Kanten des Schneidspalts aufgrund der stärkeren Wärmeeinbringung als bei einem herkömmlichen Prozess mit Druckgas angeschmolzen und abgerundet, womit eine Nachbehandlung des Werkstücks beispielsweise mit einem Lack erleichtert wird, da die abgerundeten Kanten von dem Lack besser umschlossen werden. Dies wiederum stellt einen verbesserten Korrosionsschutz dar. Ferner erleichtern abgerundete Kanten das manuelle Handling der Werkstücke und bieten auch Vorteile bei Kabeldurchführungen oder dergleichen. Das Verfahren kann vorteilhaft zur Erzeugung von Löchern mit unterschiedlichen Lochbildern, beispielsweise zur Typenindividualisierung, eingesetzt werden, da es eine freie Wahl der Lochgeometrie ermöglicht, insbesondere bei Einsatz eines flexibel gesteuerten Laserscanners. Frei programmierbare gestatten eine völlig freie Gestaltung der Lochgeometrie nicht nur einem zwei – sondern auch in einem dreidimensionalen Bereich.Compared with a process without an additive, the process according to the invention has a lower laser power, so that the thermal load of the workpiece in the region of the Cutting gap is lower and thus, for example, thermal cracks can be largely avoided. On the other hand, the upper and lower edges of the cutting gap are melted and rounded due to the higher heat input than in a conventional process with compressed gas, whereby a treatment of the workpiece is facilitated, for example with a paint, since the rounded edges are better enclosed by the paint. This, in turn, provides improved corrosion protection. Further, rounded edges facilitate manual handling of the workpieces and also provide advantages in cable glands or the like. The method can advantageously be used for producing holes with different hole patterns, for example for type individualization, since it allows a free choice of the hole geometry, in particular when using a flexibly controlled laser scanner. Freely programmable allow a completely free design of the hole geometry not only a two - but also in a three-dimensional area.

Das Verfahren kann vorteilhaft für das Schneiden von Stahlblechen, beispielsweise in der Automobilindustrie, eingesetzt werden, wobei beispielsweise die Blechdicke in einem Bereich von 1 mm und mehr liegen kann.The method can be advantageously used for cutting steel sheets, for example in the automotive industry, wherein, for example, the sheet thickness can be in a range of 1 mm and more.

In einer Weiterbildung des Verfahrens werden Laserstrahlleistung, Fokusdurchmesser und Schneidvorschub des Laserstrahls derartig gewählt, dass ein Volumen des Hilfsstoffs in einen überkritischen Zustand gebracht wird und eine explosionsartige Druckausdehnung erfolgt, so dass eine erhöhte Prozessgeschwindigkeit (Schneidvorschub des Laserstrahls) und dennoch hohe Qualität des erzeugten Schneidspalts realisiert wird. In einem überkritischen Zustand eines Volumens des Hilfsstoffs findet eine besonders vollständige und schnelle Druckausdehnung, insbesondere auch eine oxidative Umsetzung des Hilfsstoffs statt.In a development of the method, the laser beam power, focus diameter and cutting advance of the laser beam are selected such that a volume of the auxiliary substance is brought into a supercritical state and an explosive pressure expansion takes place, so that an increased process speed (cutting advance of the laser beam) and nevertheless high quality of the generated cutting gap is realized. In a supercritical state of a volume of the excipient, a particularly complete and rapid pressure expansion, in particular also an oxidative conversion of the auxiliary substance, takes place.

In einer Weiterbildung des Verfahrens umfasst die Hilfsschicht zumindest eine Hauptschicht und zumindest eine zwischen dieser und der Teiloberfläche des Werkstücks angeordnete Zwischenschicht, wobei zur Erhöhung des Verdampfungsdrucks die Zwischenschicht aus einem Material besteht, das leichter verdampfbar ist als das Material der Hauptschicht. Derartige Hilfsschichten werden üblicherweise aus Legierungen gebildet, die sich nach der Aufbringung auf eine Oberfläche des Werkstücks in eine Hauptschicht und eine Grenzschicht differenzieren, wobei die Grenzschicht üblicherweise sehr dünn ist. Bei einem genügend hohen Schneidvorschub des Laserstrahls kann die Grenzschicht gleichmäßig gezündet werden und dabei explosionsartig verdampfen. In einer Weiterbildung des Verfahrens wird ein Volumen einer Zwischenschicht zwischen Hauptschicht und Teiloberfläche des Werkstücks in einem überkritischen Zustand durch Wahl der Laserleistung, des Fokusdurchmessers und des Schneidvorschubs des Laserstrahls gebracht und damit die Verdampfung besonders vollständig und schnell durchgeführt.In a further development of the method, the auxiliary layer comprises at least one main layer and at least one intermediate layer arranged between the latter and the partial surface of the workpiece, to increase the evaporation pressure the intermediate layer consists of a material which is more readily vaporisable than the material of the main layer. Such auxiliary layers are usually formed from alloys that differentiate after application to a surface of the workpiece into a main layer and a boundary layer, wherein the boundary layer is usually very thin. At a sufficiently high cutting feed of the laser beam, the boundary layer can be ignited uniformly and thereby evaporate explosively. In a development of the method, a volume of an intermediate layer between the main layer and the partial surface of the workpiece is brought into a supercritical state by selecting the laser power, the focus diameter and the cutting advance of the laser beam and thus the evaporation is carried out particularly completely and quickly.

In einer Weiterbildung des Verfahrens wird als Hilfsstoff ein Zinkmaterial verwendet, insbesondere ein zur Beschichtung von Stahlbleche üblicherweise eingesetztes Zinkmaterial. Derartige Zinkmaterialien sind in der Autoindustrie, beispielsweise als Korrosionsschutz, verwendet.In a further development of the method, a zinc material is used as the auxiliary, in particular a zinc material usually used for coating steel sheets. Such zinc materials are used in the automotive industry, for example as corrosion protection.

In einer Weiterbildung des Verfahrens wird das Zinkmaterial mittels eines Legierungs-Schmelztauchverfahrens (Feuerverzinken) auf die Teiloberfläche des Werkstücks aufgebracht, wobei eine Hauptschicht aus Zink und eine Zwischenschicht aus zumindest einem Legierungsbestandteil gebildet wird. Die neben dem Zink eingesetzten Legierungsbestandteile dienen als Haftvermittler, damit das Zink auf dem Stahlblech hält. Als Haftvermittler wird insbesondere Aluminium, mit einem Gewichtsanteil von beispielsweise weniger als 0,3% der Zinkschmelze eingesetzt. Der Haftvermittler erreicht, dass das im Stahl enthaltene Eisen mit dem Zink keine spröde intermetallische Phase bildet und dann vom Blech abplatzt. Vielmehr bindet der Haftvermittler, beispielsweise Aluminium, das Eisen an der Oberfläche, wobei sich da drüber eine Reinzinkschicht ablagert. In der dünnen Grenzschicht, beispielsweise zwischen 1–2 μm Dicke, lagert sich Aluminium in hoher Konzentration ab. Eine derartige Schicht weist nicht nur einen geringeren Schmelzpunkt auf, sondern auch eine niedrigere Verdampfungstemperatur, sowie eine besonders niedrige Verdampfungsenthalpie. Liegt die Verdampfungstemperatur dieser Schicht unterhalb der Schmelztemperatur von Zink, wird durch Wärmeleitung die Verdampfungstemperatur der Grenzschicht, beispielsweise Aluminium-angereichtere Schicht, vor dem eigentlichen Schneiden der Teiloberfläche des Werkstücks erreicht. Hierbei liegt diese Grenzschicht in einem Bereich zwischen noch nicht geschmolzenem Zinkmaterial und noch nicht geschmolzenem Material des Werkstücks eingeschlossen. Es kommt daher zu einer Überhitzung eines Volumens der Zwischenschicht und damit zu einem Siedeverzug mit starkem Überdruck. Kommt daraufhin eine Schmelzfront des Zinkmaterials in die räumliche Nähe des Überdruckbereichs der Zwischenschicht, erfolgt eine Entladung des gespeicherten Drucks. Erfindungsgemäß kann durch Wahl eines hohen Schneidvorschubs und einer geeigneten Laserstrahlleistung sowie eines geeigneten Fokusdurchmessers erreicht werden, dass ein relativ großer Teil der Druckausdehnung sich in den Schneidspalt ausbreitet, der dem Laserstrahl entgegengesetzt liegt. In a further development of the method, the zinc material is applied to the partial surface of the workpiece by means of an alloy hot dipping method (hot dip galvanizing), wherein a main layer of zinc and an intermediate layer of at least one alloying component is formed. The alloy components used alongside the zinc act as adhesion promoters to keep the zinc on the steel sheet. The adhesion promoter used is in particular aluminum, with a weight fraction of, for example, less than 0.3% of the molten zinc. The bonding agent ensures that the iron contained in the steel with the zinc does not form a brittle intermetallic phase and then peels off the sheet. Rather, the adhesion promoter, for example aluminum, binds the iron to the surface, with a pure zinc deposit layer being deposited over it. In the thin boundary layer, for example, between 1-2 microns thick, aluminum deposits in high concentration. Such a layer has not only a lower melting point, but also a lower evaporation temperature, and a particularly low enthalpy of vaporization. If the evaporation temperature of this layer is below the melting temperature of zinc, the vaporization temperature of the boundary layer, for example aluminum-enriched layer, is achieved by thermal conduction before the actual cutting of the partial surface of the workpiece. In this case, this boundary layer is enclosed in a region between not yet molten zinc material and not yet molten material of the workpiece. It therefore comes to an overheating of a volume of the intermediate layer and thus to a bumping with strong overpressure. If a melt front of the zinc material then comes into the spatial proximity of the overpressure region of the intermediate layer, the stored pressure is discharged. According to the invention, by selecting a high cutting feed and a suitable laser beam power and a suitable focus diameter, a relatively large part of the pressure expansion can be achieved Cutting gap propagates, which is opposite to the laser beam.

In einer Weiterbildung des Verfahrens wird das Zinkmaterial elektrolytisch auf die Teiloberfläche des Werkstücks aufgebracht, wobei Zinkschichten mit einer metallischbläulich-weißen Farbe erzeugt werden. Eine elektrolytisch auf die Teiloberfläche aufgebrachte Zinkschicht ohne Haftvermittler weist üblicherweise keine Zwischen- bzw. Grenzschicht auf. Die erfindungsgemäße Druckausdehnung zum Ausschleudern der Schmelze aus dem Schneidspalt wird dann dadurch erzeugt, dass sich Zink mit dem Umgebungssauerstoff in einer externen Reaktion (Oxidation) verbindet und verbrennt bzw. verdampft.In a further development of the method, the zinc material is applied electrolytically to the partial surface of the workpiece, wherein zinc layers are produced with a metallic bluish-white color. An electrolytically applied to the sub-surface zinc layer without adhesion promoter usually has no intermediate or boundary layer. The pressure expansion according to the invention for ejecting the melt from the cutting gap is then produced in that zinc combines with the ambient oxygen in an external reaction (oxidation) and burns or vaporizes.

In einer weiteren Ausgestaltung des Verfahrens wird als Hilfsstoff eine Aluminium-Silizium-Legierung verwendet. Vorzugsweise weist der Hilfsstoff einen Aluminium-Gewichtsanteil von mindestens 90% sowie Anteile von Silizium auf, womit eine metallische Hilfsschicht mit einer besonders hohen Oberflächegüte, einem guten Korrosionsschutz und/oder einer Gleitwirkung erreicht werden kann. Besonders vorteilhaft ist bei derartigen Beschichtungen, dass sie die Oxidation des Materials der Bauteile in einem Ofen beim Härten verhindern. Eine bevorzugte Verwendung derartiger Hilfsschichten erfolgt im Bereich der Herstellung von Teilen für die Automobilindustrie.In a further embodiment of the method, an aluminum-silicon alloy is used as adjuvant. Preferably, the excipient has an aluminum content by weight of at least 90% and amounts of silicon, whereby a metallic auxiliary layer with a particularly high surface quality, good corrosion protection and / or a sliding action can be achieved. It is particularly advantageous in such coatings that they prevent the oxidation of the material of the components in an oven during curing. A preferred use of such auxiliary layers is in the field of manufacturing parts for the automotive industry.

In einer Weiterbildung des Verfahrens kann als Hilfsschicht auch ein Fluid verwendet werden, beispielsweise ein Parafin, ein Mineral oder pflanzliches Öl, Glycerinxylol oder dergleichen. Bei der Wahl des Fluids ist erfindungsgemäß darauf zu achten, dass der Verdampfungsdruck der Verdampfungsphase durch Wahl der Laserstrahlleistung, des Fokusdurchmessers und des Schneidvorschubs des Laserstrahls ausreicht, um mindestens 80% der Schmelze des metallischen Materials aus dem Schneidspalt zu entfernen.In a further development of the method, a fluid can also be used as auxiliary layer, for example a paraffin, a mineral or vegetable oil, glycerol xylene or the like. When choosing the fluid, it is to be ensured according to the invention that the evaporation pressure of the evaporation phase is sufficient by selecting the laser beam power, the focus diameter and the cutting advance of the laser beam in order to remove at least 80% of the melt of the metallic material from the cutting gap.

Zweckmäßigerweise kann das Verfahren mit einem gepulsten oder kontinuierlich betriebenen Laserstrahl arbeiten, wobei in beiden Fällen wesentlich ist, dass Laserleistung, Fokusdurchmesser und Schneidvorschub geeignet gewählt werden. Es versteht sich, dass generell das Schneiden von langen Bauteilen länger dauert als das von kurzen.Conveniently, the method can work with a pulsed or continuously operated laser beam, wherein in both cases it is essential that laser power, focus diameter and cutting feed are selected appropriately. It is understood that generally the cutting of long components takes longer than that of short ones.

Bei den metallischen Werkstücken handelt es sich insbesondere um Blechteile aus einer der Legierungen 22 MNB5, 25 CRM4, 34 CRM4. 42 CRM4, 25 CRMOS4, 34 CRMOS4 oder 42 CRMOS4. Der Stahl 22 MNB5 sollte dabei vorzugsweise in der folgenden Zusammensetzung verwendet werden, wobei die angegebenen Werte die Mengenprozente der Legierung darstellen: C: 0,20–0,25; Si: 0,15–0,40; Mn: 1,10–1,40; Cr: ≤ 0,35; Mo: ≤ 0,35; P: ≤ 0,025; S: ≤ 0,005; Ti: 0,020–0,500; Al: 0,020–0,060; B: 0,002–0,005.The metallic workpieces are in particular sheet metal parts made of one of the alloys 22 MNB5, 25 CRM4, 34 CRM4. 42 CRM4, 25 CRMOS4, 34 CRMOS4 or 42 CRMOS4. The steel 22 MNB5 should preferably be used in the following composition, the values given being the percentage by volume of the alloy: C: 0.20-0.25; Si: 0.15-0.40; Mn: 1.10-1.40; Cr: ≤ 0.35; Mo: ≤ 0.35; P: ≤ 0.025; S: ≤ 0.005; Ti: 0.020-0.500; Al: 0.020-0.060; B: 0.002-0.005.

Die Aufgabe ist ferner mit einer Laserschneidvorrichtung mit einer Einrichtung zur Erzeugung eines Laserstrahls, einer Handlingeinrichtung und einer Steuereinrichtung gelöst, die sich dadurch auszeichnet, dass die vorgenannten Einrichtungen ausgebildet sind zum Durchführen des Verfahrens, wie oben beschrieben. Es ergeben sich insbesondere die vorab beschriebenen Vorteile.The object is further achieved with a laser cutting device having a device for generating a laser beam, a handling device and a control device, which is characterized in that the aforementioned devices are designed to carry out the method, as described above. This results in particular in the advantages described above.

Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung, in der – ggf. unter Bezug auf die Zeichnung – zumindest ein Ausführungsbeispiel im einzelnen beschrieben ist. Beschriebene und/oder bildlich dargestellte Merkmale bilden für sich oder in beliebiger sinnvoller Kombination den Gegenstand der Erfindung, ggf. auch unabhängig von den Ansprüchen, und können insbesondere zusätzlich auch Gegenstand einer oder mehrerer separater Erfindungen sein. Gleiche, ähnliche und/oder funktionsgleiche Teile sind mit gleichen Bezugszeichen versehen.Further advantages, features and details will become apparent from the following description in which - where appropriate, with reference to the drawings - at least one embodiment is described in detail. Described and / or illustrated features, alone or in any meaningful combination, form the subject matter of the invention, if necessary also independent of the claims, and in particular may additionally be the subject of one or more separate inventions. The same, similar and / or functionally identical parts are provided with the same reference numerals.

Es zeigenShow it

1 eine Prinzipdarstellung einer verdampfenden Hilfsschicht auf einer Teiloberfläche eines Werkstücks beim Laserschneiden. 1 a schematic representation of an evaporating auxiliary layer on a partial surface of a workpiece during laser cutting.

2 eine Prinzipdarstellung von Laserschneiden unter Verwendung einer Zwischenschicht bei einem geringen Schneidvorschub. 2 a schematic representation of laser cutting using an intermediate layer at a low cutting feed.

3 eine Prinzipdarstellung, analog wie bei 2, allerdings bei einem hohen Schneidvorschub. 3 a schematic representation, analogous to 2 , but at a high cutting feed.

1 zeigt eine Prinzipdarstellung eines Laserschneidens eines metallischen Werkstücks 1 unter Verwendung einer Hilfsschicht 3 eines festen oder fluiden Hilfsstoffs mittels eines Laserstrahls 3. Der mit 3a bezeichnete Pfeil soll die Intensität des Laserstrahls illustrieren. 1 shows a schematic diagram of a laser cutting a metallic workpiece 1 using an auxiliary layer 3 a solid or fluid excipient by means of a laser beam 3 , The one with 3a designated arrow is intended to illustrate the intensity of the laser beam.

Das Laserschneiden erfolgt mit einer Einrichtung zur Erzeugung eines Laserstrahls, einer Handlingeinrichtung und einer Steuereinrichtung, die ausgebildet sind um das im weiteren genauer dargestellte Verfahren durchzuführen.The laser cutting takes place with a device for generating a laser beam, a handling device and a control device, which are designed to carry out the method described in more detail below.

Die Hilfsschicht 2 ist auf eine dem Laserstrahl zugewandte Teiloberfläche des Werkstücks 1 aufgebracht. Der Laserstrahl 3 erzeugt in der Teiloberfläche 1a einen Spalt 4. Die Hilfsschicht besteht aus einem Hilfsstoff, der leichter zu verdampfen ist als das Material des metallischen Werkstücks 1. Daher ist die Verdampfungsisotherme 6 des Hilfsstoffs räumlich versetzt gegenüber der Schmelzgrenze 5 des Werkstücks 1. Insbesondere ist dies der Fall, wenn die Verdampfungstemperatur des Hilfsstoffs niedriger als die Schmelztemperatur des Materials des Werkstücks ist. In der 1 ist erkennbar, dass die Isobare 7 eine Teilmenge 8 aufweist, die zunimmt, falls die Schmelzgrenze 5 an die Verdampfungsisotherme des Hilfsstoffs heranrückt. Die Teilmenge 8 der Isobare entspricht einer Druckausdehnung in einer der Einfallsrichtung des Laserstrahls entgegengesetzten Richtung. Sobald der Schneidspalt 4 das Werkstücks 1 durchdrungen hat, so dass im Bereich einer zweiten Oberfläche 1b eine Öffnung entstanden ist, kann ein Ausschleudern von Schmelze aus dem Schneidspalt durch die Druckausdehnung während der Verdampfungsphase des Hilfsstoffs der Hilfsschicht 2 derart unterstützt werden, dass mindestens 80% der Schmelze aus dem Schneidspalt entfernt werden.The auxiliary layer 2 is on a laser beam facing partial surface of the workpiece 1 applied. The laser beam 3 generated in the sub-surface 1a a gap 4 , The auxiliary layer consists of an excipient which is easier to vaporize than the material of the metallic workpiece 1 , Therefore, the evaporation isotherm 6 the auxiliary substance spatially offset from the melting limit 5 of the workpiece 1 , In particular, this is the case when the evaporation temperature of the excipient is lower than the melting temperature of the material of the workpiece. In the 1 it is recognizable that the isobar 7 a part 8th which increases if the melt limit 5 to the evaporation isotherm of the excipient. The subset 8th the isobar corresponds to a pressure expansion in a direction opposite to the direction of incidence of the laser beam. As soon as the cutting gap 4 the workpiece 1 has penetrated, leaving in the area of a second surface 1b If an opening has formed, ejection of melt from the cutting gap by the pressure expansion during the evaporation phase of the auxiliary material of the auxiliary layer 2 be supported so that at least 80% of the melt are removed from the cutting gap.

Das Verfahren wurde zum Schneiden von Stahlblechen bis 0,7 mm Dicke unter Einsatz von Lasern mit einer Leistung zwischen 4.000 Watt und 8.000 Watt mit einem Laserfokusdurchmesser von 600 μm erprobt. Die Laserleistungsdichte lag dabei in einem Bereich zwischen 14.000 W/mm2 bis 21.000 W/mm2. Bei einem Schneidvorschub in einem Bereich zwischen 2 und 10 m/Min. wurden hochqualitative Laserschnitte mit einem vollständigen Auswurf von Schmelze erreicht. Durch Verkleinerung des Fokusdurchmessers kann die Geschwindigkeit, d. h. der Schneidvorschub, erhöht werden. Die Druckausdehnung des Hilfsstoffs hängt zusammen mit einer Verdampfungsrate, beispielsweise des Zinks. Die Verdampfungsrate ist proportional der Fokusbreite × der Schichtdicke × Schneidlänge/Zeit. Bei einer typischen Zinkschichtdicke von 7,5 μm und einem Fokusdurchmesser von 600 μm werden bei einer Geschwindigkeit zwischen 2 und 18 m/Min. 0,14–1,26 mm3/sec verdampft. Bei einem Fokusdurchmesser von 400 μm und einer Geschwindigkeit zwischen 2 und 18 m/Min. werden 0,09–0,84 mm3/sec verdampft.The process was tested for cutting steel sheets up to 0.7 mm thick using lasers with a power between 4,000 watts and 8,000 watts with a laser focus diameter of 600 microns. The laser power density was in a range between 14,000 W / mm 2 to 21,000 W / mm 2 . With a cutting feed in a range between 2 and 10 m / min. High quality laser cuts were achieved with a complete ejection of melt. By reducing the focus diameter, the speed, ie the cutting feed, can be increased. The pressure expansion of the excipient is related to an evaporation rate, for example of zinc. The evaporation rate is proportional to the focus width × the layer thickness × cutting length / time. At a typical zinc layer thickness of 7.5 microns and a focus diameter of 600 microns are at a speed between 2 and 18 m / min. 0.14-1.26 mm 3 / sec evaporated. With a focus diameter of 400 μm and a speed between 2 and 18 m / min. 0.09-0.84 mm 3 / sec are evaporated.

Es versteht sich, dass ab einem sehr kleinen Fokusdurchmesser die verdampfenden Oberflächenschichten sich nicht mehr in den Schneidspalt ausdehnen können, da sich die Breite des Schneidspalts ungünstig im Verhältnis zur Dicke des Blechs entwickelt. Bei einem Laserfokus mit einem Durchmesser von 500 μm und einer Blechdicke von 1.000 μm ergibt sich ein Schachtverhältnis von 2, während bei einem Laserfokusdurchmesser von 100 μm und gleicher Blechdicke ein Schachtverhältnis von 10 resultiert. Vorzugsweise wird das erfindungsgemäße Verfahren mit einem Schachtverhältnis von nicht mehr als 5 durchgeführt, um sicherzustellen, dass die sich ausbildende Druckausdehnung ausreichend stark ist, die flüssige Stahlschmelze vollständig aus dem Schneidspalt auszutreiben.It is understood that from a very small focus diameter, the evaporating surface layers can not expand into the cutting gap, since the width of the cutting gap unfavorably develops in relation to the thickness of the sheet. In the case of a laser focus with a diameter of 500 μm and a sheet thickness of 1,000 μm, a shaft ratio of 2 results, while with a laser focus diameter of 100 μm and the same sheet thickness, a shaft ratio of 10 results. Preferably, the inventive method is performed with a chute ratio of not more than 5 to ensure that the pressure build-up that is formed is sufficiently strong to drive the liquid molten steel completely out of the cutting gap.

In 2 ist eine der 1 entsprechende Darstellung eines erfindungsgemäßen Verfahrens gegeben, wobei allerdings die Hilfsschicht aus einer Hauptschicht 2a und einer Zwischenschicht 2b im Bereich der Teiloberfläche 1a des Werkstücks 1 besteht.In 2 is one of the 1 corresponding representation of a method according to the invention given, however, wherein the auxiliary layer of a main layer 2a and an intermediate layer 2 B in the area of the sub-surface 1a of the workpiece 1 consists.

Vorzugsweise ist die Hilfsschicht 2a, 2b mittels eines Legierungs-Schmelztauchverfahrens (Feuerverzinken) auf die Teiloberfläche 1b sowie 1a aufgebracht. Im vorliegenden Fall ist die Zwischenschicht ein Gemenge umfassend die Elemente Aluminium, Zink und Eisen. Zur besseren Veranschaulichung der Zusammensetzung der Materialien des Werkstücks und der Hilfsschicht sind ferner in 2 im linken Figurenbereich Gewichtsprozente der Bestandteile Zink, Aluminium und Eisen in Abhängigkeit von einer Tiefe μm unterhalb einer Oberfläche 2c der Hilfsschicht 2a, 2b aufgetragen.Preferably, the auxiliary layer 2a . 2 B by means of an alloy hot dipping process (hot dip galvanizing) on the sub-surface 1b such as 1a applied. In the present case, the intermediate layer is a mixture comprising the elements aluminum, zinc and iron. To better illustrate the composition of the materials of the workpiece and the auxiliary layer are further in 2 in the left figure area weight percent of the components zinc, aluminum and iron as a function of a depth microns below a surface 2c the auxiliary layer 2a . 2 B applied.

Ferner sind in 2 die Verdampfungsisotherme der Hauptschicht 6a und der Zwischenschicht 6b sowie die Schmelzisotherme 5 des Materials des Werkstücks 1 dargestellt. In einem Bereich zwischen der Oberfläche 1a des Werkstücks und der Hauptschicht 2a kann ein Volumen 9 in einen überkritischen Zustand gebracht werden und sehr schnell oder sogar explosionsartig eine Druckausdehnung zeigen. Hierbei sind die zum Austreiben der Schmelze nutzbaren Teile 8 der Isobaren 7 bei geringen Geschwindigkeiten relativ klein.Furthermore, in 2 the evaporation isotherm of the main layer 6a and the intermediate layer 6b and the melt isotherm 5 the material of the workpiece 1 shown. In an area between the surface 1a of the workpiece and the main layer 2a can be a volume 9 be brought into a supercritical state and show very quickly or even explosively a pressure expansion. Here are the useful for expelling the melt parts 8th the isobars 7 at low speeds relatively small.

Der Vergleich mit der 3, die die Situation bei hohen Geschwindigkeiten darstellt, zeigt, dass dann der Anteil der zum Austreiben verwendbaren Isotherme 8 sehr viel größer wird, so dass das Verfahren bei hohen Prozessgeschwindigkeiten ein verbessertes Austreiben von flüssiger Schmelze aus dem Schneidspalt erzielt als bei niedrigeren Geschwindigkeiten.The comparison with the 3 , which represents the situation at high speeds, shows that then the proportion of usable for expulsion isotherm 8th becomes much larger, so that at high process speeds, the process achieves improved flow of liquid melt out of the cutting gap than at lower speeds.

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  • GB 1088510 [0002] GB 1088510 [0002]
  • EP 1614499 A1 [0002, 0002] EP 1614499 A1 [0002, 0002]

Claims (11)

Verfahren zum Laserschneiden eines metallischen Werkstücks mittels eines Laserstrahls unter Verwendung einer Hilfsschicht eines festen oder fluiden Hilfsstoffs, der leichter verdampfbar ist als das Materials des Werkstücks, dadurch gekennzeichnet, dass die Hilfsschicht auf einer dem Laserstrahl zugewandten Teiloberfläche angeordnet ist, ein Schneidspalt in der genannten Teiloberfläche erzeugt und eine Laserstrahlleistung, ein Fokusdurchmesser und ein Schneidvorschub des Laserstrahls derart gewählt werden, dass im Einwirkungsbereich des Laserstrahls während einer Verdampfungsphase eine Druckausdehnung des Hilfsstoffs zum Ausschleudern von vorzugsweise mindestens 80% der Schmelze aus dem Schneidspalt erzeugt wird.A method of laser cutting a metallic workpiece by means of a laser beam using an auxiliary layer of a solid or fluid excipient that is easier to evaporate than the material of the workpiece, characterized in that the auxiliary layer is disposed on a partial surface facing the laser beam, a cutting gap in said sub-surface and a laser beam power, a focus diameter and a cutting feed of the laser beam are selected such that in the area of action of the laser beam during a vaporization phase, a pressure expansion of the excipient for ejecting preferably at least 80% of the melt from the cutting gap is generated. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass eine Laserstrahlleistung, ein Fokusdurchmesser und ein Schneidvorschub des Laserstrahls derart gewählt werden, dass ein Volumen des Hilfsstoffs in einen überkritischen Zustand gebracht wird.A method according to claim 1 or 2, characterized in that a laser beam power, a focus diameter and a cutting feed of the laser beam are selected such that a volume of the excipient is brought into a supercritical state. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Hilfsschicht zumindest eine Hauptschicht und zumindest eine zwischen dieser und der Teiloberfläche des Werkstücks angeordnete Zwischenschicht umfasst, wobei die Zwischenschicht aus einem Material besteht, dessen Verdampfungstemperatur unterhalb der Schmelztemperatur des Materials der Hauptschicht liegt.A method according to claim 1, characterized in that the auxiliary layer comprises at least one main layer and at least one interposed therebetween and the part surface of the workpiece intermediate layer, wherein the intermediate layer consists of a material whose evaporation temperature is below the melting temperature of the material of the main layer. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass Laserstrahlleistung, Fokusdurchmesser und Schneidvorschub des Laserstrahls derart gewählt werden, dass in einem Einwirkbereich des Laserstrahls ein Volumen einer Zwischenschicht zwischen Hauptschicht und Teiloberfläche der Werkstücks in einen überkritischen Zustand gebracht wird.A method according to claim 5, characterized in that the laser beam power, focus diameter and cutting feed of the laser beam are chosen such that in an area of action of the laser beam, a volume of an intermediate layer between the main layer and the partial surface of the workpiece is brought into a supercritical state. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Hilfsstoff ein Zinkmaterial verwendet wird.Method according to one of the preceding claims, characterized in that a zinc material is used as adjuvant. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Zinkmaterial mittels eines Legierungs-Schmelztauchverfahrens auf die Teiloberfläche des Werkstücks aufgebracht wurde, wobei eine Hauptschicht aus Zink und eine Zwischenschicht aus zumindest einem Legierungsbestandteil gebildet wird.A method according to claim 4, characterized in that the zinc material has been applied to the partial surface of the workpiece by means of an alloy hot dip process, wherein a main layer of zinc and an intermediate layer of at least one alloying constituent is formed. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Zinkmaterial elektrolytisch auf die Teiloberfläche des Werkstücks aufgebracht wird.A method according to claim 5, characterized in that the zinc material is applied electrolytically to the partial surface of the workpiece. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass als Hilfsstoff eine Aluminium-Silizium-Legierung verwendet wird.Method according to one of claims 1 to 4, characterized in that an aluminum-silicon alloy is used as adjuvant. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Hilfsstoff ein Fluid verwendet wird.Method according to one of the preceding claims, characterized in that a fluid is used as adjuvant. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein gepulster oder kontinuierlich betriebener Laserstrahl verwendet wird.Method according to one of the preceding claims, characterized in that a pulsed or continuously operated laser beam is used. Laserschneid-Vorrichtung mit einer Einrichtung zur Erzeugung eines Laserstrahls, einer Handlingeinrichtung und einer Steuereinrichtung, dadurch gekennzeichnet, dass die genannten Einrichtungen ausgebildet sind Durchführung des Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche.Laser cutting device with a device for generating a laser beam, a handling device and a control device, characterized in that the said devices are formed carrying out the method according to one of the preceding claims.
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