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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Einbringen einer sich zwischen einem Anfangspunkt und einem Endpunkt erstreckenden Schnittfuge in ein Werkstück mittels Laserabtragschneidens, eine verfahrensgemäße Schnittfuge an einem Werkstück sowie eine verfahrensgemäße Laserschweißvorrichtung.
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Einbringen von Schnittfugen in Werkstücke mittels Laserabtragschneidens ist bekannt. Hierzu kann ein Energiestrahl entlang der Schnittfuge in einer Schnittrichtung zwischen dem Anfangspunkt und dem Endpunkt bewegt werden. Mittels des Energiestrahls wird eine derartig hohe Energiemenge in das Werkstück eingebracht, dass ein Material des Werkstücks im Bereich der Schnittfuge zumindest teilweise verdampft und/oder zumindest teilweise sich verflüssigt und aufgrund der Energiemenge auch aus der Schnittfuge ausgeworfen werden kann. Es ist bekannt, um größere Schnitttiefen zu erreichen, die Schnittfuge zwischen dem Anfangspunkt und dem Endpunkt gegebenenfalls mehrfach mit dem Energiestrahl zu überfahren. Aus der
DE 10 2004 039 916 A1 ist ein Verfahren zur Erzeugung einer Innenausnehmung bekannt, bei dem ein Hochenergiestrahl in das Werkstück eindringt und dort eine Schmelze erzeugt. Diese Schmelze wird aus der Ausnehmung mit einer auf die Schmelze wirkenden Lorentzkraft ausgeworfen. Die
DE 10 2008 047 761 A1 offenbart ein Verfahren zum schneidgaslosen Laserschmelzschneiden eines Werkstücks. Es wird in dem Werkstück mittels eines Laserstrahls eine Schnittfuge aufgeschmolzen und dabei der Laserstrahldurchmesser im Arbeitspunkt derart gewählt, dass das aufgeschmolzene Material ohne ein Schneidgas aus der Schnittfuge ausgetrieben wird. Aus der
EP 1 614 499 A1 ist ein weiteres Laserschneidverfahren bekannt. Ein entsprechender Laserstrahl weist eine derartige Intensität und Pulsdauer auf, dass zumindest Teile einer aufgeschmolzenen Phase eines zu schneidenden Werkstücks verdampft werden zum Ausüben einer Kraft auf die geschmolzene Fraktion zum Auswerfen der geschmolzenen Fraktion. Aus der
US 3 649 806 , der
JP 2007 290 129 A , der
JP 10 226 846 A und der
GB 1 088 510 sind weitere Laserabtragschneidverfahren, insbesondere von beschichteten Werkstoffen, bekannt.
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Aufgabe der Erfindung ist es, ein Laserabtragschneiden zum Erzeugen von qualitativ hochwertigen Schnittfugen in Werkstücken mit einer vergleichsweise großen Dicke zu ermöglichen.
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Die Aufgabe ist bei einem Verfahren nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 durch Starten von zumindest einer der Überfahrten L(a) zwischen dem Anfangspunkt und dem Endpunkt mit einem Rampenversatz entgegen der Schnittrichtung gelöst. Es wurde herausgefunden, dass bei einem Überfahren der Schnittfuge mit dem Energiestrahl ein Auswerfen von abgetragenem Material entgegen der Schnittrichtung und unter einem Auswurfwinkel erfolgt. Vorteilhaft kann mittels des Versatzes entgegen der Schnittrichtung eine Rampe erzeugt werden, über die hinweg das abgetragene Material ausgeworfen werden kann. Das abgetragene Material weist üblicherweise einen flüssigen Zustand auf und neigt, sofern dieses wieder mit dem Werkstück in Berührung kommt, zum Verkleben mit demselben. Vorteilhaft kann dieser Vorgang innerhalb der Schnittfuge durch die Rampenbildung vermieden werden, da durch das Bilden der Rampe ein Beginn der Schnittfuge an dem Anfangspunkt derartig abgesenkt werden kann, dass das Schnittgut über diesen quasi berührungsfrei hinweg ausgeworfen werden kann. Alternativ kann ein Starten von zumindest einer der Überfahrten L(a) zwischen dem Anfangspunkt und dem Endpunkt mit einem Rampenversatz in Schnittrichtung erfolgen. Vorteilhaft können auf diese Art und Weise Bleche mit grollen Dicken, also Schnittfugen mit einer großen Tiefe, hergestellt werden, beispielsweise bis zu 800 μm, insbesondere bis zu 1.000 μm, insbesondere bis zu 1.500 μm, insbesondere bis zu 2.000 μm, insbesondere > 2.000 μm, vorzugsweise zwischen 1.000 und 2.000 μm. Vorteilhaft können mittels des Laserabtragschneidens auch dickere Bleche geschnitten werden, die anderen Schneidtechniken nicht oder nur mit einem sehr hohen Aufwand zugänglich sind. Dabei kann es sich insbesondere um speziell gehärtete Bleche, beispielsweise im Kraftfahrzeugbau für crashbelastete Teile handeln.
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Bei einer Ausführungsform des Verfahrens ist ein Starten der jeweiligen Überfahrt L(a) zwischen dem Anfangspunkt und dem Endpunkt entgegen der Schnittrichtung mit dem a-fachen des Rampenversatzes vorgesehen. Vorteilhaft kann so ausgehend von dem Anfangspunkt entgegen der Schnittrichtung eine Rampe mit einer gleichmäßigen Steigung erzeugt werden. Alternativ kann ein Starten der jeweiligen Überfahrt L(a) zwischen dem Anfangspunkt und dem Endpunkt entgegen der Schnittrichtung mit dem a-fachen des Rampenversatzes erfolgen. Die Steigung ergibt sich als Quotient aus einer Schnitttiefe der jeweiligen Überfahrt L(a) dividiert durch den Rampenversatz y. Vorteilhaft ist diese Steigung der Rampe kleiner gewählt als der Auswurfwinkel, so dass auch beginnend von dem Startpunkt gesichert das abgetragene Material über die Rampe hinweg ausgeworfen werden kann. Die Breite des Energiestrahls kann 15 bis 50 μm, insbesondere 20 bis 30 μm betragen.
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Bei einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens ist ein Beenden der jeweiligen Überfahrt L(a) an dem Endpunkt vorgesehen. Da das ausgeworfene Material entgegen der Schnittrichtung ausgeworfen wird, kann an dem Endpunkt gegebenenfalls der jeweilige Schneidvorgang der jeweiligen Überfahrt L(a) angehalten werden.
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Bei einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens sind alternativ ein Durchführen der jeweiligen Überfahrt mit einer konstanten Schnittlänge L und dadurch zumindest einmaliges Überfahren des Endpunktes in der Schnittrichtung um den Rampenversatz y vorgesehen. Vorteilhaft kann die Rampe auch ausgehend von dem Endpunkt in Schnittrichtung erzeugt werden.
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Bei einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens ist ein jeweiliges Überfahren des Endpunkts in der Schnittrichtung bei der jeweiligen Überfahrt L(a) um das (a – 1)-Fache des Rampenversatzes vorgesehen. Vorteilhaft kann auch von dem Endpunkt ausgehend eine Rampe mit einer gleichmäßigen Steigung erzeugt werden.
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Bei einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens ist ein Oszillieren des Energiestrahls mit einer Amplitude, die dem a-fachen Rampenversatz plus eine Endschnittlänge entspricht und ein Versetzen des Werkstückes pro Überfahrt a um den Rampenversatz vorgesehen. Vorteilhaft kann durch ein einfaches Oszillieren des Energiestrahls verbunden mit dem Versetzen des Werkstücks die zur Erzeugung der Rampen erforderliche Relativbewegung zwischen dem Energiestrahl und dem Werkstück auf einfache Art und Weise erzeugt werden. Unter A kann die Gesamtzahl aller Überfahrten L(a) verstanden werden.
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Bei einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens ist ein bidirektionales Überfahren der Schnittfuge mit dem jeweiligen A-Fachen des Rampenversatzes plus der Endschnittlänge vorgesehen. Vorteilhaft kann auch auf diese Art und Weise das jeweilige Überfahren L(a) des Anfangspunktes und des Endpunktes zum Erzeugen der Rampe beziehungsweise der Rampen erzeugt werden. Vorteilhaft muss während eines Rückfahrens der Energiestrahl nicht abgeschaltet werden. Bei dem Energiestrahl kann es sich insbesondere um einen Laserstrahl, insbesondere um jede Art von elektromagnetischer Strahlung, die geeignet ist, einen Energieeintrag auf dem Werkstück zur Erwärmung darzustellen, handeln.
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Die Aufgabe ist außerdem durch eine Schnittfuge an einem Werkstück, herstellbar nach einem vorab beschriebenen Verfahren dadurch gelöst, dass sich einseitig oder beidseitig an die Schnittfuge an einem Anschnittsbereich der Schnittfuge eine Rampe anschließt. Vorteilhaft weist die eigentliche Schnittfuge aufgrund des rampenförmigen Anschnittsbereichs beziehungsweise der rampenförmigen Anschnittsbereiche eine besonders hohe Güte auf und kann in einer vergleichsweise großen Tiefe ausgeführt werden.
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Die Aufgabe ist außerdem bei einer Laserschweißvorrichtung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 9 dadurch gelöst, dass zumindest eine der Überfahrten L(a) zwischen dem Anfangspunkt und dem Endpunkt in oder entgegen der Schnittrichtung mit einem Rampenversatz y startbar ist. Die Vorrichtung ist insbesondere eingerichtet, ausgelegt, konstruiert und/oder ausgestattet mit einer Software zum Durchführen eines vorab beschriebenen Verfahrens. Es ergeben sich die vorab beschriebenen Vorteile.
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Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung, in der – gegebenenfalls 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, gegebenenfalls auch unabhängig von den Ansprüchen, und können insbesondere zusätzlich auch Gegenstand einer oder mehrerer separaten Anmeldung/en sein. Gleiche, ähnliche und/oder funktionsgleiche Teile sind mit gleichen Bezugszeichen versehen.
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Es zeigen:
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1 verschiedene Verfahrensschritte zum Einbringen einer Schnittfuge in ein Werkstück mittels eines Laserabtragsschneidens gemäß einem Stand der Technik;
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2 verschiedene Phasen des Laserabtragsschneidens in einer Darstellung analog der 1, jedoch mit einer erfindungsgemäßen Rampenbildung;
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3 ein weiteres Ausführungsbeispiel verschiedener Phasen des Laserabtragsschneidens mit einer einseitigen Rampenbildung;
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4 eine schematische Ansicht einer nur teilweise dargestellten Laserschweißvorrichtung zusammen mit einem einmal von einem Energiestrahl überfahrenen Werkstück;
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5 die in 4 gezeigte Laserschweißvorrichtung, wobei die Schnittfuge des Werkstücks bereits mehrfach überfahren wurde.
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1 zeigt verschiedene Phasen einer Schneidstrategie eines Verfahrens zum Einbringen einer sich zwischen einem Anfangspunkt 1 und einem Endpunkt 3 erstreckenden Schnittfuge 5 in ein Werkstück 7 gemäß einem Stand der Technik. Die verschiedenen Phasen sind mit den Großbuchstaben A–G gekennzeichnet, wobei das Werkstück 7 pro Kennzeichnung jeweils einmal dargestellt ist, jedoch mit einem unterschiedlichen Fortschritt der Schnittfuge 5. In den Phasen A–G sind die bereits hergestellte Schnittfuge 5 jeweils mit einer senkrechten Schraffur und die jeweils aktuell eingebrachte Schnittfuge mit einer schrägen, von links unten nach rechts oben verlaufenden Schraffur gekennzeichnet.
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In einer Phase A ist eine Blechdicke 9 des noch unversehrten Werkstücks 7 eingezeichnet. In der Phase B ist das Werkstück 7 mit der Schnittfuge 5 nach einer ersten Überfahrt gezeigt. Die Schnittfuge 5 ist mittels einer Überfahrt mit einem nicht näher dargestellten Energiestrahl erzeugt, wobei der Energiestrahl entlang einer in der Phase B für alle weiteren Phasen gültigen Schnittrichtung 11 erfolgt. Dazu wird der nicht näher dargestellte Energiestrahl entlang der Schnittrichtung 11 zwischen dem Anfangspunkt 1 und dem Endpunkt 3 verfahren, der in 1 mit senkrechten Strichen symbolisiert ist. Entsprechend den Phasen B–F ist zu erkennen, dass in insgesamt fünf Überfahrten, die jeweils zwischen dem Anfangspunkt 1 und dem Endpunkt 3 durchgeführt werden, die das gesamte Werkstück 7 durchdringende Schnittfuge 5 erzeugt werden kann.
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2 zeigt die in 1 dargestellten Phasen zum Einbringen der Schnittfuge 5 in das Werkstück 7, jedoch gemäß des erfindungsgemäßen Verfahrens, wobei vorteilhaft eine größere Blechdicke 9 mit der Schnittfuge 5 bearbeitet werden kann. Exemplarisch sind in 2 jedoch ebenfalls nur fünf Einzelschnittvorgänge gezeigt. Im Unterschied beginnt der erste Schneidevorgang, der in 2 mit B gekennzeichnet ist, bereits vor einem Anfangspunkt 13 und endet an einem Endpunkt 15, die in 2 ebenfalls mit senkrechten Linien symbolisiert sind. Dieser weist eine Schnittlänge l 17 auf, die länger ist als eine in den 1 und 2 jeweils in der Phase G eingezeichnete Endschnittlänge s 19 der Schnittfuge 5. In den Phasen C–F wird jeweils mit derselben Schnittlänge 17 die Schnittfuge 5 bearbeitet, wobei in den Phasen C–D jeweils der Anfangspunkt 13 und der Endpunkt 15 von dem Energiestrahl überfahren werden. Dabei ist die Schnittrichtung 11 jeweils dieselbe. Im Unterschied wird für jede nachfolgende Phase der jeweilige Einzelschnitt mit einem Rampenversatz von y, in der Ausrichtung der 2 gesehen nach rechts, also näher um den Rampenversatz 21 y an dem Anfangspunkt 13 begonnen. In der fünften Phase F beginnt der Einzelschnitt an dem Anfangspunkt 13 und endet um insgesamt des Fünffache des Rampenversatzes y 21 jenseits des Endpunktes 15. Ebenso beginnt der erste Einzelschnitt gemäß der Phase B um das Fünffache des Rampenversatzes y 21 bereits vor dem Anfangspunkt 13.
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Insgesamt wird zum Erzielen der Schnittfuge 5 entlang der gesamten Blechdicke 9 der Energiestrahl A Mal über die Schnittfuge 5 hinweg bewegt. A ergibt sich dabei als Quotient aus der Blechdicke 9 dividiert durch eine Einzelschnitttiefe.
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Ein Gesamtversatz x 23, der sich bei der ersten Phase B ergibt, beträgt das A-Fache des Rampenversatzes y, also x = A·y.
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Die Endschnittlänge s 19 ergibt sich als Differenz der Schnittlänge l 17 minus des Gesamtversatzes x 23.
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Eine Gesamtlänge L 25, die in der Phase G der 2 eingezeichnet ist, ergibt sich als das Zweifache des Gesamtversatzes x 23 plus der Endschnittlänge s 19.
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Vorteilhaft ergibt sich links des Anfangspunktes 13, also vor dem Anfangspunkt 13 und hinter dem Endpunkt 15, also rechts des Endpunktes 15, jeweils entlang der Schnittrichtung 11 gesehen, eine Rampe 27, über die hinaus, insbesondere über die Rampe 27 des Anfangspunkts 13, vorteilhaft abgetragenes Material des Werkstücks 7 ausgeworfen werden kann.
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3 zeigt verschiedene Phasen B–D zum Bearbeiten eines Werkstücks 7 analog des in 2 gezeigten Werkstücks. Als einziger Unterschied endet jeder Einzelschnitt an einem Endpunkt 29, wobei die Rampe 27 durch jeweiliges Verlängern der Schnittlänge l 17 um den Rampenversatz y 21 und entgegen der Schnittrichtung 11 erfolgt. Vorteilhaft kann auch über die nur einseitige Rampe 27 der Auswurf des Materials erfolgen. Sobald das Werkstück erstmals vollständig durchtrennt ist, genügt es den Energiestrahl 35 nur über die Rampe 27 hinwegzubewegen, also nicht bis zu dem Endpunkt 29. Jeder Einzelschnitt verläuft dann nur noch entlang der Rampe 27, die pro Einzelschnitt um einen Materialabtrag entgegen der Schnittrichtung 11 durch das Werkstück wandert. Entsprechend wird der Energiestrahl 35 jeweils um den Versatz y 21 entgegen der Schnittrichtung mit einer dann konstanten Schnittlänge l über die Schnittfuge 5 bewegt.
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4 zeigt eine schematische Ansicht einer Laserschneidvorrichtung 31, die in 4 nur teilweise dargestellt ist, zusammen mit einem Werkstück 7. Zu erkennen ist das Werkstück 7 mit einer Schnittfuge 5, die einmal von einem mittels der Laserschneidvorrichtung 31 erzeugbaren Energiestrahl 35 überfahren wurde. Bei dem Energiestrahl 35 kann es sich beispielsweise um einen fokussierten Laserstrahl handeln, der entlang der Schnittrichtung 11 mit einer Schnittgeschwindigkeit 37 vS über die Schnittfuge 5 des Werkstücks 7 hinwegbewegt wird. Dabei wird ein Material des Werkstücks 7 zumindest teilweise aufgeschmolzen und/oder verdampft, so dass das aufgeschmolzene Material entgegen der Schnittrichtung 11 mit einer Auswurfgeschwindigkeit 39 vSchmelze ausgeworfen wird. Beispielhaft sind in 5 drei verschiedene Auswurfrichtungen eingezeichnet, die zu einer Oberfläche beziehungsweise zu einem Grund der Schnittfuge 5 einen Auswurfwinkel 41 einnehmen.
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5 zeigt die in 4 gezeigte Schnittfuge 5 des Werkstücks 7 bei einer Überfahrt L(a + 1), wobei der Energiestrahl 35 bereits (a – 1)-mal vollständig über die Schnittfuge 5 hinwegbewegt wurde. Dabei ergibt sich eine Abtragstiefe Ta-1 43, die sich als das (a – 1)-Fache der Einzelschnitttiefe E 33, also gemäß der Formel Ta-1 = (a – 1)·E ergibt.
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5 zeigt das Überstreichen der Schnittfuge zum a. Mal, wobei sich linksseitig des Energiestrahls 35 eine Abtragstiefe 43 von Ta-1 + E ergibt. Es ist ersichtlich, dass, falls angenommen wird, dass an dem Anfangspunkt 13, der in 2 eingezeichnet ist, nicht die Rampe 27 in das Werkstück 7 eingebracht wäre, sich die Schmelze entsprechend des Auswurfwinkels 41 an einer sonst vorhandenen senkrechten Flanke, wie in 1 dargestellt, des Anfangspunktes 13 anlagern würde. Vorteilhaft kann dies vermieden werden, indem die Rampe 27 mit einem Winkel vorgesehen wird, der kleiner ist als der Auswurfwinkel 41.
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Der Auswurfwinkel 41 kann insbesondere empirisch ermittelt werden. Entsprechend dieser empirischen Ermittlung des Auswurfwinkels 41 kann das Verhältnis der Einzelschnitttiefe E 33 zu dem Rampenversatz y 21 berechnet werden. Die entsprechende Formel lautet: E/y = tan(α), wobei α der Auswurfwinkel 41 ist.
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Entsprechend ergibt sich E/tan(α) ≥ y als Auslegungsformel für den Rampenversatz y 21.
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Die Einzelschnitttiefe E 33 ist abhängig von einer Leistung des Energiestrahls 35 und der Blechdicke 9.
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Vorteilhaft kann das in 2 dargestellte Verfahren unabhängig von der Blechdicke 9 durchgeführt werden. Dabei kommt es lediglich auf den Rampenversatz y 21 an. Zum Einbringen der Schnittfuge 5 wird lediglich pro Einzelschnitt der Rampenversatz y 21 eingehalten, wobei sich je nachdem, wieviel Einzelüberfahrten benötigt werden, eine unterschiedliche Endschnittlänge s 19 ergibt. Vorteilhaft kann abgetragenes Material entgegen der Schnittrichtung 11 über die Rampe 27, die vor dem Anfangspunkt 13 verbleibt, hinausgeschleudert werden.
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Die Schnittlänge l 17 kann gemäß der Formel l = x + s = (A – 1)·x·y + s berechnet werden, wobei
- x
- der Gesamtversatz 23,
- s
- die vorgegebene Endschnittlänge 19,
- A
- die Anzahl der notwendigen und vorgegebenen Überfahrten und
- y
- der Rampenversatz 21 sind.
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Die Gesamtlänge L der Schnittfuge 5 nach der a-ten Überfahrt ergibt sich gemäß der Formel L(a) = s + 2·x – (a – 1)·2·y.
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Vorteilhaft kann ein scheinbar bei der Schneidstrategie gemäß des Standes der Technik, wie in 1 dargestellt, vorhandener Selbstbegrenzungsprozess, der das eben noch schmelzflüssige Material an Seiten der Schnittfuge wieder anlagert, durch das erfindungsgemäße Verfahren überwunden werden. Dieses stellt vorteilhaft sicher, dass auch in großen Tiefen genügend Freiraum vorhanden ist, insbesondere über die Rampe 27 hinweg, um die abzutragende Schmelze an eine Oberfläche des Werkstückes 7 zu befördern. Vorteilhaft wird mit der Schneidstrategie die schräge Rampe 27 während des Schneidprozesses, also während der Überfahrten L(a) erzeugt, über der das schmelzflüssig abzutragende Material aus der Schnittfuge 5 beziehungsweise einem entsprechenden Schneidspalt herausbefördert werden kann, ohne dass dieses an Seiten der Schnittfuge 5 hängen bleibt.
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Vorteilhaft kann es sich bei dem Werkstück 5 um Statorbleche für eine Elektrotraktion von Kraftfahrzeugen handeln. Insbesondere kann es sich um formgehärtete Bleche in crashbelasteten Bereichen eines Kraftfahrzeugs handeln, die sich mit üblichen Verfahren nicht oder nur mit einem sehr hohen Aufwand schneiden lassen.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Anfangspunkt
- 3
- Endpunkt
- 5
- Schnittfuge
- 7
- Werkstück
- 9
- Blechdicke
- 11
- Schnittrichtung
- 13
- Anfangspunkt
- 15
- Endpunkt
- 17
- Schnittlänge
- 19
- Endschnittlänge
- 21
- Rampenversatz
- 23
- Gesamtversatz
- 25
- Gesamtlänge
- 27
- Rampe
- 29
- Endpunkt
- 31
- Laserschneidvorrichtung
- 33
- Einzelschnitttiefe
- 35
- Energiestrahl
- 37
- Schnittgeschwindigkeit
- 39
- Auswurfgeschwindigkeit
- 41
- Auswurfwinkel
- 43
- Abtragstiefe
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102004039916 A1 [0002]
- DE 102008047761 A1 [0002]
- EP 1614499 A1 [0002]
- US 3649806 [0002]
- JP 2007290129 A [0002]
- JP 10226846 A [0002]
- GB 1088510 [0002]
