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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Einstechen in metallische Werkstücke mittels eines Laserstrahls und eines Prozessgases.
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Beim Laserschneiden entstehen beim Einstechen des Laserstrahls in dicke metallische Werkstücke Aufwürfe aus geschmolzenem und wieder erstarrendem Metall oder Metalloxid in der Umgebung des Einstichlochs, deren Ausmaße mit größer werdender Blechstärke deutlich zunehmen. Diese Anhaftungen rund um das Einstichloch stören vor allem bei zu schneidenden Innengeometrien und bei kleinen Bauteilen, bei denen die Schneidkontur zwangsläufig sehr nah an der Einstichstelle entlang verläuft. Außerdem erkennt eine Abstandssensorik des Laserbearbeitungskopfs die Aufwürfe als Störkontur und regelt die Bewegung des Laserbearbeitungskopfs weg vom Werkstück, was prozesstechnische Probleme zur Folge hat. Zur Vermeidung dieser Probleme ist es notwendig, die anhaftenden Aufwürfe auf dem Werkstück zu reduzieren oder zu vermeiden.
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Aus
JP08290285A sowie
JP2001321975A sind Einstechverfahren bekannt geworden, bei denen nach dem Durchstechen der Abstand zwischen der Schneidgasdüse am Bearbeitungskopf, durch die der Laserstrahl und das Prozessgas austreten, und der Werkstückoberfläche durch vertikales Verfahren des Bearbeitungskopfes vergrößert wird. Dadurch trifft der Strahl mit breiterem Durchmesser und dadurch verringerter Leistungsdichte auf das Werkstück auf, um den Aufwurf zu schmelzen.
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Der vorliegenden Erfindung stellt sich die Aufgabe, ein Verfahren zum Einstechen in metallische Werkstücke anzugeben, das eine schnelle und saubere Entfernung des Aufwurfs sowie einen guten Übergang vom Einstechen zum Schneiden ermöglicht.
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Diese Aufgabe wird bei dem eingangs genannten Verfahren erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass in einem ersten Schritt mittels des Laserstrahls und des Prozessgases ein Einstichloch durch das Werkstück durchgestochen wird und dass in einem zweiten Schritt mittels des nun auf einen größeren Fokusdurchmesser eingestellten Laserstrahls ein im ersten Schritt um das Einstichloch herum auf der Werkstückoberfläche abgelagerter Aufwurf aufgeschmolzen. Dabei nimmt der Aufwurf eine flachere Form an. Vorzugsweise wird das Einebnen des Aufwurfs durch das Prozessgas unterstützt. Das Prozessgas kann außerdem dazu dienen, den Aufwurf zumindest teilweise zu entfernen.
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Gegenüber der bekannten Defokussierung des Laserstrahls zum Schmelzen des Aufwurfs weist das erfindungsgemäße Einstechverfahren den Vorteil auf, dass durch die Vergrößerung des Fokusdurchmessers sowohl ein größerer Bestrahlungsdurchmesser auf dem Werkstück als auch gleichzeitig eine homogenere Leistungsverteilung innerhalb des Bestrahlungsdurchmessers erzielt werden. Das erfindungsgemäße Einstechverfahren ermöglicht schmale Einstichlöcher mit wenig Aufwurf sowie einen sauberen Schnittbeginn, insbesondere bei der Bearbeitung von Werkstücken aus Aluminium oder Stahl bis zu Werkstückdicken von etwa 12 mm.
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Im ersten Schritt des erfindungsgemäßen Einstechverfahrens wird mit gut fokussierter, insbesondere gepulster Laserstrahlung und mit z. B. Stickstoff als Prozessgas das Einstichloch durch das Werkstück durchgestochen. Dabei ist der Abstand der Schneidgasdüse zur Werkstückoberfläche größer gewählt als beim anschließenden Schneidprozess, um eine Verschmutzung der Schneidgasdüse zu vermeiden. Der Fokuspunkt des Laserstrahls liegt vorzugsweise unterhalb der Werkstückoberfläche. Der Fokusdurchmesser des Laserstrahls ist möglichst klein gewählt, um ein schmales Einstichloch zu erzeugen, so dass wenig Schmelze gebildet wird, die sich als Aufwurf auf der Werkstückoberfläche um das Einstichloch herum ablagern kann.
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Im zweiten Schritt des erfindungsgemäßen Einstechverfahrens wird der Aufwurf durch Einwirken des Laserstrahls, der einen größeren Fokusdurchmesser als im ersten Schritt aufweist, aufgeschmolzen bzw. in eine flache Form umgeschmolzen und kann außerdem durch das aus der Prozessgasdüse austretende Prozessgas (z. B. Stickstoff) zumindest teilweise weggeblasen werden. Durch den größeren Fokusdurchmesser ist in diesem Schritt die Leistungsdichte des Laserstrahls im Fokuspunkt vermindert. So reicht die Leistungsdichte aus, um den Aufwurf umzuschmelzen, ohne dass weiteres Material von der Oberfläche des Werkstücks aufgeschmolzen wird. Vorteilhaft ist der Fokusdurchmesser des Laserstrahls im zweiten Schritt mindestens 1,5-mal so groß wie der Fokusdurchmesser im ersten Schritt.
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Vorzugsweise wird vor oder gleichzeitig mit dem Vergrößern des Fokusdurchmessers auch der Fokuspunkt des Laserstrahls vertikal nach oben verschoben, so dass er oberhalb der Werkstückoberfläche angeordnet ist. Auf diese Weise trifft der Strahl defokussiert auf das Werkstück auf. Durch die Kombination von Defokussierung und Vergrößerung des Fokusdurchmessers wird erreicht, dass der Strahl mit vergrößertem Durchmesser und mit zugleich homogenerer Intensität auf die Werkstückoberfläche trifft als bei alleiniger Defokussierung. Die Verschiebung des Fokuspunkts kann beispielsweise durch Verschieben einer oder mehrerer Linsen der Fokussieroptik im Bearbeitungskopf in vertikaler Richtung erfolgen. Vorzugsweise wird zusätzlich der Abstand des Bearbeitungskopfes von der Werkstückoberfläche erhöht, um den Strahldurchmesser auf der Werkstückoberfläche zu vergrößern.
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Das beschriebene Einstichverfahren kann sowohl an einer Festkörperlaser-Schneidmaschine als auch an einer Laserschneidmaschine mit CO2-Laser umgesetzt werden. Wird ein Festkörperlaser als Strahlquelle eingesetzt und der Strahl auf dem Weg vom Laser zum Bearbeitungskopf in das eine Faserende einer Doppelclad-Faser eines Lichtleitkabels eingekoppelt und aus dem anderen Faserende der Doppelclad-Faser wieder ausgekoppelt, so kann die Strahlprofilcharakteristik des Laserstrahls an der Bearbeitungsstelle dadurch beeinflusst werden, dass der einfallende Laserstrahl wahlweise entweder in den inneren Faserkern oder in den äußeren Ringkern oder auch in den inneren Faserkern und den äußeren Ringkern der Doppelclad-Faser eingekoppelt wird. Diese Umschaltung zwischen den drei Einkopplungsvarianten ermöglicht die Einstellung einer hohen Strahlqualität mit einem kleinen Fokus für den ersten Verfahrensschritt und einer demgegenüber „verminderten” Strahlqualität mit einem optisch deutlich vergrößertem Fokus und mit nahezu gleichmäßiger Intensitätsverteilung im Strahlquerschnitt für den zweiten Verfahrensschritt. Bei einem CO2-Laser als Strahlquelle kann die Fokusdurchmesserverstellung wahlweise über adaptive Spiegel oder umschaltbare Moden oder Modenblenden im Laserresonator erfolgen.
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Nachdem die Oberfläche des Werkstücks um das Einstichloch herum auf diese Weise gereinigt wurde, kann in einem optionalen dritten Schritt das Einstichloch vor dem Beginn des eigentlichen Schneidprozesses vergrößert werden. Dies ist notwendig, wenn der Fokusdurchmesser des Laserstrahls beim Schneiden des Werkstücks größer ist als beim Einstechen. Dann wird beim Schneiden eine breite Schnittfuge erzeugt, wobei viel Schmelze gebildet wird. Ist das Einstichloch zu schmal, so kann die gebildete Schmelze zu Beginn des Schnitts nicht schnell genug durch das Einstichloch nach unten aus dem Werkstück ausgetrieben werden, und es kann zu einem Schnittabriss kommen.
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Zum Vergrößern des Einstichlochs wird die Einstichstelle mit dem Laserstrahl mit größerem Fokusdurchmesser als beim Durchstechen bestrahlt. Der Gasdruck des Prozessgases ist dabei vorzugsweise höher als im ersten Verfahrensschritt, so dass die gebildete Schmelze sicher nach unten aus dem Werkstück ausgetrieben wird. Der Fokuspunkt des Laserstrahls ist ebenso wie beim Durchstechen unterhalb der Werkstückoberfläche angeordnet. Der Abstand zwischen Schneidgasdüse und Werkstückoberfläche ist gleich oder größer als der Abstand beim ersten Verfahrensschritt. Die Schneidgasdüse wird also wieder näher an die Werkstückoberfläche heranverfahren als beim zweiten Verfahrensschritt.
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Vorzugsweise wird der Fokusdurchmesser des Laserstrahls beim Aufweiten des Einstichlochs schrittweise oder kontinuierlich erhöht. Diese Durchmessererhöhung kann beispielsweise durch Verschieben der Linsen im Bearbeitungskopf erfolgen, wie es in
WO2011131541A1 beschrieben ist. Alternativ oder ergänzend kann bei fasergeführtem Laserstrahl ein Umschalten des Strahlwegs zwischen dem inneren Faserkern und dem äußeren Ringkern einer Doppelclad-Faser erfolgen, um unterschiedliche Fokusdurchmesser zu erzeugen. Ein kontinuierliches Vergrößern des Fokusdurchmessers bis zum Durchmesser für den anschließenden Schneidprozess erhöht in besonderer Weise die Prozesssicherheit beim Vergrößern des Einstichlochs.
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Die Erfindung betrifft in einem weiteren Aspekt auch eine Laserbearbeitungsmaschine umfassend einen Laserstrahlerzeuger, einen verfahrbaren Laserbearbeitungskopf mit einer Prozessgasdüse, aus der der Laserstrahl zusammen mit dem Prozessgas austritt, eine Stelleinrichtung zum Einstellen des Fokusdurchmessers des Laserstrahls und eine Steuerung, die programmiert ist, die Bewegung des Laserbearbeitungskopfes und den durch die Stelleinrichtung eingestellten Fokusdurchmesser gemäß dem erfindungsgemäßen Einstechverfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche zu steuern.
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Besonders bevorzugt ist der Laserstrahl mittels einer Mehrfachcladfaser, die einen Faserkern und mindestens einen den Faserkern umgebenden Fasermantel aufweist, vom Laserstrahlerzeuger zum Bearbeitungskopf geführt, wobei die Stelleinrichtung als schaltbare Einkoppeloptik ausgebildet ist, die den Laserstrahl zum Einstellen des kleineren Fokusdurchmessers in den Faserkern und zum Einstellen des größeren Fokusdurchmessers in den Fasermantel oder in den Fasermantel und in den Faserkern einkoppelt. Vorzugsweise ist die Mehrfachcladfaser eine Doppelcladfaser mit einem Faserkern und einem einzigen Fasermantel.
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Die Erfindung betrifft weiterhin auch ein Computerprogrammprodukt, welches Codemittel aufweist, die zum Durchführen aller Schritte des erfindungsgemäßen Einstechverfahrens angepasst sind, wenn das Programm auf einer Steuerung einer Laserbearbeitungsmaschine abläuft.
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Weitere Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen des Gegenstands der Erfindung sind der Beschreibung, der Zeichnung und den Ansprüchen entnehmbar. Ebenso können die vorstehend genannten und die noch weiter aufgeführten Merkmale je für sich oder zu mehreren in beliebigen Kombinationen Verwendung finden. Die gezeigten und beschriebenen Ausführungsformen sind nicht als abschließende Aufzählung zu verstehen, sondern haben vielmehr beispielhaften Charakter für die Schilderung der Erfindung.
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Es zeigen:
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1 eine zum Durchführen des erfindungsgemäßen Einstechverfahrens geeignete Laserschneidmaschine;
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2a–2c die einzelnen Verfahrensschritte des erfindungsgemäßen Einstechverfahrens; und
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3 eine erfindungsgemäße Laserbearbeitungsmaschine mit einer Doppelcladfaser zum Verstellen des Fokusdurchmessers des Laserstrahls.
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In 1 ist perspektivisch eine Bearbeitungsmaschine 1 dargestellt, welche den Aufbau einer Laserschneidmaschine als Ausführungsbeispiel einer Laserbearbeitungsmaschine zeigt. Weitere Ausführungsbeispiele sind zum Beispiel eine Laserschweißmaschine oder eine kombinierte Stanz-/Laserschneidmaschine. Diese Bearbeitungsmaschine 10 weist beispielsweise einen CO2-Laser, Diodenlaser oder Festkörperlaser als Laserstrahlerzeuger 2, einen verfahrbaren Laserbearbeitungskopf 3 und eine Werkstückauflage 4 auf. Im Laser 2 wird ein Laserstrahl 5 erzeugt, der mittels eines (nicht gezeigten) Lichtleitkabels oder (nicht gezeigten) Umlenkspiegeln vom Laser 2 zum Bearbeitungskopf 3 geführt wird. Auf der Werkstückauflage 4 ist ein Werkstück 6 angeordnet. Der Laserstrahl 5 wird mittels einer im Bearbeitungskopf 3 angeordneten Fokussieroptik auf das Werkstück 6 gerichtet. Die Bearbeitungsmaschine 1 wird darüber hinaus mit Prozessgasen 7, beispielsweise Sauerstoff und Stickstoff, versorgt. Es können alternativ oder zusätzlich auch Druckluft oder anwendungsspezifische Gase vorgesehen sein. Die Verwendung der einzelnen Gase ist von dem Material des zu bearbeitenden Werkstücks 6 und von Qualitätsanforderungen an die Schnittkanten abhängig. Weiterhin ist eine Absaugeinrichtung 8 vorhanden, die mit einem Absaugkanal 9, der sich unter der Werkstückauflage 4 befindet, verbunden ist. Das Prozessgas 7 wird einer Schneidgasdüse 10 des Bearbeitungskopfes 3 zugeführt, aus der es zusammen mit dem Laserstrahl 5 austritt.
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Beim Schneiden des Werkstücks 6 unter Verwendung von Sauerstoff als Prozessgas wird das Material des Werkstücks 6 geschmolzen und größtenteils oxidiert. Bei der Verwendung von Inertgasen, wie zum Beispiel Stickstoff oder Argon, wird das Material lediglich geschmolzen. Die entstandenen Schmelzpartikel werden dann, gegebenenfalls zusammen mit den Eisenoxiden, ausgeblasen und zusammen mit dem Schneidgas über die Absaugkanal 9 durch die Absaugeinrichtung 8 abgesaugt.
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In 2a bis 2c sind die einzelnen Verfahrensschritte des erfindungsgemäßen Einstechverfahrens in ein Werkstück 6 aus Aluminium oder Edelstahl mit einer Werkstückdicke von bis zu etwa 12 mm gezeigt.
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In dem in 2a gezeigten ersten Verfahrensschritt wird mittels des auf einen kleinen Fokusdurchmesser eingestellten, insbesondere gepulsten Laserstrahls 5 und mit Stickstoff als Prozessgas 7 das Einstichloch 11 durch das Werkstück 6 durchgestochen. Dabei ist der Abstand d1 der Prozessgasdüse 10 zur Werkstückoberfläche 12 größer gewählt als beim anschließenden Schneidprozess, um eine Verschmutzung der Prozessgasdüse 10 zu vermeiden. Der Fokuspunkt des Laserstrahls 5 liegt vorzugsweise unterhalb der Werkstückoberfläche 12, also innerhalb des Werkstücks 6. Der Fokusdurchmesser des Laserstrahls 5 ist möglichst klein gewählt, um ein schmales Einstichloch 11 zu erzeugen, so dass wenig Schmelze gebildet wird, die sich als Aufwurf 13 auf der Werkstückoberfläche 12 um das Einstichloch 11 herum ablagern kann.
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In dem in 2b gezeigten zweiten Verfahrensschritt wird der Aufwurf 13 durch Einwirken des Laserstrahls 5, der nun auf einen größeren Fokusdurchmesser als im ersten Schritt eingestellt ist, auf- bzw. umgeschmolzen und durch das aus der Prozessgasdüse 10 austretende Prozessgas 7, also durch Stickstoff, zumindest teilweise weggeblasen. Durch den größeren Fokusdurchmesser ist in diesem Schritt die Leistungsdichte des Laserstrahls 5 im Fokuspunkt vermindert. So reicht die Leistungsdichte aus, um den Aufwurf 13 umzuschmelzen, ohne dass dabei weiteres Material von der Werkstückoberfläche 12 aufgeschmolzen wird.
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Vorzugsweise wird vor oder gleichzeitig mit dem Vergrößern des Fokusdurchmessers auch der Fokuspunkt des Laserstrahls 5 vertikal nach oben verschoben, so dass er oberhalb der Werkstückoberfläche 12 angeordnet ist. Auf diese Weise trifft der Laserstrahl 5 defokussiert auf das Werkstück 6 auf. Durch die Kombination von Vergrößerung des Fokusdurchmessers und Defokussierung wird erreicht, dass der Laserstrahl 5 mit vergrößertem Durchmesser und mit zugleich homogenerer Intensität auf die Werkstückoberfläche 12 trifft als bei alleiniger Defokussierung. Die Verschiebung des Fokuspunkts kann beispielsweise durch Verschieben einer oder mehrerer Linsen der Fokussieroptik im Bearbeitungskopf 3 in vertikaler Richtung erfolgen. Vorzugsweise wird zusätzlich der Abstand d2 der Prozessgasdüse 10 von der Werkstückoberfläche vergrößert (d2 > d1), um den Gasstrahldurchmesser auf der Werkstückoberfläche 12 zu vergrößern.
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Das beschriebene Einstichverfahren ermöglicht schmale Einstichlöcher mit wenig Aufwurf sowie einen sauberen Schnittbeginn, insbesondere bei der Bearbeitung von Werkstücken aus Aluminium oder Edelstahl bis zu einer Werkstückdicke von etwa 12 mm.
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Nachdem die Oberfläche des Werkstücks um das Einstichloch 11 herum im zweiten Verfahrensschritt gereinigt wurde, kann in einem in 2c gezeigten optionalen dritten Verfahrensschritt das Einstichloch 11 vor Beginn des eigentlichen Schneidprozesses vergrößert werden. Dies ist notwendig, wenn der Fokusdurchmesser des Laserstrahls 5 beim Schneiden des Werkstücks 6 größer ist als beim Einstechen. Dann wird beim Schneiden eine breite Schnittfuge erzeugt, wobei viel Schmelze gebildet wird. Ist das Einstichloch 11 zu schmal, so kann die gebildete Schmelze beim Beginn des Schnitts nicht schnell genug durch das Einstichloch 11 nach unten aus dem Werkstück 6 ausgetrieben werden, und es kann zu einem Schnittabriss kommen.
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Zum Vergrößern des Einstichlochs 11 wird die Einstichstelle mit dem Laserstrahl 5 mit größerem Fokusdurchmesser als beim Durchstechen bestrahlt. Der Gasdruck des Prozessgases 7 ist dabei vorzugsweise höher als im ersten Verfahrensschritt, so dass die gebildete Schmelze sicher nach unten aus dem Werkstück 6 ausgetrieben wird. Der Fokuspunkt des Laserstrahls 5 ist ebenso wie beim Durchstechen im ersten Verfahrensschritt unterhalb der Werkstückoberfläche angeordnet. Der Abstand d3 zwischen Prozessgasdüse 10 und Werkstückoberfläche 12 entspricht dem Abstand d1 beim ersten Verfahrensschritt (d3 = d1 < d2). Die Prozessgasdüse 10 wird also wieder näher an die Werkstückoberfläche 12 herangefahren als beim zweiten Verfahrensschritt.
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Vorzugsweise wird der Fokusdurchmesser des Laserstrahls 5 beim Aufweiten des Einstichlochs 11 schrittweise oder kontinuierlich erhöht. Ein kontinuierliches Vergrößern des Fokusdurchmessers bis zum Durchmesser für den anschließenden Schneidprozess erhöht in besonderer Weise die Prozesssicherheit beim Vergrößern des Einstichlochs 11.
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Wie in 1 gezeigt, umfasst die Laserbearbeitungsmaschine 1 ferner eine Stelleinrichtung (z. B. eine verstellbare Optik) 15 zum Einstellen des Fokusdurchmessers des Laserstrahls 5 und eine Steuerung 16, die programmiert ist, die Verfahrbewegung (Doppelpfeile 17) des Laserbearbeitungskopfes 3 samt seiner Prozessgasdüse 10 sowie den an der Stelleinrichtung 15 eingestellten Fokusdurchmesser gemäß dem oben beschriebenen Einstechverfahren zu steuern.
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In dem in 3 gezeigten Ausführungsbeispiel ist der Laserstrahl 5 mittels einer Doppelcladfaser 20, die einen Faserkern 21 und mindestens einen den Faserkern 21 umgebenden Fasermantel 22 aufweist, von dem z. B. als Festkörperlaser ausgeführten Laserstrahlerzeuger 2 zum Bearbeitungskopf 3 geführt. Die Stelleinrichtung 15 ist als schaltbare Einkoppeloptik ausgebildet, die den Laserstrahl 5 zum Einstellen des kleineren Fokusdurchmessers in den Faserkern 21 und zum Einstellen des größeren Fokusdurchmessers in den Fasermantel 22 oder in den Fasermantel 22 und in den Faserkern 21 einkoppelt. Der Laserstrahl 5 mit dem kleineren Fokusdurchmesser ist mit durchgezogener Linie und der Laserstrahl 5 mit dem größeren Fokusdurchmesser mit gestrichelter Linie dargestellt.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- JP 08290285 A [0003]
- JP 2001321975 A [0003]
- WO 2011131541 A1 [0013]
