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Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Laserstrahlschneiden, insbesondere zum Laserstrahlschneiden unter Verwendung einer scannerbasierten Remote-Laserstrahlschweißvorrichtung.
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Beim Remote-Laserstrahlbearbeiten wird ein Laserstrahl mit großem Arbeitsabstand auf ein Werkstück gerichtet. Typischerweise beträgt der Arbeitsabstand zwischen Werkstückoberfläche und Austrittspunkt des Laserstrahls aus der Optik beim Remote-Laserstrahlbearbeiten mehr als 300 mm und kann z. B. bis zu 1600 mm betragen. Scannerbasierte Remote-Laserstrahlvorrichtungen verfügen über eine Scanneroptik zur Strahlablenkung. Die Scanneroptik lenkt den Laserstrahl über hochdynamisch verstellbare Spiegel (oder über einen um zwei Achsen verstellbaren Spiegel) innerhalb des Arbeitsbereichs der Scanneroptik. Weiterhin weist die Scanneroptik Strahlformungsmittel auf zur Fokussierung des Laserstrahls, z. B. eine Planfeldoptik oder ein Optiksystem mit translatorisch beweglicher Linse.
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Grundsätzlich kann mit einem Laserstrahl sowohl geschweißt als auch geschnitten werden. Jedoch stellen diese beiden Verfahren unterschiedliche Anforderungen an die Parameter des bereitgestellten Laserstrahls. So erfordern Schneidprozesse Laserstrahlen von deutlich höherer Strahlqualität. Beispielsweise werden zum Schneiden Laserstrahlen mit höherer Leistungsdichte, kleinerem Fokusdurchmesser und höherer Schärfentiefe eingesetzt als zum Schweißen. Diese Anforderungen werden anlagenseitig umgesetzt durch die Verwendung von Strahlführungs- und formungsmittel, die auf die jeweiligen Anforderungen optimiert sind, wie z. B. Laserlichtleitungen mit geeignetem Durchmesser, Optiken mit entsprechenden Brennweiten(-bereichen) und integrierter Gasdüse und Laserstrahlquellen mit geeigneten Wellenlängen, vorzugsweise CO2-Laser.
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In der Materialbearbeitung ist es jedoch häufig notwendig, sowohl einen Schneid- als auch einen Schweißprozess an einem Werkstück vornehmen zu können. Hierzu werden bislang getrennte Vorrichtungen, eine Schweißvorrichtung und eine Schneidvorrichtung, verwendet oder die Strahlführungs- und/oder Strahlformungselemente der Vorrichtung müssen je nach Bearbeitungsart ausgetauscht werden.
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Es ist daher Aufgabe der Erfindung ein Verfahren und eine Vorrichtung anzugeben, womit mit einfachen und kostengünstigen Mitteln eine Kombination von Remote-Laserstrahlschweißen und Laserstrahlschneiden möglich ist. Insbesondere soll eine Kombination von Remote-Laserstrahlschweißen und Laserstrahlschneiden möglich sein ohne zusätzliche teure Komponenten und Sondersystemtechnik sowie ein schneller Wechsel zwischen beiden Verfahren.
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Gelöst wird diese Aufgabe durch ein Verfahren nach Patentanspruch 1 und eine Vorrichtung nach Patentanspruch 8.
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Hinsichtlich des Verfahrens wird die Aufgabe der Erfindung gelöst durch ein Verfahren zum Laserstrahlschneiden eines Werkstücks bei dem ein Laserstrahl mittels einer scannerbasierten Remote-Laserstrahlschweißvorrichtung auf das Werkstück gerichtet wird und ein Schmelzbad an einer Bearbeitungsstelle erzeugt. Ein Schneidgasstrom wird auf die Bearbeitungsstelle gerichtet zum Ausblasen des schmelzflüssigen Materials aus der Bearbeitungsstelle. Es erfolgt eine Relativbewegung zwischen der Bearbeitungsstelle und dem Werkstück entlang einer Schneidkontur.
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Der von der Remote-Laserstrahlschweißvorrichtung bereitgestellte Laserstrahl ist für die Anforderungen beim Schweißen ausgelegt. So kann der Laserstrahl für Anwendungen im Karrosseriebau vorzugsweise z. B. einen Fokusdurchmesser von 600 Mikrometer ± 200 Mikrometer bei Verwendung eines Festkörperlasers, Dioden- oder CO2-Lasers aufweisen.
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Der Schneidprozess ist ein Laserstrahlschmelzschneiden. Der Laserstrahl der Remote-Laserstrahlschweißvorrichtung erzeugt in dem Werkstück ein Schmelzbad. Vorzugsweise bewirkt der Laserstrahl ähnlich dem Tiefschweißen die Ausbildung einer Dampfkapillare im Werkstück, die von Schmelzbad umflossen wird. Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird nun durch den Einsatz des Schneidgasstroms verhindert, dass das schmelzflüssige Material hinter dem Laserstrahl wieder erstarrt. Vielmehr wird das schmelzflüssige Material ausgeblasen und eine Schneidfuge bzw. Schneidkerbe entsteht im Werkstück.
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Bedingt durch die Relativbewegung zwischen Bearbeitungsstelle und Werkstück wandert die Schneidfuge bzw. -kerbe durch das Werkstück.
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Vorteilhafter Weise sind keine Änderungen an der Laserstrahlführung oder Optik notwendig. Es kann mit dem für das Schweißen ausgelegten Laserstrahl gearbeitet werden.
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Die Relativbewegung zwischen Bearbeitungsstelle und Werkstück kann realisiert werden durch eine Bewegung des Werkstücks oder durch eine Bewegung des Laserstrahls und des Schneidgasstroms oder durch eine kombinierte Bewegung sowohl des Werkstücks als auch des Laserstrahls und des Schneidgasstroms. Die Relativbewegung kann durch eine Bewegung der Scanneroptik und der Schneidgasdüse oder durch eine kombinierte Bewegung sowohl der Scanneroptik und der Schneidgasdüse als auch des Werkstücks erfolgen.
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Die Schneidkontur kann einen bahnförmigen Verlauf aufweisen, z. B. gerade oder kurvige Bahnen. Die Schneidkontur kann ebenso eine geschlossene Struktur, wie z. B. ein Kreis, Vier- oder Mehreck oder eine sonstige geometrische Figur sein. Es können auch mehrere Schneidkonturen in dem Werkstück ausgebildet werden, die z. B. räumlich voneinander beabstandet sein können oder aneinander angrenzen können.
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Das Werkstück kann aus einem einzigen Bauteil bestehen oder mehrere zu einer Baugruppe verbundene Bauteile aufweisen. Die Bauteile können z. B. Bleche, dreidimensionale Formkörper oder Profile sein. Insbesondere kann es sich um Fahrzeugkarosseriebauteile handeln. Die Bauteile bzw. zumindest ein Bauteil können z. B. aus einem Metall oder einer Metalllegierung bestehen, wie z. B. Aluminium, Stahl oder Stahl- bzw. Aluminiumlegierungen. Weitere Materialien sind möglich. Die Bauteile können z. B. eine Dicke im Bereich von 0,5 mm bis 4 mm aufweisen, vorzugsweise im Bereich von 0,7 mm bis 1,5 mm.
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Besonders gleichbleibende Bedingungen für das Ausblasen des schmelzflüssigen Materials ergeben sich, wenn der Laserstrahl und der Schneidgasstrom während des Schneidens relativ zueinander ortsfest angeordnet sind. Vorzugsweise kann hierzu der Laserstrahl mittels der Scanneroptik zum Schneidgasstrom positioniert werden und für die Dauer des Schneidvorgangs können die Scannerachsen starr gestellt werden.
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Zur Vermeidung einer ungewollten Rückreflektion wird der Laserstrahl z. B. vorzugsweise stechend auf das Werkstück gerichtet. Beispielsweise kann der Laserstrahl zwischen 0 und 5 Grad gegenüber der Senkrechten auf die Werkstückoberfläche geneigt sein.
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Der Austrag des geschmolzenen Materials von der Bearbeitungsstelle kann verbessert werden, indem der Schneidgasstrom schleppend zugeführt wird. Beispielsweise kann der Schneidgasstrom unter einem Winkel zum auftreffenden Laserstrahl im Bereich von größer 0 Grad bis maximal 45 Grad, vorzugsweise im Bereich von 15 Grad bis 45 Grad. Das Schneidgas drückt somit die Schmelze nach hinten unten aus der Schneidfuge heraus, wodurch die Qualität der Schnittkanten verbessert werden kann.
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Als Schneidgas wird z. B. Druckluft oder ein Inertgas, wie z. B. Stickstoff, verwendet, alternativ können andere Gase verwendet werden. Zur Erzielung eines optimalen Austrags des geschmolzenen Materials aus der Schneidfuge kann das Schneidgas z. B. mit einem Druck von 300 kPa oder mehr, vorzugsweise mit einem Druck von 300 kPa bis 3000 kPa oder von 500 kPa bis 2000 kPa der Bearbeitungsstelle zugeführt werden.
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Zur Erhöhung der Flexibilität hinsichtlich möglicher Schneidgeometrien erfolgt die Bewegung der Bearbeitungsstelle relativ zu dem Werkstück vorzugsweise mittels eines mehrachsigen Industrieroboters, wie z. B. einem Portalroboter oder einem Gelenkarmroboter mit z. B. fünf, sechs oder mehr Achsen.
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Vorteilhafter Weise kann mit dem bereitgestellten Laserstrahl nicht nur geschnitten, sondern auch eine Schweißnaht in dem Werkstück ausgebildet werden. Hierzu ist es lediglich erforderlich, den Schneidgasstrom für die Dauer der Schweißung zu unterbrechen.
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung zum Laserstrahlschneiden weist eine scannerbasierte Remote-Laserstrahlschweißvorrichtung auf, die zumindest eine Laserquelle, eine Strahlführungseinrichtung, und eine Scanneroptik zur Positionierung und Fokussierung eines Laserstrahls auf eine Bearbeitungsstelle eines Werkstück beinhaltet. Weiterhin weist die Vorrichtung zum Laserstrahlschneiden eine Schneidgasdüse auf, die eingerichtet ist zum Ausblasen von schmelzflüssigem Material aus der Bearbeitungsstelle.
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Die scannerbasierte Remote-Laserstrahlschweißvorrichtung ist eingerichtet um einen für das Schweißen optimierten Laserstrahl bereitzustellen. Der von der Laserquelle erzeugte Laserstrahl wird über die Strahlführungseinrichtung, die je nach verwendeter Laserquelle eine oder mehrere Lichtleitfasern und/oder ein Spiegelsystem aufweisen kann, in die Scanneroptik eingekoppelt. Innerhalb der Scanneroptik erfolgt die Strahlformung und -fokussierung, sowie das Positionieren des Laserstrahls auf dem Werkstück.
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Vorzugsweise ist die Remote-Laserstrahlschweißvorrichtung für das Schweißen des Werkstücks konzipiert. Die Scanneroptik und die Strahlführungseinrichtung sind entsprechend eingerichtet, um einen für diesen Einsatzbereich geeigneten Laserstrahl bereitzustellen.
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Durch Integration einer Schneidgasdüse an die Remote-Laserstrahlschweißvorrichtung wird es ermöglicht, schmelzflüssiges Material aus der Bearbeitungsstelle auszutragen und somit nicht nur zu Schweißen, sondern auch Kerben bzw. Schnitte im Werkstück auszubilden. Hierzu wird ein Schneidgasstrom durch die Schneidgasdüse auf die Bearbeitungsstelle gerichtet. Der Schneidgasstrom treibt bzw. bläst das von dem Laserstrahl erzeugte schmelzflüssige Material aus der Bearbeitungsstelle aus.
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Die Schneidgasdüse ist z. B. über eine Gaszuleitung mit einer Schneidgaszuführeinrichtung verbunden, so dass der Schneidgasstrom mit dem erforderlichen Druck und dem gewünschten Volumenstrom bereitgestellt werden kann.
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Vorzugsweise ist die Schneidgasdüse im Arbeitsfeld der Scanneroptik angeordnet. Hierdurch kann die Schneidgasdüse sowohl nahe am Werkstück zur Verringerung des notwendigen Schneidgasvolumenstroms angeordnet sein, als auch in einem spitzen Winkel zum Laserstrahl angeordnet werden, wodurch die Austriebsbedingungen der Schmelze verbessert werden.
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Eine hinsichtlich Gasverbrauch optimierte Anordnung der Schneidgasdüse ergibt sich, wenn die Austrittsöffnung der Schneidgasdüse in einem Bereich von 1 cm bis 3 cm beabstandet zur Bearbeitungsstelle angeordnet ist.
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Die Vorrichtung kann weiterhin einen mehrachsigen Industrieroboter, z. B. einen Portalroboter oder einen Gelenkarmroboter, aufweisen, an dem die Scanneroptik angeordnet ist. Vorzugsweise weist der Gelenkarmroboter fünf, sechs oder mehr Achsen auf. Der mehrachsige Industrieroboter ermöglicht zusätzliche Bewegungen der Scanneroptik und damit höhere Bewegungsfreiräume bei der Werkstückbearbeitung, insbesondere bei der Schneidkonturbearbeitung. Wenn die Schneidgasdüse relativ zur Scanneroptik ortsfest angeordnet ist, dann werden Scanneroptik und Schneidgasdüse von dem Industrieroboter vorzugsweise gemeinsam bewegt.
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Vorzugsweise sind die Schneidgasdüse und die Scanneroptik relativ zueinander ortsfest angeordnet. Beispielsweise kann die Schneidgasdüse an der Scanneroptik befestigt sein oder Schneidgasdüse und Scanneroptik können an einer gemeinsamen Halterung befestigt sein. Dies ermöglicht eine besonders einfache Bewegung der Schneidgasdüse entlang der Schneidkontur. Insbesondere können Schneidgasdüse und Scanneroptik gemeinsam an dem Industrieroboter angeordnet sein, z. B. an derselben Handachse befestigt sein.
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Die Schneidgasdüse kann um den Laserstrahl ausgebildet sein, so dass der Schneidgasstrom um den Laserstrahl herum austritt. Alternativ kann die Schneidgasdüse neben dem Laserstrahl angeordnet sein. Vorzugsweise ist die Schneidgasdüse in Schneidrichtung vor dem Laserstrahl angeordnet.
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Der Schneidgasstrom wird vorzugsweise schleppend zum Laserstrahl geführt, so dass der Schneidgasstrom die Schmelze entgegen der Schneidrichtung ausblasen kann. Hierzu kann z. B. die Längsachse der Schneidgasdüse unter einem Winkel zur Längsachse des auf das Werkstück auftreffenden Laserstrahls angeordnet sein, der in einem Bereich von mehr als 0 Grad und maximal 45 Grad liegt, vorzugsweise in einem Bereich von 15 Grad bis 45 Grad.
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Weiterhin kann die Vorrichtung eine Kontrollvorrichtung aufweisen, die dazu eingerichtet ist, die Scannerachsen während des Schneidprozesses starr zu stellen. Hierdurch kann der Laserstrahl während des Schneidprozesses relativ zum Schneidgasstrom ortsfest angeordnet werden, wodurch sich besonders gleichbleibende Bedingungen an der Bearbeitungsstelle ergeben. Die Kontrollvorrichtung kann vorzugsweise auch die Laserquelle und Fokussieroptik sowie die Bewegung des Industrieroboters steuern bzw. regeln. Ebenso kann die Schneidgaszufuhr von der Kontrollvorrichtung gesteuert werden.
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Vorzugsweise weist die Laserquelle einen Festkörperlaser, insbesondere einen Scheiben- oder Faserlaser auf, wodurch sich eine geringe Reflexion der Strahlung an metallischen Bauteilen und ein verbesserter Energieeintrag ergibt, Die Strahlführeinrichtung weist vorzugsweise ein oder mehrere Laserlichtkabel auf. Diese ermöglichen eine flexible Führung des Laserlichts zur Scanneroptik.
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist ebenso für das Schweißen geeignet und kann zum Ausbilden einer Schweißnaht in dem Werkstück verwendet werden. Hierzu kann die Schneidgasdüse für die Dauer der Schweißung außer Betrieb geschaltet werden. Alternativ kann die Schneidgasdüse abmontiert werden, hierzu kann sie z. B. lösbar an der Vorrichtung bzw. an der Scanneroptik befestigt sein.
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Mit anderen Worten wird durch Integration einer Schneidgasdüse an die Scanneroptik einer Remote-Laserstrahlschweißvorrichtung ein Kombinationsverfahren zum Remote-Laserstrahlschweißen und Laserstrahlschneiden bereitgestellt. Der Schneidgasstrahl wird über die Scanneroptik auf den Auftreffpunkt des Laserstrahls gerichtet und die Scannerachsen werden starr gestellt. Die Schneidbewegung kann über die sechs Achsen eines Robotersystems realisiert werden.
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Vorteilhafter Weise kann die Scanneroptik der Remote-Laserstrahlschweißvorrichtung verwendet werden. Bis auf die Schneidgasdüse ist keine zusätzliche Systemtechnik notwendig. Ein Kombinationsverfahren aus Schneiden und Schweißen ist ohne weiteren Zusatzaufwand möglich. Somit ist eine Generierung von Varianten ohne spezielle aufwendige Sondersystemtechnik und ohne zusätzliche Kostenaufwände und ohne zusätzlichen Flächenbedarf möglich.
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Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
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Die oben beschriebenen Eigenschaften, Merkmale und Vorteile dieser Erfindung sowie die Art und Weise, wie diese erreicht werden, werden klarer und deutlicher verständlich im Zusammenhang mit der folgenden Beschreibung der Ausführungsbeispiele. Sofern in dieser Anmeldung der Begriff ”kann” verwendet wird, handelt es sich sowohl um die technische Möglichkeit als auch um die tatsächliche technische Umsetzung.
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Im Folgenden wird en Ausführungsbeispiel an Hand der beiliegenden Zeichnungen erläutert. Darin zeigt:
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1 eine Prinzipdarstellung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung 10 gemäß einem Ausführungsbeispiel.
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2 eine vergrößerte Darstellung der Scanneroptik mit daran angeordneter Schneidgasdüse der Vorrichtung aus 1.
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Die Vorrichtung 10 umfasst eine Remote-Laserstrahlschweißvorrichtung mit einer Laserquelle 100 mit einem Festkörperlaser. Die von der Laserquelle 100 erzeugte Laserstrahlung wird mittels einer Strahlführungseinrichtung 110 in Form einer oder mehrerer Glasfasern zu einer Scanneroptik 120 geleitet und dort eingekoppelt. Die Scanneroptik 120 beinhaltet nicht dargestellte Spiegel zur Lenkung des Laserstrahls sowie Strahlformungsmittel. Mittels der Scanneroptik 120 wird der Laserstrahl L auf das Werkstück 200 gerichtet und fokussiert. Die Scanneroptik 120 ist an der Handachse eines Gelenkarmroboters 130 angeordnet. Der Gelenkarmroboter 130 weist sechs Bewegungsachsen auf, angedeutet durch die Doppelpfeile in 1. Mittels des Roboters 130 kann die Scanneroptik 120 über ein Werkstück 200 geführt werden. Das Werkstück 200 ist auf einer Werkstückaufnahme 210 angeordnet und mittels nicht dargestellter Spannelemente fixiert.
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Weiterhin ist an der Scanneroptik 120 eine Schneidgasdüse 140 mittels einer Halterung 150 befestigt. Die Schneidgasdüse 140 ist über eine Gasleitung 160 mit einer Gaszuführvorrichtung 170 verbunden. Aus der Schneidgasdüse 140 trifft ein Schneidgasstrom S auf das Werkstück 200 an einer Bearbeitungsstelle 220 auf.
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Für das Ausbilden einer Schnittlinie im Werkstück 200 wird der von der Remote-Schweißvorrichtung bereitgestellte Laserstrahl L ebenfalls auf die Bearbeitungsstelle 220 auf dem Werkstück 200 gerichtet. Hierzu wird der Laserstrahl L mittels der Scannervorrichtung 120 durch Bewegung der Scannerspiegel positioniert. Laserstrahl L und Schneidgasstrom S treffen dann auf dieselbe Bearbeitungsstelle 220 auf. Da der Laserstrahl L von einer für das Schweißen ausgelegten Anlage bereitgestellt wird, weist er für das Schweißen typische Strahlparameter auf, insbesondere einen typischen Strahlfleckdurchmesser. Der Laserstrahl bewirkt das Ausbilden einer Dampfkapillare und eines angrenzenden Schmelzbads im Werkstück 200. Der Schneidgasstrom S bläst das schmelzflüssige Material aus der Bearbeitungsstelle 220 aus, so dass eine Schneidfuge bzw. Schneidkerbe im Werkstück entsteht.
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Nach dem Positionieren des Laserstrahls L in Relation zum Schneidgasstrom S bzw. zur Schneidgasdüse 140 werden die Scannerachsen der Scanneroptik 120 starr gestellt. Dies kann durch eine Kontrollvorrichtung 180 der Remote-Laserstrahlschweißvorrichtung erfolgen, die beispielsweise auch die Bewegungen des Roboters 130 und/oder die Laserquelle 100 steuern bzw. regeln kann. Laserstrahl L und Schneidgasstrom S sind dann relativ zueinander ortsfest angeordnet.
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Zum Ausbilden einer Schnittlinie entlang einer Schneidkontur wird die Scanneroptik 120 mitsamt Schneidgasdüse 140 von dem Roboter 130 über das Werkstück 200 bewegt.
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2 zeigt eine Detailansicht der Scanneroptik 120 mit daran befestigter Schneidgasdüse 140. Die Schneidgasdüse 140 ist innerhalb des Arbeitsfelds 122 der Scanneroptik 120 angeordnet. Der Laserstrahl kann so in einem Winkel nahe 90 Grad auf das Werkstück treffen und gleichzeitig kann die Schneidgasdüse in großer Nähe zur Bearbeitungsstelle 220 angeordnet werden. Der Laserstrahl L kann zur Vermeidung einer Rückreflektion nicht senkrecht auf das Werkstück positioniert sein, sondern kann um einen Winkel α gegenüber der Senkrechten geneigt sein. Der Winkel α liegt vorzugsweise in einem Bereich zwischen 0 und 5 Grad.
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Zur Verbesserung des Materialaustrags aus der Schneidfuge ist die Schneidgasdüse 140 schleppend angeordnet. Der Schneidgasstrom S wird unter einem Winkel β im Bereich von größer 0 Grad bis 45 Grad zum Laserstrahl L angeordnet. Der Schneidgasstrom kann von der Kontrollvorrichtung der Remote-Laserstrahlschweißvorrichtung gesteuert werden oder alternativ von einer eigenen Steuervorrichtung.
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Das Ausführungsbeispiel ist nicht maßstabsgetreu und nicht beschränkend. Abwandlungen im Rahmen des fachmännischen Handelns sind möglich.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Vorrichtung zum Laserstrahlschneiden
- 100
- Laserquelle
- 110
- Strahlführungseinrichtung
- 120
- Scanneroptik
- 130
- Gelenkarmroboter
- 140
- Schneidgasdüse
- 150
- Halterung
- 160
- Gasleitung
- 170
- Gaszuführvorrichtung
- 180
- Kontrollvorrichtung
- 200
- Werkstück
- 210
- Werkstückaufnahme
- 220
- Bearbeitungsstelle
- L
- Laserstrahl
- S
- Schneidgasstrom
- α, β
- Winkel
