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Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zum Laserstrahlschmelzschneiden, insbesondere Laserstrahlschmelzschneiden oder Laserstrahlschweißen.
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Laser werden vielfach zur Bearbeitung von insbesondere metallischen Werkstoffen eingesetzt. Hierzu wird ein fokussierter Laserstrahl eingesetzt, der üblicherweise gemeinsam mit einem Prozessgas auf die Oberfläche des entsprechenden Werkstücks gelenkt wird. Das Werkstück wird dabei relativ zu einem Laserbearbeitungskopf umfassend eine Laserquelle bewegt. Eine Düse zum Austragen des Prozessgases ist dabei regelmäßig Teil des Laserbearbeitungskopfs oder an diesen gekoppelt.
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Beim Laserstrahlschmelzschneiden wird durch den Laserstrahl der Werkstoff an einer Stelle des Werkstücks punktförmig aufgeschmolzen und der aufgeschmolzene Werkstoff durch den Prozessgasstrom ausgetrieben. Als Prozessgas wird regelmäßig Stickstoff verwendet, welcher eine mögliche Oxidation des Werkstoffs verhindert. Auch sind ternäre Prozessgasgemische aus einem Inertgas, Sauerstoff und Wasserstoff bekannt, beispielsweise aus der
WO 02/051579 A1 . Hier wird gezielt eine Reaktion des Wasserstoffs mit dem Sauerstoff im Prozessgas zur Erhöhung der Energieeinkopplung in den Werkstoff verwendet.
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Die Zusammensetzung des Prozessgases, sowie die Parameter der Prozessgasaustragung (beispielsweise das Druckniveau, auf dem das Prozessgas bereitgestellt wird, Durchmesser und Strömungsgeschwindigkeit des Prozessgases) spielen eine wichtige Rolle für die Qualität des Laserstrahlschmelzschneidens (beispielsweise die Qualität der Schnittkante), die mögliche Dicke der zu bearbeitenden Werkstücke und die Bearbeitungsgeschwindigkeit (Schneidgeschwindigkeit oder Schweißgeschwindigkei t).
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Hiervon ausgehend liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, die aus dem Stand der Technik bekannten Nachteile zumindest teilweise zu überwinden und insbesondere ein Laserstrahlschmelzschneidverfahren anzugeben, welches eine hohe Bearbeitungsgeschwindigkeit bei gleichzeitig hochwertigen Bearbeitungsergebnissen ermöglicht.
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Diese Aufgaben werden gelöst durch den unabhängigen Anspruch. Abhängige Ansprüche sind auf vorteilhafte Weiterbildungen gerichtet. Es ist darauf hinzuweisen, dass die in den abhängigen Patentansprüchen einzeln aufgeführten Merkmale in beliebiger, technologisch sinnvoller Weise miteinander kombiniert werden können und weitere Ausgestaltungen der Erfindung definieren. Darüber hinaus werden die in den Patentansprüchen angegebenen Merkmale in der Beschreibung näher präzisiert und erläutert, wobei weitere bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung dargestellt werden.
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Das erfindungsgemäße Verfahren zum Laserstrahlschmelzschneiden mindestens eines Werkstücks, bei dem ein fokussierter Laserstrahl auf eine Oberfläche des Werkstücks gelenkt wird und ein Prozessgasstrom zur Oberfläche des Werkstücks geführt wird, zeichnet sich dadurch aus, dass der Prozessgasstrom ein Prozessgas umfasst, welches 2 bis 17 Vol.-% [Volumen-%] Wasserstoff (H2), Rest mindestens ein Inertgas, umfasst.
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Durch die Zumischung von Wasserstoff erhöht sich die Wärmeleitfähigkeit des Prozessgases im Vergleich zum Einsatz von reinem Stickstoff als Prozessgas, was zu einem besseren Wärme-Übergang vom Laserstrahl in das Werkstück und somit zu einer besseren Einkopplung der Wärme in das Werkstück führt. Gleichzeitig wird die Wärme über die gesamte Breite der Schnittfuge eingebracht. Dadurch wird die Temperatur der entstehenden Schmelze erhöht, der entsprechende Aufschmelzprozess wird über die gesamte Schnittdicke beschleunigt. Dadurch lassen sich schnellere Bearbeitungsgeschwindigkeiten erreichen. Zudem bewirkt der Wasserstoff eine Reduktion möglicherweise vorhandener Oxide. Der höhere Ennergieeintrag sorgt für eine höhere Schmelzentemperatur und verringert die Viskosität der Schmelze, so dass bessere Schneidergebnisse erzielt werden, insbesondere glattere Schnittkanten. Zudem bewirkt der Wasserstoff eine bessere Rekombination im Plasma, so dass der notwendige Prozessgasdruck im Vergleich zu aus dem Stand der Technik bekannten verfahren um bis zu 60% reduziert werden kann, so dass weniger Prozessgas notwendig wird. Gleichzeitig bewirkt der dominante Anteil von Inertgas, bevorzugt von Stickstoff, eine wirksame Verdrängung der Umgebungsatmosphäre. In Verbindung mit der reduzierenden Wirkung des Wasserstoffs sorgt das Prozessgas für eine wirksame Unterdrückung von Oxidationsprozessen an Schnittkanten.
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Mit der erfindungsgemäßen Methode ist es möglich, die erzielbaren Schneidgeschwindigkeiten im Vergleich zu bekannten Verfahren wie beispielsweise Hochdruck-Inertgas-Schneiden mit dem Prozessgas Stickstoff um bis zu 200% zu erhöhen und gleichzeitig den notwendigen anliegenden Druck (üblicherweise 14 bis 22 bar beim Hochdruck-Inertgas-Schneiden) deutlich zu reduzieren. Experimentell konnte der notwendige Prozessgasdruck auf 7 bis 8 bar gesenkt werden bei qualitativ gleichen Schneidergebnissen und vergleichbaren Prozessparametern, insbesondere bei identischen Werkstückdicken und Werkstoffen. So ist es mit dem erfindungsgemäßen Verfahren möglich, ein Werkstück aus einem Chrom-Nickel-Stahl einer Dicke von 4 mm [Millimetern] mit einem Prozessgas aus 92 Vol.-% [Volumen-%] Stickstoff und 8 Vol.-% Wasserstoff bei einem Druck von 6 bar mit einer Geschwindigkeit von 12 m/min [Meter pro Minute] zu schneiden. Im Vergleich dazu wurde ein entsprechendes Werkstück mit reinem Stickstoff als Prozessgas bei einem Druck von 14 bar mit ansonsten gleichen Prozessparametern geschnitten. Es wurde eine maximale Schnittgeschwindigkeit von 8 m/min erreicht, so dass durch den erfindungsgemäßen Einsatz des Prozessgases eine Steigerung der Schnittgeschwindigkeit um 50% bei einer Reduktion des Prozessgasdrucks um 57% (und damit einer entsprechenden Reduktion des Prozessgasverbrauchs) erreicht werden konnte.
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Bei einem Werkstück aus Chrom-Nickel-Stahl mit einer Dicke von 10 mm wurde bei einer Leistung des Lasers von 5 kW [Kilowatt] bei Einsatz eines Prozessgases aus reinem Stickstoff eine Schnittgeschwindigkeit von maximal 0,7 m/min erreicht. Beim erfindungsgemäßen Einsatz eines Prozessgases aus 85 Vol.-% Stickstoff und 15 Vol.-% Wasserstoff konnte eine Schnittgeschwindigkeit von 1,7 m/min erreicht werden. Durch den Einsatz des erfindungsgemäßen Verfahrens konnte also eine Steigerung von
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Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung umfasst das Prozessgas 5 bis 10 Vol.-% Wasserstoff, Rest mindestens ein Inertgas.
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In Literatur und Normen wird als obere Grenze des Wasserstoffgehalts in Stickstoff-Wasserstoff-Mischungen ein Anteil von 5,6 Vol.-% angegeben, um die Entstehung eines entzündbaren zu vermeiden. Ähnliches gilt für den Anteil von Wasserstoff in Luft. In der Praxis wird - um ein entzündbares Gemisch zu vermeiden - egelmäßig eine obere Grenze von 5 Vol.-% Wasserstoff im Prozessgas zum Einsatz in Laserbearbeitungsverfahren propagiert, da dies die untere Zündgrenze von Stickstoff-Wasserstoffgemischen in Luft darstellt. Jedoch haben die Experimente der Anmelderin gezeigt, dass ein Zünden des Stickstoff-Wasserstoff-Gemisches im Laserstrahl erst ab 17 Vol.-% einsetzt. Ebenso führen bis zu 17 Vol.-% Wasserstoff im Prozessgas nicht zu einer Beeinträchtigung des Schneidprozesses und des Ergebnisses dieses Prozesses, sondern ganz im Gegenteil die Einkopplung der Energie in das Werkstück nochmals verbessert wird, so dass eine weitere Erhöhung der Schneidgeschwindigkeit (definiert als die Relativgeschwindigkeit zwischen Laserstrahl und Werkstück) weiter erhöht werden kann. Gleichzeitig haben die Experimente der Anmelderin gezeigt, dass ein Überschreiten einer oberen Grenze von 10 Vol.-% nur noch geringe Verbesserungen der Schneidgeschwindigkeit und der Bearbeitungsqualität bewirken, gleichzeitig aber die Kosten für das Prozessgas deutlich ansteigen. Ein Prozessgas mit einem Wasserstoffanteil von 10 Vol.-% bis 17 Vol.-% ist insbesondere vorteilhaft für eher dickere Werkstücke. So bewirken höhere Wasserstoffanteile auch höhere Schneidgeschwindigkeitssteigerungen bei zunehmenden Werkstückdicken. Während bei einer Werkstückdicke von 8 mm ein Prozessgas mit 10 Vol.-% Wasserstoff eine Schneidgeschwindigkeitssteigerung von 127% im Vergleich zu einem Einsatz von reinem Stickstoff als Prozessgas erreicht werden konnte, konnte bei einem Werkstück aus identischem Material bei einer Dicke von 10 mm mit einem Prozessgas umfassend 17 Vol.-% Wasserstoff eine Schneidgeschwindigkeitssteigerung von 157% erreicht werden. Bei einer Überschreitung einer Grenze von 17 Vol.-% wurde keine signifikante Verbesserung der Schneidgeschwindigkeit und/oder der Schneidqualität mehr erzielt, vielmehr kollabiert der Schneidprozess. Ab einem Wasserstoffanteil von mehr als 17 Vol.-% zündet der Wasserstoff und verbrennt. Dies verhindert eine effiziente Einkopplung des Laserstrahls in die Werkstückoberfläche, so dass kein Aufschmelzen und damit trennen der Schnittfuge möglich ist. Die Versuche der Anmelderin zeigen, dass beim Laserschneidprozess die Verbrennungswärme, die bei der Verbrennung von Wasserstoff entsteht, keinen Einfluss auf den Schneidprozess haben. Vielmehr bewirkt der steigende Wasserstoffanteil im Prozessgas einen höheren Energieeintrag der Energie des Laserstrahls in den Werkstoff und eine bessere Energieverteilung über den gesamten Schnittquerschnitt.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung umfasst das Prozessgas mindestens eines der folgenden Inertgase:
- - Stickstoff (N2);
- - Argon (Ar); und
- - Helium (He).
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Besonders bevorzugt ist eine Ausgestaltung die lediglich Wasserstoff und, bis auf unvermeidbare Verunreinigungen, Stickstoff enthält. Eine solche Mischung lässt sich einfach und kostengünstig bereitstellen und kann für das Laserstrahlschmelzschneiden praktisch aller Werkstoffe eingesetzt werden. Prozessgase mit Anteilen von Argon und/oder Helium oder die ausschließlich, bis auf unvermeidbare Verunreinigungen, aus Wasserstoff und Argon bestehen, werden besonders bevorzugt beim Laserstrahlschmelzschneiden von Nickel-Basislegierungen eingesetzt. Bei Werkstoffen mit einer höheren Schmelzenviskosität kann durch Argonanteile im Prozessgas die Dichte des Prozessgases erhöht und somit auch die kinetische Energie des Prozessgasstroms erhöht werden, so dass das Austreiben der Schmelze aus der Schneidfuge verbessert wird.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung ist das mindestens eine Werkstück aus einem Werkstoff umfassend mindestens eines der folgenden Materialien ausgebildet:
- a) Nickel-Basislegierungen;
- b) Chrom-Nickel-Stähle; und
- c) austenitische Stähle mit höheren Nickelanteilen;
- d) hochlegierte Chrom-Nickel-Stähle;
- e) Unlegierte Stähle;
- f) Niedriglegierte Stähle;
- g) Kunststoffe; und
- h) Faserverbundwerkstoffe, insbesondere Glasfaserverstärkte Kunststoffe und Carbonfaserverstärkte Kunststoffe.
Bei Werkstoffen, deren Schmelze beim Laserschmelzschneiden eine höhere Viskosität aufweisen kann durch eine Erhöhung der kinetischen Energie durch Erhöhung des Prozessgasdrucks eine Steigerung der Schnittqualität und der Schnittgeschwindigkeit erreicht werden. Sofern die benutzte Ausrüstung einen oberen Grenzdruck des Prozessgases aufweist, der beispielsweise bei vielen im Markt verfügbaren Systemen bei ca. 24 bar liegt, kann durch den Einsatz von Argon im Prozessgas die kinetische Energie weiter erhöht werden. Unter höheren Nickelanteilen werden im Rahmen dieser Erfindungen insbesondere Nickelanteile von mehr als 9 Gew.-% [Gewichts-%], bevorzugt von mehr als 18 Gew.-% verstanden.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung wird der Laserstrahl durch eine der folgenden Laserstrahlquellen erzeugt wird:
- A) einen Kohlendioxid-Laser;
- B) einen Festkörper-Laser, insbesondere ein Scheibenlaser oder Faserlaser; und
- C) einen Dioden-Laser.
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Besonders bevorzugt ist der Einsatz eines Kohlendioxid-Lasers, der hohe Schneidqualitäten praktisch unabhängig von der Dicke des Werkstücks ermöglicht. Scheiben- und/oder Faserlaser werden mit aus dem Stand der Technik bekanntem Prozessgas bevorzugt für kleinere Dicken des Werkstücks bis zum 4 mm eingesetzt. Die erfindungsgemäße Verfahrensführung erlaubt auch mit Festkörper-Lasern, insbesondere Scheiben- und/oder Faserlasern, eine praktisch identische Schnittqualität im Vergleich zu entsprechenden Verfahren unter Einsatz eines Kohlendioxid-Lasers, unabhängig von der Dicke des Werkstücks.
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Die Erfindung sowie das technische Umfeld werden nachfolgend anhand der Figuren näher erläutert. Es ist darauf hinzuweisen, dass die Erfindung durch die gezeigten Ausführungsbeispiele nicht beschränkt werden soll. Insbesondere ist es, soweit nicht explizit anders dargestellt, auch möglich, Teilaspekte der in den Figuren erläuterten Sachverhalte zu extrahieren und mit anderen Bestandteilen und/oder Erkenntnissen aus anderen Figuren und/oder der vorliegenden Beschreibung zu kombinieren. Es zeigen schematisch:
- 1 ein erstes Beispiel eines Laserstrahlschmelzschneidvorgangs;
- 2 ein zweites Beispiel eines Laserstrahlschmelzschneidvorgangs; und
- 3 ein Beispiel eines Werkstücks.
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Gleiche Elemente sind in allen Figuren mit gleichen Bezugszeichen versehen. 1 zeigt schematisch ein erstes Beispiel eines Laserstrahlschmelzschneidvorgangs, bei dem auf ein Werkstück 1 mit ein fokussierter Laserstrahl 2 aus einer Laserstrahlquelle 3, einem Kohlendioxid-Laser geführt wird. Die Laserstrahlquelle 3 ist dabei integraler Teil eines Laserschneidkopfes 4. Der Laserschneidkopf 4 weist dabei weitere Versorgungsinfrastruktur (Versorgung mit elektrischer Energie, Resonator, Linsen, Blenden, etc.) auf, die an sich bekannt sind und der Übersichtlichkeit halber nicht gezeigt sind. Der Laserstrahl 2 trifft dabei auf eine Oberfläche 5 des Werkstücks 1 und schmilzt dabei den Werkstoff, einen Stahl, insbesondere einem Chrom-Nickel-Stahl des Werkstücks 1 in einer Schmelzzone 6 auf.
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Gleichzeitig wird durch eine Prozessgasquelle 7 ein Prozessgasstrom 8 unter einem Druck von 7 bis 8 bar auf die Oberfläche 6 des Werkstücks 1 geführt und führt in der Schmelzzone 6 zur Austreibung 9 des geschmolzenen Werkstoffes aus der Schmelzzone 6, so dass eine Trennung im Werkstück 1 erfolgt. Prozessgasquelle 8 und Laserstrahlquelle 3 sind dabei so ausgerichtet, dass der Prozessgasstrom 8 immer die Schmelzzone 6 trifft. Bevorzugt ist der Laserstrahl 2 auf die Oberfläche 5 des Werkstücks 1 fokussiert. Werden nun Werkstück 1 und Laserstrahlquelle 3 relativ zueinander bewegt, so kann eine beliebige Kontur aus dem Werkstück 1 herausgeschnitten werden. Als Prozessgasstrom 8 wird ein Prozessgas aus 5 bis 10 Vol.-% Wasserstoff und 95 bis 90 Vol.-% Stickstoff eingesetzt. Die Prozessgasquelle 7 weist dabei die notwendige Infrastruktur zum Erzeugen und Austreiben des Prozessgasstroms auf, beispielsweise einen Prozessgastank, Ventile, Düsen, gegebenenfalls Kompressionsmittel, etc. Diese sind der Übersichtlichkeit halber nicht eingezeichnet.
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2 zeigt schematisch ein zweites Beispiel eines Laserstrahlschmelzschneidvorgangs. Es wird auf die obige Beschreibung des ersten Beispiels verwiesen, es sollen hier lediglich die Unterschiede zwischen den Beispielen beschrieben werden. Im Unterschied zum ersten Beispiel ist hier im Laserschneidkopf 4 sowohl die Laserstrahlquelle 3 als auch die Prozessgasquelle 7 integriert.
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3 zeigt schematisch ein Beispiel eines Werkstücks 1 beim Laserschneidschmelzschneiden gemäß 1 oder 2. Durch den Laserstrahl 2 wird dabei durch die Relativbewegung zwischen Werkstück 1 und Laserschneidkopf 4 eine Schneidkante 10 erzeugt. Im vorliegenden Beispiel wurde lediglich eine Relativbewegung in x-Richtung zwischen Laserschneidkopf 4 und Werkstück 1 durchgeführt, so dass die Schneidkante 10 sich ausschließlich in x-Richtung erstreckt. Es sind jedoch beliebige Relativbewegungen in x- und y-Richtung möglich, so dass beliebige Konturen in dieser Ebene hergestellt werden können. Eine Schneidgeschwindigkeit lässt sich dabei als Quotient der Länge der Schneidkante 10 und der dafür benötigten Zeit definieren.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Werkstück
- 2
- Laserstrahl
- 3
- Laserstrahlquelle
- 4
- Laserschneidkopf
- 5
- Oberfläche
- 6
- Schmelzzone
- 7
- Prozessgasquelle
- 8
- Prozessgasstrom
- 9
- Austreibung
- 10
- Schneidkante
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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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