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Gebiet der Erfindung
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Die vorliegende Erfindung betrifft das Gebiet des Laserschneidens. Insbesondere betrifft die Erfindung ein Laserschneidverfahren zum Erzeugen eines Schnittspalts in einem Werkstück, z.B. in einem Metallblech, wobei der Schnittspalt wenigstens einen Nanojoint aufweist, also einen Materialsteg geringer Höhe, der die durch den Schnittspalt getrennten Bereiche des Werkstücks miteinander verbindet.
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Stand der Technik
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Verfahren zum Erzeugen von Nanojoints beim Schneiden eines Werkstücks mittels Laserstrahl sind bereits bekannt. Als Nanojoints werden Materialstege bezeichnet, die zwei durch einen Schnittspalt voneinander getrennte Werkstückbereiche miteinander verbinden und die - im Gegensatz zu sogenannten Microjoints - eine Höhe aufweisen, die geringer ist als die Dicke des Werkstücks.
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In
WO2019025327A2 wird ein Laserschneidprozess offenbart, bei dem ein fertig geschnittenes Werkstückteil über einen Nanojoint mit dem Restwerkstück verbunden bleibt. Es wird beschrieben, wie die Laserleistung zum Erzeugen des Nanojoints bis auf eine vorgeschriebene Sockelleistung abgesenkt und anschließend wieder angehoben werden muss.
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Beim Schneiden komplexer Konturbereiche (z.B. kleine Radien, Ecken auf einer Schneidbahn) kann es erforderlich sein, die Vorschubgeschwindigkeit des Laserstrahls zu reduzieren. In diesen Bereichen kommt es daher zum Anstieg der Streckenenergie. Bei der Erzeugung eines Nanojoints in einem Bereich, in dem mit reduzierter Vorschubgeschwindigkeit geschnitten wird, kann die Anwendung des Verfahrens gemäß
WO2019025327A2 zu einem Verlust der Festigkeit des Nanojoints führen. Denn die für das Schneidverfahren bestimmte Sockelleistung kann aufgrund der reduzierten Vorschubgeschwindigkeit bereits ausreichen, das Werkstück an der entsprechenden Stelle vollständig durchzutrennen.
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Die vorliegende Erfindung stellt eine Weiterbildung des in der
WO2019025327A2 beschriebenen Verfahrens dar. Insbesondere besteht die Aufgabe der vorliegenden Erfindung darin, ein Verfahren zum Laserschneiden unter Ausbildung von Nanojoints prozesssicherer zu machen.
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Die Erfindung
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Zur Lösung der der Erfindung zugrundeliegenden Aufgabe wird ein Laserschneidverfahren zum Erzeugen eines Schnittspalts mit wenigstens einem Nanojoint in einem, insbesondere plattenförmigen, Werkstück, bereitgestellt. Das Werkstück kann insbesondere ein metallisches Werkstück, z.B. ein Metallblech, sein. Es kann aber auch beispielsweise ein rohrförmiges Werkstück sein.
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In einem ersten Schritt umfasst das Verfahren ein Schneiden des Werkstücks mit einer Schneidleistung des Lasers und einer Vorschubgeschwindigkeit. Bei der Schneidleistung kann es sich insbesondere um eine für den Schneidprozess im Voraus ermittelte optimale Schneidleistung handeln. Für verschiedenartige Werkstücke (z.B. unterschiedliches Material, unterschiedliche Dicke) kann beispielsweise jeweils eine empirisch bestimmte optimale Schneidleistung vorgegeben sein. Die Vorschubgeschwindigkeit ist die Geschwindigkeit, mit der sich der Laserstrahl beim Schneiden relativ zur Werkstückoberfläche über das Werkstück bewegt.
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In einem zweiten Schritt umfasst das Verfahren ein Absenken der Laserleistung, während des Schneidens, von der Schneidleistung auf eine Sockelleistung zur Erzeugung eines Nanojoints in dem Schnittspalt. Die Sockelleistung wird dabei in Abhängigkeit von der zu diesem Zeitpunkt verwendeten Vorschubgeschwindigkeit eingestellt.
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Die Erfinder haben erkannt, dass es für eine prozesssichere Erzeugung ausreichend stabiler Nanojoints bei unterschiedlichen Vorschubgeschwindigkeiten notwendig ist, die Sockelleistung anzupassen, um die Streckenenergie konstant zu halten. Durch Verwendung einer Sockelleistung in Abhängigkeit von der Vorschubgeschwindigkeit kann gewährleistet werden, dass beim Schneiden mit reduzierter Vorschubgeschwindigkeit (z.B. zur Schonung der Maschine oder aufgrund komplexer Konturabschnitte) ein Nanojoint ausreichender Festigkeit erzeugt wird.
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Gemäß einer bevorzugten Variante kann es vorgesehen sein, dass zwischen der Sockelleistung und der Vorschubgeschwindigkeit ein linearer Zusammenhang besteht. Insbesondere kann die zum Erzeugen eines Nanojoints vorgesehene Sockelleistung bei einer Reduzierung der Vorschubgeschwindigkeit in einem linearen Verhältnis zur Vorschubreduzierung reduziert werden. Für den Schneidprozess kann eine, insbesondere empirisch ermittelte, optimale Schneidgeschwindigkeit vorgegeben sein. Für die optimale Schneidgeschwindigkeit kann eine, insbesondere empirisch ermittelte, optimale Sockelleistung vorgegeben sein, also eine Sockelleistung, mit der bei optimaler Vorschubgeschwindigkeit ein Nanojoint optimaler Höhe erzeugbar ist. Die Reduzierung der Vorschubgeschwindigkeit bzw. der Sockelleistung können sich vorzugsweise auf die jeweils festgelegten optimalen Werte beziehen.
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Die Vorschubgeschwindigkeit kann während des Schneidprozesses, insbesondere in Abhängigkeit von einer zu schneidenden Kontur, variiert werden. Beispielsweise kann grundsätzlich mit der optimalen Vorschubgeschwindigkeit geschnitten werden und die Vorschubgeschwindigkeit kann bei einer Kurven- oder Eckenfahrt herabgesetzt werden, um beispielsweise Qualitätseinbußen der Schnittkanten in diesem Bereich vorzubeugen.
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Alternativ kann auch mit einer konstanten gegenüber der optimalen Vorschubgeschwindigkeit reduzierten Vorschubgeschwindigkeit geschnitten werden, um die Laserschneidmaschine zu schonen. Auch in diesem Fall kann es erforderlich sein, die Sockelleistung zur Erzeugung von Nanojoints erfindungsgemäß gegenüber der vorbestimmten optimalen Sockelleistung zu reduzieren.
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Gemäß einer Variante kann es sich bei dem Laserschneidverfahren um ein Schmelzschneidverfahren handeln. In diesem Fall kann es vorgesehen sein, dass bei einer Reduzierung der Vorschubgeschwindigkeit gegenüber einer für den Schneidprozess vorgegebenen optimalen Vorschubgeschwindigkeit um einen prozentualen Wert die zum Erzeugen des Nanojoints zu verwendende Sockelleistung um den gleichen prozentualen Wert gegenüber einer vorgegebenen optimalen Sockelleistung reduziert wird. Mit anderen Worten kann in diesem Fall ein Verhältnis von 1:1 für die Änderung der Sockelleistung und der Vorschubgeschwindigkeit festgelegt sein. Für die Sockelleistung PS kann also gelten PS = PSopt*Δv, wobei PSopt die beim Schneiden mit optimaler Vorschubgeschwindigkeit vopt festgelegte optimale Sockelleistung ist und wobei Δv die prozentuale Änderung der Vorschubgeschwindigkeit ausgehend von der optimalen Vorschubgeschwindigkeit vopt ist.
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Für die optimale Sockelleistung PSopt beim Schmelzschneiden kann gelten:
- PSopt = PA*2/3 bis PSopt = PA*3/4, vorzugsweise etwa PSopt = PA*0,7, wobei PA die Schneidleistung ist.
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Gemäß einer alternativen Variante kann es sich bei dem Laserschneidverfahren um ein Brennschneidverfahren handeln. In diesem Fall kann bei einer Reduzierung der Vorschubgeschwindigkeit gegenüber einer für den Schneidprozess vorgegebenen optimalen Vorschubgeschwindigkeit um einen prozentualen Wert die zum Erzeugen des Nanojoints zu verwendende Sockelleistung um den doppelten prozentualen Wert gegenüber einer vorgegebenen optimalen Sockelleistung reduziert werden. Mit anderen Worten kann in diesem Fall ein Verhältnis von 2:1 für die Veränderung der Sockelleistung gegenüber der Vorschubgeschwindigkeit festgelegt sein. Für die Sockelleistung PS kann also gelten PS = PSopt*2*Δv, wobei PSopt die beim Schneiden mit optimaler Vorschubgeschwindigkeit vopt festgelegte optimale Sockelleistung ist und wobei Δv die prozentuale Änderung der Vorschubgeschwindigkeit ausgehend von der optimalen Vorschubgeschwindigkeit vopt ist. Vorzugsweise kann die Sockelleistung beim Brennschneiden nur bis zu einer Reduktion der Vorschubgeschwindigkeit um 40 % im Verhältnis 2:1 herabgesetzt werden. Bei einer Reduktion der (optimalen) Vorschubgeschwindigkeit um 50 % oder mehr kann die Sockelleistung um 90 % reduziert werden (PS = 0,1*PSopt).
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Die optimale Sockelleistung ist für verschiedenartige Schneidprozesse in der Regel empirisch zu bestimmen. Für die optimale Sockelleistung PSopt beim Brennschneiden kann bei einer Schneidleistung PA von 3 kW beispielsweise gelten: PSopt = PA*0,3.
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Mittels der oben beschriebenen Verfahren soll es ermöglicht werden, dass die während der Erzeugung eines Nanojoints in das Werkstück eingebrachte Streckenenergie einen von der Werkstückdicke und von der Art des Schneidverfahrens abhängigen Grenzwert nicht übersteigt. Der Grenzwert nimmt mit steigender Werkstückdicke zu und kann für Werkstückdicken bis zu 10 mm zwischen 35 kJ/m und 250 kJ/m liegen.
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Durch eine vorschubabhängige Leistungssteuerung wird die Sockelleistung erfindungsgemäß entsprechend der aktuellen Vorschubgeschwindigkeit angepasst, d.h. bei steigender Vorschubgeschwindigkeit erhöht und bei sinkender Vorschubgeschwindigkeit verringert.
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Die Umsetzung der Leistungsanpassung kann vorzugsweise über eine NC-Steuerung der Laserschneidmaschine erfolgen mittels der das erfindungsgemäße Verfahren umgesetzt wird. Die NC-Steuerung kennt jederzeit die genaue Vorschubgeschwindigkeit und kann die Laserleistung erfindungsgemäß anpassen, so dass die Streckenenergie im Wesentlichen konstant bleibt.
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Die Absenkung der Laserleistung auf die Sockelleistung kann vorzugsweise linear erfolgen, wie in der
WO2019025327A2 beschrieben.
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Bei Vorschubgeschwindigkeiten über 10 m/min kann es vorkommen, dass die Kommunikationszeit zwischen Maschinen- und Lasersteuerung nicht ausreicht, um die Laserleistung rechtzeitig abzusenken, so dass es zu einem Versatz zwischen der programmierten und der tatsächlichen Position eines Nanojoints kommt. Gemäß einer Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens kann daher die Vorschubgeschwindigkeit auf einer vorgegebenen Wegstrecke vor der Position des zu erzeugenden Nanojoints auf 5 m/min reduziert. Die Streckenlänge richtet sich nach der ursprünglichen Vorschubgeschwindigkeit und dem daraus abgeleiteten notwendigen Bremsweg, so dass am Beginn der Leistungsabsenkung eine Vorschubgeschwindigkeit von 5 m/min erreicht ist.
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Zur Lösung der der Erfindung zugrundeliegenden Aufgabe wird ferner ein Computerprogrammprodukt bereitgestellt, welches Codemittel aufweist, die zum Durchführen aller Schritte des Verfahrens nach einer der oben beschriebenen Varianten angepasst sind, wenn das Programm auf einer Steuerung einer Laserschneidmaschine abläuft.
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Ausführungsbeispiele
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Die nachfolgende Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele dient im Zusammenhang mit den Zeichnungen der näheren Erläuterung der Erfindung.
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Es zeigen:
- 1 eine zum Durchführen des erfindungsgemäßen Laserschneidverfahrens geeignete Laserschneidmaschine;
- 2a, 2b ein aus einem Werkstück lasergeschnittenes Werkstückteil, das durch Nanojoints im Restwerkstück gehalten ist, in einer Draufsicht (2a) und in einer Schnittansicht (2b) entsprechend IIb-IIb in 2a;
- 3a, 3b jeweils eine Leistungsabsenkrampe zum Erzeugen eines Nanojoints beim Laserschneiden eines Werkstücks mit Sauerstoff als Schneidgas (3a, Brennschneidverfahren) bzw. mit Stickstoff als Schneidgas (3b, Schmelzschneidverfahren); und
- 4a, 4b jeweils eine grafische Darstellung der Abhängigkeit der Sockelleistung von der Vorschubgeschwindigkeit beim Schmelzschneiden (4a) und beim Brennschneiden (4b) gemäß der vorliegenden Erfindung.
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Die in 1 perspektivisch dargestellte Laserschneidmaschine 1 weist beispielsweise einen CO2-Laser, Diodenlaser oder Festkörperlaser als Laserstrahlerzeuger 2, einen verfahrbaren (Laser)Bearbeitungskopf bzw. Laserschneidkopf 3 und eine Werkstückauflage 4 auf. Im Laserstrahlerzeuger 2 wird ein Laserstrahl 5 erzeugt, der mittels eines (nicht gezeigten) Lichtleitkabels oder (nicht gezeigten) Umlenkspiegeln vom Laserstrahlerzeuger 2 zum Bearbeitungskopf 3 geführt wird. Auf der Werkstückauflage 4 ist ein plattenförmiges Werkstück 6 angeordnet. Der Laserstrahl 5 wird mittels einer im Bearbeitungskopf 3 angeordneten Fokussieroptik auf das Werkstück 6 gerichtet. Die Laserschneidmaschine 1 wird darüber hinaus mit Schneidgasen 7, beispielsweise Sauerstoff und/oder Stickstoff, versorgt. Die Verwendung des jeweiligen Schneidgases 7 ist vom Werkstückmaterial 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 Schneidgas 7 wird einer Schneidgasdüse 10 des Bearbeitungskopfes 3 zugeführt, aus der es zusammen mit dem Laserstrahl 5 austritt. Beim Laserschneiden wird das Werkstück 6 entlang einer gewünschten Bahnkurve (Kontur) K mittels eines Laserstrahls 5 mit einer zum Durchschneiden des Werkstücks 6 ausreichenden Laserleistung (Schneidleistung) PA geschnitten, wobei vorliegend der Laserstrahl 5, alternativ oder zusätzlich aber auch das Werkstück 6 bewegt wird. Dazu muss zunächst auf oder neben der zu schneidenden Bahnkurve K an einem Punkt S in das Werkstück eingestochen werden, wie in 2a gezeigt ist.
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Wie in den 2a und 2b gezeigt, werden beim Laserschneiden des Werkstücks 6 im Schnittspalt 11 zwischen einem lasergeschnittenen Werkstückteil 12 und dem Restwerkstück 13 Verbindungsstege bzw. Nanojoints 14a, 14b stehen gelassen, die das Werkstückteil 12 im Restwerkstück 13 fixieren und somit ein Verkippen gegenüber dem Restwerkstück 13 verhindern. Wie in 2b gezeigt, erstreckt sich der Nanojoint 14a, 14b nicht über die gesamte Werkstückdicke D, sondern nur im unteren Drittel der Werkstückdicke, weist also eine geringere Höhe d als die Werkstückdicke D auf. Der Nanojoint 14a befindet sich am Schnittende, wird also erzeugt, kurz bevor der Startpunkt S der in sich geschlossenen Bahnkurve K wieder erreicht ist. Der Nanojoint 14b befindet sich dagegen nicht am Schnittende, sondern an einem beliebigen Teil der Bahnkurve K.
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Im Folgenden wird beispielhaft die Variation der Laserleistung beim Erzeugen eines Nanojoints beschrieben. Die Nanojoints 14a, 14b werden allein durch gezieltes Anpassen der Laserleistung während des Schneidprozesses mittels geeignet gewählter Leistungsgradienten generiert, die von einer in 1 gezeigten Steuerung 15 der Laserschneidmaschine 1 in Abhängigkeit des Werkstückmaterials vorgegeben werden. Die Steuerung 15 steuert auch die Bewegung des Bearbeitungskopfes 3 gegenüber dem Werkstück 6. Dem Schneidprozess steht durch die abgesenkte Laserleistung nicht mehr die für einen vollständigen Schnitt benötigte Streckenenergie zur Verfügung, so dass das Werkstückmaterial nicht über die komplette Werkstückdicke D aufgeschmolzen wird und im unteren Bereich des Schnittspalts 11 bzw. der Schnittkante ein Nanojoint 14a, 14b zwischen dem lasergeschnittenen Werkstückteil 6 und dem Restwerkstück 13 stehen bleibt. Bis auf die Laserleistung bleiben bei der Erzeugung des Microjoints 14a, 14b alle anderen Schneidparameter des Laserschneidens unverändert, also z.B. die Fokuslage des Laserstrahls 5, der Abstand der Schneidgasdüse 10 zur Werkstückoberfläche, der Schneidgasdruck und die Schneidgeschwindigkeit (Vorschubgeschwindigkeit). Nach der Erzeugung des Nanojoints 14b wird mit den Standardparametern weitergeschnitten. Nach der Erzeugung des Nanojoints 14a wird der Laserstrahl 5 ausgeschaltet. Zum Erzeugen des nicht am Ende der Bahnkurve K liegenden Nanojoints 14b wird beim Laserschneiden des Werkstücks 6 die Laserleistung des Laserstrahls 5 auf einem der Länge L des Nanojoints 14a, 14b entsprechenden Teilstück der Bahnkurve K von der zum Durchschneiden des Werkstücks 6 ausreichenden Schneidleistung PA des Laserstrahls auf eine zum vollständigen Durchschneiden des Werkstücks 6 nicht ausreichende, niedrigere Sockelleistung PS abgesenkt und anschließend wieder auf die höhere Schneidleistung PA erhöht.
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3a zeigt den zeitlichen Verlauf der Laserleistung mit einem Zeitbereich 30 zum Erzeugen des Nanojoints 14b beim sogenannten Brennschnitt, also beim Laserschneiden des Werkstücks 6 unter Verwendung von Sauerstoff als Schneidgas 7. Beim Brennschneiden wird das Werkstückmaterial geschmolzen und größtenteils oxidiert. Im gezeigten Ausführungsbeispiel erfolgte der Brennschnitt an einem Baustahl-Werkstück 6 mit einer Werkstückdicke D von 5 mm und mit einer Schneidleistung PA von mehr als 3000 W.
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Der Zeitbereich 30 ist in drei Zeitabschnitte I-III unterteilt: I (t1 bis t2): lineare Leistungsabsenkung -ΔP von der Schneidleistung PA (3,5 kW) auf die niedrigere Sockelleistung PS innerhalb von ca. 15 ms, II (t2 bis t3): Halten der Sockelleistung PS über ca. 25 ms, und III (t3 bis t4): lineare Leistungssteigerung +ΔP von der Sockelleistung PS auf die Schneidleistung PA innerhalb von ca. 40 ms.
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Beim Erzeugen des Nanojoints 14b mittels Brennschnitt erfolgt der Leistungsanstieg +ΔP von der Sockelleistung PS auf die Schneidleistung PA im Zeitintervall III langsamer als der Leistungsabfall -ΔP von der Schneidleistung PA auf die Sockelleistung PS im Zeitintervall I, im gezeigten Ausführungsbeispiel sogar mehr als doppelt so langsam. Der Leistungsabfall -ΔP im Zeitintervall I und der Leistungsanstieg +ΔP im Zeitintervall III verlaufen jeweils linear oder nahezu linear, wobei der Betrag des Gradienten dP/dt im Zeitintervall I größer als der Betrag des Gradienten dP/dt im Zeitintervall III ist. Der Betrag des Verhältnisses der Gradienten ist größer als 2 und beträgt im gezeigten Ausführungsbeispiel ca. 2,67. Beim Erzeugen des Nanojoints 14a verlaufen der Leistungsabfall -ΔP im Zeitintervall I und das Halten der niedrigeren Sockelleistung PS im Zeitintervall II analog. Am Ende des Zeitintervalls II wird der Laserstrahl ausgeschaltet, und der Schnitt ist beendet. Der Zeitpunkt t1, an dem der Leistungsabfall -ΔP beginnt, wird so gewählt, dass am Ende des Zeitintervalls II der Startpunkt der Bahnkurve K wieder erreicht ist.
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Die Höhe der niedrigeren Laserleistung (Sockelleistung) PS muss an unterschiedliche Werkstückdicken D angepasst werden; bei zunehmender Werkstückdicke D nimmt auch die Sockelleistung PS im Bereich zwischen 100 W und 3000 W zu. Die Zeitabschnitte I-III können für alle Werkstückdicken D gleich lang gewählt werden. Die Sockelleistung PS sollte über mindestens 25 ms gehalten werden, damit der erzeugte Nanojoint 14a, 14b eine ausreichende Festigkeit aufweist. Es versteht sich, dass beim Schneiden mit reduzierter Vorschubgeschwindigkeit eine Verlängerung des Abschnitts II erforderlich sein kann. Der Betrag des Verhältnisses von Absenkungs- zu Anstiegsgradient ist für alle Blechdicken D größer als 1, bevorzugt größer als 2 und beträgt insbesondere ca. 2,67.
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3b zeigt den zeitlichen Verlauf der Laserleistung mit einem Zeitbereich 40 zum Erzeugen des nicht am Ende der Bahnkurve K liegenden Nanojoints 14b beim sogenannten Schmelzschnitt, also beim Laserschneiden des Werkstücks 6 unter Verwendung von einem Inertgas oder einem Inertgas-Sauerstoff-Gemisch, z.B. Stickstoff, als Schneidgas 7. Beim Schmelzschneiden wird das Werkstückmaterial lediglich geschmolzen. Die entstandene Schmelze wird dann ausgeblasen und zusammen mit dem Schneidgas 7 über den Absaugkanal 9 durch die Absaugeinrichtung 8 abgesaugt. Beim Schmelzschneiden wird bei gleicher Werkstückdicke und gleichem Material eine gegenüber dem Brennschneiden vergleichsweise höhere Leistung benötigt, z.B. 8 kW, da das Schneidgas keine Prozessenergie beiträgt und die Vorschubgeschwindigkeiten (Schneidgeschwindigkeiten) höher sind als beim Brennschneiden. Im gezeigten Ausführungsbeispiel erfolgte der Stickstoff-Schmelzschnitt ebenfalls an einem Baustahl-Werkstück 6 mit einer Werkstückdicke D von 5 mm, aber mit einer Ausgangsleistung von 8 kW und einem Schneidgasdruck von 6 bar. Der größte Unterschied zwischen Sauerstoff-Brennschnitt und Stickstoff-Schmelzschnitt besteht in den höheren Vorschubgeschwindigkeiten beim Schmelzschnitt. Daher sind sowohl die Zeitdauern der Leistungsabsenkung bzw. Leistungssteigerung als auch die Zeitdauer für das Halten der Sockelleistung deutlich geringer als beim Brennschnitt. Aufgrund der kürzeren Zeiten und der relativ zur Ausgangsleistung (Schneidleistung) geringeren Absenkung ist der Einfluss auf den Schneidprozess geringer. Die Laserleistung muss im Vergleich zum Brennschnitt weniger weit relativ zur Ausgangsleistung abgesenkt werden, da das Schneidgas keine Energie zum Schneidprozess beiträgt.
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Der Zeitbereich 40 ist in drei Zeitabschnitte I-III unterteilt: I (t1 bis t2): lineare Leistungsabsenkung -ΔP von der höheren Schneidleistung PA auf die niedrigere Sockelleistung PS innerhalb von ca. 10 ms, II (t2 bis t3): Halten der Sockelleistung PS über ca. 8 ms, und III (t3 bis t4): lineare Leistungssteigerung +ΔP von der Sockelleistung PS auf die Schneidleistung PA innerhalb von ca. 1 ms.
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Beim Erzeugen des Nanojoints 14b mittels Stickstoff-Schmelzschnitt erfolgt der Leistungsanstieg +ΔP im Zeitabschnitt III schneller als der Leistungsabfall -ΔP im Zeitabschnitt I, bevorzugt mindestens doppelt, besonders bevorzugt mindestens 5mal so schnell, im gezeigten Ausführungsbeispiel sogar ca. 10 mal so schnell. Der Leistungsabfall -ΔP im Zeitabschnitt I und der Leistungsanstieg +ΔP im Zeitabschnitt III verlaufen jeweils linear oder nahezu linear, wobei der Betrag des Leistungsgradienten dP/dt im Zeitabschnitt I kleiner als der Betrag des Leistungsgradienten dP/dt im Zeitabschnitt III ist. Der Betrag des Verhältnisses der Gradienten ist kleiner als 1, vorzugsweise kleiner als 0,5, und beträgt im gezeigten Ausführungsbeispiel ca. 0,1.
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Beim Erzeugen des Nanojoints 14a verlaufen der Leistungsabfall -ΔP im Zeitintervall I und das Halten der Sockelleistung PS im Zeitintervall II ebenso wie beim Erzeugen des Nanojoints 14b. Am Ende des Zeitintervalls II wird der Laserstrahl jedoch ausgeschaltet, und der Schnitt ist beendet. Der Zeitpunkt t1, an dem der Leistungsabfall -ΔP beginnt, wird so gewählt, dass am Ende des Zeitintervalls II der Startpunkt S der Bahnkurve K wieder erreicht ist.
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Die einzelnen Zeitabschnitte I-III sind kürzer als beim Sauerstoff-Brennschnitt, da die Vorschubgeschwindigkeit höher ist und das Schneidgas keinen Energiebeitrag leistet. So ist schon nach einer geringeren Zeitdauer ein ausreichend langer und stabiler Nanojoint 14a, 14b gebildet. Die Sockelleistung PS sollte über mindestens 8 ms gehalten werden, damit der erzeugte Nanojoint 14a, 14b eine ausreichende Länge L und damit eine ausreichende Festigkeit aufweist. Es versteht sich, dass beim Schneiden mit reduzierter Vorschubgeschwindigkeit die Mindestdauer (Zeitabschnitt II) zur Erzeugung eines ausreichend stabilen Nanojoints 14a, 14b entsprechend erhöht werden kann.
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Durch die Wahl von Sockelleistung PS und Dauer des Zeitabschnitts II kann die Festigkeit des Nanojoints 14a, 14b beeinflusst werden.
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Die Höhe der Sockelleistung PS kann an unterschiedliche Werkstückdicken D angepasst werden, wobei sie vorzugsweise mindestens 3000 W betragen kann.
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Die Zeitabschnitte I-III können für alle Werkstückdicken D gleich lang gewählt werden. Der Betrag des Verhältnisses von Absenkungs- zu Anstiegsgradient ist für alle Blechdicken D kleiner als 1, vorzugsweise kleiner als 0,5 und beträgt insbesondere ca. 0,1.
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Anhand der 4a und 4b wird im Folgenden beispielhaft die Abhängigkeit der Sockelleistung PS von der Vorschubgeschwindigkeit v beim Schmelzschneiden (4a) und beim Brennschneiden (4b) gemäß der vorliegenden Erfindung näher erläutert.
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4a zeigt den Zusammenhang zwischen der Sockelleistung PS und der Vorschubgeschwindigkeit v beim Schmelzschneiden (mit Stickstoff als Schneidgas). Im Beispiel wurde ein 6 mm dickes Blech aus Baustahl geschnitten. Die Schneidleistung PA betrug 8 kW. Die Sockelleistung PS zum Erzeugen eines Nanojoints 14a, 14b bei optimaler Vorschubgeschwindigkeit (100 % Vorschub) war mit 6500 W festgelegt (Streckenenergie von etwa 40000 Ws/m). Bei einer Reduzierung der Vorschubgeschwindigkeit - z.B. beim Schneiden eines engen Radius - auf 80 % der optimalen Vorschubgeschwindigkeit vopt ohne gleichzeitige Anpassung der Sockelleistung PS würde die Streckenenergie beim Erzeugen eines Nanojoints 14a, 14b an dieser Stelle auf über 50000 Ws/m steigen. Bei dieser erhöhten Streckenenergie würde der Nanojoint 14a, 14b stark an Festigkeit verlieren, da der Nanojoint 14a, 14b an der Schnittunterkante nur noch schwach oder gar nicht ausgeprägt ist.
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Um auch bei Veränderungen (insbesondere Reduzierung, aber auch Steigerung) der Vorschubgeschwindigkeit v von der optimalen Vorschubgeschwindigkeit vopt eine optimale Festigkeit des Nanojoint 14a, 14b zu erreichen, muss die Sockelleistung PS entsprechend angepasst werden. Die Anpassung der Sockelleistung PS erfolgt für das Schmelzschneiden anhand der in 4a dargestellten Grafik mittels einer NC-Steuerung, die jederzeit die aktuelle Vorschubgeschwindigkeit v kennt. Wird die Vorschubgeschwindigkeit v um 20 % gesenkt, wird die Sockelleistung PS ebenfalls um 20 % (im Beispiel also auf 5200 W) gesenkt. Somit kann der Nanojoint 14a, 14b mit etwa gleicher Höhe d, und damit vergleichbarer Festigkeit ausgeführt werden. Die Anpassung der Sockelleistung PS in Abhängigkeit von der Vorschubgeschwindigkeit v kann auf eine Reduktion der optimalen Sockelleistung PSopt um 90 % begrenzt sein, um eine ausreichende Ausprägung des Schnittspalts 11 oberhalb des Nanojoints 14a, 14b zu gewährleisten.
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4b zeigt den Zusammenhang zwischen der Sockelleistung PS und der Vorschubgeschwindigkeit v beim Brennschneiden (mit Sauerstoff als Schneidgas). Im Versuch wurde ebenfalls ein 6 mm dickes Blech aus Baustahl geschnitten. Die Schneidleistung PA betrug 5 kW. Die optimale Sockelleistung PS zur Erzeugung eines Nanojoints 14a, 14b bei 100 % Vorschubgeschwindigkeit (vopt) war mit 1500 W festgelegt (Streckenenergie etwa 30000 Ws/m). Ohne Anpassung der Sockelleistung PS würde die Streckenenergie bei einer Reduktion der Vorschubgeschwindigkeit v auf 80 % der optimalen Vorschubgeschwindigkeit vopt beim Erzeugen des Nanojoints 14a, 14b auf fast 40000 Ws/m steigen. Bei dieser erhöhten Streckenenergie würde der Nanojoint 14a, 14b stark an Festigkeit verlieren, da seine Höhe d kritisch reduziert würde.
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Zur Erzeugung von Nanojoints 14a, 14b mit optimaler Höhe d muss analog zum Schmelzschneiden (vgl. 4a) die Sockelleistung PS an die zu dem jeweiligen Zeitpunkt verwendete Vorschubgeschwindigkeit v angepasst werden. Dies erfolgt auf Basis des in 4b dargestellten Zusammenhangs mittels einer NC-Steuerung 15 der Laserschneidmaschine 1, die jederzeit die aktuelle Vorschubgeschwindigkeit v kennt. Bei einer Reduktion des Vorschubs um 20 % gegenüber der optimalen Vorschubgeschwindigkeit vopt, wird die Sockelleistung PS um 40 %, also von 1500 W (PSopt) auf 900 W gesenkt. Ein mit diesen reduzierten Parametern erzeugter Nanojoint 14a, 14b weist eine Höhe d auf, die mit der Höhe d eines bei optimaler Vorschubgeschwindigkeit vopt und mit optimaler Sockelleistung PSopt erzeugen Nanojoints 14a, 14b vergleichbar ist, und somit eine vergleichbare Festigkeit.
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Beim Herabsetzen der Sockelleistung PS beim Brennschneiden kann grundsätzlich ein Verhältnis von 2:1 gegenüber der Vorschubreduktion vorgegeben sein. Dieses Verhältnis kann vorzugsweise bis zu einer Vorschubreduktion von 40 % gegenüber der optimalen Vorschubgeschwindigkeit vopt gelten. Bei einer Reduktion der Vorschubgeschwindigkeit v um 50 % oder mehr gegenüber der optimalen Vorschubgeschwindigkeit vopt kann die Sockelleistung PS gleichbleibend um 90 % gegenüber der optimalen Sockelleistung PSopt reduziert werden. Eine Reduzierung der optimalen Sockelleistung PSopt um mehr als 90 % kann die Ausprägung des Schnittspalts 11 oberhalb des zu erzeugenden Nanojoints 14a, 14b gefährden.
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Sowohl beim Schmelzschneiden als auch beim Brennschneiden kann die Reduktion einer vorbestimmten optimalen Vorschubgeschwindigkeit vopt während eines Schneidprozesses - insbesondere aufgrund wirtschaftlicher Aspekte - vorzugsweise maximal 50 %, noch bevorzugter maximal 30 % betragen.
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Sowohl beim Schmelzschneiden als auch beim Brennschneiden kann durch die Regulierung der Sockelleistung PS in Abhängigkeit von der Vorschubgeschwindigkeit v nur die Höhe d eines zu erzeugenden Nanojoints 14a, 14b beeinflusst werden. Die Länge L des Nanojoints 14a, 14b, die ebenfalls Einfluss auf die Festigkeit / Stabilität des Nanojoints 14a, 14b hat, kann durch eine Anpassung (insb. Verlängerung) des Zeitabschnitts II gemäß den 3a bzw. 3b erreicht werden. In Versuchen hat sich jedoch gezeigt, dass es zur Erzeugung eines ausreichend stabilen Nanojoints 14a, 14b ausreicht, wenn nur die Sockelleistung PS bei einer Veränderung der Vorschubgeschwindigkeit angepasst wird. Eine zusätzliche Anpassung der Haltezeit der Sockelleistung PS ist also nicht zwingend erforderlich. Bei einer erheblichen Veränderung der Vorschubgeschwindigkeit v kann eine Anpassung der Haltezeit der Sockelleistung PS (vgl. Zeitabschnitt II in 3a, 3b) dennoch vorteilhaft sein.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Laserschneidmaschine
- 2
- Laserstrahlerzeuger
- 3
- Laserbearbeitungskopf (Laserschneidkopf)
- 4
- Werkstückauflage
- 5
- Laserstrahl
- 6
- Werkstück
- 7
- Schneidgas
- 8
- Absaugeinrichtung
- 9
- Absaugkanal
- 10
- Schneidgasdüse
- 11
- Schnittspalt
- 12
- Werkstückteil
- 13
- Restwerkstück
- 14a, 14b
- Nanojoint
- 15
- Steuerung
- 30
- Zeitbereich für die Erzeugung eines Nanojoints beim Brennschneiden
- 40
- Zeitbereich für die Erzeugung eines Nanojoints beim Schmelzschneiden
- t1-t4
- Zeitpunkte
- I-III
- Zeitintervalle
- D
- Werkstückdicke
- L
- Länge des Nanojoints 14a, 14b
- d
- Höhe (Dicke) des Nanojoints 14a, 14b
- K
- Bahnkurve (Kontur)
- S
- Einstechpunkt
- -ΔP
- Leistungsabsenkung
- +ΔP
- Leistungssteigerung
- PA
- Schneidleistung
- PS
- Sockelleistung
- PSopt
- Optimale Sockelleistung
- v
- Vorschubgeschwindigkeit
- vopt
- Optimale Vorschubgeschwindigkeit
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- WO 2019025327 A2 [0003, 0004, 0005, 0020]
