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Hintergrund der Erfindung
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Die Erfindung betrifft ein Schneideverfahren zum Laserstrahl-Brennschneiden von metallischen Werkstücken mit einer Dicke von zumindest zehn Millimetern sowie mit einer Laserleistung von zumindest zehn Kilowatt. Weiter betrifft die Erfindung ein Anpassungsverfahren zum Anpassen einer Schneiddüse an einen Schneidkopf einer Laserschneidmaschine.
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Bei Laserschneidprozessen, insbesondere beim Sauerstoff-Brennschneiden, kommt es durch sogenannte Randfelder des Laserstrahls zu einer asymmetrischen Erwärmung des zu schneidenden Werkstücks im Umfeld eines vorgesehenen Schnittbereichs. Hierdurch kann das zu schneidende Werkstück außerhalb des vorgesehenen Schnittbereichs aufgeschmolzen werden, was zu erheblichen Beeinträchtigungen der Schnittqualität führt.
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Besondere Bedeutung haben Randfelder bei Laserschneidprozessen mit einer Fokuslage des Laserstrahls oberhalb des zu schneidenden Werkstücks, wobei die Fokuslage innerhalb der Schneiddüse liegt. Derartige Prozessparameter sind besonders gut zum Schneiden von Werkstücken mit einer Dicke von zehn Millimetern oder mehr sowie mit Laserleistungen von zehn Kilowatt oder mehr geeignet. Die hohe Fokuslage führt jedoch zu einer großen Ausleuchtung der Schneiddüse, sodass äußere Teilstrahlen des Laserstrahls an der Innenfläche der Schneiddüse reflektiert und auf das Werkstück gerichtet werden können. Dies führt zur Beeinträchtigung der Schnittqualität oder macht sogar das Schneiden bspw. durch Aufschwemmen von Metallschmelze bzw. Metallschlacke unmöglich.
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Durch den Einsatz von üblicherweise aus Kupfer gefertigten Schneiddüsen werden Reflexionen dieser Art weiter begünstigt, da Schneiddüsen aus Kupfer fertigungstechnisch bereits eine stark reflektierende Oberfläche aufweisen.
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Aus der
WO 2020 / 162 823 A2 sowie der
WO 2002 / 434 53 A1 ist bekannt, die Innenkontur einer Düsenöffnung vor dem eigentlichen Bearbeitungsprozess mit Hilfe eines Plasma- oder Laserstrahls passend zuzuschneiden, um die Strömung des Schneidgases durch die Düsenöffnung zu verbessern und den Laserstrahl koaxial zu der Düsenöffnung auszurichten. Die Ausbildung der reflexionsbedingten Randfelder bei hohen Fokuslagen lässt sich hierdurch jedoch nur unzureichend verhindern.
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Aus der
WO 2014 / 187 467 A1 ist bekannt, eine Düse zum Laserschneiden bei niedrigen Fokuslagen einzusetzen, die zur Überwachung eines Prozessbereichs einen reflektierenden oder absorbierenden Kontrastbereich aufweist. Der Kontrastbereich ist dabei zur Streuung oder Absorption von Licht bei einer Beobachtungs-Wellenlänge einer Detektionseinrichtung ausgebildet.
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Aufgabe der Erfindung
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Es ist eine Aufgabe der Erfindung ein Schneideverfahren zum Laserstrahl-Brennschneiden bereitzustellen, mit dem auch bei großer Werkstückdicke und hoher Fokuslage eine gute Schnittkantenqualität erreicht werden kann.
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Beschreibung der Erfindung
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Schneideverfahren zum Laserstrahl-Brennschneiden gemäß Anspruch 1 sowie mit einem Anpassungsverfahren zum Anpassen einer Schneiddüse gemäß Anspruch 9.
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Mit anderen Worten wird die Aufgabe gelöst durch ein Schneideverfahren zum Laserstrahl-Brennschneiden der eingangs genannten Art, das dadurch gekennzeichnet ist, dass eine Fokuslage des Laserstrahls zumindest acht Millimeter oberhalb einer Düsenmündung einer Schneiddüse angeordnet ist und dass die Schneiddüse, durch deren Düsenmündung der Laserstrahl gemeinsam mit einem Schneidgas in Richtung auf eine Werkstückoberfläche austritt, eine den Laserstrahl streuende und/oder absorbierende Innenfläche aufweist, durch die zumindest eine gerichtete Reflexion eines Randbereichs des Laserstrahls durch die Düsenmündung hindurch verhindert wird.
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Eine hohe Fokuslage von zumindest acht Millimetern in Kombination mit einer Laserleistung von zehn Kilowatt bei der Bearbeitung von metallischen Werkstücken mit einer Dicke von zehn Millimetern oder mehr ist hinsichtlich einem schnellen und qualitativ hochwertigen Laserstrahl-Brennschneiden besonders vorteilhaft. Mit anderen Worten kann unter den vorgenannten Parametern eine besonders gute Schnittkantenqualität erreicht werden. Unter der Fokuslage wird für die Beschreibung der vorliegenden Erfindung die Position der engsten Stelle des Querschnitts des Laserstrahls (die Position des geringsten Strahldurchmessers) verstanden; diese kann relativ zur Düsenmündung angegeben werden.
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Erfindungsgemäß wird dabei die gerichtete Reflexion des Laserstrahls bzw. des Laserstrahl-Randbereichs auf die Werkstückoberfläche des metallischen Werkstücks und somit die Erwärmung des metallischen Werkstücks im Umfeld eines Schnittspalts verhindert, wodurch die Schnittqualität gesteigert werden kann. Dies erfolgt durch entsprechende Ausbildung der optischen Eigenschaften der Schneiddüse.
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Erfindungsgemäß ist die Innenfläche der Schneiddüse dazu ausgebildet, die Energie des auf die Innenfläche fallenden Laserstrahls, bzw. des Laserstrahl-Randbereichs zu streuen und/oder zu absorbieren. Mit anderen Worten wird der maßgeblich für die Randfelder verantwortliche Laserstrahl-Randbereich entweder von der Schneiddüse absorbiert und/oder derart in unterschiedliche Richtungen abgelenkt, dass keine gerichtete Reflexion auf das metallische Werkstück erfolgt.
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Unter dem Absorbieren des Laserstrahl-Randbereichs ist eine Aufnahme von durch den Laserstrahl, bzw. den Laserstrahl-Randbereich transportierter Laserenergie zu verstehen. Die Laserenergie kann zu einer Erwärmung der Innenfläche der Schneiddüse führen, wobei die eingebrachte Laserenergie mittels Wärmeleitung in das Innere der Schneiddüse abgeführt werden kann.
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Unter dem Streuen des Laserstrahl-Randbereichs ist die strahlweitende Ablenkung des Laserstrahl-Randbereichs zu verstehen. Der Laserstrahl-Randbereich wird dabei aus einer im Wesentlichen gleichgerichteten Strahlrichtung in verschiedene Strahlrichtungen gefächert, wodurch der Energieinhalt pro Flächeneinheit des Laserstrahl-Randbereichs reduziert wird. Effektiv trifft der Laserstrahl-Randbereich mithin auf eine größere Fläche und die pro Flächeneinheit aufzunehmende Laserenergie verringert sich.
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Vorzugsweise ist die Fokuslage derart einstellbar, dass der Laserstrahl-Randbereich durch die Schneiddüse zumindest teilweise blockiert ist. Mit anderen Worten ist der Laserstrahl bzw. der Laserstrahl-Randbereich mittels einer Fokussieroptik so einstellbar, dass er die Düsenmündung der Schneiddüse streift. Hierdurch kann der Anteil des auf die Schneiddüse gerichteten Laserstrahls bzw. Laserstrahl-Randbereichs angepasst werden. Mit anderen Worten kann der Laserstrahl mehr oder weniger stark durch die Düsenmündung begrenzt werden.
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In einer bevorzugten Ausführungsform des Schneideverfahrens zum Laserstrahl-Brennschneiden ist vorgesehen, dass die Fokuslage zumindest acht Millimeter und/oder höchstens 25 Millimeter oberhalb der Düsenmündung angeordnet ist.
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Eine höhere Fokuslage ermöglicht ein noch effizienteres und schnelleres Laserstrahl-Brennschneiden.
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Weiter bevorzugt ist eine Ausführungsform des Schneideverfahrens zum Laserstrahl-Brennschneiden, bei der der Düsenabstand zwischen der Düsenmündung und der Werkstückoberfläche zumindest 0,2 Millimeter und/oder höchstens 4 Millimeter, insbesondere höchstens 3 Millimeter, beträgt. Hierdurch kann die Schnittqualität weiter verbessert werden kann. Insbesondere kann auch erreicht werden, dass der Strahldurchmesser auf der Werkstückoberfläche ungefähr dem Durchmesser der Düsenmündung entspricht.
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Besonders bevorzugt ist eine Ausführungsform des Schneideverfahrens zum Laserstrahl-Brennschneiden, bei der die Innenfläche der Schneiddüse eine Kupferoxid-Schicht, insbesondere eine Dikupferoxid-Schicht und/oder eine Kupfermonoxid-Schicht, aufweist. Eine Kupferoxid-Schicht weist besonders gute Absorptionseigenschaften sowie geringe Reflexionseigenschaften auf. Zudem kann eine Düse aus Kupfer effizient mit einer Kupferoxidschicht versehen werden.
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In einer bevorzugten Ausführungsform des Schneideverfahrens zum Laserstrahl-Brennschneiden ist vorgesehen, dass die Innenfläche der Schneiddüse einen Rauheitswert Rz von zumindest fünf Mikrometern aufweist. Durch die Rauigkeit der Innenfläche können gerichtete Reflexionen zuverlässig vermieden werden. Der mittlere Rauheitswert Rz stellt eine besonders geeignete Vergleichsgröße für die Rauigkeit einer Oberfläche dar. Ebenso sind alle sonstigen Rauheitswerte als Vergleichsgröße verwendbar, die sich mittelbar oder unmittelbar aus dem Rauheitswert Rz bestimmen lassen.
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Vorzugsweise wird die Rauigkeit der Innenfläche durch Ätzen und/oder Laserstrahlstrukturieren erhöht. Besonders bevorzugt erfolgt im Fall des Laserstrahlstrukturierens das Strukturieren der Innenfläche durch den Laserstrahl der Laserschneidmaschine. Mit anderen Worten erfolgt die Laserstrahlstrukturierung mit dem Bearbeitungsstrahl der Laserschneidmaschine.
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Hierdurch kann eine Strukturierung der Innenfläche der Schneiddüse besonders schnell und günstig an der Laserschneidmaschine erfolgen.
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Weiter bevorzugt ist eine Ausführungsform des Schneideverfahrens zum Laserstrahl-Brennschneiden, bei der die Innenfläche der Schneiddüse zumindest teilweise rückreflektierend ausgebildet ist. Unter einer Rückreflexion ist eine überwiegend entgegen der Laserstrahlrichtung gerichtete streuende Rückstrahlung des Laserstrahl-Randbereichs zu verstehen. Mit anderen Worten wird der Laserstrahl-Randbereich mittels der Innenfläche der Schneiddüse ungebündelt in Richtung der Fokussieroptik des Schneidkopfes reflektiert. Hierdurch kann der Anteil der durch die Schneiddüse aufzunehmenden Laserenergie verringert werden.
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In einer bevorzugten Weiterbildung des Schneideverfahrens zum Laserstrahl-Brennschneiden streut die Innenfläche der Schneiddüse den Randbereich des Laserstrahls zumindest teilweise diffus. Unter einer diffusen Streuung ist ein Abstrahlen des Laserstrahl-Randbereichs in beliebige Richtungen zu verstehen. Hierdurch kann die Laserenergie des Laserstrahl-Randbereichs weiter verteilt und der Energieeintrag pro Flächeneinheit weiter gesenkt werden.
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Bevorzugt ist eine Ausführungsform des Schneideverfahrens zum Laserstrahl-Brennschneiden, bei der die Schneiddüse während des Laserstrahl-Brennschneidens zumindest ein halbes Prozent der Laserleistung absorbiert. Vorzugsweise absorbiert die Schneiddüse zumindest zwei Prozent der Laserleistung. Hierdurch kann der Laserstrahl weiter beschränkt werden, was sich zunehmend vorteilhaft auf die Schnittqualität auswirkt.
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Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe wird weiter gelöst durch ein Anpassungsverfahren zum Anpassen einer Schneiddüse an einen Schneidkopf einer Laserschneidmaschine für ein Schneideverfahren zum Laserstrahl-Brennschneiden, bei dem optische Eigenschaften der Schneiddüse durch den Laserstrahl der Laserschneidmaschine geändert werden. Vorzugsweise ist das Schneideverfahren zum Laserstrahl-Brennschneiden das vorhergehend beschriebene, erfindungsgemäße Schneideverfahren zum Laserstrahl-Brennschneiden.
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Unter den optischen Eigenschaften der Schneiddüse sind die den Strahlengang des Laserstrahls beeinflussenden geometrischen Eigenschaften sowie die Oberflächeneigenschaften, insbesondere einer Innenfläche, der Schneiddüse zu verstehen. Die den Strahlengang beeinflussenden Eigenschaften können beispielsweise die Oberflächenbeschaffenheit der Innenfläche und/oder der Durchmesser der Düsenmündung sein. In letzterem Fall kann die Düsenmündung als optische Blende des Laserstrahls ausgebildet sein.
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Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass die optischen Eigenschaften durch den Laserstrahl der Laserschneidmaschine selbst geändert werden. Das Anpassen erfolgt an der für die Verwendung der Schneiddüse vorgesehen Laserschneidmaschine, sodass vorteilhafterweise auf zusätzliche vorgelagerte Bearbeitungsschritte verzichtet werden kann. Die Schneiddüse wird dadurch individuell auf die konkrete Laserschneidmaschine angepasst.
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Eine bevorzugte Ausführungsform des Anpassungsverfahrens zum Anpassen der Schneiddüse sieht vor, dass die optischen Eigenschaften mittels definierter Laserleistung der Laserschneidmaschine und/oder mittels definierter Fokuslage geändert werden. Vorzugsweise werden die optischen Eigenschaften unter zumindest einmaliger kurzzeitiger Auslenkung der Fokuslage angepasst. Mit anderen Worten weicht die Fokuslage zum Anpassen der Schneiddüse zumindest zweitweise von der Fokuslage bei dem Schneideverfahren zum Laserstrahl-Brennschneiden ab. Hierdurch kann der Laserstrahl, bzw. der Laserstrahl-Randbereich gezielt auf Abschnitte der Innenfläche der Schneiddüse gerichtet werden.
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Die Laserleistung kann zum Zweck der Änderung der optischen Eigenschaften geändert werden. Besonders bevorzugt erfolgt die Änderung der optischen Eigenschaften bei einer großen Laserleistung, insbesondere bei Nennleistung der Laserschneidmaschine. Hierdurch kann ein Anpassen der optischen Eigenschaften besonders schnell unter Prozessbedingungen erfolgen.
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Weiter bevorzugt ist eine Ausführungsform des Anpassungsverfahrens zum Anpassen der Schneiddüse, bei der die optischen Eigenschaften unmittelbar vor und/oder während der Durchführung des Schneideverfahrens zum Laserstrahl-Brennschneiden, insbesondere während eines Einstechvorgangs des Laserstrahls, geändert werden. Hierdurch kann das Anpassen der Schneiddüse besonders einfach in das Verfahren zum Laserstrahl-Brennschneiden integriert werden.
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In einer besonders bevorzugten Ausführungsform des Anpassungsverfahrens zum Anpassen der Schneiddüse wird an der Innenfläche der Schneiddüse eine Kupferoxid-Schicht, insbesondere eine Kupfermonoxid-Schicht und/oder eine Dikupferoxid-Schicht, ausgebildet. Vorzugsweise wird hierzu der Laserstrahl durch Ändern der Fokuslage kurzzeitig auf die Innenfläche der Schneiddüse gerichtet. Besonders bevorzugt kann die Fokuslage mehrmalig hin zu einer höheren und/oder niedrigeren Fokuslage geändert werden. Hierbei können verschiedene Abschnitte der Innenfläche der Schneiddüse durch den Laserstrahl angestrahlt und angepasst werden. Weiter vorzugsweise wird zur Ausbildung der Kupferoxid-Schicht die Laserleistung der Laserschneidmaschine kurzzeitig erhöht. Insbesondere bei Zufuhr von Sauerstoff als Prozessgas kann dann eine deutliche Oxidation der Innenfläche erreicht werden.
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Weiter bevorzugt ist eine Ausführungsform des Anpassungsverfahrens zum Anpassen der Schneiddüse, bei der eine Rauigkeit der Innenfläche erhöht wird. Vorzugsweise wird die Rauigkeit auf einen Rauheitswert Rz größer als fünf Mikrometer erhöht. Hierzu kann der Laserstrahl kurzzeitig und/oder durch mehrmaliges Ändern der Fokuslage auf die Innenfläche der Schneiddüse gerichtet sein, wobei die Laserleistung vorzugsweise gegenüber der Nennleistung der Laserschneidmaschine verringert ist. Hierdurch kann die Rauigkeit der Innenfläche der Schneiddüse besonders genau geändert werden.
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Bevorzugt ist eine Ausführungsform des Anpassungsverfahrens zum Anpassen der Schneiddüse, bei der ein Durchmesser der Düsenmündung, insbesondere um mindestens 0,1 Millimeter, geweitet wird. Hierzu kann der Laserstrahl vorzugsweise unter Einnahme einer gegenüber dem Schneideverfahren zum Laserstrahl-Brennschneiden erhöhten Fokuslage auf den Rand der Düsenmündung gerichtet werden. Vorzugsweise findet ein vollständiger Abtrag des im Strahlengang des Laserstrahls befindlichen Materials der Schneiddüse unter Nennleistung der Laserschneidmaschine statt. Mit anderen Worten wird die Düsenmündung mittels Laserstrahl-Brennschneiden auf einen für das Verfahren zum Laserstrahl-Brennschneiden vorgesehenen Durchmesser angepasst, bzw. geweitet.
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Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung, den Ansprüchen und der Zeichnung. Erfindungsgemäß können die vorstehend genannten und die noch weiter ausgeführten Merkmale jeweils einzeln für sich oder zu mehreren in beliebigen zweckmäßigen 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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Figurenliste
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- 1 zeigt eine Laserschneidmaschine zum Laserstrahl-Brennschneiden mit einem Schneidkopf in einer schematischen Perspektivansicht.
- 2 zeigt eine schematische Ansicht eines Laserstrahl-Strahlengangs durch den Schneidkopf der Laserschneidmaschine bei einem erfindungsgemäßen Schneideverfahren zum Laserstrahl-Brennschneiden.
- 3 zeigt eine schematische Ansicht des Laserstrahl-Strahlengangs durch den Schneidkopf der Laserschneidmaschine unmittelbar vor einem erfindungsgemäßen Anpassungsverfahren zum Anpassen einer Schneiddüse an den Schneidkopf.
- 4 zeigt eine schematische Ansicht des Laserstrahl-Strahlengangs durch den Schneidkopf der Laserschneidmaschine nach Anpassen der Schneiddüse an den Schneidkopf.
- 5 zeigt eine schematische Ansicht der Schneiddüse vor einem Anpassungsverfahren zum Anpassen der Schneiddüse an den Schneidkopf.
- 6 zeigt eine schematische Ansicht der Schneiddüse aus 5 nach dem Anpassungsverfahren zum Anpassen der Schneiddüse an den Schneidkopf.
- 7 zeigt einen schematischen Ablauf eines erfindungsgemäßen Schneideverfahrens.
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1 zeigt eine Anordnung 10 mit einer Laserschneidmaschine 12 und einem zum Laserstrahl-Brennschneiden an der Laserschneidmaschine 12 angeordneten metallischen Werkstück 14. Die Laserschneidmaschine 12 weist beispielsweise einen CO2-Laser, einen Festkörperlaser oder einen Diodenlaser als Laserstrahlerzeuger 16, einen verfahrbaren Schneidkopf 18 und eine Werkstückauflage 20 auf, auf der das metallische Werkstück 14 angeordnet ist. Im Laserstrahlerzeuger 16 wird ein Laserstrahl 22 erzeugt, der mittels eines Lichtleitkabels (nicht gezeigt) oder Umlenkspiegeln (nicht gezeigt) vom Laserstrahlerzeuger 16 zum Schneidkopf 18 geführt wird. Der Laserstrahl 22 wird mittels einer im Schneidkopf 18 angeordneten Fokussieroptik 24 (siehe 2-4) auf das metallische Werkstück 14 gerichtet. Die Laserschneidmaschine 12 wird darüber hinaus mit Schneidgas 26 - vorzugsweise mit Sauerstoff - versorgt. Das Schneidgas 26 wird dem Schneidkopf 18 zugeführt, aus dem es zusammen mit dem Laserstrahl 22 austritt. Die Laserschneidmaschine 12 umfasst ferner eine Maschinensteuerung 28, die programmiert ist, den Schneidkopf 18 entsprechend einer Schneidkontur 30 relativ zum metallischen Werkstück 14 zu verfahren. Die Maschinensteuerung 28 ist zudem dazu programmiert, die Fokussieroptik 24 (siehe 2 bis 4) relativ zu einer Schneiddüse 32 (siehe 2 bis 6) zu verfahren.
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2 zeigt eine schematische Ansicht eines beispielhaften Strahlengangs des Laserstrahls 22 durch den Schneidkopf 18 der Laserschneidmaschine 12 (siehe 1). Der Laserstrahl 22 kann einen Laserstrahl-Randbereich 34 aufweisen, der sich aufgrund einer von einer Mittenachse 36 radial nach außen abnehmenden Laserintensität ausbildet. Der Laserstrahl 22 wird von dem Laserstrahlerzeuger 16 (siehe 1) kommend auf die Fokussieroptik 24 - hier ist beispielhaft eine Sammellinse der Fokussieroptik 24 dargestellt - gerichtet (Aus Gründen der besseren Darstellbarkeit, ist der Laserstrahl-Randbereich 34 hier und im Folgenden überdimensioniert dargestellt). Die Fokussieroptik 24 bündelt den Laserstrahl 22 in einem Fokuspunkt bzw. Fokus 38 des Laserstrahls 22. Mit anderen Worten wird ein Strahlquerschnitt 40 des Laserstrahls 22 bis zum Fokus 38 in Richtung der Mittenachse 36 des Laserstrahls 22 verjüngt. Jenseits des Fokus 38 weitet sich der Strahlquerschnitt 40 wieder auf.
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Gemäß der gezeigten Ausführungsform weist der Fokus 38 des Laserstrahls 22 eine Fokuslage 42 auf, die oberhalb einer Düsenmündung 44 innerhalb der Schneiddüse 32 auf der Mittenachse 36 liegt. Die Fokuslage 42 liegt erfindungsgemäß mindestens acht Millimeter oberhalb der Düsenmündung 44.
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Die hohe Fokuslage 42 begünstigt das Laserstrahl-Brennschneiden von metallischen Werkstücken 14 mit einer Dicke 46 von zehn Millimetern oder mehr. Die hohe Fokuslage 42 bedingt jedoch auch eine Verbreiterung des Strahlquerschnitts 40 mit zunehmender Beabstandung vom Fokus 38 des Laserstrahls 22, wodurch ein Düsenkanal 48 - der zur Führung des Laserstahls 22 und des Schneidgases 18 (siehe 1) ausgebildet ist - durch den Laserstrahl-Randbereich 34 besonders stark ausgeleuchtet wird. Hierdurch können Reflexionen an einer Innenfläche 50 der Schneiddüse 18, bzw. an der Wandung des Düsenkanals 48 entstehen, die bei herkömmlichen Schneiddüsen 32 aufgrund eines Düsenabstands 52 zwischen metallischem Werkstück 14 und Düsenmündung 44 auf das metallische Werkstück 14 gerichtet, bzw. gebündelt durch die Düsenmündung 44 austreten können. In der Folge kann es bei herkömmlichen Schneiddüsen 18 zu einem Erwärmen oder Aufschmelzen des metallischen Werkstücks 14 im Umfeld eines Schnittspalts 54 kommen, was zu erheblichen Beeinträchtigungen der Schnittqualität führt.
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Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass die Innenfläche 50 absorbierend und/oder streuend ausgebildet ist. Gemäß der gezeigten Ausführungsform weist die Innenfläche 50 eine den Laserstrahl-Randbereich 34 zumindest teilweise absorbierende Kupferoxid-Schicht auf - diese Absorption ist hier durch Pfeile 56 dargestellt. Aus Gründen der Übersichtlichkeit ist lediglich ein Pfeil 56 mit einem Bezugszeichen versehen. Durch zumindest teilweises Absorbieren der Laserenergie aus dem Laserstrahl-Randbereich 34 des Laserstrahls 22 kann eine durch die Düsenmündung 44 gerichtete Reflexion des Laserstrahls 22 an der Innenfläche 50 auf das metallische Werkstück 14 effektiv verhindert und ein Erwärmen bzw. Aufschmelzen des metallischen Werkstücks 14 im Umfeld des Schnittspalts 54 verhindert werden. Hierdurch kann die Schnittqualität erheblich gesteigert werden.
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Die Düsenmündung 42 der Schneiddüse 32 wirkt hier zudem als optische Blende und begrenzt den Laserstrahl 22 in radialer Richtung derart, dass der Laserstrahl-Randbereich 34 zumindest teilweise die Düsenmündung 42 nicht durchstrahlen kann. Die Düsenmündung 42 blockiert den Laserstrahl 22 teilweise, wobei die Laserenergie des zurückgehaltenen Laserstrahl-Randbereichs 34 für eine Beschädigung, insbesondere ein Schmelzen, der Schneiddüse 32 zu gering ist.
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Die Innenfläche 50 kann darüber hinaus teilweise streuend ausgebildet sein. Mit anderen Worten kann die Innenfläche 50 teilweise reflektierend ausgebildet sein, soweit keine gerichtete Reflexion durch die Düsenmündung 44 auf das metallische Werkstück 14 bewirkt wird. Vorzugsweise wird eine teilweise, insbesondere streuende, Reflexion des Laserstrahls 22 bzw. des Laserstrahl-Randbereichs 34 in Richtung der Fokussieroptik 24 bewirkt. Hierdurch kann ein Reflektieren auf das metallische Werkstück 14 noch zuverlässiger verhindert werden.
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Vorzugsweise erfolgt eine Streuung des Laserstrahls 22, bzw. des Laserstrahl-Randbereichs 34 auf einen anderen Abschnitt der Innenfläche 50 der Schneiddüse 32. Weiter vorzugsweise ist der andere Abschnitt zum Absorbieren des gestreuten Laserlichts ausgebildet. Hierdurch kann die Energie des Laserstrahl-Randbereichs 34 auf die gesamte Innenfläche 50 der Schneiddüse 32 verteilt werden. Ein übermäßiges lokales Erwärmen der Schneiddüse 32 kann somit verhindert werden.
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3 zeigt eine schematische Ansicht eines weiteren beispielhaften Strahlengangs des Laserstrahls 22 durch den Schneidkopf 18 der Laserschneidmaschine 12 unmittelbar vor einem erfindungsgemäßen Anpassungsverfahren 58 (siehe 7) zum Anpassen einer Schneiddüse 32 an den Schneidkopf 18.
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Der Fokus 38 weist eine Fokuslage 42 auf, die - beispielsweise 15 Millimeter - größer als eine Fokuslage 42 für das Laserstrahl-Brennschneiden gemäß 1 ausgebildet ist. Der Fokus 38 kann hierzu mittels der Fokussieroptik 24 in der Fokuslage 42 veränderbar sein.
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Gemäß der gezeigten Ausführungsform blockiert die Düsenmündung 44 der Schneiddüse 32 sowohl den Laserstrahl-Randbereich 34 als auch einen wesentlichen Anteil des übrigen Laserstrahls 22, der auf die Innenfläche 50 der Schneiddüse 32 gerichtet ist.
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In einem dem Laserstrahl-Brennschneiden unmittelbar vorgelagerten und/oder in einem das Laserstrahl-Brennschneiden einleitenden Verfahrensschritt - bspw. während eines Einstechvorgangs des Laserstrahls 22 - ist der Laserstrahl 22 zunächst kurzzeitig auf die Innenfläche 50 der Schneiddüse 32 gerichtet. Hierdurch können optische Eigenschaften der Schneiddüse 32, bzw. der Innenfläche 50 mittels des Laserstrahls 22 verändert werden.
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Vorzugsweise wird die Innenfläche 50 mittels kurzzeitigem Energieeintrag durch den Laserstrahl 22 oxidiert. Im Fall einer Schneiddüse 32 aus Kupfer kann an der Innenfläche 50 mithin eine Kupferoxid-Schicht, insbesondere einer Kupfermonoxid-Schicht und/oder einer Dikupferoxid-Schicht, ausgebildet werden. Kupferoxid-Schichten weisen gute Absorptionseigenschaften was sich vorteilhaft auf die Absorptionsfähigkeit der Schneiddüse 32 auswirkt.
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Vorzugsweise kann die Innenfläche 50 mittels kurzzeitigem Energieeintrag durch den Laserstrahl 22 oberflächenstrukturiert werden. Mit anderen Worten erfolgt durch die Einwirkung des Laserstrahls 22 ein Materialabtrag an der Innenfläche 50 der Schneiddüse 32, wodurch die Rauigkeit der Innenfläche 50 gesteigert wird. Die Rauigkeit wird vorzugsweise mit dem Rauheitswert Rz angegeben und beträgt nach dem Aufrauen fünf Mikrometer oder mehr. Eine höhere Rauigkeit der Innenfläche 50 senkt die Reflexionseigenschaften der Innenfläche 50, was eine verminderte Reflexion des Laserstrahls 22 durch die Düsenmündung 44 auf das Werkstück 14 begünstigt. Zudem wird die effektive Oberfläche der Innenfläche 50 erhöht, wodurch die Absorptionsfähigkeit weiter gesteigert werden kann.
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Weiter vorzugsweise kann die Düsenmündung 44, insbesondere deren Durchmesser, durch kurzzeitigen Energieeintrag durch den Laserstrahl 22 geändert werden. Die hohe Laserintensität, bzw. Laserenergie des Laserstrahls 22 kann zu einem vollständigen Abtragen des Materials der Schneiddüse 32 im Strahlengang des Laserstrahls 22 verwendet werden, wodurch die Düsenmündung 44 geweitet werden kann. Hierdurch kann die Düsenmündung 44 bezüglich der Lage in der Schneiddüse 32 sowie ihrer Abmessungen besonders vorteilhaft an den Strahlengang des Laserstrahls 22 beim Laserstrahl-Brennschneiden angepasst werden. Hierdurch kann ein effektives Blockieren des Laserstrahl-Randbereichs 34 unter weitestgehender Vermeidung von Reflexionen durch die Düsenmündung 44 erreicht werden.
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Besonders bevorzugt kann die Fokussieroptik 24 die Fokuslage 42 des Fokus 38 während des Verfahrens zum Anpassen der Schneiddüse 32 verändern, insbesondere verringern. Hierdurch kann eine Kombination von Änderungen an den optischen Eigenschaften der Schneiddüse 32 erfolgen. Beispielsweise kann an der Innenfläche 50 zunächst mit einer hohen Fokuslage 42 eine Kupferoxid-Schicht ausgebildet werden und mittels anschließendem Verringern der Fokuslage 42 die Düsenmündung 44 geweitet werden. Hierdurch kann das Anpassungsverfahren 58 besonders effektiv und schnell durchgeführt werden.
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4 zeigt eine schematische Ansicht eines weiteren beispielhaften Strahlengangs des Laserstrahls 22 durch den Schneidkopf 18 der Laserschneidmaschine 12 nach Anpassen der Schneiddüse 32 an den Schneidkopf 18.
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An der Innenfläche 50 kann beispielsweise eine Kupferoxid-Schicht ausgebildet sein. Die Düsenmündung 44 ist durch Einwirkung des Laserstrahls 22 geweitet ausgebildet.
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Das Verfahren zur Anpassung der Schneiddüse 32 sieht vor, dass die Fokuslage 42 des Fokus 38 durch die Fokussieroptik 24 auf den zum Laserstrahl-Brennschneiden des metallischen Werkstücks 14 vorgesehen Wert geändert wird. In Kombination mit der Änderung der optischen Eigenschaften der Schneiddüse 32 wie zu 3 beschrieben, kann der Strahlengang des Laserstrahls 22 die Düsenmündung 44 ungehindert durchstrahlen, während der Laserstrahl-Randbereich 34 durch die Düsenmündung 44 zurückgehalten und von der Innenfläche 50 der Schneiddüse 32 absorbiert wird (hier dargestellt durch Pfeile 56, von denen aus Gründen der Übersichtlichkeit lediglich ein Pfeil 56 mit einem Bezugszeichen versehen ist). Dies ermöglicht eine besonders hohe Schnittqualität an dem Schnittspalt 54.
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Ein besonderer Vorteil ergibt sich dabei in der Verwendbarkeit von herkömmlichen Schneiddüsen 32, die mittels des beschriebenen Anpassungsverfahrens 58 (siehe 7) zum Anpassen der Schneiddüse 32, bzw. zur Änderung der optischen Eigenschaften der Schneiddüse 32 an das Laserstrahl-Brennschneiden angepasst werden können. Mit anderen Worten kann die herkömmliche Schneiddüse 32 für einen vorgesehenen Schneideprozess optimiert werden. Hierdurch kann die kostspielige Herstellung spezieller Schneiddüsen 32 entfallen.
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5 zeigt eine schematische Darstellung einer weiteren Schneiddüse 32 vor dem Anpassungsverfahren 58 (siehe 7) zum Anpassen der weiteren Schneiddüse 32, bzw. vor einer Änderung der optischen Eigenschaften der weiteren Schneiddüse 32.
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Die dargestellte weitere Schneiddüse 32 kann eine herkömmliche Schneiddüse zur Verwendung in einer Laserschneidmaschine 12 sein. Die weitere Schneiddüse 32 weist eine Düsenmündung 44 auf, die zentriert in der weiteren Schneiddüse 32 ausgebildet ist. Gemäß der gezeigten Ausführungsform ist der Laserstrahl 22 mit dem Laserstrahl-Randbereich 34 zu der Düsenmündung 44 dezentriert angeordnet. Hierdurch können bei herkömmlicher Anwendung der weiteren Schneiddüse 32 ungleichmäßige und gerichtete Reflexionen durch die Düsenmündung 44 auftreten, die zu einer Beeinträchtigung der Schnittqualität führen können, wobei das Ausmaß der Beeinträchtigung von der Schnittrichtung abhängen kann. Die Düsenmündung 44 kann durch ein erfindungsgemäßes Anpassungsverfahren 58 zum Anpassen der weiteren Schneiddüse 32 an den Schneidkopf 18 (siehe 1 bis 4) bzw. den Laserstrahl 22 angepasst werden.
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6 zeigt eine schematische Darstellung der weiteren Schneiddüse 32 nach dem Verfahren zum Anpassen der weiteren Schneiddüse 32. Wie dargestellt weist die Düsenmündung 44 vorzugsweise den Durchmesser des Strahlquerschnitts 40 des Laserstrahls 22 auf. Hierdurch kann der Laserstrahl 22 die Düsenmündung 44 unblockiert durchstrahlen. Der Laserstrahl-Randbereich 34 wird vorzugsweise von der Schneiddüse 32 zurückgehalten. Weiter vorzugsweise wird der Laserstrahl-Randbereich 34 über die Innenfläche 50 von der Schneiddüse 32 absorbiert. Hierdurch können Reflexionen des Laserstrahl-Randbereichs 34 durch die Düsenmündung 44 auf das metallische Werkstück 14 (siehe 1 bis 4) besonders effektiv vermieden werden. Durch die jetzt zentrische Anordnung von Laserstrahl und Düsenmündung wird eine richtungsabhängige Schnittqualität vermieden.
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7 zeigt einen beispielhaften schematischen Verfahrensablauf des Anpassungsverfahrens 58 zum Anpassen der Schneiddüse 32 an einen Schneidkopf 18 (siehe 1 bis 4) unmittelbar vor einem Schneideverfahren 60 zum Laserstrahl-Brennschneiden von metallischen Werkstücken 14.
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Das Anpassungsverfahren 58 zum Anpassen der Schneiddüse 32 (siehe 2 bis 6) an einen Schneidkopf 18 weist ausführungsgemäß einen ersten Verfahrensschritt „Düsenanordnung“ 62 auf, in welchem eine Schneiddüse 32 an der Laserschneidmaschine 12 angeordnet (befestigt) wird. Alternativ kann vorgesehen sein, dass eine bereits an der Laserschneidmaschine 12 angeordnete Schneiddüse 32 mit dem Anpassungsverfahren 58 zum Anpassen der Schneiddüse 32 angepasst wird.
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In einem anschließenden Verfahrensschritt „Eigenschaftenänderung“ 64 wird zumindest eine optische Eigenschaft - beispielsweise der Durchmesser der Düsenmündung und/oder die Beschaffenheit der Innenfläche - der Schneiddüse 32 mittels des Laserstrahls 22 (siehe 1 bis 6) der Laserschneidmaschine 12 geändert. Hierbei kann vorgesehen sein, dass die Fokuslage 42 und/oder die Laserleistung der Laserschneidmaschine 12 einmal oder mehrmals geändert wird. Dies ermöglicht eine unterschiedliche Bearbeitung verschiedener Abschnitte der Schneiddüse 32 durch den Laserstrahl 22.
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Während oder unmittelbar nach dem Verfahrensschritt „Eigenschaftenänderung“ 64 kann das Schneideverfahren 60 zum Laserstrahl-Brennschneiden von metallischen Werkstücken 14 erfolgen. Hierzu wird zunächst ein Verfahrensschritt „Einstechen“ 66 zum Einführen des Laserstrahls 22 in das metallische Werkstück 14 durchgeführt. Hierbei wird vorzugsweise die optimale Fokuslage 42 für das Laserstrahl-Brennschneiden mittel der Fokussieroptik 24 (siehe 2 bis 4) und die Laserleistung der Laserschneidmaschine 12 eingestellt.
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In einem anschließenden Verfahrensschritt „Brennschneiden“ 68 wird das metallische Werkstück 14 entlang der Schneidkontur 30 (siehe 1) durch den Laserstrahl 22 geschnitten.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Anordnung;
- 12
- Laserschneidmaschine;
- 14
- metallisches Werkstück;
- 16
- Laserstrahlerzeuger;
- 18
- Schneidkopf;
- 20
- Werkstückauflage;
- 22
- Laserstrahl;
- 24
- Fokussieroptik;
- 26
- Schneidgas;
- 28
- Maschinensteuerung;
- 30
- Schneidkontur;
- 32
- Schneiddüse;
- 34
- Laserstrahl-Randbereich;
- 36
- Mittenachse des Laserstrahls 22;
- 38
- Fokus;
- 40
- Strahlquerschnitt des Laserstrahls 22;
- 42
- Fokuslage;
- 44
- Düsenmündung;
- 46
- Dicke des metallischen Werkstücks 14;
- 48
- Düsenkanal;
- 50
- Innenfläche der Schneiddüse 32;
- 52
- Düsenabstand;
- 54
- Schnittspalt;
- 56
- Pfeile;
- 58
- Anpassungsverfahren;
- 60
- Schneideverfahren;
- 62
- Anordnen einer Schneiddüse an einer Laserschneidmaschine;
- 64
- Verändern von optischen Eigenschaften der Schneiddüse;
- 66
- Einstechen;
- 68
- Brennschneiden.
-
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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- WO 2020/162823 A2 [0005]
- WO 2002/43453 A1 [0005]
- WO 2014/187467 A1 [0006]
