DE102022101323A1 - Laser cutting process with adjustment of the focus position - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein Schneideverfahren (78) zum Laserstrahl-Brennschneiden von metallischen, insbesondere plattenförmigen, Werkstücken (14) mit einer Laserschneidmaschine (12), wobei ein Fokus (70) eines Laserstrahls (22) oberhalb einer Düsenmündung (38) einer Schneiddüse (34) angeordnet ist und eine Fokuslage (68) des Fokus (70) der Laserschneidmaschine (12) entlang einer Laserstrahlachse (50) des Laserstrahls (22) in einem vorbestimmten Verhältnis zu einem Mündungsdurchmesser der Düsenmündung (38) eingestellt wird.The invention relates to a cutting method (78) for laser beam flame cutting of metal, in particular plate-shaped, workpieces (14) with a laser cutting machine (12), with a focus (70) of a laser beam (22) being arranged above a nozzle orifice (38) of a cutting nozzle (34) and a focal position (68) of the focus (70) of the laser cutting machine (12) along a laser beam axis (50) of the laser beam (22) in a predetermined ratio to an orifice diameter the nozzle orifice (38) is set.
Description
Hintergrund der ErfindungBackground of the Invention
Die Erfindung betrifft ein Schneideverfahren zum Laserstrahl-Brennschneiden von metallischen, insbesondere plattenförmigen, Werkstücken mit einer Laserschneidmaschine.The invention relates to a cutting method for laser beam flame cutting of metallic, in particular plate-shaped, workpieces with a laser cutting machine.
Bei Laserstrahl-Schneideprozessen, insbesondere beim Sauerstoff-Brennschneiden, kommt es durch sogenannte Randfelder des Laserstrahls zu einer asymmetrischen Erwärmung des zu schneidenden Werkstücks im Umfeld eines vorgesehenen Schnittbereichs wodurch die Schnittqualität beeinträchtigt wird.In laser beam cutting processes, in particular in oxygen flame cutting, so-called fringing fields of the laser beam lead to asymmetrical heating of the workpiece to be cut in the vicinity of an intended cutting area, which impairs the cutting quality.
Besondere Bedeutung haben Randfelder bei Laserstrahl-Schneideprozessen 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 erheblichen Dicke, beispielsweise von zehn Millimetern oder mehr, sowie bei hohen Laserleistungen, beispielsweise von zehn Kilowatt oder mehr, geeignet, führen jedoch zu einer erheblich Laserstrahlaufweitung und mithin zu großen Randfeldern.Fringe fields are of particular importance in laser beam cutting processes with a focal position of the laser beam above the workpiece to be cut, with the focal position being within the cutting nozzle. Such process parameters are particularly well suited for cutting workpieces with a considerable thickness, for example ten millimeters or more, and with high laser powers, for example ten kilowatts or more, but lead to a considerable widening of the laser beam and consequently to large edge fields.
Daher wird bei diesen Verfahren die Düsenöffnung als optische Blende zur radialen Begrenzung des Laserstrahls eingesetzt, wodurch die Laserstrahlung der Randfelder des Laserstrahls durch die Schneiddüse zurückgehalten wird. Hierdurch kann es jedoch aufgrund der durch die Schneiddüse aufgenommenen Laserstrahlung zu einem Materialabtrag an der Schneiddüse kommen, wodurch die Düsenöffnung geweitet wird. In der Folge kann die Laserstrahlung der Randfelder die Düsenöffnung ungehindert durchstrahlen und führt zu der vorhergehend beschriebenen Beeinträchtigung der Schnittqualität.Therefore, in these processes, the nozzle opening is used as an optical aperture for the radial delimitation of the laser beam, whereby the laser radiation of the edge fields of the laser beam is held back by the cutting nozzle. However, as a result of the laser radiation absorbed by the cutting nozzle, material can be removed from the cutting nozzle, as a result of which the nozzle opening is widened. As a result, the laser radiation of the edge fields can radiate through the nozzle opening unhindered and leads to the impairment of the cut quality described above.
Weiter nachteilig tritt bei einer Druck-geregelten Schneidgaszufuhr aufgrund der durch den Laserstrahl geweiteten Düsenöffnung ein Anstieg des Schneidgases-Volumens an dem Schnittspalt auf. Hierdurch kann eine zunehmende Beeinträchtigung der Schnittqualität durch vermehrtes Aufschmelzen/Oxidation der Schmelze aus dem Schnittspalt eintreten.Another disadvantage is that with a pressure-controlled supply of cutting gas, the volume of the cutting gas at the cutting gap increases due to the nozzle opening being widened by the laser beam. This can lead to an increasing impairment of the cutting quality due to increased melting/oxidation of the melt from the cutting gap.
Aus dem Stand der Technik, beispielsweise aus
Aus der
Aus der
Aus der
Aus der
Aufgabe der Erfindungobject of the invention
Es ist eine Aufgabe der Erfindung, ein Laserschneideverfahren vorzuschlagen, bei dem eine hohe Schnittqualität auch bei geometrischer Veränderung der Düsenöffnung sichergestellt werden kann.It is an object of the invention to propose a laser cutting method in which a high cutting quality can be ensured even with a geometric change in the nozzle opening.
Beschreibung der ErfindungDescription of the invention
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Schneidverfahren der eingangs genannten Art mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1.This object is achieved according to the invention by a cutting method of the type mentioned at the beginning with the characterizing features of claim 1.
Mit anderen Worten wird die Aufgabe erfindungsgemäß gelöst durch ein Schneideverfahren zum Laserstrahl-Brennschneiden von metallischen, insbesondere plattenförmigen, Werkstücken mit einer Laserschneidmaschine, welches dadurch gekennzeichnet ist, dass ein Fokus eines Laserstrahls oberhalb einer Düsenmündung einer Schneiddüse angeordnet ist und dass eine Fokuslage des Fokus der Laserschneidmaschine entlang einer Laserstrahlachse des Laserstrahls in einem vorbestimmten Verhältnis zu einem Mündungsdurchmesser der Düsenmündung eingestellt wird.In other words, the object is achieved according to the invention by a cutting method for laser beam flame cutting of metal, in particular plate-shaped, workpieces with a laser cutting machine, which is characterized in that a focus of a laser beam is arranged above a nozzle opening of a cutting nozzle and that a focus position of the focus of the Laser cutting machine along a laser beam axis of the laser beam in one predetermined ratio to an orifice diameter of the nozzle orifice is set.
Die Fokuslage ist als der Abstand entlang der Laserstrahlachse zwischen der Düsenmündung und der Position des Fokus bzw. Fokuspunkts auf der Laserstrahlachse zu verstehen. Der Mündungsdurchmesser ist als der Durchmesser des geometrisch engsten Querschnitts der Düsenmündung in einer senkrecht zur Laserstrahlachse aufgespannten Ebene zu verstehen. Die Größe der Düsenmündung wird durch den Mündungsdurchmesser beschrieben. Die Position des Mündungsdurchmessers kann sich in Folge einer, insbesondere kegelförmigen, Aufweitung der Düsenmündung entlang der Laserstrahlachse verändern.The focus position is to be understood as the distance along the laser beam axis between the nozzle orifice and the position of the focus or focus point on the laser beam axis. The orifice diameter is to be understood as the diameter of the geometrically narrowest cross-section of the nozzle orifice in a plane perpendicular to the laser beam axis. The size of the nozzle orifice is described by the orifice diameter. The position of the orifice diameter can change as a result of an, in particular conical, widening of the nozzle orifice along the laser beam axis.
Hier und im Folgenden wird das Verhältnis der Fokuslage in Bezug auf den Mündungsdurchmesser beschrieben. Dies ist von besonderem Vorteil in Bezug auf deren direkte Wechselwirkung. Der Vollständigkeit halber sei angeführt, dass ebenfalls andere Angaben der Lage des Fokus möglich sind. Beispielsweise kann der Abstand zwischen Fokus und Mündungsdurchmesser mittels des Abstands zwischen Mündungsdurchmesser und einer Fokussierlinse sowie dem Brennpunktabstand von der Fokussierlinse angegeben werden, oder mittels des Abstands zum Werkstück.Here and in the following, the relationship between the focus position and the orifice diameter is described. This is of particular advantage with regard to their direct interaction. For the sake of completeness, it should be mentioned that other indications of the position of the focus are also possible. For example, the distance between the focus and the orifice diameter can be specified in terms of the distance between the orifice diameter and a focusing lens and the focal point distance from the focusing lens, or in terms of the distance to the workpiece.
Insbesondere ist der Abstand des Fokus von dem Mündungsdurchmesser auf der Laserstrahlachse so eingestellt, dass der Laserstrahl unter Berücksichtigung einer Laserstrahlaufweitung durch die Düsenmündung teilweise begrenzt wird. Mit anderen Worten ist das Verhältnis zwischen Mündungsdurchmesser und Fokuslage so gewählt, dass die Düsenmündung als optische Blende wirkt.In particular, the distance of the focus from the orifice diameter on the laser beam axis is set such that the laser beam is partially limited by the nozzle orifice, taking into account a laser beam widening. In other words, the ratio between the orifice diameter and the focus position is selected in such a way that the nozzle orifice acts as an optical diaphragm.
Die Düsenmündung kann den Laserstrahl radial zur Laserstrahlachse des Laserstrahls begrenzen. Der Grad der durch die Düsenmündung zurückgehaltenen Laserstrahlung ist vorzugsweise einstellbar. Ein geringerer Grad an begrenzter Laserstrahlung ist vorteilhaft hinsichtlich einer Beständigkeit des Mündungsdurchmessers, da dieser durch den Laserstrahl geringfügiger, insbesondere nicht, aufgeweitet wird. Ein hoher Grad an begrenzter Laserstrahlung ist vorteilhaft hinsichtlich einer schärferen Abgrenzung des Laserstrahls, wodurch die Schnittqualität weiter gesteigert wird.The nozzle orifice can delimit the laser beam radially to the laser beam axis of the laser beam. The degree of laser radiation retained by the nozzle orifice is preferably adjustable. A lower degree of limited laser radiation is advantageous with regard to a stability of the orifice diameter, since this is expanded less, in particular not, by the laser beam. A high level of laser confinement is beneficial in terms of sharper delineation of the laser beam, further enhancing cut quality.
Das Verhältnis zwischen Mündungsdurchmesser und Fokuslage ist vorbestimmt. Die Erfinder haben erkannt, dass durch die Wahl eines geeigneten Verhältnisses unabhängig vom konkret vorliegenden Mündungsdurchmesser eine gute Schnittqualität erhalten werden kann. Insbesondere kann eine beim Laserschneiden aufgeschmolzene Schneiddüse weiterverwendet werden, wenn die Fokuslage entsprechend dem aktuell vorliegenden Mündungsdurchmesser eingestellt wird. Dadurch kann sogar eine weitere Verbesserung der Schnittqualität erreicht werden, da der Laserstrahl die Düsenmündung konzentrisch zu seiner Laserstrahlachse vergrößert.The relationship between the orifice diameter and the focal position is predetermined. The inventors have recognized that a good cut quality can be obtained by selecting a suitable ratio, regardless of the actual orifice diameter. In particular, a cutting nozzle that has melted during laser cutting can continue to be used if the focus position is set in accordance with the currently available orifice diameter. A further improvement in the cutting quality can even be achieved as a result, since the laser beam enlarges the nozzle opening concentrically to its laser beam axis.
Vorzugsweise beträgt der Mündungsdurchmesser zumindest 0,8 Millimeter, besonders bevorzugt zumindest 1 Millimeter. Weiter vorzugsweise beträgt der Mündungsdurchmesser höchstens 3 Millimeter, besonders bevorzugt höchstens 2 Millimeter. Randfelder können hierdurch besonders gut an einem Durchstrahlen auf das Werkstück gehindert werden.The mouth diameter is preferably at least 0.8 millimeters, particularly preferably at least 1 millimeter. More preferably, the mouth diameter is at most 3 millimeters, particularly preferably at most 2 millimeters. Fringe fields can hereby be prevented particularly well from being irradiated onto the workpiece.
Die Fokuslage beträgt vorzugsweise zumindest sechs Millimeter, besonders bevorzugt zumindest sieben Millimeter. Weiter vorzugsweise beträgt die Fokuslage höchstens 30 Millimeter, besonders bevorzugt höchstens 25 Millimeter. Hierdurch kann eine übermäßige Strahlaufweitung des Laserstrahls verhindert werden. Insbesondere mit den vorgenannten Mündungsdurchmessern kann dies zu einer geringeren Strahlungsaufnahme durch die Schneiddüse führen.The focus position is preferably at least six millimeters, particularly preferably at least seven millimeters. More preferably, the focus position is at most 30 millimeters, particularly preferably at most 25 millimeters. This can prevent excessive beam expansion of the laser beam. In particular with the aforesaid orifice diameters, this can lead to less radiation being absorbed by the cutting nozzle.
Vorzugsweise beträgt das Verhältnis von Fokuslage zu Mündungsdurchmesser mindestens 3, besonders bevorzugt mindestens 5. Weiter vorzugsweise beträgt das Verhältnis von Fokuslage zu Mündungsdurchmesser höchstens 16, besonders bevorzugt höchstens 12. Die angegebenen Verhältnisse stellen eine besonders günstige Kombination der Fokuslage zu dem Mündungsdurchmesser dar. Ein erhöhter Materialabtrag an der Schneiddüse sowie das Durchstrahlen von Randfeldern auf das Werkstück kann besonders zuverlässig verhindert werden.The ratio of the focus position to the mouth diameter is preferably at least 3, more preferably at least 5. More preferably, the ratio of the focus position to the mouth diameter is at most 16, more preferably at most 12. The ratios given represent a particularly favorable combination of the focus position and the mouth diameter Material removal at the cutting nozzle as well as the penetration of peripheral fields onto the workpiece can be prevented in a particularly reliable manner.
Vorzugsweise ist das Verhältnis von Fokuslage und Mündungsdurchmesser in Form einer Gleichung, eines Kennfelds und/oder einer Datentabelle vorbestimmt. Hierdurch kann die Fokuslage besonders schnell und zuverlässig auf den Mündungsdurchmesser eingestellt werden.The relationship between the focus position and the orifice diameter is preferably predetermined in the form of an equation, a characteristic diagram and/or a data table. As a result, the focus position can be set particularly quickly and reliably to the muzzle diameter.
Im Fall einer mathematischen Gleichung kann das Verhältnis zwischen Mündungsdurchmesser und Fokuslage mit der Gleichung: Fokuslage (FL) ist gleich einem Steigungsfaktor (m) multipliziert mit dem Mündungsdurchmesser (DM) und subtrahiert um eine Konstante (K) angegeben werden. In Formelschreibweise: FL = m*DM-K. Der Mündungsdurchmesser und/oder die Fokuslage werden vorzugsweise in Millimetern mit einer Genauigkeit von Zehntelmillimetern, insbesondere von Hundertstelmillimetern, angegeben.In the case of a mathematical equation, the relationship between muzzle diameter and focal position can be given by the equation: focal position (F L ) is equal to a slope factor (m) multiplied by the muzzle diameter (D M ) and subtracted by a constant (K). In formula notation: F L = m*D M -K. The opening diameter and/or the focus position are preferably specified in millimeters with an accuracy of tenths of a millimeter, in particular hundredths of a millimeter.
Der Steigungsfaktor (m) kann mindestens den Wert 9 und höchstens den Wert 14 aufweisen. Besonders bevorzugt weist der Steigungsfaktor (m) den Wert 11 auf. Die Konstante (K) kann mindestens 1 Millimeter und höchstens 10 Millimeter betragen. Besonders bevorzugt beträgt die Konstante (K) 3 Millimeter. Die angegebenen Werte sind besonders günstig in Bezug auf eine gute Schnittqualität sowie eine gute Beständigkeit des Mündungsdurchmessers.The slope factor (m) can have a minimum value of 9 and a maximum value of 14. The gradient factor (m) particularly preferably has the value 11. The constant (K) can be at least 1 millimeter and at most 10 millimeters. The constant (K) is particularly preferably 3 millimeters. The values given are particularly favorable with regard to good cutting quality and good stability of the muzzle diameter.
Das vorbestimmte Verhältnis kann eine Fokuslagenbandbreite umfassen, innerhalb welcher die Fokuslage gewählt wird. Insbesondere kann die Fokuslage um die halbe Fokuslagenbandbreite zu höheren Werten und/oder zu niedrigeren Werten von einem Mittelwert abweichen. Hierdurch kann eine besonders einfache Anpassung des Verfahrens an eine vorgegebene Schnittqualität erfolgen. Die Fokuslagenbandbreite kann höchstens zwei Millimeter, vorzugsweise höchstens einen Millimeter, besonders bevorzugt höchstens einen halben Millimeter, betragen.The predetermined ratio can include a focal position range within which the focal position is selected. In particular, the focal position can deviate from a mean value by half the focal position bandwidth to higher values and/or to lower values. As a result, the method can be adapted particularly easily to a predetermined cutting quality. The focal position bandwidth can be at most two millimeters, preferably at most one millimeter, particularly preferably at most half a millimeter.
Erfindungsgemäß kann der Fokus durch Ändern der Fokuslage derart auf die Düsenmündung eingestellt werden, dass ein äußerer Teilbereich des Laserstrahls durch die Düsenmündung begrenzt bzw. blockiert wird. Im Fall einer geweiteten Düsenmündung kann der Laserstrahl mithin durch Einstellen der Fokuslage an die geweitete Düsenmündung angepasst werden, sodass Randstrahlen durch die Düsenmündung begrenzt, bzw. blockiert werden.According to the invention, the focus can be adjusted to the nozzle opening by changing the focus position in such a way that an outer partial area of the laser beam is limited or blocked by the nozzle opening. In the case of a widened nozzle orifice, the laser beam can therefore be adapted to the widened nozzle orifice by adjusting the focus position, so that marginal rays are limited or blocked by the nozzle orifice.
Das Schneideverfahren ist zum Laserstrahl-Brennschneiden von metallischen Werkstücken geeignet. Bevorzugt sind flache bzw. plattenartige Werkstücke durch das beschriebene Schneideverfahren bearbeitbar.The cutting process is suitable for laser beam flame cutting of metal workpieces. Flat or plate-like workpieces can preferably be processed using the cutting method described.
Die Laserstrahlachse ist erfindungsgemäß als Mittenachse des Laserstrahls zu verstehen. Die axiale Ausbreitungsrichtung des Laserstrahls erfolgt im Wesentlichen entlang der Laserstrahlachse in Richtung auf das zu bearbeitende Werkstück.According to the invention, the laser beam axis is to be understood as the central axis of the laser beam. The axial propagation direction of the laser beam is essentially along the laser beam axis in the direction of the workpiece to be machined.
In einer bevorzugten Ausführungsform des Schneideverfahrens ist vorgesehen, dass für unterschiedliche Werte des Mündungsdurchmessers ein jeweiliges Verhältnis zwischen der Fokuslage und dem Mündungsdurchmesser in einer Maschinensteuerung der Laserschneidmaschine hinterlegt ist. Im Fall einer vorhergehend beschriebenen Gleichung, eines Kennfeldes und/oder einer Tabelle kann vorgesehen sein, dass diese auf einem Datenspeicher der Maschinensteuerung hinterlegt sind. Dies ermöglicht den einfachen und schnellen Zugriff auf ein entsprechend vorbestimmtes Verhältnis durch die Maschine und/oder Fachkräfte.In a preferred embodiment of the cutting method, it is provided that a respective ratio between the focus position and the diameter of the mouth is stored in a machine control of the laser cutting machine for different values of the mouth diameter. In the case of a previously described equation, a characteristic diagram and/or a table, it can be provided that these are stored in a data memory of the machine control. This allows easy and quick access to a corresponding predetermined ratio by the machine and/or craftsmen.
Bevorzugt ist zudem eine Ausführungsform des Schneideverfahrens, bei der der Mündungsdurchmesser gemessen und die Fokuslage in Abhängigkeit vom gemessenen Mündungsdurchmesser eingestellt wird. Durch Messen des Mündungsdurchmessers kann eine besonders genaue Einstellung der Fokuslage anhand des vorbestimmten Verhältnisses zwischen Mündungsdurchmesser und Fokuslage erfolgen, insbesondere wenn der Mündungsdurchmesser von einem Nennwert abweicht.Also preferred is an embodiment of the cutting method in which the mouth diameter is measured and the focus position is set as a function of the measured mouth diameter. By measuring the orifice diameter, the focal position can be set particularly precisely using the predetermined ratio between the orifice diameter and the focal position, particularly if the orifice diameter deviates from a nominal value.
Eine bevorzugte Weiterbildung des Schneideverfahrens sieht vor, dass der Mündungsdurchmesser händisch durch Anlegen eines Messmittels gemessen wird. Dies kann beispielsweise durch Anlegen eines Messchiebers oder eines Messdorns und/oder durch computergestützte Vermessung durch eine Fachkraft erfolgen. Hierdurch kann eine Bestimmung des Mündungsdurchmessers auch erfolgen, wenn die Laserschneidmaschine außer Betrieb ist.A preferred development of the cutting method provides that the opening diameter is measured manually by applying a measuring device. This can be done, for example, by applying a caliper gauge or a mandrel gauge and/or by computer-assisted measurement by a specialist. In this way, the mouth diameter can also be determined when the laser cutting machine is not in operation.
Gemäß einer Weiterbildung des Schneideverfahren kann vorgesehen sein, dass - alternativ oder zusätzlich zum händischen Anlegen eines Messmittels - zum Messen des Mündungsdurchmessers eine Abbildung der Düsenmündung ausgewertet wird. Eine Abbildung des Mündungsdurchmessers kann beispielsweise durch Kontrastzonen im sichtbaren und/oder unsichtbaren Lichtspektrum entstehen, wobei die Düsenmündung eine von der Schneiddüse abweichende Kontrastzone aufweist, die am Mündungsdurchmesser voneinander abgegrenzt sind. Vorzugsweise wird zur Auswertung des Mündungsdurchmessers ein Kamerabild der Düsenmündung verwendet. Derart kann der Mündungsdurchmesser rationell vermessen werden. Die Kamera kann zudem zur Steuerung des Schneideverfahrens genutzt werden. Die Messung mit einem Kamerabild kann zudem ein visuelles Überprüfen des gemessenen Mündungsdurchmessers begünstigen.According to a development of the cutting method, it can be provided that--as an alternative or in addition to manually applying a measuring device--an image of the nozzle opening is evaluated to measure the diameter of the opening. An image of the orifice diameter can be created, for example, by contrast zones in the visible and/or invisible light spectrum, with the nozzle orifice having a contrast zone that differs from the cutting nozzle and is delimited from one another at the orifice diameter. A camera image of the nozzle orifice is preferably used to evaluate the orifice diameter. In this way, the mouth diameter can be measured efficiently. The camera can also be used to control the cutting process. The measurement with a camera image can also facilitate a visual check of the measured finish diameter.
Weiter vorzugsweise zeigt die Abbildung eine Innenseite der Düsenmündung. Mit anderen Worten entsteht die Abbildung durch in Laserstrahlausbreitungsrichtung auf die Düsenmündung gerichtetes Licht, das von der Innenseite der Schneiddüse reflektiert wird. Die Abbildung kann hierdurch besonders genau erfolgen.More preferably, the image shows an inside of the nozzle orifice. In other words, the image is created by light directed onto the nozzle orifice in the laser beam propagation direction and reflected from the inside of the cutting nozzle. As a result, the imaging can be carried out particularly precisely.
Die Auswertung der Abbildung, insbesondere des Kamerabilds, kann unter Vermessung der Kontrastzonen durch die Fachkraft erfolgen. Vorzugsweise erfolgt die Auswertung computergestützt durch eine Bilderkennungssoftware. Die Bilderkennungssoftware kann ein neuronales Netz aufweisen. Weiter vorzugsweise erfolgt die Auswertung der Abbildung, insbesondere automatisch, in der Laserschneidmaschine. Hierdurch kann das Verfahren schneller durchgeführt werden.The evaluation of the image, in particular the camera image, can be carried out by the specialist by measuring the contrast zones. The evaluation preferably takes place with the aid of a computer using image recognition software. The image recognition software may include a neural network. More preferably, the image is evaluated, in particular automatically, in the laser cutting machine. As a result, the method can be carried out more quickly.
Vorzugsweise erfolgt die Messung des Mündungsdurchmessers im Betrieb der Laserschneidmaschine.The opening diameter is preferably measured during operation of the laser cutting machine.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform des Schneideverfahrens ist vorgesehen, dass der Düsendurchmesser zyklisch gemessen wird. Mit anderen Worten kann vorgesehen sein, dass der Düsendurchmesser in regelmäßigen zeitlichen Abständen, beispielsweise jede Sekunde, jede Minute und/oder jede Stunde, und/oder zu regelmäßigen Zeitpunkten, beispielsweise bei In- und/oder Außerbetriebnahme der Laserschneidmaschine, nach einem Wechsel der Schneiddüse und/oder vor einem Schneideprozess, gemessen wird. Hierdurch kann das Verfahren besonders gut in bestehende Fertigungsprozesse integriert werden.In a preferred embodiment of the cutting method, it is provided that the nozzle diameter is measured cyclically. In other words, it can be provided that the nozzle diameter is changed at regular time intervals, for example every second, every minute and/or every hour, and/or at regular times, for example when the laser cutting machine is switched on and/or shut down, after the cutting nozzle has been changed and/or before a cutting process. As a result, the method can be integrated particularly well into existing manufacturing processes.
Bevorzugt ist eine Ausführungsform des Schneidverfahrens, bei der der Düsendurchmesser - alternativ oder zusätzlich - kontinuierlich gemessen wird. Unter kontinuierlichem Messen ist ein dauerhaftes bzw. anhaltendes und sich permanent widerholendes Messen des Mündungsdurchmessers zu verstehen, sodass lediglich geringe oder keine im Prozessablauf wahrnehmbare Verzögerungen eintreten. Hierdurch kann eine besonders schnelle Reaktion auf eine sich verändernde Düsengeometrie erfolgen.An embodiment of the cutting process in which the nozzle diameter—alternatively or additionally—is continuously measured is preferred. Continuous measurement is to be understood as meaning a permanent or sustained and permanently repeated measurement of the mouth diameter, so that only slight or no perceptible delays occur in the process flow. As a result, a particularly rapid reaction to a changing nozzle geometry can take place.
In einer bevorzugten Weiterbildung des Schneidverfahrens wird die Fokuslage zyklisch eingestellt. Mit anderen Worten kann vorgesehen sein, dass die Fokuslage in regelmäßigen zeitlichen Abständen, beispielsweise jede Sekunde, jede Minute und/oder jede Stunde, und/oder zu regelmäßigen Zeitpunkten, beispielsweise bei In- und/oder Außerbetriebnahme der Laserschneidmaschine, nach einem Wechsel der Schneiddüse und/oder vor einem Schneideprozess, eingestellt wird. Besonders bevorzugt wird die Fokuslage unmittelbar im Anschluss an das Messen des Mündungsdurchmessers mit lediglich geringer oder keiner im Prozessablauf wahrnehmbaren Zeitverzögerung eingestellt. Die Fokuslage kann in diesem Fall beispielsweise innerhalb einer Sekunde eingestellt werden. Hierdurch kann eine besonders hohe Schnittqualität sichergestellt werden.In a preferred development of the cutting method, the focus position is set cyclically. In other words, it can be provided that the focus position is changed at regular time intervals, for example every second, every minute and/or every hour, and/or at regular times, for example when the laser cutting machine is switched on and/or shut down, after the cutting nozzle has been changed and/or before a cutting process. The focus position is particularly preferably set immediately after the measurement of the mouth diameter with only a small or no perceptible time delay in the course of the process. In this case, the focus position can be adjusted within one second, for example. A particularly high cutting quality can be ensured in this way.
Bevorzugt ist eine Ausführungsform des Schneideverfahrens, bei der die Fokuslage automatisch durch die Maschinensteuerung eingestellt wird. Mit anderen Worten ist nach Angabe bzw. Ermittlung des Mündungsdurchmessers kein menschliches Zutun erforderlich, um die Fokuslage einzustellen. Der Mündungsdurchmesser kann beispielsweise über eine Schnittstelle, insbesondere eine Mensch-Maschine-Schnittstelle, an die Laserschneidmaschine übermittelt werden. Hierdurch kann der Aufwand zum Einstellen der Fokuslage reduziert werden.An embodiment of the cutting method is preferred in which the focus position is set automatically by the machine control. In other words, no human intervention is required to set the focus position after the specification or determination of the orifice diameter. The mouth diameter can, for example, be transmitted to the laser cutting machine via an interface, in particular a man-machine interface. As a result, the effort involved in adjusting the focus position can be reduced.
Weiter bevorzugt stellt die Laserschneidmaschine, bzw. die Maschinensteuerung die Fokuslage in Abhängigkeit vom gemessenen Mündungsdurchmesser automatisch ein. Hierzu kann der gemessene Mündungsdurchmesser an die Maschinensteuerung durch externe Messvorrichtungen und/oder händisch von einer Fachkraft übermittelt werden. Vorzugsweise wirkt die Maschinensteuerung beim Messen des Mündungsdurchmessers mit. Eine gesonderte Übermittlung des Mündungsdurchmessers ist dann nicht erforderlich.More preferably, the laser cutting machine or the machine control automatically adjusts the focus position as a function of the measured mouth diameter. For this purpose, the mouth diameter measured can be transmitted to the machine control by external measuring devices and/or manually by a specialist. The machine control preferably participates in the measurement of the mouth diameter. A separate transmission of the mouth diameter is then not necessary.
Weiter bevorzugt ist eine Ausführungsform des Schneideverfahrens, bei der die Fokuslage unmittelbar vor und/oder während einem Schneidevorgang des Laserstrahl-Brennschneidens, insbesondere durch die Maschinensteuerung, eingestellt wird. Das Einstellen kann bei aktivem Laserstrahl und/oder inaktivem Laserstrahl erfolgen. Vorzugsweise wird die Fokuslage zunächst bei inaktivem Laserstrahl eingestellt und anschließend bei aktivem Laserstrahl überprüft. Bei kürzeren Schneidprozessen kann die Fokuslage vorzugsweise zu Beginn des Schneidprozesses eingestellt werden. Mit zunehmender Dauer der Schneidprozesse ist die Fokuslage vorzugsweise zumindest einmal während des Schneidprozesses nachzustellen. Hierdurch kann die Schnittqualität besonders gleichmäßig und hoch gehalten werden.Also preferred is an embodiment of the cutting method in which the focus position is set immediately before and/or during a cutting process of the laser beam flame cutting, in particular by the machine control. The adjustment can take place with an active laser beam and/or an inactive laser beam. Preferably, the focus position is initially set with the laser beam inactive and then checked with the laser beam active. In the case of shorter cutting processes, the focus position can preferably be set at the beginning of the cutting process. With increasing duration of the cutting process, the focus position should preferably be readjusted at least once during the cutting process. As a result, the cutting quality can be kept particularly even and high.
In einer bevorzugten Ausführungsform des Schneideverfahrens ist vorgesehen, dass die Düsenmündung durch den Laserstrahl der Laserschneidmaschine, insbesondere unmittelbar vor dem Messen des Mündungsdurchmessers, geweitet wird. Mit anderen Worten wird der Laserstrahl durch kontrolliertes, bzw. definiertes Auslenken der Fokuslage derart auf die Düsenmündung gerichtet, dass die Düsenmündung durch Materialabtrag vergrößert wird. Die Fokuslage wird dabei vorzugsweise vergrößert. Eine in Folge der Laserstrahleinwirkung ungleichmäßige Ausbildung der Düsenmündung kann hierdurch korrigiert, bzw. die Düsenmündung schärfer abgegrenzt werden, wodurch der Mündungsdurchmesser genauer messbar wird.In a preferred embodiment of the cutting method, it is provided that the nozzle mouth is widened by the laser beam of the laser cutting machine, in particular immediately before the mouth diameter is measured. In other words, the laser beam is directed onto the nozzle orifice by controlled or defined deflection of the focus position in such a way that the nozzle orifice is enlarged by material removal. The focus position is preferably increased in this case. An uneven formation of the nozzle orifice as a result of the laser beam effect can be corrected in this way, or the nozzle orifice can be delimited more sharply, as a result of which the orifice diameter can be measured more precisely.
Bevorzugt ist eine Weiterbildung des Schneideverfahrens, bei der der Mündungsdurchmesser höchstens um einen Millimeter, insbesondere höchstens um einen halben Millimeter, geweitet wird. Hierdurch kann ein übermäßiger Verschleiß der Schneiddüse durch das Einstellen der Fokuslage verhindert werden. A development of the cutting method is preferred in which the opening diameter is widened by a maximum of one millimeter, in particular by a maximum of half a millimeter. This can prevent excessive wear of the cutting nozzle by adjusting the focus position.
Weiter bevorzugt ist eine Ausführungsform des Schneideverfahrens, bei dem ein Schneidgasdruck in Abhängigkeit vom Mündungsdurchmesser eingestellt wird. Hierdurch kann der in Folge der vergrößerten Düsenmündung erhöhte Volumenstrom kompensiert werden. Vorzugsweise wird der Schneidgasdruck in einem vorbestimmten Gasdruckverhältnis zum, insbesondere gemessenen, Mündungsdurchmesser und/oder der Fokuslage eingestellt. Dies ermöglicht die besonders effektive Einstellung der Fokuslage und des Schneidgasdrucks in Abhängigkeit vom Mündungsdurchmesser.Also preferred is an embodiment of the cutting method in which a cutting gas pressure is adjusted as a function of the orifice diameter. In this way, the volume flow, which is increased as a result of the enlarged nozzle opening, can be compensated for. The cutting gas pressure is preferably set in a predetermined gas pressure ratio to the, in particular measured, orifice diameter and/or the focus position. This enables the focus position and the cutting gas pressure to be set particularly effectively as a function of the muzzle diameter.
In bevorzugter Weiterbildung des Schneideverfahrens wird der Schneidgasdruck mit zunehmendem Mündungsdurchmesser verringert. Hierdurch kann ein Volumenstrom bzw. Massestrom des Schneidgases auf einem Sollwert gehalten werden.In a preferred development of the cutting method, the cutting gas pressure is reduced as the diameter of the mouth increases. As a result, a volume flow or mass flow of the cutting gas can be kept at a desired value.
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.Further features and advantages of the invention result from the description, the claims and the drawing. According to the invention, the features mentioned above and those detailed below can each be used individually or collectively in any suitable combination. The embodiments shown and described are not to be understood as an exhaustive list, but rather have an exemplary character for the description of the invention.
Figurenlistecharacter list
-
1 zeigt eine Laserschneidmaschine zum Laserstrahl-Brennschneiden mit einem Schneidkopf und einer Maschinensteuerung in einer schematischen, perspektivischen Ansicht.1 shows a laser cutting machine for laser beam flame cutting with a cutting head and a machine control in a schematic, perspective view. -
2 zeigt einen schematisch dargestellten Messaufbau der Laserschneidmaschine aus1 zum Messen eines Mündungsdurchmessers der Düsenmündung.2 shows a schematic representation of the measurement setup of the laser cutting machine1 for measuring an orifice diameter of the nozzle orifice. -
3 zeigt eine schematische Ansicht eines Laserstrahl-Strahlengangs durch den Schneidkopf der Laserschneidmaschine bei einem erfindungsgemäßen Schneideverfahren.3 shows a schematic view of a laser beam beam path through the cutting head of the laser cutting machine in a cutting method according to the invention. -
4 zeigt eine schematische Ansicht des Laserstrahl-Strahlengangs durch den Schneidkopf mit aufgeweiteter Düsenmündung.4 shows a schematic view of the laser beam beam path through the cutting head with the nozzle mouth widened. -
5 zeigt eine schematische Ansicht des Laserstrahl-Strahlengangs durch den Schneidkopf nach einer Einstellung der Fokuslage.5 shows a schematic view of the laser beam beam path through the cutting head after adjustment of the focus position. -
6 zeigt einen schematischen Ablauf des erfindungsgemäßen Verfahrens.6 shows a schematic sequence of the method according to the invention.
Der Laserstrahl 22 - hier durch gestrichelte Linien dargestellt - wird von dem Laserstrahlerzeuger 16 (siehe
Der Umlenkspiegel 24 reflektiert dabei den einfallenden Laserstrahl 22 (mit einer Wellenlänge von beispielsweise 10 µm) und transmittiert für die Düsenvermessung relevante, von der Schneiddüse 34 her kommende, insbesondere von einer Innenfläche 42 der Schneiddüse 34 reflektierte Strahlung 44 in einem Wellenlängenbereich, der im vorliegenden Beispiel zwischen ca. 550 nm und 2000 nm liegt. Alternativ zum teildurchlässigen Umlenkspiegel 24 kann auch ein Scraper-Spiegel oder ein Lochspiegel eingesetzt werden, um reflektierte Strahlung 44 der Messvorrichtung 40 zuzuführen. Allerdings führt die Verwendung eines Scraper-Spiegels typischerweise zum Ausblenden eines Teils der reflektierten Strahlung 44 sowie zur Begrenzung des Laserstrahldurchmessers. Die Verwendung eines Lochspiegels führt in der Regel zu Beugungseffekten der reflektierten Strahlung 44 sowie zu einer starken Beeinflussung der (CO2-)Laserstrahlung.The
In der Messvorrichtung 40 ist hinter dem teildurchlässigen Umlenkspiegel 24 ein weiterer Umlenkspiegel 46 angeordnet, welcher die reflektierte Strahlung 44 auf eine geometrisch hochauflösende Kamera 48 als Abbildungserfassungseinheit umlenkt. Bei der Kamera 48 kann es sich um eine Hochgeschwindigkeitskamera handeln, die durch den weiteren Umlenkspiegel 46 koaxial zu einer Laserstrahlachse 50 bzw. zur Verlängerung 50a der Laserstrahlachse 50 und somit richtungsunabhängig ausgerichtet ist. Prinzipiell ergibt sich die Möglichkeit der Aufnahme eines Bildes durch die Kamera 48 auch im Auflichtverfahren, d.h. im VIS-Wellenlängebereich, ggf. auch im NIR-Wellenlängebereich, sofern eine zusätzliche Beleuchtungsquelle vorgesehen ist, die im NIR-Bereich strahlt, sowie alternativ die Aufnahme des Prozesseigenleuchtens in den Wellenlängenbereichen UV und NIR/IR. A
Für eine verbesserte Aufnahme ist im vorliegenden Beispiel zwischen dem teildurchlässigen Spiegel 24 und der Kamera 48 ein in
Bei dem in
Die Kamera 48 wird im vorliegenden Beispiel im Auflichtverfahren betrieben, d.h. es ist eine zusätzliche Beleuchtungsquelle 58 oberhalb des Werkstücks 14 vorgesehen, welche über einen weiteren teildurchlässigen Spiegel 60 Beleuchtungsstrahlung 62 koaxial zur Laserstrahlachse 50a in den Strahlengang einkoppelt. Als zusätzliche Beleuchtungsquelle 58 können Laserdioden, bspw. mit einer Wellenlänge von 658 nm, oder Diodenlaser, bspw. mit einer Wellenlänge von 808 nm, vorgesehen werden, die wie in
Die reflektierte Strahlung 44 erzeugt innerhalb der Kamera 48 eine
Die Auswertungseinheit 66 misst einen, insbesondere mittleren, Mündungsdurchmesser der Düsenmündung 38 auf Grundlage der
In
Der Mündungsdurchmesser der Düsenmündung 38 wird dabei gemäß der gezeigten Ausführungsform mittels der Kamera 48 sowie der Auswertungseinheit 66 überwacht.According to the embodiment shown, the opening diameter of the
Ferner vergrößert sich in der Folge einer vergrößerten Düsenmündung 38 zudem das Gasvolumen des auf einen konstanten Druck geregelten ausströmenden Schneidgases 28 (siehe
Der geänderte Mündungsdurchmesser der Düsenmündung 38 wird mittels der Kamera 48 (siehe
Ferner kann vorgesehen sein, dass die durch den gemessenen Mündungsdurchmesser ermittelte Fokuslage 68 mit einer an der Laserschneidmaschine 12 (siehe
Der Laserstrahl 22 überlappt die Schneiddüse 32 in dem Überschneidungsbereich 72, wodurch der niederenergetische Randbereich des Laserstrahls 22 durch die Schneiddüse 34 zurückgehalten wird. Die Düsenmündung 38 wirkt als optische Blende, wodurch die Schnittqualität in dem Schnittspalt 76 erhöht werden kann.The
Gemäß der gezeigten Ausführungsform ist zudem vorgesehen, dass der Schneidgasdruck des Schneidgases 28 an den geänderten Mündungsdurchmesser der Düsenmündung 38 angepasst wird, um einen konstanten Volumenstrom für ein zuverlässiges Ausblasen von Schmelze bzw. Schlacke aus dem Schnittspalt 76 sicherzustellen. Dies kann beispielsweise durch Absenken des Schneidgasdrucks erfolgen.According to the embodiment shown, it is also provided that the cutting gas pressure of the cutting
BezugszeichenlisteReference List
- 1010
- Anordnung;Arrangement;
- 1212
- Laserschneidmaschine;laser cutting machine;
- 1414
- Werkstück;Workpiece;
- 1616
- Laserstrahlerzeuger;laser beam generators;
- 1818
- Schneidkopf;cutting head;
- 2020
- Werkstückauflage;workpiece support;
- 2222
- Laserstrahl;Laser beam;
- 2424
- Umlenkspiegel;deflection mirror;
- 2626
- Fokussieroptik;focusing optics;
- 2828
- Schneidgas;cutting gas;
- 3030
- Maschinensteuerung;machine control;
- 3232
- Schneidkontur;cutting contour;
- 3434
- Schneiddüse;cutting nozzle;
- 3636
- Messaufbau;measurement setup;
- 3838
- Düsenmündung;nozzle orifice;
- 4040
- Messvorrichtung;measuring device;
- 4242
- Innenfläche;Inner surface;
- 4444
- reflektierte Strahlung;reflected radiation;
- 4646
- weiterer Umlenkspiegel;further deflection mirror;
- 4848
- Kamera;Camera;
- 5050
- Laserstrahlachse;laser beam axis;
- 50a50a
-
Verlängerung der Laserstrahlachse 50;extension of the
laser beam axis 50; - 5252
- fokussierendes optisches System;focusing optical system;
- 5454
- Filter;Filter;
- 5656
- Positioniersystem;positioning system;
- 5858
- Beleuchtungsquelle;lighting source;
- 6060
- weiterer teildurchlässiger Spiegel;another semi-transparent mirror;
- 6262
- Beleuchtungsstrahlung;illumination radiation;
- 6464
- Abbildung;Illustration;
- 6666
- Auswertungseinheit;evaluation unit;
- 6868
- Fokuslage;focal position;
- 7070
- Fokus;Focus;
- 7272
- Überschneidungsbereich;overlap area;
- 7474
- Schnittstrahl;cutting ray;
- 7676
- Schnittspalt;kerf;
- 7878
- Schneideverfahren;cutting process;
- 8080
- Bereitstellen eines Mündungsdurchmessers;providing a muzzle diameter;
- 8282
- Fokuseinstellung.focus adjustment.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDED IN DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturPatent Literature Cited
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