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 WO 2020 / 162 823 A2 oder WO 2002 / 434 53 A1 , ist es 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.From the prior art, for example WO 2020 / 162 823 A2 or WO 2002/434 53 A1 , it is known to cut the inner contour of a nozzle opening before the actual machining process using a plasma or laser beam to improve the flow of the cutting gas through the nozzle opening and to align the laser beam coaxially with the nozzle opening.

Aus der DE 10 2008 058 422 A1 ist es prinzipiell bekannt, die Fokuslage des Laserstrahls oder den Abstand des Bearbeitungskopfs zum Werkstück mittels Kameraüberwachung eines Laserbearbeitungsvorgangs zu steuern.From the DE 10 2008 058 422 A1 it is known in principle to control the focal position of the laser beam or the distance between the processing head and the workpiece by means of camera monitoring of a laser processing operation.

Aus der DE 10 2018 129 407 A1 ist es bekannt, den Durchmesser oder Mittelpunkt einer Austrittsöffnung einer Schneiddüse mit Hilfe eines optischen Kohärenztomographen zu überwachen, um eine korrekte Düsenauswahl im Rahmen einer maschinellen Düsenauswechslung vorzunehmen und um den Laserstrahl relativ, z.B. dezentral, zur Austrittsöffnung auszurichten.From the DE 10 2018 129 407 A1 it is known to monitor the diameter or center point of an outlet opening of a cutting nozzle using an optical coherence tomograph in order to make a correct nozzle selection as part of a machine nozzle exchange and to align the laser beam relative, eg decentrally, to the outlet opening.

Aus der WO 2012/ 107 331 A1 ist eine Vorrichtung zur Überwachung und Regelung eines Laserschneidprozesses bekannt, wobei ein Laserstrahl mittels Auswertung eines von der Werkstückoberfläche aufgenommenen Bildes eingestellt werden kann.From the WO 2012/107 331 A1 a device for monitoring and controlling a laser cutting process is known, in which case a laser beam can be adjusted by evaluating an image recorded from the workpiece surface.

Aus der WO 2013 / 186 317 A1 ist es bekannt, bei der Laserbearbeitung eines flüssigen, viskosen oder pulverförmigen Materials, dessen Oberflächenlevel mit der Zeitdauer variiert, anhand eines Bildes des scheinbaren inneren Düsendurchmessers die Fokuslage des Laserstrahls so nachzujustieren, dass der Fokus immer genau auf der Oberfläche des zu bearbeitenden Materials liegt.From the WO 2013/186 317 A1 it is known, when laser processing a liquid, viscous or powdery material whose surface level varies over time, to readjust the focus position of the laser beam using an image of the apparent inner nozzle diameter so that the focus is always exactly on the surface of the material to be processed.

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 aus 1 zum Messen eines Mündungsdurchmessers der Düsenmündung. 2 shows a schematic representation of the measurement setup of the laser cutting machine 1 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.

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 vorzugsweise einen CO2-Laser, einen Festköperlaser 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 24 (siehe 2) vom Laserstrahlerzeuger 16 zum Schneidkopf 18 geführt wird. Der Laserstrahl 22 wird mittels einer im Schneidkopf 18 angeordneten Fokussieroptik 26 (siehe 2 bis 5) auf das metallische Werkstück 14 gerichtet. Die Laserschneidmaschine 12 wird darüber hinaus mit Schneidgas 28 - vorzugsweise mit Sauerstoff - versorgt. Das Schneidgas 28 wird dem Schneidkopf 18 - vorzugsweise Druck-geregelt - zugeführt, aus dem es zusammen mit dem Laserstrahl 22 austritt. Die Laserschneidmaschine 12 umfasst ferner eine Maschinensteuerung 30, die programmiert ist, den Schneidkopf 18 entsprechend einer Schneidkontur 32 relativ zum metallischen Werkstück 14 zu verfahren. Die Maschinensteuerung 30 ist zudem dazu programmiert, die Fokussieroptik 26 (siehe 2 bis 5) relativ zu einer Schneiddüse 34 (siehe 2 bis 5) zu verfahren. 1 shows an arrangement 10 with a laser cutting machine 12 and a metal workpiece 14 arranged on the laser cutting machine 12 for laser beam flame cutting. The laser cutting machine 12 preferably has a CO 2 laser, a solid-state laser or a diode laser as the laser beam generator 16, a movable cutting head 18 and a workpiece support 20 on which the metallic workpiece 14 is arranged. A laser beam 22 is generated in the laser beam generator 16 and is directed by means of a fiber optic cable (not shown) or deflection mirrors 24 (see 2 ) is guided from the laser beam generator 16 to the cutting head 18. The laser beam 22 is arranged in the cutting head 18 by means of focusing optics 26 (see 2 until 5 ) directed to the metallic workpiece 14. The laser cutting machine 12 is also supplied with cutting gas 28—preferably with oxygen. The cutting gas 28 is supplied to the cutting head 18--preferably under pressure control--from which it emerges together with the laser beam 22. The laser cutting machine 12 also includes a machine control 30 which is programmed to move the cutting head 18 relative to the metallic workpiece 14 in accordance with a cutting contour 32 . The machine control 30 is also programmed to focus the focusing optics 26 (see 2 until 5 ) relative to a cutting nozzle 34 (see 2 until 5 ) to proceed.

2 zeigt einen schematischen Messaufbau 36 zum optischen Vermessen einer Düsenmündung 38 der Schneiddüse 34. Der Messaufbau 36 weist eine Messvorrichtung 40 auf, die an dem Schneidkopf 18 der Laserschneidmaschine 12 angeordnet ist. Der Schneidkopf 18 weist die Schneiddüse 34, die Fokussieroptik 26 zur Fokussierung eines Laserstrahls 22 der Laserschneidmaschine 12, sowie einen Umlenkspiegel 24 auf. Der Umlenkspiegel 24 kann Teil eines Umlenksystems sein, das insbesondere mehrere Umlenkspiegel 24 aufweist. Im vorliegenden Fall ist der Umlenkspiegel 24 teildurchlässig ausgebildet und bildet daher ein eintrittsseitiges Bauteil der Messvorrichtung 40 zur Düsenvermessung. 2 shows a schematic measuring setup 36 for optically measuring a nozzle orifice 38 of the cutting nozzle 34. The measuring setup 36 has a measuring device 40 which is arranged on the cutting head 18 of the laser cutting machine 12. The cutting head 18 has the cutting nozzle 34, the focusing optics 26 for focusing a laser beam 22 of the laser cutting machine 12, and a deflection mirror 24. The deflection mirror 24 can be part of a deflection system that has, in particular, a plurality of deflection mirrors 24 . In the present case, the deflection mirror 24 is designed to be partially transparent and therefore forms an entry-side component of the measuring device 40 for nozzle measurement.

Der Laserstrahl 22 - hier durch gestrichelte Linien dargestellt - wird von dem Laserstrahlerzeuger 16 (siehe 1) kommend mittels des Umlenkspiegels 24 auf die Fokussieroptik 26 - hier ist beispielhaft eine Sammellinse der Fokussieroptik 26 dargestellt - gerichtet.The laser beam 22 - shown here by dashed lines - is generated by the laser beam generator 16 (see 1 ) coming by means of the deflection mirror 24 onto the focusing optics 26 - a converging lens of the focusing optics 26 is shown here by way of example - directed.

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 deflection mirror 24 reflects the incident laser beam 22 (with a wavelength of 10 µm, for example) and transmits radiation 44 relevant for the nozzle measurement, coming from the cutting nozzle 34, in particular reflected from an inner surface 42 of the cutting nozzle 34, in a wavelength range that is Example between about 550 nm and 2000 nm. As an alternative to the partially transparent deflection mirror 24, a scraper mirror or a perforated mirror can also be used be used to supply reflected radiation 44 to the measuring device 40 . However, the use of a scraper mirror typically results in blocking out part of the reflected radiation 44 as well as limiting the laser beam diameter. The use of a perforated mirror generally leads to diffraction effects of the reflected radiation 44 and to a strong influence on the (CO 2 -) laser radiation.

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 further deflection mirror 46 is arranged behind the partially transparent deflection mirror 24 in the measuring device 40 and deflects the reflected radiation 44 onto a geometrically high-resolution camera 48 as an image acquisition unit. The camera 48 can be a high-speed camera, which is aligned coaxially to a laser beam axis 50 or to the extension 50a of the laser beam axis 50 by the additional deflection mirror 46 and is therefore independent of the direction. In principle, there is also the possibility of recording an image with the camera 48 using the incident light method, i.e. in the VIS wavelength range, possibly also in the NIR wavelength range, provided that an additional lighting source is provided that radiates in the NIR range, and alternatively the recording of the Process intrinsic luminosity in the UV and NIR/IR wavelength ranges.

Für eine verbesserte Aufnahme ist im vorliegenden Beispiel zwischen dem teildurchlässigen Spiegel 24 und der Kamera 48 ein in 2 als Linse dargestelltes abbildendes, fokussierendes optisches System 52 vorgesehen, welches die für die Düsenvermessung reflektierte Strahlung 44 auf die Kamera 48 fokussiert. Durch eine asphärische Ausbildung des abbildenden optischen Systems 52 - hier eine Linse - zur Fokussierung können sphärische Aberrationen bei der Abbildung verhindert oder zumindest verringert werden.In the present example, an in 2 imaging, focusing optical system 52, represented as a lens, is provided, which focuses the radiation 44 reflected for the nozzle measurement onto the camera 48. An aspheric design of the imaging optical system 52—here a lens—for focusing can prevent or at least reduce spherical aberrations during imaging.

Bei dem in 2 gezeigten Beispiel ist ein Filter 54 vor der Kamera 48 von Vorteil, wenn weitere Strahlungs- bzw. Wellenlängenanteile von der Erfassung mit der Kamera 48 ausgeschlossen werden sollen. Der Filter 54 kann z.B. als schmalbandiger Bandpassfilter mit geringer Halbwertsbreite ausgebildet sein, um chromatische Aberrationen zu vermeiden bzw. zu reduzieren. Die Lage der Kamera 48 sowie des im vorliegenden Beispiel vorhandenen abbildenden optischen Elementes 52 und/oder des Filters 54 entlang der Verlängerung 50a der Laserstrahlachse 50 ist über ein dem Fachmann bekanntes, zur Vereinfachung durch einen Doppelpfeil dargestelltes Positioniersystem 56 einstell- sowie bei Bedarf veränderbar.At the in 2 In the example shown, a filter 54 in front of the camera 48 is advantageous if further radiation or wavelength components are to be excluded from the detection with the camera 48 . The filter 54 can be embodied, for example, as a narrow-band bandpass filter with a small half-width in order to avoid or reduce chromatic aberrations. The position of the camera 48 and the imaging optical element 52 present in the present example and/or the filter 54 along the extension 50a of the laser beam axis 50 can be adjusted and, if necessary, changed using a positioning system 56 known to those skilled in the art and, for the sake of simplicity, represented by a double arrow.

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 2 gezeigt koaxial, aber auch off-axis zur Laserstrahlachse 50 angeordnet werden können. Die zusätzliche Beleuchtungsquelle 58 kann beispielsweise außerhalb (insbesondere oberhalb) des Schneidkopfs 18 angeordnet sein. Alternativ kann die Beleuchtungsquelle 58 innerhalb des Schneidkopfs 34 angeordnet sein.In the present example, the camera 48 is operated using the incident light method, ie an additional illumination source 58 is provided above the workpiece 14, which couples illumination radiation 62 into the beam path via a further partially transparent mirror 60 coaxially to the laser beam axis 50a. Laser diodes, e.g. with a wavelength of 658 nm, or diode lasers, e.g. with a wavelength of 808 nm, can be provided as an additional illumination source 58, which as in 2 shown coaxially, but can also be arranged off-axis to the laser beam axis 50. The additional lighting source 58 can be arranged, for example, outside (in particular above) the cutting head 18 . Alternatively, the illumination source 58 can be located within the cutting head 34 .

Die reflektierte Strahlung 44 erzeugt innerhalb der Kamera 48 eine der Innenfläche 42 sowie der Düsenmündung 38 der Schneiddüse 34. Die wird beispielsweise an eine Auswertungseinheit 66 übermittelt, die beispielsweise in die Maschinensteuerung 30 integriert oder mit dieser verbunden sein kann.The reflected radiation 44 produces within the camera 48 a the inner surface 42 and the nozzle orifice 38 of the cutting nozzle 34. The is transmitted, for example, to an evaluation unit 66 which, for example, can be integrated into the machine controller 30 or connected to it.

Die Auswertungseinheit 66 misst einen, insbesondere mittleren, Mündungsdurchmesser der Düsenmündung 38 auf Grundlage der der Düsenmündung 38. Vorzugsweise dient der gemessene Mündungsdurchmesser anschließend zur Ermittlung einer in einem definierten Verhältnis zu dem gemessenen Mündungsdurchmesser stehenden Fokuslage 68 (siehe 3). Diese Fokuslage 68 kann in der Auswertungseinheit 66 oder der Maschinensteuerung 30 bestimmt werden. Besonders bevorzugt stellt der gemessene Mündungsdurchmesser eine Eingangsgröße für eine Gleichung zur Berechnung der Fokuslage 68 dar. Weiter vorzugsweise wird die Fokuslage 68 anschließend durch die Maschinensteuerung 30, insbesondere automatisch, eingestellt.The evaluation unit 66 measures an, in particular average, orifice diameter of the nozzle orifice 38 on the basis of of the nozzle orifice 38. The measured orifice diameter is then preferably used to determine a focal position 68 that is in a defined relationship to the measured orifice diameter (see 3 ). This focal position 68 can be determined in the evaluation unit 66 or in the machine controller 30 . The measured opening diameter is particularly preferably an input variable for an equation for calculating the focal position 68. The focal position 68 is then preferably set by the machine control 30, in particular automatically.

3 zeigt schematisch einen Strahlengang durch die Fokussieroptik 26 und die Schneiddüse 34 des Schneidkopfes 18 aus 2 bis zu dem metallischen Werkstück 14. Ausgehend von dem Umlenkspiegel 24 (siehe 2) wird die Beleuchtungsstrahlung 62 koaxial zu der Laserstrahlachse 50 mittels der Fokussieroptik 26 auf die Innenfläche 42 der Schneiddüse 34 gerichtet. Eine von der Innenfläche 42 reflektierte Strahlung 44 wird in einer Gegenrichtung mittels des weiteren Umlenkspiegels 46 (siehe 2) auf die Kamera 48 (siehe 2) gerichtet. 3 12 schematically shows a beam path through the focusing optics 26 and the cutting nozzle 34 of the cutting head 18 2 up to the metallic workpiece 14. Starting from the deflection mirror 24 (see 2 ) the illumination radiation 62 is directed onto the inner surface 42 of the cutting nozzle 34 coaxially to the laser beam axis 50 by means of the focusing optics 26 . A radiation 44 reflected by the inner surface 42 is directed in an opposite direction by means of the further deflection mirror 46 (see 2 ) on the camera 48 (see 2 ) directed.

In 3 ist zudem der Strahlengang des Laserstrahls 22 dargestellt, der ausgehend von dem Umlenkspiegel 24 mittels der Fokussieroptik 26 auf das metallische Werkstück 14 gerichtet ist. Die Fokussieroptik 26 bündelt den Laserstrahl 22 hierzu in einem Fokuspunkt bzw. Fokus 70 des Laserstrahls 22. Der Laserstrahl 22 weist einen Fokus 70 auf, der in der Fokuslage 68 oberhalb der Düsenmündung 38 angeordnet ist. Der Fokus 70 des Laserstrahls 22 ist wie dargestellt eine Position des engsten Strahlquerschnitts des Laserstrahls 22. Der Strahlquerschnitt des Laserstrahls 22 weitet sich ausgehend von dem Fokus 70 mit zunehmender Strahlausbreitung in radialer Richtung. Im Umfeld der Düsenmündung 38 der Schneiddüse 34 bildet sich daher ein theoretischer Überschneidungsbereich 72 zwischen Laserstrahl 22 und Schneiddüse 34 aus. Im Überschneidungsbereich 72 wirkt die Schneiddüse 34 als optische Blende und begrenzt den Laserstrahl 22 auf einen den Mündungsdurchmesser der Düsenmündung 38 aufweisenden Schnittstrahl 74. Mit anderen Worten streift der Laserstrahl 22 die Schneiddüse 34. Hierdurch kann ein niederenergetischer Randbereich des Laserstrahls 22 durch die Schneiddüse 34 blockiert werden, wodurch eine Erwärmung des metallischen Werkstücks 14 im Randbereich eines Schnittspalts 76 vermieden wird. In der Folge wird die Schnittqualität des Laserstrahls 22 an dem metallischen Werkstück 14 verbessert.In 3 the beam path of the laser beam 22 is also shown, which, starting from the deflection mirror 24, is directed onto the metallic workpiece 14 by means of the focusing optics 26. For this purpose, the focusing optics 26 bundle the laser beam 22 in a focus point or focus 70 of the laser beam 22. The laser beam 22 has a focus 70, which is in the focus position 68 above the nozzle orifice 38 is arranged. As shown, the focus 70 of the laser beam 22 is a position of the narrowest beam cross section of the laser beam 22. Starting from the focus 70, the beam cross section of the laser beam 22 widens in the radial direction as the beam propagates. A theoretical area of overlap 72 between the laser beam 22 and the cutting nozzle 34 is therefore formed in the vicinity of the nozzle opening 38 of the cutting nozzle 34 . In the overlapping area 72, the cutting nozzle 34 acts as an optical diaphragm and limits the laser beam 22 to a cutting beam 74 that has the opening diameter of the nozzle opening 38. In other words, the laser beam 22 touches the cutting nozzle 34. This allows a low-energy edge area of the laser beam 22 to be blocked by the cutting nozzle 34 be, whereby heating of the metallic workpiece 14 in the edge region of a cutting gap 76 is avoided. As a result, the cutting quality of the laser beam 22 on the metallic workpiece 14 is improved.

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 nozzle opening 38 is monitored by means of the camera 48 and the evaluation unit 66 .

4 zeigt schematisch den Strahlengang durch die Fokussieroptik 26 und die Schneiddüse 34 des Schneidkopfes 18 aus 3. Die Schneiddüse 34 ist in Folge der Einwirkung durch den Laserstrahl 22 im Überschneidungsbereich 72 (siehe 3) von Laserstrahl 22 und Schneiddüse 34 vollständig abgetragen. Die Schneiddüse 34 bzw. die Düsenmündung 38 wirkt nun nicht mehr als optische Blende und der Laserstrahl 22 durchstrahlt die Düsenmündung 38 ungehindert. Hierdurch erwärmt sich das metallische Werkstück 14 unter Einwirkung der Laserstrahlung im Randbereich des Laserstrahls 22, wodurch die Schnittqualität im Schnittspalt 76 vermindert wird. 4 12 schematically shows the beam path through the focusing optics 26 and the cutting nozzle 34 of the cutting head 18 3 . As a result of the action of the laser beam 22, the cutting nozzle 34 is in the overlapping area 72 (see 3 ) of laser beam 22 and cutting nozzle 34 completely removed. The cutting nozzle 34 or the nozzle opening 38 no longer acts as an optical aperture and the laser beam 22 radiates through the nozzle opening 38 unhindered. As a result, the metallic workpiece 14 heats up under the action of the laser radiation in the edge region of the laser beam 22, as a result of which the cutting quality in the cutting gap 76 is reduced.

Ferner vergrößert sich in der Folge einer vergrößerten Düsenmündung 38 zudem das Gasvolumen des auf einen konstanten Druck geregelten ausströmenden Schneidgases 28 (siehe 1). Ein gesteigertes Schneidgasvolumen am Schnittspalt 76 führt zu einem gesteigerten Schmelzevolumen, wodurch die Schnittqualität zusätzlich verringert werden kann. Zudem kann sich der Gasverbrauch erhöhen.Furthermore, as a result of an enlarged nozzle orifice 38, the gas volume of the outflowing cutting gas 28, which is regulated to a constant pressure, also increases (see 1 ). An increased volume of cutting gas at the cutting gap 76 leads to an increased melt volume, as a result of which the cutting quality can be additionally reduced. Gas consumption can also increase.

Der geänderte Mündungsdurchmesser der Düsenmündung 38 wird mittels der Kamera 48 (siehe 2) sowie der Auswertungseinheit 66 (siehe 2) gemessen. Anschließend wird eine geänderte Fokuslage 68 bestimmt und eingestellt.The changed opening diameter of the nozzle opening 38 is recorded using the camera 48 (see 2 ) and the evaluation unit 66 (see 2 ) measured. A changed focus position 68 is then determined and set.

Ferner kann vorgesehen sein, dass die durch den gemessenen Mündungsdurchmesser ermittelte Fokuslage 68 mit einer an der Laserschneidmaschine 12 (siehe 1) tatsächlich eingestellten Fokuslage 68 abgeglichen wird. Falls eine die Schnittqualität beeinträchtigende Kombination an Prozessparametern festgestellt und korrigiert wird, kann dies beispielsweise in Form eines Hinweises durch die Laserschneidmaschine 12 ausgegeben werden.Furthermore, it can be provided that the focal position 68 determined by the measured mouth diameter is measured with a laser cutting machine 12 (see 1 ) actually set focus position 68 is adjusted. If a combination of process parameters that impairs the cutting quality is detected and corrected, this can be output by the laser cutting machine 12 in the form of a message, for example.

5 zeigt schematisch den Strahlengang durch die Fokussieroptik 26 und die Schneiddüse 34 des Schneidkopfes 18 aus 4 nach einem Einstellen der Fokuslage 68 des Fokus 70 durch die Maschinensteuerung 30. Gemäß der gezeigten Darstellung ist die Fokuslage 68 durch das Fokussiersystem 26 entlang der Laserstrahlachse 50 und entgegen einer Laserstrahlausbreitungsrichtung vergrößert worden. Mit anderen Worten wurde der Fokus 70 weiter von dem metallischen Werkstück 14 bzw. der Düsenmündung 38 beabstandet. 5 12 schematically shows the beam path through the focusing optics 26 and the cutting nozzle 34 of the cutting head 18 4 after setting the focal position 68 of the focus 70 by the machine control 30. According to the illustration shown, the focal position 68 has been enlarged by the focusing system 26 along the laser beam axis 50 and counter to a laser beam propagation direction. In other words, the focus 70 was further spaced from the metallic workpiece 14 or the nozzle orifice 38 .

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 laser beam 22 overlaps the cutting nozzle 32 in the overlapping area 72, whereby the low-energy edge area of the laser beam 22 is retained by the cutting nozzle 34. The nozzle orifice 38 acts as an optical screen, as a result of which the cutting quality in the cutting gap 76 can be increased.

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 gas 28 is adapted to the changed opening diameter of the nozzle opening 38 in order to ensure a constant volume flow for reliable blowing of melt or slag out of the cutting gap 76 . This can be done, for example, by lowering the cutting gas pressure.

6 zeigt einen schematischen Verfahrensablauf eines erfindungsgemäßen Schneideverfahrens 78 mit Einstellen der Fokuslage 68 (siehe 3 bis 5). In einem ersten Verfahrensschritt „Bereitstellen eines Mündungsdurchmessers“ 80 wird der Mündungsdurchmesser der Düsenmündung 38 bereitgestellt. Vorzugsweise wird der Mündungsdurchmesser gemessen. In einem anschließenden Verfahrensschritt „Fokuseinstellung“ 82 wird die Fokuslage 68 des Fokus 70 (siehe 3 bis 5) im erfindungsgemäß vorbestimmten Verhältnis zu dem Mündungsdurchmesser eingestellt. 6 shows a schematic process sequence of a cutting process 78 according to the invention with adjustment of the focus position 68 (see 3 until 5 ). In a first method step “Providing an orifice diameter” 80, the orifice diameter of the nozzle orifice 38 is provided. The mouth diameter is preferably measured. In a subsequent method step "Focus setting" 82, the focus position 68 of the focus 70 (see 3 until 5 ) set in accordance with the invention predetermined ratio to the mouth diameter.

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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  • WO 200243453 A1 [0006]WO 200243453 A1 [0006]
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  • DE 102018129407 A1 [0008]DE 102018129407 A1 [0008]
  • WO 2012107331 A1 [0009]WO 2012107331 A1 [0009]
  • WO 2013186317 A1 [0010]WO 2013186317 A1 [0010]

Claims (14)

Schneideverfahren (78) zum Laserstrahl-Brennschneiden von metallischen, insbesondere plattenförmigen, Werkstücken (14) mit einer Laserschneidmaschine (12); dadurch gekennzeichnet, dass 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.Cutting method (78) for laser beam flame cutting of metallic, in particular plate-shaped, workpieces (14) with a laser cutting machine (12); characterized in that a focus (70) of a laser beam (22) is arranged above a nozzle orifice (38) of a cutting nozzle (34); and a focus position (68) of the focus (70) of the laser cutting machine (12) along a laser beam axis (50) of the laser beam (22) is set in a predetermined ratio to an orifice diameter of the nozzle orifice (38). Schneideverfahren (78) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass für unterschiedliche Werte des Mündungsdurchmessers ein jeweiliges Verhältnis zwischen der Fokuslage (68) und dem Mündungsdurchmesser in einer Maschinensteuerung (30) der Laserschneidmaschine (12) hinterlegt ist.Cutting method (78) according to claim 1 , characterized in that for different values of the mouth diameter a respective ratio between the focus position (68) and the mouth diameter is stored in a machine control (30) of the laser cutting machine (12). Schneideverfahren (78) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Mündungsdurchmesser gemessen und die Fokuslage (68) in Abhängigkeit vom gemessenen Mündungsdurchmesser eingestellt wird.Cutting method (78) according to claim 1 or 2 , characterized in that the mouth diameter is measured and the focus position (68) is set as a function of the measured mouth diameter. Schneideverfahren (78) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Mündungsdurchmesser händisch durch Anlegen eines Messmittels gemessen wird.Cutting method (78) according to claim 3 , characterized in that the mouth diameter is measured manually by applying a measuring device. Schneideverfahren (78) nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass zum Messen des Mündungsdurchmessers eine Abbildung (64), insbesondere ein Kamerabild, der Düsenmündung (38) ausgewertet wird.Cutting method (78) according to claim 3 or 4 , characterized in that an image (64), in particular a camera image, of the nozzle orifice (38) is evaluated to measure the orifice diameter. Schneideverfahren (78) nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Mündungsdurchmesser zyklisch gemessen wird.Cutting method (78) according to one of claims 3 until 5 , characterized in that the mouth diameter is measured cyclically. Schneidverfahren (78) nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Mündungsdurchmesser kontinuierlich gemessen wird.Cutting method (78) according to one of claims 3 until 5 , characterized in that the mouth diameter is measured continuously. Schneidverfahren (78) nach einem der Ansprüche 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Fokuslage (68) zyklisch eingestellt wird.Cutting method (78) according to one of Claims 6 or 7 , characterized in that the focus position (68) is set cyclically. Schneideverfahren (78) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Fokuslage (68) automatisch durch die Maschinensteuerung (30) eingestellt wird.Cutting method (78) according to one of the preceding claims, characterized in that the focus position (68) is set automatically by the machine control (30). Schneideverfahren (78) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Fokuslage (68) unmittelbar vor und/oder während einem Schneidevorgang des Laserstrahl-Brennschneidens, insbesondere durch die Maschinensteuerung (30), eingestellt wird.Cutting method (78) according to one of the preceding claims, characterized in that the focus position (68) is set immediately before and/or during a cutting process of the laser beam flame cutting, in particular by the machine control (30). Schneideverfahren (78) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Düsenmündung (38) durch den Laserstrahl (22) der Laserschneidmaschine (12), insbesondere unmittelbar vor dem Messen des Mündungsdurchmessers, geweitet wird.Cutting method (78) according to one of the preceding claims, characterized in that the nozzle opening (38) is widened by the laser beam (22) of the laser cutting machine (12), in particular immediately before the opening diameter is measured. Schneideverfahren (78) nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Mündungsdurchmesser höchstens um einen Millimeter geweitet wird.Cutting method (78) according to claim 11 , characterized in that the mouth diameter is widened by a maximum of one millimeter. Schneideverfahren (78) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Schneidgasdruck in Abhängigkeit vom, insbesondere gemessenen, Mündungsdurchmesser eingestellt wird.Cutting method (78) according to one of the preceding claims, characterized in that a cutting gas pressure is set as a function of the, in particular measured, orifice diameter. Schneideverfahren (78) nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Schneidgasdruck mit zunehmendem Mündungsdurchmesser gesenkt wird.Cutting method (78) according to Claim 13 , characterized in that the cutting gas pressure is reduced with increasing orifice diameter.
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