DE102022112212A1

DE102022112212A1 - Technik zum Erzeugen einer Kantenverrundung

Info

Publication number: DE102022112212A1
Application number: DE102022112212.3A
Authority: DE
Inventors: Patrick Mach; Daniel Mock
Original assignee: Trumpf Werkzeugmaschinen SE and Co KG
Current assignee: Trumpf Werkzeugmaschinen SE and Co KG
Priority date: 2022-05-16
Filing date: 2022-05-16
Publication date: 2023-11-16
Also published as: WO2023222409A1

Abstract

Bereitgestellt wird ein Verfahren zum Bearbeiten eines metallischen Werkstücks (W) mittels eines Bearbeitungsstrahls (20), der einen ersten Laserstrahl (22) und einen, zumindest teilweise neben dem ersten Laserstrahl (22) angeordneten zweiten Laserstrahl (24), sowie einen Prozessgasstrahl umfasst. Das Verfahren umfasst die folgenden Schritte: Schneiden des Werkstücks (W) durch Führen des Bearbeitungsstrahls (20) entlang einer Schneidkontur und unter Verwendung eines ersten Bearbeitungsparametersatzes; und Nachbearbeiten wenigstens einer während des Schneidens erzeugten Schnittkante des Werkstücks (W) durch Führen des Bearbeitungsstrahls (20) entlang einer Nachbearbeitungskontur, die der Schneidkontur entspricht oder die parallel zur Schneidkontur verläuft, und unter Verwendung eines zweiten Bearbeitungsparametersatzes. Ferner wird eine Vorrichtung zur Implementierung des Verfahrens sowie ein mittels des Verfahrens herstellbares metallisches Werkstück bereitgestellt.

Description

Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft das Gebiet der Laserbearbeitung von, insbesondere platten- oder rohrförmigen, metallischen Werkstücken. Insbesondere betrifft die Erfindung eine Technik zum Nachbearbeiten von Werkstückkanten mittels Laserstrahls.
Stand der Technik
Aus dem Stand der Technik sind Methoden zum Nachbearbeiten von Schnittkanten metallischer Werkstücke bekannt, bei denen ein Laserstrahl eingesetzt wird, um die Kontur eines aus einem Werkstück zumindest teilweise ausgeschnittenen Werkstückteils mit dem Laserstrahl zu bestrahlen und dadurch eine Veränderung der Kantenbeschaffenheit herbeizuführen. In der WO 2020/173970 A1 wird beispielsweise ein Verfahren beschrieben, bei dem in einem ersten Bearbeitungsschritt mittels Laserschneidens ein Schnittspalt in einem Werkstück erzeugt wird, und in einem zweiten Bearbeitungsschritt der Schnittspalt zumindest teilweise nochmals mit anderen Bearbeitungsparametern der Laserschneidanlage abgefahren wird, um die Schnittkante zu modifizieren. In der DE 10 2019 125 103 A1 wird ein Verfahren beschrieben, bei dem unter Verwendung eines Bearbeitungslaserstrahls, der verschiedene Energieintensitäts-Bereiche aufweist, gleichzeitig eine Grobbearbeitung (insb. Schneiden unter Erzeugung von Schnittkanten) und eine Feinbearbeitung (insb. Abrunden und/oder Anfasen der erzeugten Schnittkanten) vorgenommen wird.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde den Stand der Technik zu verbessern. Insbesondere sollen die Möglichkeiten beim Erzeugen von Verrundungen am Übergang zwischen der Werkstückoberfläche und der Schnittflanke eines mittels Laserstrahlschneidens geschnittenen metallischen Werkstückteils verbessert werden.
Die Erfindung
Zur Lösung der der Erfindung zugrundeliegenden Aufgabe wird ein Verfahren zum Bearbeiten eines metallischen Werkstücks mittels eines Bearbeitungsstrahls bereitgestellt. Der Bearbeitungsstrahl umfasst einen ersten Laserstrahl und einen, zumindest teilweise neben dem ersten Laserstrahl angeordneten zweiten Laserstrahl. Beispielsweise können sich der erste Laserstrahl und der zweite Laserstrahl auch (teilweise) überlappen. In einer Ebene der Werkstückoberfläche grenzen die Abbildungen des ersten Laserstrahls und des zweiten Laserstrahls vorzugsweise ohne überlapp oder durch einen kleinen Trennspalt voneinander beabstandet aneinander. Der Bearbeitungsstrahl umfasst ferner einen Prozessgasstrahl. Als Prozessgas kann insbesondere Stickstoff, ein Stickstoff umfassendes Gasgemisch, oder auch ein anderes inertes Gas oder Gasgemisch verwendet werden. Vorzugsweise kann der Prozessgasstrahl mittels einer Bearbeitungsdüse eines Bearbeitungskopfes erzeugt und gemeinsam mit wenigstens einem der Laserstrahlen auf das zu bearbeitende Werkstück gerichtet werden. Bei dem Werkstück kann es sich insbesondere um ein platten- oder rohrförmiges Werkstück handeln, das vorzugsweise aus einem Stahlwerkstoff besteht.
Das Verfahren umfasst in einem ersten Schritt ein Schneiden des Werkstücks durch Führen des Bearbeitungsstrahls entlang einer Schneidkontur und unter Verwendung eines ersten Bearbeitungsparametersatzes.
In einem zweiten Schritt, der insbesondere unmittelbar auf den ersten Bearbeitungsschritt folgt, umfasst das Verfahren ein Nachbearbeiten wenigstens einer während des Schneidens erzeugten Schnittkante des Werkstücks durch Führen des Bearbeitungsstrahls entlang einer Nachbearbeitungskontur, die der Schneidkontur entspricht oder die parallel zur Schneidkontur verläuft, und unter Verwendung eines zweiten Bearbeitungsparametersatzes.
Der erste Bearbeitungsparametersatz und der zweite Bearbeitungsparametersatz können sich beispielsweise zumindest hinsichtlich der verwendeten Laserleistung, dem verwendeten Gasdruck, und/oder dem verwendeten Vorschub voneinander unterscheiden.
Durch das vorgeschlagene Verfahren können Werkstücke in einem Arbeitsgang zunächst schneidend bearbeitet, und die erzeugten Schnittkanten anschließend gezielt verrundet werden. Gegenüber dem Stand der Technik sind mit dem vorgeschlagenen Verfahren größere Verrundungsradien (0,5 mm und mehr) bei sehr guter Verrundungsqualität möglich. Insbesondere sind Verrundungen mit einem stetigen Oberflächenübergang zur Werkstückoberfläche und zur Schnittflankenoberfläche erzeugbar (d.h. kein Materialüberstand), die vorzugsweise einen gleichmäßigen Verrundungsradius aufweisen (d.h. keine abgeflachten Verrundungen).
Gemäß einer bevorzugten Variante kann der erste Laserstrahl eine höhere Intensität aufweisen als der zweite Laserstrahl. Unter der Intensität wird die Leistung des jeweiligen Laserstrahls pro Fläche verstanden. Beispielsweise können die Intensitätsverhältnisse in einer gemeinsamen Fokusebene der Laserstrahlen maßgeblich sein. Unter der Intensität kann insbesondere eine über die Fläche des jeweiligen Laserstrahls in seiner Fokusebene gemittelte Intensität verstanden werden. Die Fläche des Laserstrahls in seiner Fokusebene ist beispielsweise mittels der 80 %-Methode oder der 2.-Momente-Methode bestimmbar.
Der zweite Laserstrahl kann vorzugsweise koaxial zu dem ersten Laserstrahl auf das Werkstück gerichtet werden, wobei der zweite Laserstrahl vorzugsweise ein geschlossenes Strahlprofil, insbesondere ein ringförmiges Strahlprofil, aufweist, sodass der zweite Laserstrahl den ersten Laserstrahl umschließt.
Insbesondere können der erste und der zweite Laserstrahl Teilstrahlen eines gemeinsamen Laserstrahls sein. Eine Gesamtleistung des Laserstrahls lässt sich vorzugsweise in einem beliebigen Verhältnis auf die Teilstrahlen verteilen. Eine Technik zur variablen Teilung eines Laserstrahls in mehrere Teilstrahlen wird beispielsweise in der WO 2011/124671 A1 der Anmelderin beschrieben.
Es versteht sich, dass auch mehr als zwei Laserstrahlen von dem Bearbeitungsstrahl umfasst sein können, wobei vorzugsweise zwei benachbarte Laser(teil)strahlen unterschiedliche Intensitäten aufweisen.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren kann der erste Bearbeitungsparametersatz die gleichzeitige Verwendung des ersten Laserstrahls und des zweiten Laserstrahls umfassen. Mit anderen Worten kann es vorgesehen sein, dass beim Schneiden des Werkstücks der erste Laserstrahl und der zweite Laserstrahl eingeschaltet bzw. aktiv sind. Gemäß einer alternativen Variante ist es auch denkbar, dass beim Schneiden nur der erste Laserstrahl aktiv ist.
Der zweite Bearbeitungsparametersatz kann insbesondere die Verwendung des ersten Laserstrahls ohne den zweiten Laserstrahl umfassen. Das heißt, der zweite Laserstrahl kann während des Nachbearbeitens der Schnittkante abgeschaltet bzw. inaktiv sein. Alternativ oder zusätzlich kann jedoch auch der zweite Laserstrahl während des Nachbearbeitens aktiviert werden.
Die Nachbearbeitungskontur, die beim Nachbearbeiten von dem Bearbeitungsstrahl abgefahren wird, kann einen Versatz zur Schneidkontur in Richtung der nachzubearbeitenden Schnittkante aufweisen, welcher zwischen 0,1 mm und 1 mm beträgt. Durch den Versatz in Richtung der nachzubearbeitenden Schnittkante kann die zur Modifikation der Schnittkante erforderliche Energie gezielter in den erforderlichen Werkstückbereich eingebracht werden. Die Effizienz des Verfahrens kann auf diese Weise gesteigert werden.
Gemäß einer bevorzugten Variante des Verfahrens kann während des Schneidens durch Bestrahlung des Werkstücks mittels des zweiten Laserstrahls eine Verrundung mit einem ersten Radius oder eine Fase mit einer Fasenhöhe am oberen Ende der nachzubearbeitenden Schnittkante erzeugt werden, wobei die Verrundung oder die Fase während des Nachbearbeitens zu einer Verrundung mit einem zweiten Radius vergrößert wird, wobei der zweite Radius größer ist als der erste Radius bzw. als die Fasenhöhe.
Während des Schneidens kann auch eine an ihren Enden abgerundete Fase erzeugt werden - also eine Mischform zwischen Verrundung und Fase. Das Erzeugen der Verrundung und/oder der Fase während des Schneidens umfasst vorzugsweise einen Materialabtrag. Es kann mit anderen Worten vorgesehen sein, dass die Kante durch den zweiten Laserstrahl nicht bloß aufgeschmolzen wird, sondern dass mittels des Prozessgasstrahls auch Werkstückmaterial durch den Schnittspalt abgetragen wird. Durch den Materialabtrag bereits im ersten Verfahrensschritt ist ein Materialabtrag während des Nachbearbeitens und zur Erzeugung der größeren Verrundung nicht mehr, oder nur noch in geringem Ausmaß erforderlich. Durch den Materialabtrag wird allgemein ein Materialüberstand der Verrundung gegenüber der Werkstückoberfläche und der Schnittflanke vermieden.
Der erste Verrundungsradius bzw. die Höhe der Fase kann beispielsweise zwischen 0,1 mm und 0,7 mm betragen. Der zweite Radius der im Nachbearbeitungsschritt vergrößerten Verrundung kann beispielsweise zwischen 0,2 mm und 1,5 mm betragen.
Der zweite Bearbeitungsparametersatz kann einen Prozessgasdruck vorgeben, der geringer ist als ein Prozessgasdruck gemäß dem ersten Parametersatz. Beispielsweise kann der Druck im Kesselraum einer für die Bearbeitung verwendeten Bearbeitungsdüse bei der Nachbearbeitung höchstens 0,3 bar, vorzugsweise höchstens 0,1 bar Überdruck gegenüber dem Umgebungsdruck betragen. Der geringe verwendete Gasdruck trägt zur Reduzierung von Turbulenzen während der Nachbearbeitung und zur Erzeugung einer besonders glatten Oberfläche entlang der Verrundung bei. Auf diese Weise kann eine besonders gleichmäßige und glatte Verrundung erzeugt werden. Durch einen zu starken Gasstrahl könnte die Verrundung verformt werden. Ferner kann durch den geringen Druck während der Nachbearbeitung der Gasverbrauch geringgehalten werden.
Vorteilhafter Weise kann es vorgesehen sein, dass ein Abstand zwischen der Stirnfläche einer Düse, über die der Bearbeitungsstrahl auf das Werkstück gerichtet wird, und der Werkstückoberfläche gemäß dem ersten Bearbeitungsparametersatz geringer ist als gemäß dem zweiten Bearbeitungsparametersatz. Mit anderen Worten ist der Abstand zwischen Düse und Werkstück beim Nachbearbeiten größer als beim Schneiden des Werkstücks.
Vorzugsweise kann bei dem erfindungsgemäßen Verfahren in einem ersten Schritt ein Werkstückteil entlang der Schneidkontur aus dem Werkstück bis auf wenigstens einen verbleibenden Materialsteg unter Verwendung des ersten Bearbeitungsparametersatzes ausgeschnitten werden, der das Werkstückteil mit einem Restwerkstück oder einem benachbarten Werkstückteil des Werkstücks verbindet. Weiter kann die Schnittkante des Werkstückteils in einem zweiten Schritt unter Verwendung des zweiten Bearbeitungsparametersatzes nachbearbeitet werden. Die erzeugte Schnittkante kann also mit veränderten Parametern unter Verwendung des gleichen Bearbeitungskopfes nochmals abgefahren werden. In einem nachfolgenden, dritten Schritt kann der wenigstens eine Materialsteg durchtrennt werden.
Die Durchtrennung kann beispielsweise auch mit dem Bearbeitungsstrahl erfolgen, beispielsweise unter Verwendung des ersten Bearbeitungsparametersatzes. Alternativ kann der wenigstens eine Materialsteg auch mechanisch entfernt werden, insbesondere durch Herausdrücken, Herausschlagen oder Herausrütteln des Werkstückteils aus einem umgebenden Restwerkstück bzw. Restgitter des Werkstücks oder durch Abknicken oder Abrütteln mehrerer durch Materialstege zusammengehaltener Werkstückteile. Der Materialsteg kann sich als sogenannter „Microjoint“ über die volle Dicke des Werkstücks erstrecken, oder aber eine reduzierte Höhe aufweisen (sog. „Nanojoint“). Die Verwendung von Nanojoints hat den Vorteil, dass die Schnittkante während der Nachbearbeitung entlang des gesamten Umfangs des Werkstückteils nachbearbeitet werden kann. Ferner kann der Materialsteg als sogenannter „Microweld“ ausgebildet sein, also als Schweißpunkt, vorzugsweise am oberen Ende des Schnittspalts, der die durch den Schnittspalt getrennten Teile (Werkstückteile und/oder Restwerkstück- bzw. Restgitterteile) des Werkstücks zusammenhält.
Zur Lösung der der Erfindung zugrundeliegenden Aufgabe wird ferner eine Vorrichtung zur Bearbeitung eines metallischen Werkstücks mittels eines Bearbeitungsstrahls bereitgestellt. Der Bearbeitungsstrahl umfasst einen ersten Laserstrahl und einen, zumindest teilweise neben dem ersten Laserstrahl angeordneten zweiten Laserstrahl, sowie einen Prozessgasstrahl.
Die Vorrichtung umfasst eine Werkstückauflage zur Lagerung des Werkstücks während eines Bearbeitungsprozesses. Ferner umfasst die Vorrichtung wenigstens eine Laserstrahlquelle zur Bereitstellung der Laserstrahlung für den ersten und den zweiten Laserstrahl. Die Laserstrahlquelle kann vorzugsweise ein Festkörperlaser sein, z.B. ein Faserlaser mit einem oder mehreren Faserlasermodulen, oder ein Scheibenlaser, oder ein Diodenlaser. Die Vorrichtung umfasst ferner eine Prozessgaszufuhr zur Bereitstellung des Prozessgases, sowie einen Bearbeitungskopf mit einer Fokussieroptik, wobei der Bearbeitungskopf dazu ausgebildet ist, den Bearbeitungsstrahl auf die Werkstückoberfläche zu richten. Die Vorrichtung umfasst eine Mehrfachclad-Faser mit einem Kernbereich und wenigstens einem, den Kernbereich umgebenden Ringbereich, wobei die Mehrfachclad-Faser dazu ausgebildet ist den ersten Laserstrahl innerhalb des Kernbereichs und den zweiten Laserstrahl innerhalb des Ringbereichs von der Laserstrahlquelle zu dem Bearbeitungskopf zu führen bzw. zu transportieren. Die Vorrichtung umfasst auch eine Steuerungseinrichtung, die dazu ausgebildet, die Vorrichtung zur Durchführung eines Verfahrens gemäß einer der oben beschriebenen Varianten zu steuern.
Bei der Vorrichtung kann es sich insbesondere um eine Laserschneidanlage, zum Beispiel eine Flachbett-Laserschneidanlage oder eine Rohr-Laserschneidanlage handeln.
Eine erfindungsgemäße Vorrichtung kann vorzugsweise eine Strahlaufteilungseinrichtung umfassen, die zwischen der Laserstrahlquelle und der Mehrfachclad-Faser angeordnet ist, und die dazu ausgebildet ist, einen von der Laserstrahlquelle bereitgestellten Lasereingangsstrahl in den ersten Laserstrahl und den zweiten Laserstrahl aufzuteilen, wobei mittels der Strahlaufteilungseinrichtung der erste Laserstrahl in den Kernbereich der Mehrfachclad-Faser und der zweite Laserstrahl in den Ringbereich der Mehrfachclad-Faser einkoppelbar ist. Wie bereits weiter oben erwähnt, können auch mehr als zwei Laserstrahlen von dem Bearbeitungsstrahl umfasst sein. Entsprechend kann die Mehrfachclad-Faser auch mehrere, vorzugsweise konzentrisch zueinander angeordnete, Ringbereiche aufweise, die jeweils zur Führung eines entsprechenden Laser(teil)strahls ausgebildet sind. Die Strahlaufteilungseinrichtung kann beispielsweise eine sogenannte Keilweiche umfassen, die im Strahlengang des Lasereingangsstrahls angeordnet ist, und durch laterale Verschiebung gegenüber dem Lasereingangsstrahl steuerbar Anteile des Lasereingangsstrahls in den Kernbereich und/oder den Ringbereich der Mehrfachclad-Faser einkoppelt. Ein Prinzip zur Strahlaufteilung mittels Keilweiche ist beispielhaft in der WO 2011/124671 A1 , oder auch in der Deutschen Patentanmeldung mit dem amtlichen Aktenzeichen 10 2022 110 078.2 der Anmelderin beschrieben.
Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein metallisches Werkstück bereitgestellt. Das Werkstück umfasst einen Grundkörper mit einer Oberseite und einer der Oberseite gegenüberliegenden Unterseite. Der Grundkörper umfasst ferner eine Kante, die sich seitlich, entlang einer Außenkontur oder einer Innenkontur des Grundkörpers erstreckt. Der Grundkörper weist entlang wenigstens eines Teils der Außenkontur und/oder der Innenkontur am Übergang zwischen der Oberseite und der Kante eine Verrundung auf, die sich über eine Höhe von wenigstens 0,2 mm, vorzugsweise von wenigstens 0,5 mm, erstreckt, wobei der Grundkörper entlang der Verrundung eine geringere Oberflächenrauheit aufweist als entlang des Restes der Kante.
Eine Kantenfläche des Grundkörpers, die insbesondere einer Schnittflanke entsprechen kann, erstreckt sich vorzugsweise im Wesentlichen senkrecht zur Oberfläche des Grundkörpers.
Ein erfindungsgemäßes Werkstück kann vorzugsweise eine Verrundung mit einer Höhe von 0,2 mm bis 1,5 mm aufweisen. Die Höhe der Verrundung entspricht dem Verrundungsradius. Die Verrundung kann ferner dadurch gekennzeichnet sein, dass sie keine Materialüberhöhungen aufweist, die nach oben hin an der Werkstückoberfläche oder seitlich über die Kantenfläche hinausragen. Mit anderen Worten kann die Verrundung an der Werkstückoberfläche und an der Kantenfläche jeweils einen stetigen Übergang aufweisen. Dadurch kann die Haptik am oberen Ende der Werkstückkante verbessert werden. Bei einer Beschichtung des Werkstücks mit einem Beschichtungsmittel, bspw. mit einem Lack, kann die Gleichmäßigkeit der Beschichtung an der Werkstückkante durch den weichen Übergang der Verrundung verbessert werden. Ferner wird durch die glatte Verrundung die Verletzungsgefahr beim Umgang mit dem Werkstück bzw. dem Werkstückteil reduziert.
Die Oberflächenrauheit entlang der Verrundung kann vorzugsweise höchstens Rz 30 betragen.
Das Werkstück ist besonders effizient mittels eines Verfahrens gemäß einer der weiter oben beschriebenen Varianten herstellbar. Das Werkstück kann demnach als Werkstückteil in einem Arbeitsgang aus einem, z.B. plattenförmigen, Werkstück zumindest teilweise ausgeschnitten und im Bereich der erzeugten Schnittkanten unter Ausbildung der vorteilhaften Kantenverrundungen nachbearbeitet werden.
Ausführungsbeispiele
Die nachfolgende Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele dient im Zusammenhang mit den Zeichnungen der näheren Erläuterung der Erfindung.
Es zeigen:

1a-b Darstellungen zur Veranschaulichung eines erfindungsgemäßen Bearbeitungsverfahrens gemäß einer Variante;
2 Eine weitere Darstellung zur Veranschaulichung eines erfindungsgemäßen Bearbeitungsverfahrens;
3 Schematisch eine Frontansicht der Schnittkante eines Werkstücks bzw. eines Werkstückteils gemäß der vorliegenden Erfindung; und
4-5 Darstellungen von erfindungsgemäßen Werkstückteilen.

Anhand der 1a und 1b wird im Folgenden ein erfindungsgemäßes Bearbeitungsverfahren beispielhaft beschrieben. Gezeigt ist schematisch eine Anordnung zur Laserbearbeitung eines metallischen Werkstücks W. Ein Bearbeitungsstrahl 20, der einen ersten Laserstrahl 22 und einen zweiten Laserstrahl 24, sowie einen Prozessgasstrahl (in den Figuren nicht dargestellt) umfasst, wird mittels einer Bearbeitungsdüse (ebenfalls nicht dargestellt) auf die Oberfläche des Werkstücks W gerichtet. Der erste Laserstrahl 22 und der zweite Laserstahl 24 sind gemäß dem dargestellten Beispiel Teilstrahlen eines gemeinsamen Laserstrahls, der mittels einer Mehrfachclad-Faser, hier einer 2-in-1-Faser 10, bereitgestellt wird, wobei der erste Teilstrahl 22 über einen Kernbereich 12 und der zweite Teilstrahl 24 über einen Ringbereich der 2-in-1-Faser 10 bereitgestellt wird. Die Lasertrahlen 22 und 24 werden mittels einer Fokussieroptik, hier schematisch durch eine Fokussierlinse 30 dargestellt, in Richtung des Werkstücks W fokussiert und gemeinsam mit dem Prozessgas über die Bearbeitungsdüse auf die Werkstückoberfläche gerichtet. Zur Bearbeitung des Werkstücks W wird der Bearbeitungsstrahl unter Verwendung vorgegebener Bearbeitungsparameter relativ zur Werkstückoberfläche bewegt.
Das Werkstück W wird in einem ersten Verfahrensschritt unter Verwendung eines ersten Parametersatzes geschnitten, wobei ein Werkstückteil W₁ von einem Restwerkstück W₂ durch einen ein Schnittspalt lokal voneinander getrennt werden. Während des Schneidens wird durch Einwirkung des zweiten Laserstrahls 24, der eine geringere Intensität aufweist als der erste Laserstrahl 22, gleichzeitig eine Verrundung 42a bzw. Fase 42b (vgl. 2, Schritt a)) an den oberen Enden der Schnittflanken erzeugt. Beim Erzeugen der Verrundung 42a bzw. der Fase 42b wird unter Einwirkung des Prozessgases, das mit hohem Druck auf das Werkstück W gerichtet wird, Material abgetragen. Es kann bevorzugt sein, dass die Verrundung 42a eine fasenähnliche, abgeflachte Form aufweist.
In einem zweiten Verfahrensschritt wird die erzeugte Schnittkante unter Verwendung eines zweiten Parametersatzes erneut mit dem Bearbeitungsstrahl 20 abgefahren (vgl. 1b und 2b). Dabei wird die während des Schneidens erzeugte Verrundung 42a oder Fase 42b vergrößert, sodass eine Endverrundung 44 hoher Qualität entsteht.
Beispielsweise kann mit dem Verfahren ein plattenförmiges Werkstück W aus CrNi-Stahl, das eine Dicke von 2 mm aufweist, auf einer 2D-Laserflachbettmaschine mit 12 kW Laserleistung erfindungsgemäß bearbeitet werden. Zuerst kann dabei der erste Verfahrensschritt des Schneidens unter Verwendung des ersten Bearbeitungsparametersatzes umgesetzt werden. Dabei kann eine Strahlweiche im Lasereingangsstrahl die Laserleistung zeitgleich sowohl in den Kernbereich 12 als auch in den Ringbereich 14 der 2-in-1-Faser einkoppeln. Der Kernstrahl (erster Laserstrahl 22) erzeugt den Trennschnitt, der Ringstrahl (zweiter Laserstrahl 24) sorgt für eine Anschmelzung und damit zumindest teilweise für eine Verrundung 42a der Werkstückoberfläche bzw. oberen Schnittkante, wobei auch ein Materialabtrag im Bereich der Verrundung 42a stattfindet. Zum Schneiden wird beispielhaft in den Kernbereich 12 mit einem Durchmesser von 100 µm der erste Teilstrahl 22 mit ca. 8 kW Laserleistung eingekoppelt. In die den Ringbereich 14 mit einem Außendurchmesser von 400 µm wird der zweite Teilstrahl 24 mit ca. 4 kW Laserleistung eingekoppelt. Das Abbildungsverhältnis beträgt 2,1. Der Fokusdurchmesser (des zweiten Laserstrahls 24) beträgt 840 µm. Die Vorschubgeschwindigkeit beträgt 40 m/min. Die Fokuslage befindet sich im Bereich der Werkstückoberfläche bzw. kurz unterhalt der Oberfläche, z.B. etwa 0,5 mm unterhalb der Werkstückoberfläche. Als Schneidgas wird Stickstoff verwendet. Der Schneidgasdruck beträgt 23 bar (Überdruck ggü. dem Umgebungsdruck) bei einem Düsenabstand von 4 mm zur Werkstückoberfläche. Die Bearbeitungsdüse (bzw. Schneiddüse) weist einen Durchmesser von 2,3 mm auf. Die beim Schneiden erzeugte Verrundung 42a weist eine Höhe von etwa 0,2 mm auf.
Anschließend wird der zweite Verfahrensschritt des Nachbearbeitens unter Verwendung des zweiten Bearbeitungsparametersatzes umgesetzt. Zwischen dem Schneiden und dem Nachbearbeiten kann der Laserstrahl vorzugsweise ausgeschaltet und der Schneidkopf wieder an den Ausgangspunkt des Schnittes zurückgefahren werden. Zum Nachbearbeiten bzw. Verrunden der Schnittkante kann der Schneidkopf gegenüber der Schneidkontur um 0,2 mm in Richtung der nachzubearbeitenden Schnittkante (Gutteilkontur) versetzt werden und die Schnittkante mit veränderten Bearbeitungsparametern gemäß dem zweiten Bearbeitungsparametersatz erneut abgefahren werden. De Abstand zwischen Düse und Werkstück W kann dabei 5 mm betragen, bei einem Fokusdurchmesser des ersten Laser(teil)strahls 22 von 210 µm und einer Laserleistung von 370 W. Vorzugsweise kann die Laserleistung für bei der Nachbearbeitung also deutlich geringer sein als beim Schneiden. Der zweite Laser(teil)strahl 24 kann für die Nachbearbeitung gemäß der beschriebenen, beispielhaften Variante ausgeschaltet sein. Der Prozessgasdruck beträgt beispielsweise 0,2 bar, die Fokusebene des ersten Laserstrahls 22 kann ca. 2 mm oberhalb der Düsenstirnfläche, also innerhalb des Düsenkörpers, liegen. Die Vorschubgeschwindigkeit kann 2,2 m/min betragen. Die Vorschubgeschwindigkeit gemäß dem zweiten Bearbeitungsparametersatz kann also deutlich geringer sein, als die Vorschubgeschwindigkeit gemäß dem ersten Bearbeitungsparametersatz. Dadurch kann die Qualität der Verrundung gesteigert werden. Die mit den oben beschriebenen Bearbeitungsparametern erzeugte Verrundung kann einen Verrundungsradius von ca. 0,5 mm aufweisen.
In 2 ist eine Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens dargestellt, bei der während des Schneidens (vgl. Schritt a)) eine Fase 42b erzeugt wird. Bei der Erzeugung der Fase 42b wird der Materialabhub gegenüber einer Verrundung 42a (vgl. 1a) bei gleicher Höhe maximiert. Die Größe bzw. der Radius oder die Höhe der Endverrundung 44 hängt maßgeblich vom Materialabhub an der Verrundungsstelle während des Schneidens ab. Während des Nachbearbeitens im zweiten Verfahrensschritt (vgl. Schritt b) in 2) findet vorzugsweise kein Materialabhub mehr statt. Der Prozessgasdruck kann daher deutlich niedriger als beim Schneiden gewählt werden, wodurch die Form und Oberflächengüte der Verrundung verbessert werden kann.
In 2 wird ferner die Verschiebung des Bearbeitungsstrahls 20 für die Nachbearbeitung relativ zur Schneidkontur in Richtung der nachzubearbeitenden Schnittkante veranschaulicht. Zur Verbesserung der Prozessgasabdeckung isbesondere während des Nachbearbeitungsschritts kann für den gesamten Bearbeitungsprozess eine Düse mit einem möglichst großen Düsendurchmesser eingesetzt werden. Beispielsweise kann bei der Verwendung einer Düse mit einem Mündungsdurchmesser von 10 mm der Schneidgasdruck gegenüber dem obigen Beispiel verringert werden. Ferner kann bei der Verrundung der Schnittkante im Nachbearbeitungsschritt die Schutzgasabdeckung des Bearbeitungsbereichs verbessert werden und auf diese Weise der Bildung von Anlauffarben an der Werkstückoberfläche entgegengewirkt werden.
In 3 ist eine Frontansicht einer Werkstückkante eines erfindungsgemäßen Werkstücks bzw. Werkstückteils W₁ dargestellt. Das Werkstückteil W₁ wurde im ersten Verfahrensschritt nicht vollständig ausgeschnitten und über einen Materialsteg - hier in Form eines Nanojoints 50 - mit dem umgebenden Restwerkstück oder einem angrenzenden Werkstückteil verbunden. Durch die verringerte Höhe des Nanojoints 50 konnte im zweiten Verfahrensschritt entlang des gesamten Werkstückumfangs die Verrundung 44 erzeugt werden, bevor der Nanojoint 50 zur Vereinzelung des Werkstückteils W₁ durchtrennt wurde. Die Oberfläche des Werkstückteils W₁ entlang der Verrundung 44 weist eine Rauheit von höchstens Rz30 auf.
In den 4 und 5 sind jeweils Werkstückteile W₁ gemäß der vorliegenden Erfindung dargestellt, wobei die Darstellung gemäß 5 annähernd der schematischen Darstellung gemäß 3 entspricht. In den 4 und 5 ist die glänzende Oberfläche entlang der erzeugten Verrundungen 44 zu erkennen, die sich (vgl. 4) entlang der Innenkontur und der Außenkontur des Werkstückteils W₁ erstrecken.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

WO 2020/173970 A1 [0002]
DE 102019125103 A1 [0002]
WO 2011/124671 A1 [0011, 0026]
DE 102022110078 [0026]

Claims

Verfahren zum Bearbeiten eines metallischen Werkstücks (W) mittels eines Bearbeitungsstrahls (20), der einen ersten Laserstrahl (22) und einen, zumindest teilweise neben dem ersten Laserstrahl (22) angeordneten zweiten Laserstrahl (24), sowie einen Prozessgasstrahl umfasst, das Verfahren umfassend die Schritte: Schneiden des Werkstücks (W) durch Führen des Bearbeitungsstrahls (20) entlang einer Schneidkontur und unter Verwendung eines ersten Bearbeitungsparametersatzes; und Nachbearbeiten wenigstens einer während des Schneidens erzeugten Schnittkante des Werkstücks (W) durch Führen des Bearbeitungsstrahls (20) entlang einer Nachbearbeitungskontur, die der Schneidkontur entspricht oder die parallel zur Schneidkontur verläuft, und unter Verwendung eines zweiten Bearbeitungsparametersatzes.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der erste Laserstrahl (22) eine höhere Intensität aufweist als der zweite Laserstrahl (24).
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei der zweite Laserstrahl (24) koaxial zu dem ersten Laserstrahl (22) auf das Werkstück (W) gerichtet wird; und wobei der zweite Laserstrahl (24) vorzugsweise ein geschlossenes Strahlprofil, insbesondere ein ringförmiges Strahlprofil, aufweist, sodass der zweite Laserstrahl (24) den ersten Laserstrahl (22) umschließt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der erste Bearbeitungsparametersatz die gleichzeitige Verwendung des ersten Laserstrahls (22) und des zweiten Laserstrahls (24) umfasst.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der zweite Bearbeitungsparametersatz die Verwendung des ersten Laserstrahls (22) ohne den zweiten Laserstrahl (24) umfasst.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Nachbearbeitungskontur einen Versatz zur Schneidkontur in Richtung der nachzubearbeitenden Schnittkante aufweist, welcher zwischen 0,1 mm und 1 mm liegt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei während des Schneidens durch Bestrahlung des Werkstücks (W) mittels des zweiten Laserstrahls (24) eine Verrundung (42a) mit einem ersten Radius oder eine Fase (42b) mit einer Fasenhöhe am oberen Ende der nachzubearbeitenden Schnittkante erzeugt wird; und wobei die Verrundung (42a) oder die Fase (42b) während des Nachbearbeitens zu einer Verrundung (44) mit einem zweiten Radius vergrößert wird, wobei der zweite Radius größer ist als der erste Radius oder als die Fasenhöhe.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der zweite Bearbeitungsparametersatz einen Prozessgasdruck vorgibt, der geringer ist als ein Prozessgasdruck gemäß dem ersten Bearbeitungsparametersatz.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Bearbeitungsstrahl (20) über eine Düse eines Bearbeitungskopfes auf das Werkstück (W) gerichtet wird; und wobei ein Abstand zwischen der Düsenstirnfläche und der Werkstückoberfläche gemäß dem ersten Bearbeitungsparametersatz geringer ist als gemäß dem zweiten Bearbeitungsparametersatz.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei in einem ersten Schritt ein Werkstückteil (W₁) entlang der Schneidkontur aus dem Werkstück (W) bis auf wenigstens einen verbleibenden Materialsteg (50) unter Verwendung des ersten Bearbeitungsparametersatzes ausgeschnitten wird, der das Werkstückteil (W₁) mit einem Restwerkstück (W₂) oder einem benachbarten Werkstückteil des Werkstücks (W) verbindet; wobei in einem zweiten Schritt die Schnittkante des Werkstückteils (W₁) unter Verwendung des zweiten Bearbeitungsparametersatzes nachbearbeitet wird; und wobei in einem dritten Schritt der wenigstens eine Materialsteg (50) durchtrennt wird.
Vorrichtung zur Bearbeitung eines metallischen Werkstücks (W) mittels eines Bearbeitungsstrahls (20), der einen ersten Laserstrahl (22) und einen, zumindest teilweise neben dem ersten Laserstrahl (22) angeordneten zweiten Laserstrahl (24), sowie einen Prozessgasstrahl umfasst, die Vorrichtung umfassend: Eine Werkstückauflage zur Lagerung des Werkstücks (W) während eines Bea rbeitu ngsprozesses; Wenigstens eine Laserstrahlquelle zur Bereitstellung der Laserstrahlung für den ersten und den zweiten Laserstrahl (22, 24); Eine Prozessgaszufuhr zur Bereitstellung des Prozessgases; Einen Bearbeitungskopf mit einer Fokussieroptik (30), wobei der Bearbeitungskopf dazu ausgebildet ist, den Bearbeitungsstrahl auf die Werkstückoberfläche zu richten; Eine Mehrfachclad-Faser (10) mit einem Kernbereich (12) und wenigstens einem, den Kernbereich (12) umgebenden Ringbereich (14), wobei die Mehrfachclad-Faser (10) dazu ausgebildet ist den ersten Laserstrahl (22) innerhalb des Kernbereichs (12) und den zweiten Laserstrahl (24) innerhalb des Ringbereichs (14) von der Laserstrahlquelle zu dem Bearbeitungskopf zu transportieren; und Eine Steuerungseinrichtung, die dazu ausgebildet, die Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens gemäß einem der Ansprüche 1 bis 10 zu steuern.
Vorrichtung nach Anspruch 11, ferner umfassend: Eine Strahlaufteilungseinrichtung, die zwischen der Laserstrahlquelle und der Mehrfachclad-Faser (10) angeordnet ist, und die dazu ausgebildet ist, einen von der Laserstrahlquelle bereitgestellten Lasereingangsstrahl in den ersten Laserstrahl (22) und den zweiten Laserstrahl (24) aufzuteilen, wobei mittels der Strahlaufteilungseinrichtung der erste Laserstrahl (22) in den Kernbereich (12) der Mehrfachclad-Faser (10) und der zweite Laserstrahl (24) in den Ringbereich (14) der Mehrfachclad-Faser (10) einkoppelbar ist.
Metallisches Werkstück (W) umfassend: einen Grundkörper mit einer Oberseite und einer der Oberseite gegenüberliegenden Unterseite; wobei der Grundkörper eine Kante umfasst, die sich seitlich, entlang einer Außenkontur oder einer Innenkontur des Grundkörpers erstreckt; wobei der Grundkörper entlang wenigstens eines Teils der Außenkontur und/oder der Innenkontur am Übergang zwischen der Oberseite und der Kante eine Verrundung (44) aufweist, die sich über eine Höhe von wenigstens 0,2 mm, vorzugsweise von wenigstens 0,5 mm, erstreckt; und wobei der Grundkörper entlang der Verrundung (44) eine geringere Oberflächenrauheit aufweist als entlang des Restes der Kante.
Werkstück nach Anspruch 13, wobei die Werkstückkante mittels eines Verfahrens gemäß einem der Ansprüche 1 bis 10 herstellbar ist.