DE102022118281A1 - Laser cutting process with oscillating laser beam and optimized cutting gas supply - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein Laserschneidverfahren, bei welchem ein Laserstrahl 24 gemeinsam mit einem Gasstrahl von Schneidgas auf ein Werkstück 12 trifft. Einer primären Vorschubbewegung 32 entlang einer Schneidkontur ist eine zyklisch wiederholte Sekundärbewegung 34 überlagert. Der Schneidgas bildet auf der Werkstückoberfläche 38 ein Druckpolster 40 aus, dessen Ausdehnung 44, 50 wesentlich größer ist als ein vom Laserstrahl 24 durch die Sekundärbewegung 34 erfasster Bereich.The invention relates to a laser cutting method in which a laser beam 24 strikes a workpiece 12 together with a gas jet of cutting gas. A cyclically repeated secondary movement 34 is superimposed on a primary feed movement 32 along a cutting contour. The cutting gas forms a pressure cushion 40 on the workpiece surface 38, the extent of which 44, 50 is significantly larger than an area detected by the laser beam 24 through the secondary movement 34.
Description
Gebiet der ErfindungField of invention
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Scheiden von metallischen, insbesondere plattenförmigen, Werkstücken mittels eines Laserstrahls, bei dem der Laserstrahl innerhalb der Schneiddüse, aus der der Laserstrahl gemeinsam mit einem Prozessgasstrahl austritt, eine Sekundärbewegung ausführt.The present invention relates to a method for cutting metallic, in particular plate-shaped, workpieces using a laser beam, in which the laser beam carries out a secondary movement within the cutting nozzle, from which the laser beam emerges together with a process gas jet.
Stand der TechnikState of the art
Derartige Verfahren werden auch als „Scannerschneiden“ bezeichnet.Such processes are also known as “scanner cutting”.
Beispielsweise aus der
Im Stand der Technik, beispielsweise in JPS60210384A, JPS63177991A, JPH06234090A, JPH07185856A, JPH07236987A,
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, den Prozess des Scannerschneidens gegenüber dem Stand der Technik weiter zu verbessern, insbesondere um die Komplexität der Scannerbewegung zu verringern und höhere Schneidgeschwindigkeiten bei gleichzeitig guter Schnittkantenqualität zu erreichen.The present invention is based on the object of further improving the process of scanner cutting compared to the prior art, in particular in order to reduce the complexity of the scanner movement and to achieve higher cutting speeds while maintaining good cutting edge quality.
Die ErfindungThe invention
Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Laserschneidverfahren gemäß Anspruch 1 und eine Laserschneidanlage gemäß Anspruch 12. Die jeweiligen Unteransprüche geben vorteilhafte Varianten bzw. Ausführungsformen an.This task is solved by a laser cutting method according to claim 1 and a laser cutting system according to
Zur Lösung der der Erfindung zugrundeliegenden Aufgabe wird ein Verfahren zum Schneiden von metallischen, insbesondere plattenförmigen Werkstücken mittels eines Laserstrahls bereitgestellt, bei dem der Laserstrahl gemeinsam mit einem Schneidgasstrahl aus einer Schneiddüse auf das zu schneidende Werkstück gerichtet wird, wobei einer primären Vorschubbewegung der Schneiddüse entlang einer Schneidkontur eine sich zyklisch wiederholende Sekundärbewegung des Laserstrahls innerhalb der Schneiddüse überlagert ist. Die primäre Vorschubbewegung der Schneiddüse versteht sich als Relativbewegung zur Werkstückoberfläche, wobei die Düse und/oder das Werkstück bewegt werden können, um die Relativbewegung zu erzeugen. Die Sekundärbewegung des Laserstrahls weist eine Bewegungskomponente längs und/oder eine Bewegungskomponente quer zur primären Vorschubbewegung (d.h. zur Schneidrichtung bzw. Schneidkontur) auf. Ferner bildet bei dem Verfahren das auf das Werkstück geblasene Schneidgas an der Werkstückoberfläche ein Druckpolster aus, dessen Ausdehnung längs zu der primären Vorschubbewegung wenigstens 10-mal so groß ist, wie der von dem Laserstrahl aufgrund der Sekundärbewegung des Laserstrahls bestrahlte Bereich an der Werkstückoberfläche längs zur primären Vorschubbewegung.To solve the problem underlying the invention, a method for cutting metallic, in particular plate-shaped, workpieces is provided using a laser beam, in which the laser beam is directed together with a cutting gas jet from a cutting nozzle onto the workpiece to be cut, with a primary feed movement of the cutting nozzle along a A cyclically repeating secondary movement of the laser beam within the cutting nozzle is superimposed on the cutting contour. The primary feed movement of the cutting nozzle is understood to be a relative movement to the workpiece surface, whereby the nozzle and/or the workpiece can be moved to generate the relative movement. The secondary movement of the laser beam has a movement component longitudinally and/or a movement component transversely to the primary feed movement (i.e. to the cutting direction or cutting contour). Furthermore, in the method, the cutting gas blown onto the workpiece forms a pressure cushion on the workpiece surface, the extent of which along the primary feed movement is at least 10 times as large as the area on the workpiece surface irradiated by the laser beam due to the secondary movement of the laser beam primary feed movement.
Das Druckpolster kann in einem weiteren Sinne denjenigen Bereich umfassen, in welchem ein durch den Schneidgasstrahl erzeugter Staudruck des Schneidgases signifikant größer ist als der Umgebungsdruck. Bevorzugt ist der Staudruck des Schneidgases im Bereich des Druckpolsters wenigstens 1 bar, besonders bevorzugt wenigstens 2 bar, ganz besonders bevorzugt wenigstens 4 bar, größer als der Umgebungsdruck. Die Ausdehnung des Druckpolsters kann insofern durch den Mindest-Überdruck des Schneidgases relativ zur Umgebungsatmosphäre definiert sein. Alternativ kann das Druckpolster durch den Betrag des Staudrucks definiert werden. So kann im Druckpolster der Staudruck des Schneidgases an der Werkstückoberfläche wenigstens 5 bar, bevorzugt wenigstens 7 bar, besonders bevorzugt wenigstens 10 bar, betragen.In a broader sense, the pressure cushion can include the area in which a dynamic pressure of the cutting gas generated by the cutting gas jet is significantly greater than the ambient pressure. The dynamic pressure of the cutting gas in the area of the pressure cushion is preferably at least 1 bar, particularly preferably at least 2 bar, very particularly preferably at least 4 bar, greater than the ambient pressure. The expansion of the pressure cushion can therefore be defined by the minimum excess pressure of the cutting gas relative to the ambient atmosphere. Alternatively, the pressure cushion can be defined by the amount of dynamic pressure. In the pressure cushion, the dynamic pressure of the cutting gas on the workpiece surface can be at least 5 bar, preferably at least 7 bar, particularly preferably at least 10 bar.
In einem engeren Sinne ist unter dem Begriff „Druckpolster“ insbesondere der Bereich an der Werkstückoberfläche zu verstehen, in dem der durch den Schneidgasstrahl erzeugte Staudruck des Schneidgases im Wesentlichen konstant ist. „Im Wesentlichen konstant“ ist der Staudruck bei einer maximalen Abweichung des Druckminimums um weniger als 30 %, bevorzugt weniger als 20 %, besonders bevorzugt weniger als 10 % vom Druckmaximum. Die Ausdehnung des Druckpolsters kann insofern durch den Druckabfall relativ zum Druckmaximum definiert sein. Beispielsweise darf bei einem maximalen Druck des Schneidgases von 8 bar an der Werkstückoberfläche, der minimale Druck im Druckpolster 5,6 bar (Abweichung von 2,4 bar bzw. 30 %), bevorzugt 6,4 bar (Abweichung von 1,6 bar bzw. 20 %), noch bevorzugter 7,2 bar (Abweichung von 0,8 bar bzw. 10 %) nicht unterschreiten. Bei der Ausbildung des Druckpolsters kommt es hier weniger auf den absoluten Wert des Druckes an. Vielmehr ist die Konstanz des Druckes über den von dem Druckpolster abgedeckten Bereich wichtig.In a narrower sense, the term “pressure cushion” is to be understood in particular as meaning the area on the workpiece surface in which the dynamic pressure of the cutting gas generated by the cutting gas jet is essentially constant. The dynamic pressure is “essentially constant”. a maximum deviation of the pressure minimum of less than 30%, preferably less than 20%, particularly preferably less than 10% from the pressure maximum. The expansion of the pressure cushion can therefore be defined by the pressure drop relative to the pressure maximum. For example, with a maximum pressure of the cutting gas of 8 bar on the workpiece surface, the minimum pressure in the pressure cushion may be 5.6 bar (deviation of 2.4 bar or 30%), preferably 6.4 bar (deviation of 1.6 bar or . 20%), more preferably 7.2 bar (deviation of 0.8 bar or 10%). When forming the pressure cushion, the absolute value of the pressure is less important. What is more important is the constancy of the pressure over the area covered by the pressure pad.
Die Erfinder haben erkannt, dass der Steigerung von Schneidgeschwindigkeit und Schnittkantenqualität durch eine alleinige Beeinflussung von Schnittfrontlänge und Schnittspaltbreite durch Anpassen der Sekundärbewegung des Laserstrahls Grenzen gesetzt sind. In Versuchen der Erfinder hat sich gezeigt, dass durch die Erzeugung eines ausreichend großen Druckpolsters die Vorschubgeschwindigkeit ohne wesentliche Einbußen in der Schnittkantenqualität gesteigert werden kann. Eine komplizierte Bahnplanung der Sekundärbewegung ist dabei nicht erforderlich.The inventors have recognized that there are limits to increasing cutting speed and cutting edge quality by solely influencing the cutting front length and cutting gap width by adjusting the secondary movement of the laser beam. The inventors' experiments have shown that by creating a sufficiently large pressure cushion, the feed speed can be increased without significant losses in the quality of the cut edges. Complicated path planning of the secondary movement is not necessary.
Beim Schneiden metallischer Werkstoffe mit Hilfe eines in eine Sekundärbewegung versetzten Laserstrahls („Scanner-Schneiden“) wird der Laserstrahl beispielsweise mittels eines oder mehrerer Scanner-Spiegel in Längsrichtung und/oder quer zum Schnittspalt hin und her bewegt. Diese Sekundärbewegung wird einer Vorschubbewegung des Laserschneidkopfs, aus dem der Laserstrahl in Richtung auf die Werkstückoberfläche austritt, überlagert. Form und Amplitude der Sekundärbewegung werden im Wesentlichen zum möglichst gleichzeitigen Erreichen der beiden folgenden Optimierungsziele gewählt:
- • Beleuchtung eines ausreichend langen Teils der Schnittfront durch eine Komponente der Sekundärbewegung in Längsrichtung des Schnittspalts, um eine flachere Neigung der Schnittfront und dadurch eine Erhöhung der Absorption der auf die Schnittfront einwirkenden Laserleistung zu erreichen.
- • Erzeugung eines ausreichend breiten Schnittspaltes durch eine Komponente der Sekundärbewegung quer zum Schnittspalt, um den Austrieb der Schmelze zu verbessern.
- • Illumination of a sufficiently long part of the cutting front by a component of the secondary movement in the longitudinal direction of the cutting gap in order to achieve a flatter inclination of the cutting front and thereby increasing the absorption of the laser power acting on the cutting front.
- • Creation of a sufficiently wide cutting gap through a component of the secondary movement transverse to the cutting gap in order to improve the expulsion of the melt.
Eine adäquate Anpassung der Länge des beleuchteten Teils der Schnittfront an die zur Verfügung stehende Leistung des Laserstrahls ermöglicht, insbesondere beim Schmelzschneiden mit inerten Schneidgasen unter hohem Druck, eine Steigerung der Schneidgeschwindigkeit und leistet auch einen positiven Beitrag zur Qualität der erzeugten Schnittkanten. Durch die flachere Neigung der Schnittfront und die verbesserte Absorption der Laserleistung wird die Schmelzfilmoberflächentemperatur erhöht und so die Viskosität und Oberflächenspannung der Schmelze minimiert und der Austrieb der Schmelze verbessert. Auf diese Weise wird die Gratanhaftung reduziert.An adequate adaptation of the length of the illuminated part of the cutting front to the available power of the laser beam enables an increase in the cutting speed, especially when melt cutting with inert cutting gases under high pressure, and also makes a positive contribution to the quality of the cut edges produced. Due to the flatter inclination of the cutting front and the improved absorption of the laser power, the melt film surface temperature is increased, thus minimizing the viscosity and surface tension of the melt and improving the expulsion of the melt. In this way, burr adhesion is reduced.
Auch durch eine Vergrößerung der Schnittspaltbreite lassen sich die Beschleunigung und der Austrieb der Schmelze verbessern. Dadurch steigt die Qualität der erzeugten Schnittkanten insbesondere hinsichtlich der Anhaftung erstarrter Schmelze an der Werkstückunterseite („Gratbildung“).The acceleration and expulsion of the melt can also be improved by increasing the cutting gap width. This increases the quality of the cut edges produced, particularly with regard to the adhesion of solidified melt to the underside of the workpiece (“burr formation”).
Erfindungsgemäß wurde erkannt, dass für weitere Prozessverbesserungen beim Scannerschneiden eine gezielte Beeinflussung der Gasströmung des Schneidgases nötig ist.According to the invention, it was recognized that for further process improvements in scanner cutting, a targeted influence on the gas flow of the cutting gas is necessary.
Beim Laserschneiden metallischer Werkstücke wird üblicherweise die entstehende Schmelze durch einen Gasstrahl aus dem Schnittspalt ausgetrieben. Der Gasstrahl tritt unter einem typischen Kesseldruck zwischen 1 bar und 30 bar aus einer zylindrisch geformten Düsenmündung der am Schneidkopf angeordneten Düse aus. Dieser Schneidgasstrahl erfährt während seiner weiteren Ausbreitung aufgrund seiner Kompressibilität eine mit dem Kesseldruck skalierende Aufweitung, deren Gestalt auf den ersten Millimetern nach dem Austritt aus der Düsenmündung der Innenkontur einer Laval-Düse entspricht. Trifft der Schneidgasstrahl im weiteren Verlauf seiner Ausbreitung im Schnittspalt nun auf die Oberfläche der Schnittfront (Schneidfront) des Schnittspalts, so prallt er aufgrund seiner elastischen Kompressibilität von dieser ab und ändert hierdurch seine Ausbreitungsrichtung von der Schnittfront weg in den bereits gebildeten Schnittspalt hinein.When laser cutting metal workpieces, the resulting melt is usually expelled from the cutting gap using a gas jet. The gas jet emerges from a cylindrically shaped nozzle mouth of the nozzle arranged on the cutting head under a typical boiler pressure of between 1 bar and 30 bar. As it continues to spread, due to its compressibility, this cutting gas jet experiences an expansion that scales with the boiler pressure, the shape of which corresponds to the inner contour of a Laval nozzle in the first millimeters after emerging from the nozzle mouth. If the cutting gas jet hits the surface of the cutting front (cutting front) of the cutting gap as it continues to propagate in the cutting gap, it bounces off of it due to its elastic compressibility and thereby changes its direction of propagation away from the cutting front into the cutting gap that has already been formed.
Die auf den Schneidgasstrahl einwirkenden Reibungskräfte im Kontakt mit den Schnittspaltoberflächen bremsen diesen entlang der Schnittfront ab und neigen die Ausbreitungsrichtung des Schneidgasstrahls daher noch zusätzlich von der Schnittfront weg in den bereits gebildeten Schnittspalt hinein. Diese Effekte skalieren mit dem Quadrat der Gasströmungsgeschwindigkeit, welche wiederum aus dem Kesseldruck im Inneren der Schneidgasdüse resultiert.The frictional forces acting on the cutting gas jet in contact with the cutting gap surfaces slow it down along the cutting front and therefore additionally tilt the direction of propagation of the cutting gas jet away from the cutting front into the already formed cutting gap. These effects scale with the square of the gas flow velocity, which in turn results from the vessel pressure inside the cutting gas nozzle.
In Folge dieser beiden Effekte verliert der Schneidgasstrahl bei Verfahren nach dem Stand der Technik ab einer gewissen Eindringtiefe in den Schnittspalt den direkten Kontakt mit der Schnittfrontoberfläche. Diese Position auf der Schnittfrontoberfläche wird als Ablösepunkt bezeichnet. Die Erfinder haben erkannt, dass die Tiefe von dessen Lage im Schnittspalt mit der Ausdehnung des Gasdruckpolsters auf der Werkstückoberfläche und mit der maximal erzielten Schneidgasgeschwindigkeit im Schnittspalt steigt, welche wiederum mit dem eingesetzten Kesseldruck in der Düsenmündung skaliert. Unterhalb des Ablösepunktes sind die Wandreibungskräfte zwischen Schneidgasstrahl und Schmelzfilmoberfläche signifikant reduziert, wodurch die Schmelze auf der Schnittfrontoberfläche unterhalb des Ablösepunktes nur noch unzureichend beschleunigt bzw. aus dem Schnittspalt ausgeblasen wird. Hierdurch haftet ein Teil der Schmelze an der Werkstückunterseite an und erstarrt dort als sicht- und spürbarer Grat.As a result of these two effects, in methods according to the prior art, the cutting gas jet loses direct contact with the cutting front surface from a certain depth of penetration into the cutting gap. This position on the cut front surface is called the separation point. The inventors have recognized that the depth of its position in the cutting gap increases with the expansion of the gas pressure cushion on the workpiece surface and with the maximum cutting gas speed achieved in the cutting gap, which in turn scales with the boiler pressure used in the nozzle mouth. Below the release point, the wall friction forces between the cutting gas jet and the melt film surface are significantly reduced, as a result of which the melt on the cutting front surface below the release point is only insufficiently accelerated or blown out of the cutting gap. As a result, part of the melt adheres to the underside of the workpiece and solidifies there as a visible and noticeable ridge.
Neben dem Düsendurchmesser und dem Kesseldruck des Schneidgases bestimmt auch die Neigung der Schnittfront die Lage des Ablösepunktes auf derselben: Mit abnehmender Schnittfrontneigung wandert der Ablösepunkt in Richtung der Werkstückoberfläche. Eine durch die Sekundärbewegung des Laserstrahls flacher verlaufende Schnittfront resultiert also im gleichen, nachteiligen Effekt auf die Ausbreitungseigenschaften des Schneidgasstrahls im Schnittspalt wie eine Verengung des Schnittspalts.In addition to the nozzle diameter and the vessel pressure of the cutting gas, the inclination of the cutting front also determines the position of the release point on it: as the inclination of the cutting front decreases, the release point moves towards the workpiece surface. A cutting front that is flatter due to the secondary movement of the laser beam results in the same disadvantageous effect on the propagation properties of the cutting gas jet in the cutting gap as a narrowing of the cutting gap.
Auf beide Effekte müsste nach dem Stand der Technik bei gegebenem Düsendurchmesser mit einer Erhöhung des Schneidgasdrucks reagiert werden, um einen Rückgang der Schnittkantenqualität zu kompensieren.According to the state of the art, both effects would have to be responded to by increasing the cutting gas pressure for a given nozzle diameter in order to compensate for a decline in the cutting edge quality.
Die Erhöhung des Schneidgasdrucks führt bei Verwendung eines kleinen Düsendurchmessers allerdings zu deutlich höheren Geschwindigkeiten des Schneidgasstrahls beim Austritt aus der Düsenöffnung. Zunehmend hohe Geschwindigkeiten des Schneidgasstrahls bei dessen Eintritt in den Schnittspalt erhöhen den Neigungswinkel der Schnittfront an deren oberem Ende. Im Extremfall (ein Winkel von 90°) wird auf dem senkrecht verlaufenden Bereich der Schnittfront nahezu keine Laserleistung mehr absorbiert, woraus eine starke Abkühlung der von der Werkstückoberfläche aus in den Schnittspalt hineinfließenden Metallschmelze resultiert. Staut sich der Schmelzfilm aufgrund dieser Abkühlung im weiteren Verlauf der Schnittfront zunehmend auf, kann daraus, trotz Erhöhung des Schneidgasdrucks, eine weitere Verschiebung des Ablösepunktes zur Blechoberfläche hin resultieren. Das Resultat einer solchen Verschiebung wäre - trotz Erhöhung des Schneidgasdrucks - eine Abnahme der möglichen Schneidgeschwindigkeit bei gleichzeitiger Zunahme der Gratbildung. Aus diesen Gründen lässt sich die Lage des Ablösepunkts der Gasströmung im Schnittspalt beim Scannerschneiden nicht einfach durch eine Erhöhung des Gasdrucks verbessern. However, when using a small nozzle diameter, increasing the cutting gas pressure leads to significantly higher speeds of the cutting gas jet when it emerges from the nozzle opening. Increasingly high speeds of the cutting gas jet as it enters the cutting gap increase the angle of inclination of the cutting front at its upper end. In extreme cases (an angle of 90°), almost no laser power is absorbed on the vertical area of the cutting front, which results in a strong cooling of the molten metal flowing from the workpiece surface into the cutting gap. If the melt film builds up increasingly as the cutting front progresses due to this cooling, this can result in a further shift of the release point towards the sheet metal surface, despite an increase in the cutting gas pressure. The result of such a shift would be - despite an increase in the cutting gas pressure - a decrease in the possible cutting speed with a simultaneous increase in burr formation. For these reasons, the position of the release point of the gas flow in the cutting gap during scanner cutting cannot be improved simply by increasing the gas pressure.
Erfindungsgemäß wurde erkannt, dass es, um das Potential einer Steigerung der Prozesseffizienz durch eine reduzierte Neigung der Schnittfront optimal nutzen zu können, erforderlich ist, ein ausgedehntes Schneidgasdruckpolster auf der Werkstückoberfläche zu generieren. Dessen große Ausdehnung in Vorschubrichtung ermöglicht es, trotz einer signifikanten Reduzierung der Schnittfrontneigung (von ca. 88° - 87° ohne Sekundärbewegung des Laserstrahls auf bis zu 80° durch Anwendung einer vorschubparallelen Sekundärbewegung) weiterhin eine Position des Ablösungspunktes unterhalb der Werkstückunterseite, d.h. außerhalb des Schnittspaltes, zu erreichen.According to the invention, it was recognized that in order to optimally utilize the potential for increasing process efficiency through a reduced inclination of the cutting front, it is necessary to generate an extensive cutting gas pressure cushion on the workpiece surface. Its large expansion in the feed direction makes it possible, despite a significant reduction in the cutting front inclination (from approx. 88° - 87° without secondary movement of the laser beam to up to 80° by using a secondary movement parallel to the feed), to still have a position of the detachment point below the underside of the workpiece, i.e. outside of the cutting gap.
Die Erzeugung eines möglichst ausgedehnten Gasdruckpolsters auf der Werkstückoberfläche bewirkt insbesondere die folgenden vorteilhaften Effekte:
- • Maximale geometrische Schnittspaltüberdeckung durch das Schneidgas in Vorschubrichtung: Daraus resultiert ein minimiertes „Auffächern““ des Schneidgasstrahls im Schnittspalt und ein hoher nach unten gerichteter Anteil der Schneidgasströmung. Ein Ablösen der Schneidgasströmung von der Schnittfrontoberfläche wird verhindert und eine Oxidation der beiden Schnittkanten oder eine Gratanhaftung wird minimiert.
- • Der erforderliche Schneidgasdruck wird verringert: Daraus resultiert eine geringere Strömungsgeschwindigkeit des Gasstrahls beim Eintritt in den Schnittspalt und damit eine größere Schnittfrontneigung. Der Absorptionsgrad der Laserstrahlung auf der Schnittfrontoberfläche wird erhöht und damit ebenso die Temperatur der Schmelzfilmoberfläche, während Viskosität und Oberflächenspannung der Schmelze sinken. Es wird ein verbesserter Schmelzaustrieb, d. h. eine geringere Wellen- oder Tropfenbildung auf der Schmelzfilmoberfläche und eine kleinere Rauigkeit der Schnittkantenoberfläche, kleinere Größe der Schmelzetropfen und reduzierte Gratanhaftung erreicht.
- • Maximum geometric cutting gap coverage by the cutting gas in the feed direction: This results in a minimized “fanning out” of the cutting gas jet in the cutting gap and a high downward proportion of the cutting gas flow. Detachment of the cutting gas flow from the cutting front surface is prevented and oxidation of the two cutting edges or burr adhesion is minimized.
- • The required cutting gas pressure is reduced: This results in a lower flow speed of the gas jet when it enters the cutting gap and thus a greater inclination of the cutting front. The degree of absorption of the laser radiation on the cut front surface is increased and with it the temperature of the melt film surface, while the viscosity and surface tension of the melt decrease. Improved melt expulsion is achieved, ie less wave or drop formation on the melt film surface and a smaller roughness of the cut edge surface, smaller size of the melt drops and reduced burr adhesion.
Das Schneidgas kann mit einem Kesseldruck von wenigstens 1 bar, bevorzugt wenigstens 3 bar, besonders bevorzugt wenigstens 5 bar, und/oder höchstens 25 bar, bevorzugt höchstens 15 bar, besonders bevorzugt höchstens 10 bar, aus der Schneiddüse austreten.The cutting gas can exit the cutting nozzle with a boiler pressure of at least 1 bar, preferably at least 3 bar, particularly preferably at least 5 bar, and/or at most 25 bar, preferably at most 15 bar, particularly preferably at most 10 bar.
Die Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens kommen beim Schneiden von Kurven (sog. „Kurvenfahrt“) besonders deutlich zum Tragen. Ein Krümmungsradius der Schneidkontur kann höchstens 100 mm, bevorzugt höchstens 50 mm, besonders bevorzugt höchstens 30 mm, betragen. Die Vorschubgeschwindigkeit der primären Vorschubbewegung beim Durchfahren der Kurve kann wenigstens 5 m/min, bevorzugt wenigstens 10 m/min, besonders bevorzugt wenigstens 15 m/min, betragen.The advantages of the method according to the invention are particularly evident when cutting curves (so-called “curving”). A radius of curvature of the cutting contour can be at most 100 mm, preferably at most 50 mm, particularly preferably at most 30 mm. The feed rate of the primary Feed movement when driving through the curve can be at least 5 m/min, preferably at least 10 m/min, particularly preferably at least 15 m/min.
Die während einer Geradeausfahrt als (vereinfacht betrachtet) linear verlaufender Halbzylinder beschreibbare Gestalt der Schnittfrontoberfläche wandelt sich während einer Änderung der Schneidrichtung (d.h. einer Kurven- oder Eckenfahrt) in eine gewundene Gestalt, welche anschaulich als Ausschnitt aus einer Spirale beschrieben werden kann.The shape of the cutting front surface, which can be described as a (simply viewed) linear half-cylinder when driving straight ahead, changes into a sinuous shape during a change in the cutting direction (i.e. when driving around a curve or corner), which can be clearly described as a section of a spiral.
Der Schneidgasstrahl strömt im Schnittspalt während einer Änderung der Vorschubrichtung (Kurvenfahrt), seiner Massenträgheit folgend, zunehmend entlang der äußeren Schnittspaltoberfläche. Abhängig vom Kurvenradius löst sich der Schneidgasstrahl bei den bisher üblichen Scannerschneidprozessen im Extremfall vollständig von der Oberfläche der inneren Schnittspaltoberfläche ab.The cutting gas jet flows in the cutting gap during a change in the feed direction (curving), following its inertia, increasingly along the outer cutting gap surface. Depending on the curve radius, in extreme cases the cutting gas jet detaches completely from the surface of the inner cutting gap surface in the previously common scanner cutting processes.
Eine Folge dieser strömungsmechanischen Effekte kann, zusätzlich zum reduzierten Schmelzaustrieb auf der innenliegenden Schnittspaltoberfläche, auch das Einsaugen von Umgebungsatmosphäre in den Schnittspalt sein, was zu einer vom Kurvenradius abhängigen Oxidation der jeweils innenliegenden Schnittkantenoberfläche führen kann. Folgt die Richtungsänderung des Schneidprozesses immer kleineren Kurvenradien, führt die immer stärker nachlassende, austreibende Wirkung des Schneidgasstrahls auf die Schmelze auf der innenliegenden Oberfläche des Schnittspaltes im Bereich des Richtungswechsels auch zu einer vermehrten Anhaftung der Schmelze am unteren Ende der Schnittkante („Gratbildung“).A consequence of these fluid mechanical effects can, in addition to the reduced melt expulsion on the inner cutting gap surface, also be the suction of ambient atmosphere into the cutting gap, which can lead to oxidation of the inner cutting edge surface depending on the curve radius. If the change in direction of the cutting process follows ever smaller curve radii, the increasingly weakening, expelling effect of the cutting gas jet on the melt on the inner surface of the cutting gap in the area of the change of direction also leads to increased adhesion of the melt to the lower end of the cutting edge (“burr formation”).
Eine nach dem Stand der Technik aus strömungsmechanischer Sicht durchzuführende Gegenmaßnahme stellt bei gegebenem Mündungsdurchmesser der Düse und gegebenem Schneidgasdruck eine Verbreiterung des Schnittspaltes durch eine Vergrößerung der Pendelamplitude quer zum Schnittspalt dar. Hierdurch sinkt der Strömungswiderstand, welcher im Schnittspalt auf den Gasstrahl wirkt, wodurch der Gasstrahl mit höherer Geschwindigkeit und über einen größeren Bereich der Schnittfront hinweg mit der Schnittfront in Kontakt bleibt. Ein größerer Anteil des Schneidgasstrahls strömt parallel zur Schnittfrontoberfläche durch den Schnittspalt, woraus ein effizienterer Schmelzaustrieb mit geringerer Gratbildung resultiert.A countermeasure to be carried out according to the state of the art from a fluid mechanics point of view is, for a given mouth diameter of the nozzle and a given cutting gas pressure, a widening of the cutting gap by increasing the pendulum amplitude transverse to the cutting gap. This reduces the flow resistance which acts on the gas jet in the cutting gap, thereby reducing the gas jet remains in contact with the cutting front at higher speed and over a larger area of the cutting front. A larger proportion of the cutting gas jet flows through the cutting gap parallel to the cutting front surface, resulting in more efficient melt expulsion with less burr formation.
Die bisherige Reaktion auf die strömungsmechanischen Erfordernisse einer Kurvenfahrt liegt also in der Vergrößerung der Amplitude der Pendelbewegung quer zur Vorschubrichtung. Hieraus resultiert jedoch, falls die Umschaltung der Pendelbewegung digital erfolgt, eine sichtbare Stufe in der Oberfläche der Schnittkante, was gemeinhin als mangelhafte Qualität der Schnittkantenoberfläche angesehen wird und daher zu vermeiden ist.The previous reaction to the fluid mechanical requirements of cornering has been to increase the amplitude of the pendulum movement transversely to the feed direction. However, if the pendulum movement is switched digitally, this results in a visible step in the surface of the cutting edge, which is generally viewed as poor quality of the cutting edge surface and should therefore be avoided.
Eine Verbreiterung des Schnittspaltes erhöht auch unmittelbar das Werkstoff-Volumen, welches pro Zeiteinheit vom Laserstrahl aufgeschmolzen und vom Gasstrahl ausgetrieben werden muss. Gleichzeitig sinkt die mittlere Laserstrahlintensität auf der Schnittfrontoberfläche und hierdurch auch die Temperatur des Schmelzfilms. Um bei gegebener Laserleistung die Temperatur des Schmelzfilms trotz verbreitertem Schnittspalt weiterhin ausreichend hoch und damit die Viskosität ausreichend niedrig halten zu können, muss daher gleichzeitig auch die Schnittgeschwindigkeit reduziert werden, um der begrenzten Laserleistung die erforderliche längere Wechselwirkungszeit zum Erhitzen des größeren Materialvolumens zu ermöglichen.Widening the cutting gap also directly increases the volume of material that has to be melted by the laser beam and expelled by the gas jet per unit of time. At the same time, the average laser beam intensity on the cut front surface decreases and as a result the temperature of the melt film also decreases. In order to be able to keep the temperature of the melt film sufficiently high and thus the viscosity sufficiently low for a given laser power despite the widened cutting gap, the cutting speed must also be reduced at the same time in order to allow the limited laser power the longer interaction time required to heat the larger volume of material.
Bei einer für die Bearbeitung mittlerer Blechdicken üblichen Vorschubgeschwindgeit von 10 m/min legt der Laserstrahl auf der Blechoberfläche pro Sekunde eine Wegstrecke von 166,7 mm zurück. Die Übertragung digitaler Signale zwischen den verschiedenen Teilnehmern der für den Betrieb eines Laser-Materialbearbeitungssystems erforderlichen Steuerungsarchitektur findet in festen Takten mit typischen Taktzeiten von ca. 3 - 9 ms statt. Wenn z. B. die Bahnsteuerung (NC) der Laserschneidanlage sowohl der Steuerung des Scanners wie auch der Steuerung des Lasers zum gleichen Zeitpunkt den Befehl übermittelt, neue Betriebsparameter auszuführen, besteht die Möglichkeit, dass Scanner und Laser die durch die NC angeforderte Änderung Ihrer Betriebsparameter (Pendelfigur, Laserleistung) mit einem zeitlichen Versatz in der Größenordnung 3 ms bis 9 ms voneinander ausführen. Bezogen auf die hiervon unbetroffene Bewegung der Schneidgasdüse über die Werkstückoberfläche würde dies dazu führen, dass Scanner oder Laser erst an bis zu 1,5 mm auseinanderliegenden Bahnpunkten damit beginnen, die neuen Betriebsparameter tatsächlich umzusetzen. Die Folge einer dergestalt verzögerten Umsetzung digitaler Informationen wäre also ein bis zu 1,5 mm langer Bereich entlang der Schnittkante, in welchem keine korrekte Abstimmung zwischen Bahngeschwindigkeit, Pendelfigur oder Laserleistung stattgefunden hat, was typischerweise eine sichtbare negative Veränderung der Schnittkantenqualität in diesem Bereich zur Folge hat.At a feed speed of 10 m/min, which is typical for processing medium-sized sheet metal thicknesses, the laser beam covers a distance of 166.7 mm per second on the sheet surface. The transmission of digital signals between the various participants in the control architecture required to operate a laser material processing system takes place in fixed cycles with typical cycle times of approx. 3 - 9 ms. If e.g. For example, if the path control (NC) of the laser cutting system sends the command to execute new operating parameters to both the scanner control and the laser control at the same time, it is possible that the scanner and laser will implement the change in their operating parameters requested by the NC (pendulum figure, Laser power) with a time offset of the order of 3 ms to 9 ms from each other. In relation to the unaffected movement of the cutting gas nozzle over the workpiece surface, this would result in scanners or lasers only beginning to actually implement the new operating parameters at path points that are up to 1.5 mm apart. The result of such a delayed implementation of digital information would be an area up to 1.5 mm long along the cutting edge in which there was no correct coordination between path speed, pendulum figure or laser power, which typically results in a visible negative change in the cutting edge quality in this area has.
Alle diese negativen Effekte können vermieden werden, wenn ein ausgedehntes Gasdruckpolster auf der Werkstückoberfläche erzeugt wird: Hierdurch ist es nicht notwendig, während der Kurvenfahrt die Scanamplitude quer zum Schnittspalt zu ändern.All of these negative effects can be avoided if an extensive gas pressure cushion is created on the workpiece surface: This means that it is not necessary to change the scanning amplitude across the cutting gap while cornering.
Gemäß einer Variante weist die Schneiddüse eine Düsenhülse auf, die in Richtung einer Düsenlängsachse verschieblich zu einem Grundkörper der Schneiddüse gelagert ist und über das werkstückseitige Ende des Grundkörpers hinausragt, wobei die Düsenhülse dazu eingerichtet ist, das Druckpolster seitlich zu begrenzen. Vorzugsweise kann die Düsenhülse beim Schneiden mit der Werkstückoberfläche in Kontakt gebracht werden. Auf diese Weise bildet die Düsenhülse unterhalb der Düsenmündung und gemeinsam mit der Werkstückoberfläche eine Druckkammer aus, innerhalb derer sich das Druckpolster aufbaut. Die Düsenhülse vereinfacht, mit anderen Worten, die Ausbildung eines Druckpolsters, dessen Ausdehnung den Innenmaßen der Düsenhülse entspricht. Die Düsenhülse ist derart an der Schneiddüse (bzw. an deren Grundkörper) angeordnet, dass sie eine Düsenmündung, aus der das Schneidgas beim Schneiden austritt, umgibt. Durch die verschiebbare Düsenhülse wird eine seitliche Abströmung des Schneidgases parallel zur Werkstückoberfläche verhindert, so dass das Gasdruckpolster bei vergleichsweise geringem Kesseldruck des Schneidgases in ausreichender Weise ausgebildet wird. Für weitere Merkmale der Schneidgasdüse mit der Düsenhülse sei auf
Die Düsenhülse kann einen Innendurchmesser von 10 mm bis 15 mm, vorzugsweise von etwa 12 mm aufweisen. Bei einer Langlochöffnung bezieht sich das Maß des Innendurchmessers auf die Länge der Öffnung, das heißt die Ausdehnung der Langlochöffnung längs zur primären Vorschubbewegung. Hierdurch kann ein entsprechend großes Druckpolster eingerichtet werden.The nozzle sleeve can have an inner diameter of 10 mm to 15 mm, preferably about 12 mm. In the case of an elongated hole opening, the dimension of the inner diameter refers to the length of the opening, i.e. the extent of the elongated hole opening along the primary feed movement. This allows a correspondingly large pressure cushion to be set up.
Gemäß einer alternativen Variante kann die Schneiddüse eine Öffnung mit einem Öffnungsdurchmesser von mindestens 6 mm, bevorzugt mindestens 7 mm, aufweisen, wobei ein Abstand der werkstückseitigen Düsenstirnfläche zur Werkstückoberfläche höchstens 0,7 mm, bevorzugt höchstens 0,5 mm, beträgt. Bei Verwendung einer Schneiddüse mit Langlochöffnung bezieht sich das Maß des Öffnungsdurchmessers auf die Länge der Öffnung, das heißt auf die Ausdehnung der Langlochöffnung entlang der primären Vorschubbewegung. Bei einem Düsendurchmesser von 10 mm und einem Kesseldruck des Schneidgases von 8 bar kann bei Anwendung dieser Variante ein Druckpolster mit einem maximalen Druck von über 7 bar erzeugt werden.According to an alternative variant, the cutting nozzle can have an opening with an opening diameter of at least 6 mm, preferably at least 7 mm, with a distance between the workpiece-side nozzle end face and the workpiece surface being at most 0.7 mm, preferably at most 0.5 mm. When using a cutting nozzle with an elongated hole opening, the dimension of the opening diameter refers to the length of the opening, i.e. the extent of the elongated hole opening along the primary feed movement. With a nozzle diameter of 10 mm and a cutting gas pressure of 8 bar, using this variant can create a pressure cushion with a maximum pressure of over 7 bar.
Gemäß einer weiteren alternativen Variante kann die Schneiddüse eine Öffnung mit einem Öffnungsdurchmesser von weniger als 3 mm aufweisen und ein Abstand der werkstückseitigen Düsenstirnfläche zur Werkstückoberfläche kann mindestens 4 mm betragen. Auch hier bezieht sich das Maß des Öffnungsdurchmessers auf die Ausdehnung der Öffnung längs zur primären Vorschubbewegung. Ein Kesseldruck des Schneidgases kann bei dieser Variante wenigstens 16 bar betragen. Auf diese Weise erzeugt die natürliche Expansion des Gasstrahls nach dem Austritt aus der Düsenmündung ein Druckpolster auf der Werkstückoberfläche mit einer ungefähr zweifach größeren Ausdehnung des Schneidgasstrahls als in der Düsenmündung.According to a further alternative variant, the cutting nozzle can have an opening with an opening diameter of less than 3 mm and a distance between the workpiece-side nozzle end face and the workpiece surface can be at least 4 mm. Here too, the dimension of the opening diameter refers to the extent of the opening along the primary feed movement. In this variant, the boiler pressure of the cutting gas can be at least 16 bar. In this way, the natural expansion of the gas jet after exiting the nozzle mouth creates a pressure cushion on the workpiece surface with an expansion of the cutting gas jet that is approximately twice as large as in the nozzle mouth.
Vorzugsweise weist das Druckpolster eine Ausdehnung quer zur Schneidrichtung auf, die wenigstens 10-mal so groß ist, wie der von dem Laserstrahl bestrahlte Bereich an der Werkstückoberfläche quer zur primären Vorschubbewegung. Die oben beschriebenen vorteilhaften Wirkungen treten dann, insbesondere beim Schneiden von gekrümmten Konturen, besonders deutlich zu Tage.Preferably, the pressure pad has an extent transverse to the cutting direction that is at least 10 times as large as the area on the workpiece surface irradiated by the laser beam transverse to the primary feed movement. The advantageous effects described above then become particularly clear, particularly when cutting curved contours.
Das Verfahren kann ein Schmelzschneidprozess sein. Vorzugsweise wird als Schneidgas Stickstoff oder ein Stickstoff-Sauerstoff-Gemisch, insbesondere Druckluft, eingesetzt.The process may be a melt cutting process. Nitrogen or a nitrogen-oxygen mixture, in particular compressed air, is preferably used as the cutting gas.
Vorzugsweise wird das Druckpolster bei einer Änderung der primären Vorschubbewegung, insbesondere bei einer Richtungsänderung der primären Vorschubbewegung (d. h. einer Kurvenfahrt) unverändert gehalten. Falls das Druckpolster längs und quer zur primären Vorschubbewegung unterschiedliche Ausdehnungen aufweist, wird das Druckpolster bei einer Kurvenfahrt gleichsam mitgedreht. Dadurch kann erreicht werden, dass das Druckpolster stets in der gewünschten Weise relativ zur primären Vorschubbewegung anliegt.Preferably, the pressure cushion is kept unchanged when the primary feed movement changes, in particular when the direction of the primary feed movement changes (i.e. when cornering). If the pressure cushion has different dimensions along and across the primary feed movement, the pressure cushion is rotated as it were when cornering. This can ensure that the pressure pad always lies in the desired manner relative to the primary feed movement.
Alternativ oder zusätzlich kann die Sekundärbewegung bei einer Änderung der primären Vorschubbewegung unverändert gehalten werden. Dies kann zunächst für die Form der Sekundärbewegung gelten. Vorzugsweise werden auch die Amplitude bzw. Geschwindigkeit der Sekundärbewegung unverändert gehalten. Insbesondere kann die Sekundärbewegung bei einer Richtungsänderung der primären Vorschubbewegung mitgedreht werden. Dadurch wird sichergestellt, dass die Komponenten der Sekundärbewegung längs und quer zur primären Vorschubbewegung in der gewünschten Weise erhalten bleiben.Alternatively or additionally, the secondary movement can be kept unchanged when the primary feed movement changes. This can initially apply to the form of the secondary movement. Preferably, the amplitude or speed of the secondary movement is also kept unchanged. In particular, the secondary movement can be rotated when the direction of the primary feed movement changes. This ensures that the components of the secondary movement are maintained in the desired manner along and transversely to the primary feed movement.
Eine Laserleistung des Laserstrahls kann wenigstens 0,5 kW, bevorzugt wenigstens 1 kW, und/oder höchstens 16 kW, bevorzugt höchstens 12 kW, betragen.A laser power of the laser beam can be at least 0.5 kW, preferably at least 1 kW, and/or at most 16 kW, preferably at most 12 kW.
Die Vorschubgeschwindigkeit der primären Vorschubbewegung kann wenigstens 5 m/min, bevorzugt wenigstens 10 m/min, besonders bevorzugt wenigstens 15 m/min, betragen. Grundsätzlich kann die Vorschubgeschwindigkeit der primären Vorschubgeschwindigkeit im Bereich von 0,1 m/min und 80 m/min liegen.The feed speed of the primary feed movement can be at least 5 m/min, preferably at least 10 m/min, particularly preferably at least 15 m/min. Basically, the feed speed of the primary feed Push speed is in the range of 0.1 m/min and 80 m/min.
Eine Amplitude der Sekundärbewegung längs zur primären Vorschubbewegung kann wenigstens 0,1 mm, bevorzugt wenigstens 0,5 mm, und/oder höchstens 3 mm, bevorzugt höchstens 2 mm, betragen. Eine Geschwindigkeit der Sekundärbewegung auf der Werkstückoberfläche kann vorzugsweise wenigstens 0,5 m/s, insbesondere wenigstens 1 m/s und/oder höchstens 2 m/s, insbesondere höchstens 1 m/s betragen.An amplitude of the secondary movement along the primary feed movement can be at least 0.1 mm, preferably at least 0.5 mm, and/or at most 3 mm, preferably at most 2 mm. A speed of the secondary movement on the workpiece surface can preferably be at least 0.5 m/s, in particular at least 1 m/s and/or at most 2 m/s, in particular at most 1 m/s.
Ebenfalls in den Rahmen der vorliegenden Erfindung fällt eine Laserschneidanlage, die zur Durchführung eines oben beschriebenen, erfindungsgemäßen Verfahrens eingerichtet ist. Die Laserschneidanlage ermöglicht somit die Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens, sodass dessen Vorteile realisiert werden.Also within the scope of the present invention is a laser cutting system which is set up to carry out a method according to the invention described above. The laser cutting system thus enables the method according to the invention to be carried out, so that its advantages are realized.
Die Laserschneidanlage weist insbesondere einen relativ zu einer Werkstückauflage bewegbaren Laserbearbeitungskopf mit einer Schneiddüse auf. Die Laserschneidanlage, ist dazu eingerichtet, die Schneiddüse mit einer primären Vorschubbewegung entlang einer Schneidkontur relativ zur Werkstückauflage zu bewegen. Die Laserschneidanlage ist ferner dazu eingerichtet, den Laserstrahl innerhalb der Schneiddüse mit einer Sekundärbewegung, welche eine Bewegungskomponente längs und/oder eine Bewegungskomponente quer zur primären Vorschubbewegung aufweist, zu bewegen. Weiterhin ist die Laserschneidanlage dazu eingerichtet, das Schneidgas so auf ein an der Werkstückauflage gehaltenes Werkstück zu blasen, dass sich an der Werkstückoberfläche ein Druckpolster ausbildet, dessen Ausdehnung längs zu der primären Vorschubbewegung wenigstens 10-mal so groß ist wie der von dem Laserstrahl aufgrund der Sekundärbewegung bestrahlte Bereich an der Werkstückoberfläche längs zur Vorschubbewegung.The laser cutting system in particular has a laser processing head with a cutting nozzle that can be moved relative to a workpiece support. The laser cutting system is set up to move the cutting nozzle with a primary feed movement along a cutting contour relative to the workpiece support. The laser cutting system is further set up to move the laser beam within the cutting nozzle with a secondary movement, which has a movement component longitudinally and/or a movement component transversely to the primary feed movement. Furthermore, the laser cutting system is set up to blow the cutting gas onto a workpiece held on the workpiece support in such a way that a pressure cushion is formed on the workpiece surface, the extent of which along the primary feed movement is at least 10 times as large as that of the laser beam due to the Secondary movement irradiated area on the workpiece surface along the feed movement.
Eine Steuereinrichtung kann programmiert sein, den Bearbeitungskopf, eine Laserstrahlquelle und eine Gasversorgungseinrichtung entsprechend anzusteuern.A control device can be programmed to correspondingly control the processing head, a laser beam source and a gas supply device.
Vorzugsweise weist die Laserschneidanlage eine Scannereinrichtung auf, um den Laserstrahl innerhalb der Schneiddüse zu bewegen. Die Scannereinrichtung vereinfacht das Erzeugen der Sekundärbewegung. Die Scannereinrichtung kann in dem Laserbearbeitungskopf angeordnet sein. Die Steuereinrichtung ist vorzugsweise dazu programmiert, die Scannereinrichtung so anzusteuern, dass der Laserstrahl die Sekundärbewegung ausführt.The laser cutting system preferably has a scanner device in order to move the laser beam within the cutting nozzle. The scanner device simplifies the generation of the secondary movement. The scanner device can be arranged in the laser processing head. The control device is preferably programmed to control the scanner device so that the laser beam carries out the secondary movement.
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 above-mentioned features and those further detailed can be used individually or in groups in any desired, practical combinations. The embodiments shown and described are not to be understood as an exhaustive list, but rather have an exemplary character for describing the invention.
AusführungsbeispieleExamples of embodiments
Die nachfolgende Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele dient im Zusammenhang mit den Zeichnungen der näheren Erläuterung der Erfindung.The following description of preferred exemplary embodiments serves to explain the invention in more detail in conjunction with the drawings.
Es zeigen:
-
1 eine erfindungsgemäße Laserschneidanlage zur Durchführung eines erfindungsgemäßen Laserschneidverfahrens, in einer schematischen Perspektivansicht; -
2 eine erste Schneiddüse für die Erfindung, in einer schematischen Schnittansicht; -
3 eine schematische Aufsicht auf ein Werkstück während eines erfindungsgemäßen Laserschneidverfahrens; -
4 eine zweite Schneiddüse für die Erfindung, in einer schematischen Schnittansicht; -
5 eine dritte Düse für die Erfindung, wobei die Schneiddüse eine an einem Düsenkörper geführte Düsenhülse zur Auflage auf einem Werkstück aufweist, in einer schematischen Schnittansicht.
-
1 a laser cutting system according to the invention for carrying out a laser cutting method according to the invention, in a schematic perspective view; -
2 a first cutting nozzle for the invention, in a schematic sectional view; -
3 a schematic top view of a workpiece during a laser cutting process according to the invention; -
4 a second cutting nozzle for the invention, in a schematic sectional view; -
5 a third nozzle for the invention, wherein the cutting nozzle has a nozzle sleeve guided on a nozzle body for resting on a workpiece, in a schematic sectional view.
Die Laserschneidanlage 10 weist eine Laserstrahlquelle 16 auf. Ein von der Laserstrahlquelle 16 erzeugter Laserstrahl wird durch eine Strahlführung 18 zu einem Bearbeitungskopf 20 geführt. Der Bearbeitungskopf 20 wird zum Schneiden des Werkstücks 12 entlang einer Schneidkontur 22 relativ zu dem Werkstück 12 bewegt. Die Schneidkontur 22 kann eine oder mehrere Kurven 23 aufweisen, deren Krümmungsradius weniger als beispielsweise 30 mm betragen kann.The
Der Laserstrahl 24 tritt gemeinsam mit einem Schneidgasstrahl 26 durch eine Düsenöffnung 27 einer Schneiddüse 28 des Bearbeitungskopfs 20 aus, vergleiche
Beim Schneiden des Werkstücks 12 wird der Bearbeitungskopf 20 mit einer primären Vorschubbewegung 32 entlang der Schneidkontur 22 über das Werkstück 12 geführt, vergleiche auch
Um dem Laserstrahl 24 die Sekundärbewegung 34 aufzuprägen, kann eine nicht näher dargestellte Scannereinrichtung in dem Bearbeitungskopf 20 vorgesehen sein. Zur Steuerung des Schneidvorgangs dient eine Steuereinrichtung 36 der Laserschneidanlage 10. Die Steuereinrichtung 36 steuert insbesondere die Bewegung des Bearbeitungskopf 24 im Rahmen der Primärbewegung 32, das zyklische Ablenken des Laserstrahls 24 im Rahmen der Sekundärbewegung 34 sowie den Schneidgasstrahl 26.In order to impart the
Das aus der Schneidedüse 28 ausströmende Schneidgas bildet auf einer dem Bearbeitungskopf 20 zugewandten Werkstückoberfläche 38 ein Druckpolster 40 aus. Das Schneidgas des Druckpolsters 40 unterstützt das Austreiben des aufgeschmolzenen Materials des Werkstücks 12 aus einem Schnittspalt 42.The cutting gas flowing out of the cutting
Das Druckpolster 40 ist im vorliegenden Fall oval. Eine Ausdehnung (Länge) 44 des Druckpolsters 40 in Richtung der primären Vorschubbewegung 32 ist mehr als 10-mal so groß wie der von dem Laserstrahl 24 aufgrund der Sekundärbewegung 34 bestrahlte Bereich 46 entlang der primären Vorschubbewegung 32. Dieser von dem Laserstrahl 24 aufgrund der Sekundärbewegung 34 bestrahlte Bereich entlang der primären Vorschubbewegung 32 entspricht hier dem Durchmesser des Laserstrahls 24 am Auftreffpunkt auf die Werkstückoberfläche 38 zuzüglich der doppelten Amplitude der Sekundärbewegung 34 in Richtung der primären Vorschubbewegung 32.The
Auch eine Ausdehnung (Breite) 48 des Druckpolsters 40 quer zur Richtung der primären Vorschubbewegung 32 ist hier mehr als 10-mal so groß wie der von dem Laserstrahl 24 aufgrund der Sekundärbewegung 34 bestrahlte Bereich 50 quer zu der primären Vorschubbewegung 32. Da im Ausführungsbeispiel von
Beim Durchfahren einer Kurve 23, vergleiche
Bei der Ausführungsform von
Zusammenfassend betrifft die Erfindung ein Laserschneidverfahren, bei welchem ein Laserstrahl 24 gemeinsam mit einem Schneidgasstrahl 26 auf ein Werkstück 12 trifft. Einer primären Vorschubbewegung 32 entlang einer Schneidkontur 22 ist eine zyklisch wiederholte Sekundärbewegung 34 überlagert. Das Schneidgas bildet auf der Werkstückoberfläche 38 ein Druckpolster 40 aus, dessen Ausdehnung 44, 48 wesentlich größer ist als, insbesondere mehr als 10-mal so groß wie, ein vom Laserstrahl durch die Sekundärbewegung erfasster Bereich.In summary, the invention relates to a laser cutting method in which a
BezugszeichenlisteReference symbol list
- 1010
- LaserschneidanlageLaser cutting system
- 1212
- Werkstückworkpiece
- 1414
- WerkstückauflageWorkpiece support
- 1616
- LaserstrahlquelleLaser beam source
- 1818
- StrahlführungBeam guidance
- 2020
- Bearbeitungskopfmachining head
- 2222
- Schneidkonturcutting contour
- 2323
- KurveCurve
- 2424
- Laserstrahllaser beam
- 2626
- Schneidgasstrahlcutting gas jet
- 2727
- Düsenöffnungnozzle opening
- 2828
- Schneiddüsecutting nozzle
- 3030
- GasversorgungseinrichtungGas supply facility
- 3232
- primäre Vorschubbewegungprimary feed movement
- 3434
- SekundärbewegungSecondary movement
- 3636
- SteuereinrichtungControl device
- 3838
- Werkstückoberflächeworkpiece surface
- 4040
- DruckpolsterPressure pad
- 4242
- Schnittspaltcutting gap
- 4444
-
Ausdehnung (Länge) des Druckpolsters 40Expansion (length) of the
pressure pad 40 - 4646
-
Bestrahlter Bereich entlang der primären Vorschubbewegung 32Irradiated area along the
primary feed movement 32 - 4848
-
Ausdehnung (Breite) des Druckpolsters 40Expansion (width) of the
pressure pad 40 - 8080
-
Bestrahlter Bereich quer zu der primären Vorschubbewegung 32Irradiated area transverse to the
primary feed movement 32 - 5050
-
Breite des Schnittspalts 42Width of the cutting
gap 42 - 54; 5554; 55
- ÖffnungsdurchmesserOpening diameter
- 5656
- Düsenstrinflächenozzle face surface
- 5858
- Düsenhülsenozzle sleeve
- 6060
- DüsengrundkörperNozzle base body
- 6262
- InnendurchmesserInner diameter
- A; A'A; A'
- AbstandDistance
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDED IN THE DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturCited patent literature
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- JP 2005279730 A [0004]JP 2005279730 A [0004]
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- WO 200085073 A1 [0004]WO 200085073 A1 [0004]
- DE 102015208157 B4 [0033]DE 102015208157 B4 [0033]
Claims (13)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE102022118281.9A DE102022118281A1 (en) | 2022-07-21 | 2022-07-21 | Laser cutting process with oscillating laser beam and optimized cutting gas supply |
Applications Claiming Priority (1)
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