DE102022118282A1

DE102022118282A1 - Laser cutting process with periodically recurring superimposed beam deflection

Info

Publication number: DE102022118282A1
Application number: DE102022118282.7A
Authority: DE
Inventors: Martin Bea
Original assignee: Trumpf Werkzeugmaschinen SE and Co KG
Current assignee: Trumpf Werkzeugmaschinen SE and Co KG
Priority date: 2022-07-21
Filing date: 2022-07-21
Publication date: 2024-02-01
Also published as: WO2024017574A1

Abstract

Bereitgestellt wird ein Verfahren zum Schneiden von Werkstücken (10) mittels eines Laserstrahls, bei dem einer primären Vorschubbewegung (20) des auf die Werkstückoberfläche (12) projizierten Laserstrahls eine sich periodisch wiederholende Sekundärbewegung (22) des Laserstrahls überlagert ist; wobei die Sekundärbewegung (22) wenigstens zwei, insbesondere geradlinige, Bahnabschnitte (40) umfasst, die in unterschiedliche Richtungen weisen; wobei ferner für die Sekundärbewegung (22) eine über die gesamte Strecke der Sekundärbewegung (22) oder über wenigstens einen der Bahnabschnitte (40) konstante Bahngeschwindigkeit vorgegeben wird; und wobei die Bahngeschwindigkeit derart gedrosselt vorgegeben wird, dass eine tatsächliche Bahngeschwindigkeit der Sekundärbewegung der vorgegebenen Bahngeschwindigkeit im Wesentlichen entspricht, sodass der Energieeintrag aus dem Laserstrahl in das Werkstück (20) über die gesamte Strecke der Sekundärbewegung (22) oder über wenigstens einen der Bahnabschnitte (40) im Wesentlichen konstant ist.A method is provided for cutting workpieces (10) using a laser beam, in which a periodically repeating secondary movement (22) of the laser beam is superimposed on a primary feed movement (20) of the laser beam projected onto the workpiece surface (12); wherein the secondary movement (22) comprises at least two, in particular rectilinear, path sections (40) which point in different directions; wherein a constant path speed is also specified for the secondary movement (22) over the entire distance of the secondary movement (22) or over at least one of the path sections (40); and wherein the path speed is throttled in such a way that an actual path speed of the secondary movement essentially corresponds to the predetermined path speed, so that the energy input from the laser beam into the workpiece (20) over the entire route of the secondary movement (22) or over at least one of the path sections ( 40) is essentially constant.

Description

Gebiet der ErfindungField of invention

Die vorliegende Erfindung betrifft das Gebiet des Laserschneidens. Insbesondere betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Schneiden eines Werkstücks mittels eines Laserstrahls, wobei einer primären Vorschubbewegung des Laserstrahls eine sich periodisch (bzw. zyklisch) wiederholende Sekundärbewegung des Laserstrahls überlagert ist.The present invention relates to the field of laser cutting. In particular, the invention relates to a method for cutting a workpiece using a laser beam, wherein a periodically (or cyclically) repeating secondary movement of the laser beam is superimposed on a primary feed movement of the laser beam.

Stand der TechnikState of the art

Laserschneidverfahren, bei denen der Vorschubbewegung des Schneidkopfes eine sich periodisch wiederholende Sekundärbewegung in Form einer Oszillationsbewegung oder Pendelbewegung des Laserstrahls durch eine Scanner-Optik überlagert ist (im Folgenden „Scanner-Schneiden“) sind seit längerem bekannt.Laser cutting processes in which the feed movement of the cutting head is superimposed by a periodically repeating secondary movement in the form of an oscillatory movement or pendulum movement of the laser beam through scanner optics (hereinafter “scanner cutting”) have been known for a long time.

Gegenüber herkömmlichen Laserschneidverfahren, bei denen sich die Bewegung des Laserstrahls auf die Vorschubbewegung des Schneidkopfes gegenüber dem Werkstück beschränkt (primäre Vorschubbewegung), bietet das Scanner-Schneiden diverse Vorteile. Beispielsweise kann durch die überlagerte zyklische Auslenkung des Laserstrahls quer zur primären Vorschubbewegung der Schnittspalt verbreitert werden, ohne, dass dabei z.B. Fokusdurchmesser oder Fokuslage des Laserstrahls verändert werden müssen. Durch ein Strahlpendeln längs zur primären Vorschubbewegung, wie beispielsweise in der DE 10 2008 053 397 B4 oder der WO 2020/008827 A1 beschrieben, kann ferner die Energieeinkopplung des Laserstrahls an der (leicht geneigten) Schneidfront verbessert werden.Compared to conventional laser cutting processes, in which the movement of the laser beam is limited to the feed movement of the cutting head relative to the workpiece (primary feed movement), scanner cutting offers various advantages. For example, the cutting gap can be widened by the superimposed cyclic deflection of the laser beam transversely to the primary feed movement, without the focus diameter or focus position of the laser beam having to be changed. By jet oscillation lengthwise to the primary feed movement, such as in the DE 10 2008 053 397 B4 or the WO 2020/008827 A1 described, the energy coupling of the laser beam at the (slightly inclined) cutting front can also be improved.

Mit dem Scanner-Schneiden können bei vergleichbarer Laserleistung dickere Werkstücke geschnitten werden als mit herkömmlichen Laserschneidverfahren. Gleichzeitig kann durch eine verbesserte Einkopplung des Prozessgasstrahls in den (breiteren) Schnittspalt die Qualität der Schnittkanten verbessert und die Ausbildung von Schmelzeanhaftungen an der Unterseite des geschnittenen Bauteils reduziert werden.With scanner cutting, thicker workpieces can be cut with comparable laser power than with conventional laser cutting processes. At the same time, by improving the coupling of the process gas jet into the (wider) cutting gap, the quality of the cut edges can be improved and the formation of melt deposits on the underside of the cut component can be reduced.

Die Oszillationsbewegungen des Laserstrahls werden durch eine entsprechende Oszillation wenigstens eines optischen Elements (klassischer Weise eines oder mehrerer Spiegel oder Linsen oder dem Ende einer strahlführenden Faser) im Schneidkopf einer Laserschneidanlage erzeugt. Vielfältige Möglichkeiten für die Ausführung von Scanner-Optiken werden beispielsweise in den folgenden Druckschriften beschrieben: JPS63177991A , US5303081A1 , JP1999156579 oder auch WO2019145536A1 .The oscillatory movements of the laser beam are generated by a corresponding oscillation of at least one optical element (classically one or more mirrors or lenses or the end of a beam-guiding fiber) in the cutting head of a laser cutting system. A variety of options for designing scanner optics are described, for example, in the following publications: JPS63177991A , US5303081A1 , JP1999156579 or WO2019145536A1 .

Grundsätzlich können beliebige ein-, zwei-, oder dreidimensionale Oszillationsmuster erzeugt werden. Mögliche Oszillationsmuster sind beispielsweise in den folgenden Druckschriften beschrieben: JPS60210384A , JPS63177991A , JP07185856A oder auch JP1999156579 .In principle, any one-, two- or three-dimensional oscillation patterns can be generated. Possible oscillation patterns are described, for example, in the following publications: JPS60210384A , JPS63177991A , JP07185856A or JP1999156579 .

Beim Scanner-Schneiden gilt es als erstrebenswert, mit einer möglichst hohen Oszillationsfrequenz des Laserstrahls zu schneiden. Durch eine hohe Oszillationsfrequenz kann bei vorgegebener Vorschubgeschwindigkeit eine über einen vorgegebenen Betrachtungszeitraum hinweg vergleichsweise große Fläche durch den Laserstrahl erfasst werden.When cutting with scanners, it is desirable to cut with the highest possible oscillation frequency of the laser beam. Due to a high oscillation frequency, a comparatively large area can be captured by the laser beam at a given feed rate over a given observation period.

Hohe Pendelgeschwindigkeiten werden mit Oszillations- bzw. Pendelfiguren erreicht, die auf harmonischen Pendelbewegungen des Laserstrahls basieren. Durch die Überlagerung harmonischer Schwingungen in x-Richtung und y-Richtung können diverse Pendelfiguren, sogenannte Lissajous-Figuren, erzeugt werden. Nachteilig an Oszillationsfiguren, denen eine harmonische Bewegungsfunktion zugrunde liegt, ist eine über den Verlauf der Figur ungleichmäßige Wärmeeinbringung in das Werkstück. Die Bahngeschwindigkeit, also die Geschwindigkeit, mit der der Laserstrahl aufgrund der Pendelbewegung über die Werkstückoberfläche bewegt wird, nimmt mit steigender Entfernung vom Zentrum der jeweiligen Pendelfigur ab. Zu einem maximalen Geschwindigkeitsgefälle kommt es bei geradlinigen Oszillationsmustern (z.B. Oszillation längs oder quer zur primären Vorschubbewegung, vgl. 2b, 3b und 4b).High pendulum speeds are achieved with oscillation or pendulum figures that are based on the harmonic pendulum movements of the laser beam. By superimposing harmonic oscillations in the x-direction and y-direction, various pendulum figures, so-called Lissajous figures, can be created. The disadvantage of oscillatory figures, which are based on a harmonious movement function, is that heat is introduced into the workpiece unevenly over the course of the figure. The path speed, i.e. the speed at which the laser beam is moved over the workpiece surface due to the pendulum movement, decreases as the distance from the center of the respective pendulum figure increases. A maximum speed gradient occurs with straight-line oscillation patterns (e.g. oscillation along or across the primary feed movement, cf. 2 B , 3b and 4b) .

Aufgrund der vergleichsweise geringen Bahngeschwindigkeit in den peripheren Bereichen des Oszillationsmusters (z.B. Enden einer linienförmigen Oszillationsbahn), wird das Werkstück an diesen Stellen vergleichsweise lange mit Laserstrahlung beaufschlagt. In den zentrumsnahen Bereichen der Oszillationsbahn ist die Bahngeschwindigkeit dagegen vergleichsweise hoch. In diesen Bereichen wird das Werkstück entsprechend kürzer mit Laserstrahlung beaufschlagt. Die Wärmeeinbringung in das Werkstück ist also in den Randbereichen eines auf einer oder mehreren harmonischen Schwingungen beruhenden Oszillationsmusters ungleich höher als in dessen Zentrum.Due to the comparatively low path speed in the peripheral areas of the oscillation pattern (e.g. ends of a linear oscillation path), the workpiece is exposed to laser radiation at these points for a comparatively long time. In the areas of the oscillation path near the center, however, the path speed is comparatively high. In these areas, the workpiece is exposed to laser radiation for a correspondingly shorter period of time. The heat input into the workpiece is therefore much higher in the edge areas of an oscillation pattern based on one or more harmonic vibrations than in its center.

Bei einer Oszillation des Laserstrahls, die auf einer harmonischen Bewegungsfunktion beruht, können im Zentrum des Oszillationsmusters (z.B. gerade Linie oder Lissajous-Figur) sogenannte Cold-Spots entstehen, also Bereiche, in denen nicht ausreichend Energie in das Werkstück eingebracht wird. Durch Cold-Spots kann beispielsweise eine in den Schnittspalt hinein gewölbte Schneidfront (bzw. Schnittfront) resultieren, da das Werkstück in der Mitte der Schneidfront nicht ausreichend aufgeschmolzen wird. Genauer gesagt wird der Verlauf der Heizleistung des Laserstrahls vom oberen zum unteren Ende der Schneidfront hin nicht nur durch die Abnahme der Laserstrahlintensität aufgrund seiner natürlichen Divergenz bestimmt, sondern zusätzlich auch durch das systematisch schwankende Geschwindigkeitsprofil der harmonischen Pendelbewegung überlagert. Hieraus resultiert im Bereich der Mitte der Pendelfigur ein relatives Minimum der auf die Schmelzfilmoberfläche einwirkenden Heizleistung des dort auftreffenden Laserstrahls. Die aus dem lokalen Minimum der Heizleistung resultierende, geringere Oberflächentemperatur des Schmelzfilms führt aufgrund der lokalen Zunahme der Viskosität sowie der Oberflächenspannung des Schmelzfilms zu einem lokalen Absinken der Fließgeschwindigkeit der Schmelze und somit zu einer lokalen Ansammlung („Aufdickung“) derselben, welche der Schneidfrontoberfläche in diesem Bereich eine konvex in den Schnittspalt hinein gewölbte, bauchige Gestalt verleiht.When the laser beam oscillates, which is based on a harmonic motion function, so-called cold spots can arise in the center of the oscillation pattern (e.g. straight line or Lissajous figure), i.e. areas in which insufficient energy is introduced into the workpiece. Cold spots can, for example, result in a cutting front (or cutting front) that is curved into the cutting gap, since the workpiece is in the middle of the cutting gap Cutting front is not sufficiently melted. More precisely, the course of the heating power of the laser beam from the upper to the lower end of the cutting front is not only determined by the decrease in the laser beam intensity due to its natural divergence, but is also superimposed by the systematically fluctuating speed profile of the harmonic pendulum movement. This results in a relative minimum of the heating power of the laser beam striking the melt film surface in the area of the center of the pendulum figure. The lower surface temperature of the melt film resulting from the local minimum of the heating power leads, due to the local increase in viscosity and the surface tension of the melt film, to a local decrease in the flow velocity of the melt and thus to a local accumulation (“thickening”) of the melt, which affects the cutting front surface gives this area a convex, bulbous shape that curves into the cutting gap.

Aus dem konvexen Verlauf der Schneidfrontoberfläche resultieren mehrere, systematische Nachteile. Einerseits steigt unterhalb des Scheitels der Aufdickung des Schmelzfilms der Strahleinfallswinkel zunehmend an, was aufgrund der winkelabhängigen Absorptionseigenschaften metallischer Werkstoffe (vgl. Fresnel-Absorption) zu einem zunehmend geringeren Absorptionsgrad und somit auch zu einer zunehmend geringeren Heizleistung des Laserstrahls zum unteren Ende der Schneidfront hin führt. Die hieraus resultierende Abkühlung der Schmelze mündet in einer Verstärkung der dünenartigen Ansammlung sich abkühlender Schmelze im darüberliegenden Bereich. Aufgrund seiner Massenträgheit erschwert es der konvexe Verlauf der Schneidfrontoberfläche dem Schneidgasstrahl weiterhin, mit dieser bis zu deren unterem Ende durchgängig in Kontakt zu bleiben. Falls sich der Schneidgasstrahl im Bereich des Scheitels der Aufdickung des Schmelzfilms von dessen Oberfläche ablöst, sinken die Reibungskräfte zwischen Schneidgasstrahl und Schmelzfilmoberfläche unterhalb des Ablösungspunktes deutlich ab, woraus ein ebenfalls deutlich reduzierter Schmelzaustrieb mit deutlich verstärkter Gratanhaftung an der Blechunterseite resultiert. Zusätzlich birgt eine Ablösung des Schneidgasstrahls von der Schneidfrontoberfläche immer auch die Gefahr in sich, im Bereich der Schneidfrontoberfläche unterhalb des Ablösungspunktes von der Schneidfront eine Unterdruckzone im Schnittspalt zu generieren, in welche dann sauerstoffreiche Umgebungsatmosphäre eingesaugt werden kann. Diese würde die resultierende Schnittkantenqualität durch eine dann einsetzende Oxidation der erzeugten Schnittkantenoberflächen - über eine verstärkte Gratanhaftung hinaus - noch weiter verschlechtern.The convex shape of the cutting front surface results in several systematic disadvantages. On the one hand, below the peak of the thickening of the melt film, the angle of incidence of the beam increases increasingly, which, due to the angle-dependent absorption properties of metallic materials (cf. Fresnel absorption), leads to an increasingly lower degree of absorption and thus also to an increasingly lower heating power of the laser beam towards the lower end of the cutting front . The resulting cooling of the melt leads to a strengthening of the dune-like accumulation of cooling melt in the area above. Due to its mass inertia, the convex shape of the cutting front surface makes it more difficult for the cutting gas jet to remain in continuous contact with it up to its lower end. If the cutting gas jet detaches from its surface in the area of the apex of the thickening of the melt film, the frictional forces between the cutting gas jet and the melt film surface decrease significantly below the detachment point, which also results in significantly reduced melt extrusion with significantly increased burr adhesion to the underside of the sheet metal. In addition, a separation of the cutting gas jet from the cutting front surface always entails the risk of generating a negative pressure zone in the cutting gap in the area of the cutting front surface below the point of separation from the cutting front, into which oxygen-rich ambient atmosphere can then be sucked in. This would further deteriorate the resulting cut edge quality due to the subsequent oxidation of the cut edge surfaces produced - beyond increased burr adhesion.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, den Stand der Technik zu verbessern. Insbesondere soll die Schnittkantenqualität beim Laserschneiden, insbesondere beim Laserschmelzschneiden, metallischer Werkstücke verbessert werden. Zusätzlich sollen gegenüber dem Stand der Technik bei gleicher Laserleistung dickere Werkstücke geschnitten werden können.The present invention is based on the object of improving the prior art. In particular, the cutting edge quality should be improved when laser cutting, especially when laser melt cutting, of metallic workpieces. In addition, thicker workpieces should be able to be cut compared to the prior art with the same laser power.

Die ErfindungThe invention

Zur Lösung der der Erfindung zugrunde liegenden Aufgabe wird ein Verfahren zum Schneiden von Werkstücken mittels eines Laserstrahls bereitgestellt, bei dem einer primären Vorschubbewegung des auf die Werkstückoberfläche projizierten Laserstrahls eine sich periodisch wiederholende Sekundärbewegung des Laserstrahls überlagert ist. Die primäre Vorschubbewegung des Laserstrahls ist dabei mit der Vorschubbewegung eines Laserschneidkopfes gleichzusetzen, mit dem der Laserstrahl auf die Werkstückoberfläche projiziert wird. Es versteht sich, dass jede Vorschubbewegung des Laserstrahls als Relativbewegung zwischen Laserstrahl und Werkstückoberfläche zu verstehen ist.To achieve the object on which the invention is based, a method for cutting workpieces using a laser beam is provided, in which a periodically repeating secondary movement of the laser beam is superimposed on a primary feed movement of the laser beam projected onto the workpiece surface. The primary feed movement of the laser beam can be equated with the feed movement of a laser cutting head, with which the laser beam is projected onto the workpiece surface. It is understood that every feed movement of the laser beam is to be understood as a relative movement between the laser beam and the workpiece surface.

Die Sekundärbewegung umfasst wenigstens zwei, insbesondere geradlinige, Bahnabschnitte, die in unterschiedliche Richtungen weisen. Beispielsweise kann die Sekundärbewegung eine gerade Linie beschreiben. In diesem Fall setzt sich die Sekundärbewegung aus zwei geradlinigen Bahnabschnitten zusammen, die in entgegengesetzte Richtungen weisen. Die Sekundärbewegung kann allerdings auch weitere geradlinige und/oder gekrümmte Bahnabschnitte aufweisen.The secondary movement comprises at least two, in particular straight, path sections that point in different directions. For example, the secondary movement can describe a straight line. In this case, the secondary movement is composed of two straight path sections that point in opposite directions. However, the secondary movement can also have further straight and/or curved path sections.

Erfindungsgemäß wird für die Sekundärbewegung eine über die gesamte Strecke der Sekundärbewegung oder über wenigstens einen der Bahnabschnitte konstante Bahngeschwindigkeit vorgegeben. Ferner wird die Bahngeschwindigkeit der Sekundärbewegung derart gedrosselt vorgegeben, dass eine tatsächliche Bahngeschwindigkeit der Sekundärbewegung der vorgegebenen Bahngeschwindigkeit im Wesentlichen entspricht, sodass der Energieeintrag aus dem Laserstrahl in das Werkstück über die gesamte Strecke der Sekundärbewegung oder über wenigstens einen der Bahnabschnitte im Wesentlichen konstant ist. Bei einem Richtungswechsel (z.B. Umkehrpunkt) zwischen benachbarten Bahnabschnitten der Sekundärbewegung des Laserstrahls werden durch die Drosselung der vorgegebenen Bahngeschwindigkeit (positive und negative) Beschleunigungsabschnitte auf ein Minimum der Bahnstrecke reduziert. Würde die vorgegebene Bewegungsgeschwindigkeit der Sekundärbewegung kontinuierlich gesteigert werden, so würde sich die Bewegungsfunktion der Sekundärbewegung aufgrund der Massenträgheit der oszillierenden optischen Elemente zwischen zwei Richtungswechseln an eine harmonische Schwingung annähern. Eine im Wesentlichen konstante tatsächliche Bahngeschwindigkeit wäre dann nicht mehr möglich.According to the invention, a constant path speed is specified for the secondary movement over the entire route of the secondary movement or over at least one of the path sections. Furthermore, the path speed of the secondary movement is predetermined to be throttled in such a way that an actual path speed of the secondary movement essentially corresponds to the predetermined path speed, so that the energy input from the laser beam into the workpiece is essentially constant over the entire path of the secondary movement or over at least one of the path sections. When there is a change of direction (e.g. reversal point) between adjacent path sections of the secondary movement of the laser beam, acceleration sections (positive and negative) are reduced to a minimum of the path path by throttling the specified path speed. If the specified movement speed of the secondary movement were to be continuously increased, the movement function of the secondary movement would oscillate due to the inertia of the secondary movement the optical elements approach a harmonic oscillation between two changes of direction. A substantially constant actual path speed would then no longer be possible.

Die Formulierung, wonach die tatsächliche Bahngeschwindigkeit der vorgegebenen konstanten Bahngeschwindigkeit „im Wesentlichen entspricht“, ist im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung so zu verstehen, dass die tatsächliche Bahngeschwindigkeit des auf die Werkstückoberfläche projizierten Laserstrahls (also die Geschwindigkeit, mit der der Laserstrahl über die Werkstückoberfläche bewegt wird) auf mindestens 60 %, bevorzugter auf mindestens 80 %, noch bevorzugter auf mindestens 90 % der betrachteten Strecke (gesamte Sekundärbewegung oder ausgewählte Bahnabschnitte) der vorgegebenen konstanten Bahngeschwindigkeit entspricht. Dabei ist mit der Werkstückoberfläche die Oberfläche des Werkstücks im Ausgangszustand gemeint. Der Einfachheit halber ist der Begriff „Werkstückoberfläche“ insoweit auch als den Schnittspalt überspannende Projektionsebene für den einfallenden Laserstrahl zu verstehen.The formulation according to which the actual path speed “essentially corresponds” to the predetermined constant path speed is to be understood in the context of the present invention to mean that the actual path speed of the laser beam projected onto the workpiece surface (i.e. the speed at which the laser beam passes over the workpiece surface is moved) to at least 60%, more preferably to at least 80%, even more preferably to at least 90% of the route under consideration (entire secondary movement or selected path sections) corresponds to the predetermined constant path speed. The workpiece surface means the surface of the workpiece in its initial state. For the sake of simplicity, the term “workpiece surface” is also to be understood as a projection plane for the incident laser beam spanning the cutting gap.

Bei den aus dem Stand der Technik bekannten Pendelbewegungen des Laserstrahls, die auf harmonischen Oszillationsbewegungen beruhen, kommt es (mit Ausnahme einer exakt kreisförmigen Pendelbewegung) zwangsläufig zu einer ungleichmäßigen Erwärmung des Werkstücks entlang der Pendelbewegung. Zur Mitte einer auf einer harmonischen Bewegungsfunktion basierenden Oszillations- bzw. Pendelfigur hin ist die Bahngeschwindigkeit am größten und der Energieeintrag des Laserstrahls in das Werkstück und damit die Erwärmung des Werkstücks in diesem Bereich am geringsten.In the case of the pendulum movements of the laser beam known from the prior art, which are based on harmonic oscillatory movements, uneven heating of the workpiece along the pendulum movement inevitably occurs (with the exception of an exactly circular pendulum movement). Towards the middle of an oscillation or pendulum figure based on a harmonic motion function, the path speed is greatest and the energy input of the laser beam into the workpiece and thus the heating of the workpiece is lowest in this area.

Das erfindungsgemäße Verfahren kann mittels einer Laserschneidanlage implementiert werden, bei der der Laserstrahl über einen Schneidkopf auf das zu schneidende Werkstück gestrahlt wird. Die Sekundärbewegung des Laserstrahls kann vorzugsweise mittels einer entsprechenden Scanneroptik innerhalb des Schneidkopfes erzeugt werden. Dazu wird der Laserstrahl durch eine entsprechende Bewegung wenigstens eines optischen Elements (z.B. eines Faserendes, eines Spiegels oder einer Linse) im Strahlengang des Laserstrahls abgelenkt.The method according to the invention can be implemented using a laser cutting system, in which the laser beam is radiated onto the workpiece to be cut via a cutting head. The secondary movement of the laser beam can preferably be generated using appropriate scanner optics within the cutting head. For this purpose, the laser beam is deflected in the beam path of the laser beam by a corresponding movement of at least one optical element (e.g. a fiber end, a mirror or a lens).

Durch die erfindungsgemäße Drosselung der vorgegebenen Bahngeschwindigkeit der Sekundärbewegung kann eine über die gesamte Strecke der Sekundärbewegung oder über die Strecke wenigstens eines der Bahnabschnitte gleichmäßige Erwärmung des Werkstücks durch den Laserstrahl erreicht werden. Die Homogenität bzw. die Gleichmäßigkeit der Energieeinkopplung in das Werkstück kann somit verbessert werden. Insbesondere kann der Ausbildung einer ins Schnittspaltinnere gewölbten Schneidfront entgegengewirkt und somit unter anderem Strömungsabrissen des Schneidgasstrahls an der Schneidfront vorgebeugt werden. Genauer gesagt: Wird der Schmelzfilm auf der Schneidfrontoberfläche mit Hilfe einer linearen Pendelbewegung des Laserstrahls erwärmt, welche mit einer erfindungsgemäß reduzierten, konstanten Bahngeschwindigkeit ausgeführt wird, resultiert die Abnahme der Heizleistung des Laserstrahls vom oberen zum unteren Ende der Schneidfront hin lediglich aus der Abnahme der Laserstrahlintensität an dessen Auftreffpunkt auf der Schneidfront aufgrund der natürlichen Divergenz des sich unterhalb des an der Werkstückoberfläche befindlichen Fokuspunktes im Schnittspalt zunehmend aufweitenden Laserstrahls. Diese im Wesentlichen lineare Abnahme der Heizleistung des Laserstrahls in zunehmender Tiefe des Schnittspaltes kann weitgehend durch die im Schmelzfilm ebenfalls zum unteren Ende der Schneidfront hin akkumulierte Prozesswärme kompensiert werden. Hieraus resultiert in guter Näherung ein linearer, konstant geneigter Verlauf der Schneidfrontoberfläche, welcher der Schneidgasstrahl einfach folgen und somit die Schmelze entlang der gesamten Schneidfront - und insbesondere auch an deren unterem Ende - effektiv und mit minimaler Gratanhaftung austreiben kann.By throttling the predetermined path speed of the secondary movement according to the invention, uniform heating of the workpiece by the laser beam can be achieved over the entire path of the secondary movement or over the path of at least one of the path sections. The homogeneity or uniformity of the energy input into the workpiece can thus be improved. In particular, the formation of a cutting front that is curved into the interior of the cutting gap can be counteracted and, among other things, flow disruptions of the cutting gas jet at the cutting front can be prevented. More precisely: If the melt film on the cutting front surface is heated with the aid of a linear pendulum movement of the laser beam, which is carried out with a constant path speed reduced according to the invention, the decrease in the heating power of the laser beam from the upper to the lower end of the cutting front results only from the decrease in the laser beam intensity at its point of impact on the cutting front due to the natural divergence of the laser beam, which is increasingly expanding in the cutting gap below the focus point located on the workpiece surface. This essentially linear decrease in the heating power of the laser beam as the depth of the cutting gap increases can be largely compensated for by the process heat that also accumulates in the melt film towards the lower end of the cutting front. To a good approximation, this results in a linear, constantly inclined course of the cutting front surface, which the cutting gas jet can easily follow and thus expel the melt along the entire cutting front - and in particular at its lower end - effectively and with minimal burr adhesion.

Erfindungsgemäß kann der Sekundärbewegung eine nicht-harmonische Bewegungsfunktion zugrunde liegen. Eine nicht-harmonische Bewegungsfunktion umfasst beispielsweise eine zickzack-förmige Bewegungsfunktion. Eine zickzackförmige Bewegungsfunktion im Sinne der vorliegenden Erfindung umfasst auch eine Bewegungsfunktion, bei der die Zacken abgeflacht sind, wie z.B. bei der Erzeugung einer rechteckförmigen Sekundärbewegung. Der Sekundärbewegung können auch mehrere zickzackförmige Bewegungsfunktionen zugrunde liegen, insbesondere eine zickzackförmige Bewegungsfunktion in x-Richtung (bzw. längs zur primären Vorschubbewegung) und eine zickzackförmige Bewegungsfunktion in y-Richtung (bzw. quer zur primären Vorschubbewegung), die einander überlagert sein können. Eine nicht-harmonische Bewegungsfunktion im Sinne der vorliegenden Erfindung kann ferner zickzack-förmige Abschnitte und sinusförmige (harmonisch schwingende) Abschnitte umfassen. Insoweit ist kann eine „nicht-harmonische Bewegungsfunktion“ im Sinne der vorliegenden Erfindung auch als „nicht ausschließlich harmonische Bewegungsfunktion“ bezeichnet werden. Bei dem Vorliegen sinusförmiger Abschnitte in der nichtharmonischen Bewegungsfunktion kann vorzugsweise einem sinusförmigen Abschnitt in x-Richtung ein ebenfalls sinusförmiger (bzw. cosinusförmiger) Abschnitt in y-Richtung derart überlagert sein, dass eine in dem betreffenden Bahnabschnitt konstante Bahngeschwindigkeit resultiert. Insoweit unterscheidet sich das erfindungsgemäße Verfahren von den meisten Scanner-Schneidverfahren, bei denen Pendelmuster in Form von Lissajous-Figuren erzeugt werden..According to the invention, the secondary movement can be based on a non-harmonic movement function. A non-harmonic motion function includes, for example, a zigzag-shaped motion function. A zigzag-shaped movement function in the sense of the present invention also includes a movement function in which the spikes are flattened, such as when generating a rectangular secondary movement. The secondary movement can also be based on several zigzag-shaped movement functions, in particular a zigzag-shaped movement function in the x-direction (or along the primary feed movement) and a zigzag-shaped movement function in the y-direction (or transverse to the primary feed movement), which can be superimposed on one another. A non-harmonic motion function in the sense of the present invention can further include zigzag-shaped sections and sinusoidal (harmonic oscillating) sections. In this respect, a “non-harmonic motion function” in the sense of the present invention can also be referred to as a “not exclusively harmonic motion function”. If sinusoidal sections are present in the non-harmonic motion function, a sinusoidal (or cosinusoidal) section in the y-direction can preferably be superimposed on a sinusoidal section in the x direction in such a way that a constant path speed results in the relevant path section. In this respect, the method according to the invention differs from that Most scanner cutting processes produce pendulum patterns in the form of Lissajous figures.

Für die Sekundärbewegung kann die höchstmögliche Bewegungsgeschwindigkeit vorgegeben werden, bei der die tatsächliche Bahngeschwindigkeit noch im Wesentlichen der vorgegebenen Bahngeschwindigkeit entspricht. Es kann ein Wert festgelegt werden, der bestimmt, wann die tatsächliche Bahngeschwindigkeit als im Wesentlichen der vorgegebenen Bahngeschwindigkeit entsprechend anzusehen ist. Beispielsweise kann dazu bestimmt werden, auf wieviel Prozent der betrachteten Strecke der Sekundärbewegung die tatsächliche Bahngeschwindigkeit der vorgegebenen Bahngeschwindigkeit entsprechen soll. Bei einer geradlinigen Sekundärbewegung (z.B. längs oder quer der primären Vorschubbewegung) kann beispielsweise bestimmt werden, dass die tatsächliche Bahngeschwindigkeit auf wenigstens 60 %, bevorzugt wenigstens 80 %, noch bevorzugter wenigstens 90 % der Länge der linienförmigen Sekundärbewegung der konstanten vorgegebenen Bahngeschwindigkeit entsprechen soll, um ihr „im Wesentlichen“ zu entsprechen.The highest possible movement speed can be specified for the secondary movement, at which the actual path speed still essentially corresponds to the specified path speed. A value can be set that determines when the actual web speed is to be viewed as essentially corresponding to the predetermined web speed. For example, it can be determined over what percentage of the secondary movement route under consideration the actual path speed should correspond to the specified path speed. In the case of a rectilinear secondary movement (e.g. along or across the primary feed movement), it can be determined, for example, that the actual path speed should correspond to the constant predetermined path speed to at least 60%, preferably at least 80%, even more preferably at least 90% of the length of the linear secondary movement to correspond “essentially” to it.

Es versteht sich, dass die maximale vorgegebene Bahngeschwindigkeit der Sekundärbewegung, bei der die tatsächliche Bahngeschwindigkeit nicht wesentlich abweicht, stark von dem Antrieb der Scanneroptik (z.B. Piezo-Antrieb oder Galvo-Antrieb), sowie von der Masse des oder der hin- und herzubewegenden optischen Elemente abhängt.It is understood that the maximum predetermined path speed of the secondary movement, at which the actual path speed does not deviate significantly, depends largely on the drive of the scanner optics (e.g. piezo drive or galvo drive), as well as on the mass of the optical system(s) to be moved back and forth elements depends.

Vorzugsweise kann die vorgegebene Bahngeschwindigkeit der Sekundärbewegung größer sein als eine Geschwindigkeit der primären Vorschubbewegung (primäre Vorschubgeschwindigkeit). Das Verhältnis zwischen der Bahngeschwindigkeit der Sekundärbewegung und der primären Vorschubgeschwindigkeit hat einen Einfluss auf den Überlappungsgrad der Projektionsbahnen (des Laserstrahls) zweier aufeinanderfolgender Bewegungszyklen der Sekundärbewegung während des Schneidens. Die Geschwindigkeit der primären Vorschubbewegung kann, insbesondere in Abhängigkeit von der Dicke des zu schneidenden Werkstücks, im Bereich von 0,1 m/min bis 80 m/min liegen.Preferably, the predetermined path speed of the secondary movement can be greater than a speed of the primary feed movement (primary feed speed). The relationship between the path speed of the secondary movement and the primary feed speed has an influence on the degree of overlap of the projection paths (of the laser beam) of two consecutive movement cycles of the secondary movement during cutting. The speed of the primary feed movement can be in the range from 0.1 m/min to 80 m/min, particularly depending on the thickness of the workpiece to be cut.

Der Überlappungsgrad kann bei gegebenem Fokusdurchmesser des Laserstrahls und bei gegebener Geschwindigkeit der primären Vorschubbewegung wenigstens 50 %, bevorzugt wenigstens 70 %, noch bevorzugter wenigstens 80 % betragen. Je höher die Wiederholrate der Sekundärbewegung ist (bei gleichbleibendem Fokusdurchmesser und gleichbleibender primärer Vorschubgeschwindigkeit), desto höher ist auch der Überlappungsgrad. Eine höherer Überlappungsgrad kann das Abkühlverhalten des vom Laserstrahl aufgeschmolzenen Materials des Werkstücks verbessern. Insbesondere kann die lokale Abkühlung des Werkstücks verlangsamt werden.For a given focus diameter of the laser beam and a given speed of the primary feed movement, the degree of overlap can be at least 50%, preferably at least 70%, even more preferably at least 80%. The higher the repetition rate of the secondary movement (with the same focus diameter and constant primary feed speed), the higher the degree of overlap. A higher degree of overlap can improve the cooling behavior of the workpiece material melted by the laser beam. In particular, the local cooling of the workpiece can be slowed down.

Gemäß einer Variante kann die vorgegebene Bahngeschwindigkeit der Sekundärbewegung zwischen 0,25 m/s und 2 m/s, bevorzugter zwischen 0,5 m/s und 1,5 m/s, noch bevorzugter etwa 1 m/s betragen. In Versuchen wurde bei einer Bahngeschwindigkeit von 1 m/s ein besonders gutes Verhältnis zwischen Wiederholrate und Konstanz der lokalen Werkstückerwärmung über die gesamte Strecke (bzw. Fläche) der Sekundärbewegung des Laserstrahls festgestellt.According to a variant, the predetermined path speed of the secondary movement can be between 0.25 m/s and 2 m/s, more preferably between 0.5 m/s and 1.5 m/s, even more preferably about 1 m/s. In tests, a particularly good relationship between repetition rate and constancy of local workpiece heating over the entire distance (or area) of the secondary movement of the laser beam was found at a path speed of 1 m/s.

Erfindungsgemäß kann wenigstens einer der Bahnabschnitte der Sekundärbewegung eine Länge zwischen 100 µm und 1200 µm, bevorzugt zwischen 400 µm und 1000 µm, noch bevorzugter zwischen 600 µm und 800 µm aufweisen. Eine Bahnlänge zwischen 600 µm und 800 µm kann insbesondere bei einer Dicke des Werkstücks von etwa 15 mm bevorzugt sein. Grundsätzlich kann eine optimale Länge der Bahnabschnitte der Sekundärbewegung in Abhängigkeit von der Dicke des Werkstücks variieren.According to the invention, at least one of the path sections of the secondary movement can have a length between 100 μm and 1200 μm, preferably between 400 μm and 1000 μm, even more preferably between 600 μm and 800 μm. A track length between 600 µm and 800 µm may be preferred, particularly if the workpiece is approximately 15 mm thick. In principle, an optimal length of the path sections of the secondary movement can vary depending on the thickness of the workpiece.

Die Sekundärbewegung kann gemäß einer Variante wenigstens einen eindimensionalen Bahnabschnitt umfassen, der längs oder quer zur primären Vorschubbewegung ausgerichtet ist.According to a variant, the secondary movement can comprise at least one one-dimensional path section which is aligned longitudinally or transversely to the primary feed movement.

Gemäß einer bevorzugten Variante kann das mit dem erfindungsgemäßen Verfahren zu bearbeitende Werkstück ein, vorzugsweise metallisches, plattenförmiges Werkstück sein.According to a preferred variant, the workpiece to be processed using the method according to the invention can be a, preferably metallic, plate-shaped workpiece.

Ferner kann die Ausrichtung der Sekundärbewegung des Laserstrahls an den Verlauf der primären Vorschubbewegung angepasst sein. Das heißt, die Sekundärbewegung kann, zum Beispiel durch Drehen der Schneidoptik, der primären Vorschubbewegung nachorientiert werden.Furthermore, the alignment of the secondary movement of the laser beam can be adapted to the course of the primary feed movement. This means that the secondary movement can be aligned with the primary feed movement, for example by rotating the cutting optics.

Schließlich kann zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens ein Faser-, Scheiben-, CO₂- oder Diodenlaser eingesetzt werden, der insbesondere eine Laserleistung von mehreren kW aufweist.Finally, to carry out the method according to the invention, a fiber, disk, CO ₂ or diode laser can be used, which in particular has a laser power of several kW.

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, wobei für die Sekundärbewegung eine über die gesamte Strecke der Sekundärbewegung oder über wenigstens einen der Bahnabschnitte konstante Bahngeschwindigkeit vorgegeben wird. Insbesondere ist die Laserschneidanlage dazu eingerichtet, die Sekundärbewegung des Laserstrahls derart auszuführen, dass eine tatsächliche Bahngeschwindigkeit der Sekundärbewegung der vorgegebenen Bahngeschwindigkeit im Wesentlichen entspricht, sodass der Energieeintrag aus dem Laserstrahl in das Werkstück über die gesamte Strecke der Sekundärbewegung oder über wenigstens einen der Bahnabschnitte im Wesentlichen konstant ist. Eine Steuereinrichtung kann programmiert sein, den Bearbeitungskopf, eine Laserstrahlquelle entsprechend anzusteuern.The laser cutting system in particular has a movable relative to a workpiece support Laser processing head with a cutting nozzle. 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, the secondary movement being over the entire distance of the secondary movement or over at least one of the A constant path speed is specified for path sections. In particular, the laser cutting system is set up to carry out the secondary movement of the laser beam in such a way that an actual path speed of the secondary movement essentially corresponds to the predetermined path speed, so that the energy input from the laser beam into the workpiece essentially over the entire path of the secondary movement or over at least one of the path sections is constant. A control device can be programmed to correspondingly control the processing head and a laser beam source.

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:

1a Schematisch die Draufsicht auf ein Werkstück, das mit einem erfindungsgemäßen Verfahren geschnitten wird;
1b Einen Ausschnitt aus der Darstellung gemäß 1a, in dem die Sekundärbewegung des Laserstrahls auf der Werkstückoberfläche isoliert dargestellt ist;
2a Eine zickzackförmige Bewegungsfunktion der sich periodisch wiederholenden Sekundärbewegung eines Laserstrahls gemäß der vorliegenden Erfindung;
2b Eine harmonische (sinusförmige) Bewegungsfunktion der Sekundärbewegung eines Laserstrahls gemäß dem Stand der Technik;
3a Eine Darstellung der tatsächlichen Bahngeschwindigkeit auf einem geradlinigen Bahnabschnitt der Sekundärbewegung gemäß der vorliegenden Erfindung;
3b Eine Darstellung der tatsächlichen Bahngeschwindigkeit auf einem geradlinigen Bahnabschnitt der Sekundärbewegung gemäß dem Stand der Technik.
4a Eine Darstellung der über einen Zeitraum mehrerer Bewegungszyklen integrierten Intensitätsverteilung über einen Bahnabschnitt der Sekundärbewegung bei im Wesentlichen konstanter Bahngeschwindigkeit; und
4b Eine Darstellung der über einen Zeitraum mehrerer Bewegungszyklen integrierten Intensitätsverteilung über einen Bahnabschnitt der Sekundärbewegung bei nicht konstanter Bahngeschwindigkeit;

Show it:

1a Schematic top view of a workpiece that is cut using a method according to the invention;
1b An excerpt from the illustration according to 1a , in which the secondary movement of the laser beam on the workpiece surface is shown in isolation;
2a A zigzag motion function of the periodically repeating secondary motion of a laser beam according to the present invention;
2 B A harmonic (sinusoidal) motion function of the secondary motion of a laser beam according to the prior art;
3a A representation of the actual path speed on a rectilinear path section of the secondary movement according to the present invention;
3b A representation of the actual path speed on a rectilinear path section of the secondary movement according to the prior art.
4a A representation of the intensity distribution integrated over a period of several movement cycles over a path section of the secondary movement at a substantially constant path speed; and
4b A representation of the intensity distribution integrated over a period of several movement cycles over a path section of the secondary movement at a non-constant path speed;

1a zeigt den Ausschnitt eines Werkstücks 10 in der Draufsicht während der Bearbeitung durch ein erfindungsgemäßes Schneidverfahren. Ein Laserstrahl wird mittels eines Laserschneidkopfes einer Laserschneidanlage (nicht dargestellt) auf die Werkstückoberfläche 12 fokussiert (vgl. kreisförmige Projektion(en) 30 des Laserstrahls auf der Werkstückoberfläche 12) und schmilzt das Werkstück 10 lokal auf. Das aufgeschmolzene Material des Werkstücks 10 wird mittels eines Prozessgasstrahls an der Unterseite des Werkstücks 10 ausgeblasen. Durch eine Relativbewegung des Laserschneidkopfes gegenüber der Werkstückoberfläche 12, der einer primären Vorschubbewegung 20 des Laserstrahls entspricht, entsteht auf diese Weise ein Schnittspalt 14 im Werkstück 10. 1a shows the section of a workpiece 10 in a top view during processing by a cutting method according to the invention. A laser beam is focused onto the workpiece surface 12 by means of a laser cutting head of a laser cutting system (not shown) (cf. circular projection(s) 30 of the laser beam on the workpiece surface 12) and melts the workpiece 10 locally. The melted material of the workpiece 10 is blown out from the underside of the workpiece 10 using a process gas jet. A relative movement of the laser cutting head relative to the workpiece surface 12, which corresponds to a primary feed movement 20 of the laser beam, creates a cutting gap 14 in the workpiece 10.

Der primären Vorschubbewegung 20 ist eine sich periodisch wiederholende Sekundärbewegung 22 des Laserstrahls überlagert, die gemäß den 1a und 1b durch die überlagerten Projektionen 30 des Laserstrahls dargestellt ist. Die Sekundärbewegung 22 des Laserstrahls ist als gleichmäßige Hin- und Herbewegung des Laserstrahls zu verstehen, mittels derer sich etwa die Breite des Schnittspalts 14 (z.B. durch eine Auslenkung quer zur primären Vorschubbewegung 20) oder die Schneidfrontgeometrie (insbesondere durch eine Auslenkung längs zur primären Vorschubbewegung 20) beeinflussen lässt. Im Falle des in den 1a und 1b dargestellten Beispiels setzt sich ein Bewegungszyklus der Sekundärbewegung 22 aus zwei übereinanderliegenden geradlinigen Bahnabschnitten 40 zusammen, die in jeweils unterschiedlicher Richtung mittels einer Scanner-Optik vom Laserstrahl abgefahren werden. Die Bahnabschnitte 40 weisen jeweils eine Länge 42 auf.The primary feed movement 20 is superimposed on a periodically repeating secondary movement 22 of the laser beam, which according to 1a and 1b is represented by the superimposed projections 30 of the laser beam. The secondary movement 22 of the laser beam is to be understood as a uniform back and forth movement of the laser beam, by means of which approximately the width of the cutting gap 14 (eg by a deflection transverse to the primary feed movement 20) or the Cutting front geometry (in particular by a deflection along the primary feed movement 20) can be influenced. In the case of in the 1a and 1b In the example shown, a movement cycle of the secondary movement 22 is composed of two superimposed rectilinear path sections 40, each of which is traversed in different directions by the laser beam using scanner optics. The track sections 40 each have a length 42.

In den 2a und 2b ist jeweils die (tatsächliche) Bewegungsfunktion einer geradlinigen oszillierenden Sekundärbewegung 22 gemäß dem Beispiel in den 1a und 1b dargestellt (ohne Einfluss der primären Vorschubbewegung 20). Beiden Darstellungen liegt das gleiche programmierte Bewegungsmuster zugrunde, nämlich eine geradlinige Hin- und Herbewegung in x-Richtung, also in Richtung der primären Vorschubbewegung 20. Die programmierte Bahnlänge 40 der Sekundärbewegung 22 beträgt 800 µm. Ferner liegt beiden dargestellten Funktionen jeweils eine programmierte zickzackförmige Bewegungsfunktion zugrunde, die eine konstante Bahngeschwindigkeit zwischen zwei Wendepunkten der Sekundärbewegung 22 vorgibt. Der Unterschied zwischen den Bewegungsfunktionen der 2a und 2b liegt in der unterschiedlichen vorgegebenen Bahngeschwindigkeit. Während die in 2a dargestellte Bewegungsfunktion auf einer vorgegebenen Bahngeschwindigkeit von 0,25 m/s beruht, beträgt die vorgegebene Bahngeschwindigkeit gemäß 2b 4 m/s.In the 2a and 2 B is the (actual) movement function of a rectilinear oscillating secondary movement 22 according to the example in the 1a and 1b shown (without influence of the primary feed movement 20). Both representations are based on the same programmed movement pattern, namely a straight back and forth movement in the x direction, i.e. in the direction of the primary feed movement 20. The programmed path length 40 of the secondary movement 22 is 800 μm. Furthermore, both functions shown are each based on a programmed zigzag-shaped movement function, which specifies a constant path speed between two turning points of the secondary movement 22. The difference between the movement functions of the 2a and 2 B lies in the different specified path speed. While the in 2a The movement function shown is based on a predetermined path speed of 0.25 m/s, the predetermined path speed is as follows 2 B 4 m/s.

Die hohe vorgegebene Bahngeschwindigkeit gemäß 2b führt dazu, dass die programmierte zickzackförmige Bewegungsfunktion nicht eingehalten werden kann. Die resultierende Bewegungsfunktion gemäß 2b gleicht eher einer sinusförmigen (harmonischen) Schwingung. Das liegt an der für die Masse der der oszillierenden optischen Elemente unzureichenden Leistungsfähigkeit der Scannerantriebe. Diese müssen bei jedem Richtungswechsel bis zum vollständigen Stillstand abgebremst und anschließend wieder auf die vorgegebene Geschwindigkeit beschleunigt werden. Der zu einem wesentlich früheren Zeitpunkt notwendigerweise einsetzende Prozess des Abbremsens vor jedem Richtungswechsel und der anschließende „träge“ Beschleunigungsprozess führen nicht nur zu einer inkonstanten Bahngeschwindigkeit, sondern auch zu einer erheblichen Verringerung der tatsächlichen Länge 42a, 42b der Bahnabschnitte 40 der Sekundärbewegung auf nur noch etwa 550 µm (statt 800 µm). Bei einer gedrosselten Bahngeschwindigkeit gemäß 2a hingegen kann die vorgegebene zickzackförmige Bewegungsfunktion und somit auch die vorgegebene Länge 42 der Bahnabschnitte 40 im Wesentlichen eingehalten werden. Die waagerechte Linie in der Mitte der jeweiligen Darstellung gibt die Bewegung in y-Richtung an. Da die Sekundärbewegung 22 gemäß dem vorliegenden Beispiel keine Bewegungskomponente in y-Richtung umfasst, zeigt die Linie keinen Ausschlag.The high specified path speed according to 2 B leads to the programmed zigzag movement function not being able to be maintained. The resulting motion function according to 2 B is more like a sinusoidal (harmonic) vibration. This is due to the insufficient performance of the scanner drives for the mass of the oscillating optical elements. These must be braked to a complete standstill with each change of direction and then accelerated again to the specified speed. The process of braking, which necessarily begins at a much earlier point in time before each change of direction, and the subsequent “sluggish” acceleration process not only lead to an inconstant path speed, but also to a significant reduction in the actual length 42a, 42b of the path sections 40 of the secondary movement to only approximately 550 µm (instead of 800 µm). With a reduced web speed according to 2a On the other hand, the predetermined zigzag-shaped movement function and thus also the predetermined length 42 of the track sections 40 can essentially be maintained. The horizontal line in the middle of the respective representation indicates the movement in the y-direction. Since the secondary movement 22 according to the present example does not include a movement component in the y-direction, the line shows no deflection.

In den 3a und 3b ist jeweils die tatsächliche Bahngeschwindigkeit während eines Bewegungszyklus der Sekundärbewegung 22 gemäß den 2a und 2b dargestellt. Das Geschwindigkeitsprofil gemäß 3a stimmt mit der Bewegungsfunktion gemäß 2a überein. Es ist zu sehen, dass die vorgegebene konstante Bahngeschwindigkeit von 0,25 m/s schnell erreicht und im Wesentlichen über die gesamte Länge der geradlinigen Bahnabschnitte 40 (vgl. 1b) konstant gehalten wird. An den Wendepunkten der Sekundärbewegung 22 wird die Bahngeschwindigkeit abrupt auf „O“ reduziert und in die Gegenrichtung auf die vorgegebene Bahngeschwindigkeit (0,25 m/s) beschleunigt (vgl. die Zacken in der Bewegungsfunktion gem. 2a). Im Gegensatz dazu wird gemäß 3b die vorgegebene Bahngeschwindigkeit von 4 m/s nur noch im Zentrum eines Bahnabschnitts entlang eines Abschnitts mit minimaler Länge erreicht. Im Wesentlichen setzt sich der Geschwindigkeitsverlauf gemäß 3b aus einer Beschleunigung und sich unmittelbar anschließenden Verzögerung der tatsächlichen Bahngeschwindigkeit zusammen. Die vorgegebene Bahngeschwindigkeit von 4 m/s wird tatsächlich nur entlang des oben erwähnten Abschnitts minimaler Länge auf dem jeweiligen Bahnabschnitt erreicht. Auch in den 3a und 3b gibt die mittlere horizontale Linie (in 3a mit entsprechendem Messrauschen) an, dass keine Bewegung in y-Richtung stattfindet.In the 3a and 3b is the actual path speed during a movement cycle of the secondary movement 22 according to 2a and 2 B shown. The speed profile according to 3a agrees with the movement function 2a agree. It can be seen that the predetermined constant path speed of 0.25 m/s is reached quickly and essentially over the entire length of the straight path sections 40 (cf. 1b) is kept constant. At the turning points of the secondary movement 22, the path speed is abruptly reduced to "0" and accelerated in the opposite direction to the specified path speed (0.25 m/s) (cf. the spikes in the movement function according to. 2a) . In contrast, according to 3b The specified path speed of 4 m/s is only achieved in the center of a path section along a section with a minimum length. Essentially, the speed curve follows 3b consists of an acceleration and immediately subsequent deceleration of the actual path speed. The specified path speed of 4 m/s is actually only achieved along the above-mentioned section of minimum length on the respective path section. Also in the 3a and 3b gives the middle horizontal line (in 3a with corresponding measurement noise) indicates that there is no movement in the y-direction.

Die unterschiedliche vorgegebene Bahngeschwindigkeit der Sekundärbewegung resultiert in einer entsprechend unterschiedlichen Erwärmung des Werkstücks über die Bahnlänge 42 der Sekundärbewegung 22. 4a zeigt eine über die gesamte Bahnlänge 42 der Sekundärbewegung 22 gleichmäßige Intensitätsverteilung, der eine gedrosselte vorgegebene Bahngeschwindigkeit gemäß den 2a und 3a zugrunde liegt. Das heißt über die gesamte Länge von 800 µm wird gleichmäßig Energie durch den Laserstrahl in das Werkstück eingebracht. Im Gegensatz hierzu kommt es bei der überhöhten vorgegebenen Bahngeschwindigkeit (vgl. auch 2b und 3b) zu einer Konzentration des Energieeintrags an den Wendepunkten der Sekundärbewegung (s. 4b). Bei überhöhter Bahngeschwindigkeit reduziert sich also nicht nur die tatsächliche Bahnlänge 42 der Sekundärbewegung 22. Der ungleiche Energieeintrag durch den Laserstrahl in das Werkstück führt zu einem ungleichförmigen Schmelzverhalten des Werkstücks über die Bahnlänge der Sekundärbewegung.The different predetermined path speed of the secondary movement results in a correspondingly different heating of the workpiece over the path length 42 of the secondary movement 22. 4a shows a uniform intensity distribution over the entire path length 42 of the secondary movement 22, which has a throttled predetermined path speed according to 2a and 3a underlying. This means that energy is introduced evenly into the workpiece by the laser beam over the entire length of 800 µm. In contrast, if the specified path speed is excessive (see also 2 B and 3b) to a concentration of the energy input at the turning points of the secondary movement (see 4b) . If the path speed is excessive, not only the actual path length 42 of the secondary movement 22 is reduced. The uneven energy input through the laser beam into the workpiece leads to a non-uniform melting behavior of the workpiece over the path length of the secondary movement.

BezugszeichenlisteReference symbol list

1010: Werkstückworkpiece
1212: Werkstückoberflächeworkpiece surface
1414: Schnittspaltcutting gap
2020: Primäre Vorschubbewegung des LaserstrahlsPrimary feed movement of the laser beam
2222: Sich periodisch wiederholende Sekundärbewegung des LaserstrahlsPeriodically repeating secondary movement of the laser beam
3030: Projektion des Laserstrahls auf der Werkstückoberfläche (zu diskreten, aufeinanderfolgenden Zeitpunkten („Stroboskop-Darstellung“))Projection of the laser beam onto the workpiece surface (at discrete, successive times (“strobe display”))
4040: Geradliniger Bahnabschnitt der SekundärbewegungStraight path section of the secondary movement
4242: Bahnlänge der SekundärbewegungPath length of the secondary movement
42a42a: Tatsächliche Bahnlänge der Sekundärbewegung bei gedrosselter vorgegebener BahngeschwindigkeitActual path length of the secondary movement at a throttled specified path speed
42b42b: Tatsächliche Bahnlänge der Sekundärbewegung bei überhöhter vorgegebener BahngeschwindigkeitActual path length of the secondary movement at an excessively specified path speed
44a44a: Bewegungsfunktion der Sekundärbewegung bei gedrosselter vorgegebener BahngeschwindigkeitMovement function of the secondary movement with a throttled specified path speed
44b44b: Bewegungsfunktion der Sekundärbewegung bei überhöhter vorgegebener BahngeschwindigkeitMovement function of the secondary movement at an excessively specified path speed

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDED IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

DE 102008053397 B4 [0003]
WO 2020008827 A1 [0003]
JP S63177991 A [0005, 0006]
US 5303081 A1 [0005]
JP 1999156579 [0005, 0006]
WO 2019145536 A1 [0005]
JP S60210384 A [0006]
JP 07185856 A [0006]

Claims

Method for cutting workpieces (10) using a laser beam, in which a periodically repeating secondary movement (22) of the laser beam is superimposed on a primary feed movement (20) of the laser beam projected onto the workpiece surface (12); wherein the secondary movement (22) comprises at least two, in particular rectilinear, path sections (40) which point in different directions; wherein a constant path speed is also specified for the secondary movement (22) over the entire distance of the secondary movement (22) or over at least one of the path sections (40); and wherein the path speed is throttled in such a way that an actual path speed of the secondary movement essentially corresponds to the predetermined path speed, so that the energy input from the laser beam into the workpiece (20) over the entire route of the secondary movement (22) or over at least one of the path sections (40 ) is essentially constant.

Procedure according to Claim 1 , whereby the secondary movement is based on a non-harmonic movement function.

Method according to one of the preceding claims, wherein for cutting the highest possible web speed is specified for the secondary movement (22), at which the actual web speed still essentially corresponds to the predetermined web speed.

Method according to one of the preceding claims, wherein the predetermined path speed of the laser beam is greater than a speed of the primary feed movement (20).

Procedure according to Claim 4 , wherein a degree of overlap of the projection paths of two successive movement cycles of the secondary movement for a given focus diameter of the laser beam and for a given speed of the primary feed movement is at least 50%, preferably at least 70%, even more preferably at least 80%.

Method according to one of the preceding claims, wherein the predetermined web speed is between 0.25 m/s and 2 m/s, more preferably between 0.5 m/s and 1.5 m/s, even more preferably 1 m/s.

Method according to one of the preceding claims, wherein at least one of the path sections of the secondary movement (22) has a length between 100 µm and 1200 µm, preferably between 400 µm and 1000 µm, even more preferably between 600 µm and 800 µm.

Method according to one of the preceding claims, wherein the secondary movement (22) comprises at least one one-dimensional path section (40) which is aligned longitudinally or transversely to the primary feed movement (20) of the laser beam.

Method according to one of the preceding claims, wherein the workpiece (10) is a, preferably metallic, plate-shaped workpiece (10).

Method according to one of the preceding claims, wherein the alignment of the secondary movement (22) is adapted to the course of the primary feed movement (20).

Method according to one of the preceding claims, wherein a fiber, disk, CO2 or diode laser is used.

Laser cutting system set up to carry out a method according to one of the preceding claims.

Laser cutting system Claim 12 , wherein a scanner device is provided to move the laser beam within the cutting nozzle.