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Gebiet der Erfindung
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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Schneiden von metallischen, insbesondere plattenförmigen, Werkstücken mittels eines Laserstrahls, wobei einer primären Vorschubbewegung des Laserstrahls gegenüber der Werkstückoberfläche eine zyklisch wiederholte Sekundärbewegung überlagert ist, wobei die Sekundärbewegung ein zweidimensionales Bewegungsmuster des Laserstrahls auf der Werkstückoberfläche erzeugt.
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Stand der Technik
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Derartige Verfahren werden auch als „Scannerschneiden“ bezeichnet.
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Beispielsweise aus der
DE 10 2008 053 397 A1 ist es bekannt, dass sich durch eine Pendelbewegung des Laserstrahls beim Laserschneiden der Absorptionsgrad der Laserstrahlung auf der Schnittfrontoberfläche steigern lässt. Bei gegebener Laserleistung kann eine Steigerung der Schmelzfilmoberflächentemperatur und dadurch ein besserer Austrieb der Schmelze aus dem Schnittspalt erreicht werden. Dies ermöglicht eine Steigerung des maximal möglichen Schneidvorschubs und eine Verbesserung der Schnittkantenqualität durch Minimierung der Anzahl und Größe der an der Blechunterseite anhaftenden, erstarrten Schmelzetropfen (verringerte Gratbildung). Aus dem Stand der Technik sind beispielsweise elliptische oder 8-förmige Pendelfiguren bekannt.
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Bei derartigen Pendelfiguren erfolgt jedoch ein erheblicher Wärmeeintrag in einem hinteren Bereich eines Schnittfrontscheitels. Dies kann sich nachteilig auf den Schmelzetransport auswirken. Auch ein Aufschmelzen der Schnittkanten ist möglich, worunter die Oberflächenqualität leiden kann.
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Es ist eine Aufgabe der Erfindung, eine weitere Optimierung der Vorschubgeschwindigkeit und Kantenqualität beim Laserschneiden zu ermöglichen.
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Die Erfindung
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Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Laserschneidverfahren gemäß Anspruch 1. Die Unteransprüche geben vorteilhafte Varianten an.
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Die Aufgabe wird somit erfindungsgemäß gelöst durch ein Laserschneidverfahren der eingangs genannten Art, wobei das Bewegungsmuster in einem in Richtung der primären Vorschubbewegung vorderen Bereich eine größere Ausdehnung quer zur primären Vorschubbewegung aufweist als in einem in Richtung der primären Vorschubbewegung hinteren Bereich des Bewegungsmusters.
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Die primäre Vorschubbewegung resultiert typischerweise aus einer Relativbewegung zwischen dem Werkstück und einem Bearbeitungskopf, während die Sekundärbewegung mittels einer Scanneroptik innerhalb des Bearbeitungskopfes erzeugt werden kann. Die primäre Vorschubbewegung verläuft entlang des zu erstellenden bzw. erstellten Schnittspalts.
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Das Bewegungsmuster der Sekundärbewegung erstreckt sich längs und quer zur primären Vorschubbewegung. Es weist mit anderen Worten eine Komponente entlang der Schnittrichtung und eine Komponente quer zur Schnittrichtung auf.
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Das Bewegungsmuster der Sekundärbewegung resultiert aus einer isolierten Betrachtung der Sekundärbewegung, d. h. einer Betrachtung der Bewegung des Laserstrahls in einem mit der primären Vorschubbewegung des Bearbeitungskopfs mitbewegten Koordinatensystem. Es versteht sich, dass sich die Form einer resultierenden Gesamt-Bewegung des Laserstrahls über dem Werkstück, welche die Unterlagerung der primären Vorschubbewegung berücksichtigt, gegenüber dem Bewegungsmuster der (isoliert betrachteten) Sekundärbewegung verändert.
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Der vordere Bereich des Bewegungsmusters kann die vordere Hälfte, vorzugsweise das vordere Drittel des Bewegungsmusters sein. Der hintere Bereich des Bewegungsmusters kann den verbleibenden Teil des Bewegungsmusters in Richtung der primären Vorschubbewegung, z.B. die hintere Hälfte oder die hinteren zwei Drittel des Bewegungsmusters, umfassen.
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Die Sekundärbewegung wird zyklisch (periodisch) wiederholt. Die Sekundärbewegung kann vorzugsweise mehrere Bewegungsabschnitte umfassen, die zusammengesetzt einen Bewegungszyklus der Sekundärbewegung ergeben.
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Eine Ausrichtung des Bewegungsmusters der Sekundärbewegung ist grundsätzlich relativ zur Richtung der primären Vorschubbewegung festgelegt. Die Zyklen der Sekundärbewegung werden mit anderen Worten relativ zur jeweils aktuellen Vorschubrichtung durchfahren.
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Erfindungsgemäß wurde erkannt, dass ein im vorderen Bereich breiteres Bewegungsmuster eine Erhöhung der möglichen Vorschubgeschwindigkeiten bzw. eine Verbesserung der Kantenqualität am Schnittspalt, insbesondere bezüglich Rauigkeit und Gratbildung, ermöglicht.
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Das Verfahren kann ein Schmelzschneidprozess sein. Ein Schneidgasstrahl kann gemeinsam mit dem Laserstrahl auf das Werkstück gerichtet werden. Vorzugsweise wird als Schneidgas Stickstoff oder ein Stickstoff-SauerstoffGemisch, insbesondere Druckluft, eingesetzt. Der Laserstrahl und der Schneidgasstrahl können aus einer Schneiddüse austreten. Die primäre Vorschubbewegung entspricht dann einer Bewegung der Schneiddüse relativ zum Werkstück. Die Sekundärbewegung kann eine Bewegung des Laserstrahls innerhalb der Schneiddüse sein.
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Allen Laser-Materialbearbeitungsverfahren ist gemein, dass der Grad der Erwärmung der bestrahlten Werkstückoberfläche mit dem Produkt aus lokaler Laserstrahlintensität multipliziert mit der Wechselwirkungszeit skaliert. Weiterhin weisen metallische Werkstoffe typischerweise zwei Phasenübergänge vom festen zum flüssigen und schließlich zum dampfförmigen Zustand auf, welchen jeweils diskrete, werkstofftypische Temperaturen zugeordnet sind. Der Erwärmung der bestrahlten Bauteiloberfläche wirkt u. a. die Wärmeableitung von der Bauteiloberfläche ins Innere des Bauteils hinein entgegen. Lasermaterialbearbeitungsprozesse erfordern daher eine möglichst fein abgestimmte Prozessführung, um die bearbeitete Oberfläche über den gewünschten Zeitraum hinweg möglichst exakt auf der für den jeweiligen Prozess und Werkstoff erforderlichen Temperatur zu halten.
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Es wurde erkannt, dass auch beim Laserschneiden, insbesondere beim Laser-Schmelzschneiden, im Bereich der Werkstückoberfläche (in Vorschubrichtung) vor dem oberen Ende der Schnittfront eine möglichst hohe Heizleistung durch den Laserstrahl benötigt wird, um die dort auf Raumtemperatur befindliche Werkstückoberfläche (mindestens) auf Schmelztemperatur zu erwärmen. Dies kann entweder durch eine möglichst hohe Laserstrahlintensität (Fokus des Laserstrahls an der Blechoberfläche positioniert) oder durch eine ausreichend lange Wechselwirkungszeit zwischen Laserstrahl und Bauteiloberfläche erfolgen, da beide Kenngrößen, multiplikativ miteinander verknüpft, maßgeblich die resultierende Heizleistung am betrachteten Ort und damit die erreichbare Temperatur der Werkstückoberfläche bestimmen.
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Im weiteren Verlauf der Schnittfront ist eine immer geringere Heizleistung erforderlich, um die Schmelzfilmoberfläche auf einer für möglichst glatte Schnittkanten und einen möglichst gratfreien Schmelzaustrieb ausreichend hohen Temperatur (geringe Viskosität und Oberflächenspannung der Schmelze) halten zu können, da die im Schmelzfilm gespeicherte Prozesswärme durch den Schmelzaustrieb kontinuierlich vom oberen zum unteren Ende der Schnittfront transportiert wird. Hierbei nimmt die Schmelzfilmdicke und dadurch auch die darin gespeicherte Prozesswärme zum unteren Schnittfrontende hin (idealerweise kontinuierlich) zu.
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Der Grad dieser Zunahme der Schmelzfilmdicke kann durch geeignete Wahl der Schneidgeschwindigkeit, des Düsendurchmessers, des Schneidgasdrucks sowie der Schnittspaltbreite günstig beeinflusst werden. Unter der bereits erläuterten Maßgabe, dass der Fokus des Laserstrahls beim Scanner-Schneiden vorzugsweise an der Blechoberfläche positioniert werden sollte, wird im Rahmen der Erfindung die Breite des Schnittspaltes mit Hilfe des quer zur primären Vorschubbewegung gerichteten Anteils der Sekundärbewegung an die Erfordernisse eines möglichst effizienten Schmelzaustriebs durch den Schneidgasstrahl angepasst.
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Es wurde bereits erläutert, dass idealerweise ausschließlich entlang des Scheitels der Schnittfront Schmelze erzeugt oder zumindest transportiert werden sollte, also nicht an einem weiter hinten im Schnittspalt gelegenen Ort auf den beiden Schnittkanten. Erfindungsgemäß wurde erkannt, dass der für die Einstellung der Schnittspaltbreite verwendete Querbewegungsanteil der Sekundärbewegung nur eng begrenzt im Bereich des Schnittfrontscheitels ausgeführt werden darf, um bestmöglich vom positiven Effekt eines entlang des Schnittfrontscheitels stattfindenden Schmelze- bzw. Prozesswärmetransports profitieren zu können. Die positive Wirkung dieser Gestaltung der Sekundärbewegung kann - im Vergleich mit Schnittkanten, welche 8-förmigen Pendelfigur erzeugt wurden - anhand einer deutlich reduzierten Gratbildung nachvollzogen werden.
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Der Querbewegungsanteil der Sekundärbewegung zum Einstellen der Schnittspaltbreite wird somit lediglich in dem (in Vorschubrichtung) vorderen Bereich ausgeführt. Hierdurch geht (anders als beispielsweise bei 8-förmigen Pendelbewegungen) keine Prozesswärme durch eine Wiederholung der Querbewegung im hinteren Bereich des Bewegungsmusters verloren. Insbesondere wird dadurch auch vermieden, dass am Ende der Wechselwirkungszone die Oberflächen der beiden Schnittkanten nochmals unkontrolliert aufgeschmolzen werden, was zu einer deutlichen Zunahme der Gratbildung führen könnte.
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Wird die Öffnung der Werkstückoberfläche (Schnittspaltbreite) möglichst nahe dem vorderen Ende des Bewegungsmusters der Sekundärbewegung generiert, kann der (in Querrichtung) weiter innen nach hinten geführte Laserstrahl nahezu auf der gesamten Länge des Bewegungsmusters zunächst ohne Kontakt mit der Werkstückoberfläche oder den beiden Schnittkanten und hierdurch zunächst ohne Absorptionsverluste in den Schnittspalt eintauchen. Erst wenn der Durchmesser des sich unterhalb seines Fokuspunktes (an der Werkstückoberfläche) wieder aufweitende Laserstrahl die Breite des Schnittspaltes erreicht, wird ihm während seiner weiteren Ausbreitung allmählich Energie durch Kontakt mit den beiden Schnittkantenoberflächen entzogen. Hierdurch erreicht ein größerer Teil der ursprünglich in den Schnittspalt eingestrahlten Laserleistung tatsächlich auch die Schnittfrontoberfläche, wodurch höhere Temperaturen der Schmelzfilmoberfläche und daraus folgend auch höhere Vorschubgeschwindigkeiten und Schnittkantenqualitäten erzielt werden können.
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Bevorzugt weist das Bewegungsmuster der Sekundärbewegung wenigstens einen geradlinigen Bewegungsabschnitt, insbesondere im hinteren Bereich des Bewegungsmusters, auf. Solche Bewegungsmuster erlauben eine einfache Anpassung der Sekundärbewegung an den jeweiligen Anwendungsfall (z.B. hinsichtlich Dicke oder Material des Werkstücks). Insbesondere kann der wenigstens eine geradlinige Bewegungsabschnitt im hinteren Bereich des Bewegungsmusters, insbesondere längs zur primären Vorschubbewegung, verlaufen. Dadurch kann ein Wiederaufschmelzen der Schnittkanten zuverlässig vermieden werden.
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Bei einer besonders bevorzugten Variante ist vorgesehen, dass das Bewegungsmuster einen hinteren Teil in Form eines in Richtung der primären Vorschubbewegung ausgerichteten Längsbalkens aufweist, und dass ein vorderer Teil des Bewegungsmusters während eines Bewegungszyklus der Sekundärbewegung mehrfach abgefahren wird während der in Vorschubrichtung weisende Längsbalken nur einmal abgefahren wird. Das einmalige Abfahren des Längsbalkens umfasst dabei in der Regel eine Hin- und Herbewegung, um ein geschlossenes Bewegungsmuster zu erreichen. Durch das mehrmalige Abfahren des vorderen Teils kann die Heizleistung am vorderen Ende des Bewegungsmusters, also am oberen Ende der Schnittfront erhöht werden, ohne die Prozessparameter während der Sekundärbewegung ändern zu müssen. Diese Ausführung der Sekundärbewegung macht sich zunutze, dass auch beim Schmelzschneiden im Bereich der Bauteiloberfläche (in Vorschubrichtung) vor dem oberen Ende der Schnittfront eine möglichst hohe Heizleistung durch den Laserstrahl benötigt wird, um die dort auf Raumtemperatur befindliche Werkstückoberfläche (mindestens) auf Schmelztemperatur zu erwärmen. Im weiteren Verlauf der Schnittfront ist eine immer geringere Heizleistung erforderlich, um die Schmelzfilmoberfläche auf einer für möglichst glatte Schnittkanten und einen möglichst gratfreien Schmelzaustrieb ausreichend hohen Temperatur (geringe Viskosität und Oberflächenspannung der Schmelze) halten zu können, da die im Schmelzfilm gespeicherte Prozesswärme durch den Schmelzaustrieb kontinuierlich vom oberen zum unteren Ende der Schnittfront transportiert wird.
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Das Bewegungsmuster der Sekundärbewegung kann die Form eines in Richtung der primären Vorschubbewegung ausgerichteten „T“ aufweisen. Der Querbalken des „T“ ist in Vorschubrichtung vorne angeordnet. Ein Bewegungsmuster in Form eines „T“ erlaubt (im Vergleich mit einer herkömmlichen Pendelfigur wie z. B. einer liegenden oder stehenden „8“) eine wesentlich einfacher zu handhabende und damit wesentlich besser optimierbare Zuordnung der Gestalt und Ausführung des Bewegungsmusters der Sekundärbewegung zu den zu erfüllenden Anforderungen aus dem Schneidprozess (Leistungsverlagerung, Schnittfront-Länge, Schnittspalt-Breite).
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Alternativ kann das Bewegungsmuster der Sekundärbewegung die Form eines in Richtung der primären Vorschubbewegung ausgerichteten „V“ oder „Y“ aufweisen. Das offene Ende ist dabei in Vorschubrichtung vorne angeordnet. Dadurch kann eine Aufteilung der Schnittfrontoberfläche in zwei parallel verlaufende Halbzylinderflächen erreicht werden. Dies ermöglicht eine signifikante Verbesserung der resultierenden Schnittkantenqualität in Gestalt einer deutlich reduzierten Gratanhaftung. Ein horizontaler Schnitt durch die Schnittfrontoberfläche ähnelt hierbei dem griechischen Buchstaben „ω“. Aufgrund des in erster Näherung gegenüber einer nicht aufgeteilten Schnittfrontoberfläche halbierten Radius der beiden Halbzylinderflächen wirken deutlich größere, kontrahierende Kapillarkräfte auf den Schmelzfilm, welche einem Zerfall desselben in einzelne Schmelzetropfen entgegenwirken können und gleichzeitig auch ein Abfließen der Schmelze auf die Oberflächen der beiden Schnittkanten verhindern können.
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Das Bewegungsmuster der Sekundärbewegung kann an seinem in Richtung der primären Vorschubbewegung vorderen Ende einen kreis- oder halbkreisförmigen Bewegungsabschnitt aufweisen und zu seinem hinteren Ende hin spitz zulaufen. Vorstellbar ist hier beispielsweise eine erweiterte V- oder Y-Form, wobei das aufgegabelte vordere Ende des „V“ bzw. „Y“ durch einen Halbkreis überspannt ist. Wenn das Bewegungsmuster im vorderen Bereich einen Kreis beschreibt kann die Form einer Eistüte (mit einer Eiskugel) im Querschnitt erhalten werden.
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Derartige Bewegungsmuster erlauben einen konzentrierten Wärmeeintrag am in Schnittrichtung vorderen bzw. oberen (dem Laserstrahl zugewandten) Ende der Schnittfront.
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Weiter alternativ kann das Bewegungsmuster der Sekundärbewegung die Form eines in Richtung der primären Vorschubbewegung ausgerichteten Pfeils aufweisen. Hierdurch geht (anders als beispielsweise bei 8-förmigen Pendelbewegungen) keine Prozesswärme durch eine Wiederholung der Querbewegung im hinteren Bereich des Bewegungsmusters verloren. Insbesondere wird dadurch auch vermieden, dass am Ende der Wechselwirkungszone die Oberflächen der beiden Schnittkanten nochmals unkontrolliert aufgeschmolzen werden, was zu einer deutlichen Zunahme der Gratbildung führen könnte.
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Vorzugsweise ist die Ausdehnung des Bewegungsmusters längs zur primären Vorschubbewegung unabhängig von der Ausdehnung des Bewegungsmusters quer zur primären Vorschubbewegung einstellbar ist und umgekehrt. Es kann mithin wenigstens je ein Bewegungszyklus mit einer ersten und einer davon abweichenden zweiten Längsausdehnung bei jeweils gleicher Querausdehnung des Bewegungsmusters der Sekundärbewegung durchgeführt werden. Alternativ oder zusätzlich kann wenigstens je ein Bewegungszyklus mit einer ersten und einer davon abweichenden zweiten Querausdehnung bei gleicher Längsausdehnung des Bewegungsmusters der Sekundärbewegung durchgeführt werden. Dies erhöht die Anpassungsfähigkeit des Verfahrens. Beispielsweise wirkt sich eine Anpassung der Länge des schmalen hinteren Bereichs an die aktuelle Kombination aus Blechdicke und Schnittfrontneigung, um hierdurch z. B. einen höheren Absorptionsgrad auf der Schnittfront und hierdurch deutlich bessere Prozessergebnisse (Steigerung von Schmelzfilmtemperatur, Vorschub, Qualität) erzielen zu können, nicht auf die Gestalt der Sekundärbewegung an ihrem vorderen Ende aus. Das Bewegungsmuster kann in einfacher Weise an unterschiedlichste Randbedingungen (Laserleistung, Strahlqualität, Abbildungsverhältnis, Düsendurchmesser, Blechdicke, Werkstoffeigenschaften, Schneidgaseigenschaften) angepasst werden, ohne hierdurch Einfluss auf den Mechanismus zu nehmen, mit dessen Hilfe möglichst nahe am Schnittfrontscheitel die Schnittspaltbreite eingestellt wird.
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Es kann vorgesehen sein, dass die Sekundärbewegung wenigstens zwei Bewegungsabschnitte umfasst, und dass eine Geschwindigkeit der Sekundärbewegung, eine Laserleistung und/oder eine Fokuslage des Laserstrahls zwischen den Bewegungsabschnitten geändert werden. Auf diese Weise kann die Heizleistung in den verschiedenen von der Sekundärbewegung erfassten Bereichen des Werkstücks gezielt variiert werden. Beispielsweise können bei einem T-förmigen Bewegungsmuster die Bahngeschwindigkeit beim Abfahren des Querbalkens gegenüber dem Längsbalken reduziert und/oder die Laserleistung erhöht werden und/oder die Fokuslage beim Abfahren des Längsbalkens gegenüber dem Querbalken angehoben oder abgesenkt werden um den Laserstrahl zu defokussieren. Auf diese Weise kann gezielt die Heizleistung in dem Bereich des Querbalkens, also am oberen Ende der Schnittfront, gegenüber dem Längsbalken, der entlang der Schnittfront in den Schnittspalt hineinragt, erhört werden. Für andere Gestaltungen des Bewegungsmusters gilt dies entsprechend.
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Eine Geschwindigkeit der Sekundärbewegung kann innerhalb wenigstens eines ausgewählten Bewegungsabschnittes des Bewegungsmusters oder über das gesamte Bewegungsmuster hinweg im Wesentlichen konstant sein, insbesondere um maximal +/-10 %, bevorzugt maximal+/-5 %, schwanken. Dies ermöglicht eine gleichmäßige Aufwärmung des Werkstücks über die von dem Bewegungsabschnitt bzw. der gesamten von der Sekundärbewegung erfasste Fläche. Die Geschwindigkeit der Sekundärbewegung ist die Bahngeschwindigkeit, mit der der Laserstrahl aufgrund der Sekundärbewegung (d. h. unter Abzug der überlagerten primären Vorschubbewegung) entlang des Bewegungsmusters über die Werkstückoberfläche bewegt wird.
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Eine Ausdehnung des Bewegungsmusters eines jeweiligen Zyklus der Sekundärbewegung in Richtung der primären Vorschubbewegung kann wenigstens 0,1 mm, bevorzugt wenigstens 0,5 mm, und/oder höchstens 3 mm, bevorzugt höchstens 2 mm, betragen. Eine Ausdehnung des Bewegungsmusters eines jeweiligen Zyklus der Sekundärbewegung in Querrichtung kann sich grundsätzlich in der gleichen oder einer ähnlichen Größenordnung bewegen, wie die Ausdehnung in Längsrichtung. Vorzugsweise kann die Ausdehnung eines Bewegungsmusters in Längsrichtung größer sein, insbesondere um wenigstens 50 % größer sein, als seine Ausdehnung in Querrichtung.
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Die Geschwindigkeit der Sekundärbewegung, d. h. die Bahngeschwindigkeit des Laserstrahls alleine aufgrund der Sekundärbewegung, kann wenigstens 0,5 m/s, bevorzugt wenigstens 1 m/s, und/oder höchstens 2 m/s, bevorzugt höchstens 1 m/s, betragen.
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Eine Vorschubgeschwindigkeit der primären Vorschubbewegung kann beispielsweise im Bereich von 0,1 m/min bis 80 m/min liegen.
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Eine Laserleistung des Laserstrahls kann wenigstens 0,5 kW, bevorzugt wenigstens 1 kW, und/oder höchstens 16 kW, bevorzugt höchstens 12 kW, betragen.
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Ein Strahldurchmesser des Laserstrahls am Auftreffpunkt auf die Oberfläche des Werkstücks kann wenigstens 0,05 mm, bevorzugt wenigstens 0,1 mm, und/oder höchstens 2 mm, bevorzugt höchstens 1 mm, betragen.
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Der Fokuspunkt des Laserstrahls kann beispielsweise bis zu 10x mm, bevorzugt bis zu 5 mm oberhalb, oder bis zu 10 mm, bevorzugt bis zu 5 mm unterhalb der Oberfläche des Werkstücks liegen, auf welche der Laserstrahl auftrifft.
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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.
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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 abzulenken, sodass ein zweidimensionales Bewegungsmuster in einer Projektionsebene erzeugt wird, die parallel zur Werkstückauflage ausgerichtet ist. Eine Steuereinrichtung kann programmiert sein, den Bearbeitungskopf und eine Laserstrahlquelle entsprechend anzusteuern.
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Vorzugsweise weist die Laserschneidanlage eine Scannereinrichtung auf, um den Laserstrahl innerhalb der Schneiddüse zu bewegen bzw. abzulenken. 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.
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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.
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Ausführungsbeispiele
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Die nachfolgende Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele dient im Zusammenhang mit den Zeichnungen der näheren Erläuterung der Erfindung.
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Es zeigen:
- 1 ein Werkstück, in welches durch ein erfindungsgemäßes Laserschneidverfahren mittels eines mit einer primären Vorschubbewegung und einer überlagerten Sekundärbewegung über das Werkstück geführten Laserstrahls ein Schnittspalt eingebracht wird, in einer schematischen Schnittansicht;
- 2 verschiedene Bewegungsmuster der zyklischen Sekundärbewegung, die der primären Vorschubbewegung des Laserstrahls beim erfindungsgemäßen Laserschneidverfahren überlagert ist, in schematischen Darstellungen;
- 3 einzelne Bewegungsabschnitte eines Bewegungszyklus einer Sekundärbewegung für die Erfindung, in einer schematischen Darstellung;
- 4 ein mit den Bewegungsabschnitten von 3 erhaltenes Bewegungsmuster für die Erfindung an der Schnittfront eines Schnittspalts, in einer schematischen Aufsicht;
- 5 einzelne Bewegungsabschnitte eines weiteren Bewegungszyklus einer Sekundärbewegung für die Erfindung, in einer schematischen Darstellung;
- 6 ein mit den Bewegungsabschnitten von 5 erhaltenes Bewegungsmuster für die Erfindung an der Schnittfront eines Schnittspalts, in einer schematischen Aufsicht.
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1 zeigt ein Werkstück 10 während des Laserschneidens. Ein Laserstrahl 12 und ein Schneidgasstrahl 14 werden auf eine Werkstückoberfläche 16 gerichtet. Der Laserstrahl 12 und der Schneidgasstrahl 14 treten gemeinsam aus einer Schneiddüse 18 aus. Der Schneidgasstrahl 14 kann Stickstoff als Schneidgas aufweisen. Die Schneiddüse 18 wird in einer primären Vorschubbewegung 20 über das Werkstück 10 geführt. Dadurch wird ein Schnittspalt 22 erzeugt. Eine Schnittfront 24 am in Vorschubrichtung vorderen Ende des Schnittspalts 22 verläuft gegenüber der Ausbreitungsrichtung des Laserstrahls 12 geneigt.
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Der primären Vorschubbewegung 20 ist eine zyklische Sekundärbewegung 26 des Laserstrahls 12 überlagert. Der Laserstrahl 12 kann im Rahmen der Sekundärbewegung 26 innerhalb der Schneiddüse 18 in zwei Richtungen hin- und hergehend bewegt werden. Die Sekundärbewegung 26 bewirkt eine zweidimensionale Bewegung des Laserstrahls 12 auf der Werkstückoberfläche 16. Die Sekundärbewegung 26 weist mit anderen Worten Anteile in Richtung der primären Vorschubbewegung 20 sowie quer zu dieser auf.
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Verschiedene Formen von aus der Sekundärbewegung 26 resultierenden Bewegungsmustern 28, 30, 32, 34 sind in 2 dargestellt. Das Bewegungsmuster 28 ist ein nach vorne offenes „V“. Das Bewegungsmuster 30 ist ein nach vorne offenes „Y“. Das Bewegungsmuster 32 ist ein „T“ mit vorne liegen dem Querbalken. Das Bewegungsmuster 34 ist ein nach vorne weisender Pfeil. Eine Düsenmitte 35 der Schneiddüse 18 ist gestrichelte angedeutet.
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Allen Bewegungsmustern 28, 30, 32, 34 ist gemein, dass eine quer zur primären Vorschubbewegung 20 gemessene Ausdehnung 36 in einem in Vorschubrichtung vorderen Bereich 38 größer ist als eine quer zur Vorschubrichtung gemessene Ausdehnung 40 in einem hinteren Bereich 42 des jeweiligen Bewegungsmusters 28, 30, 32, 34.
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Bei den Bewegungsmustern 28, 30, 34 umfasst der vordere Bereich 38 jeweils knapp ein Drittel einer Gesamtlänge des jeweiligen Bewegungsmusters; der hintere Bereich 42 umfasst entsprechend gut zwei Drittel der Gesamtlänge. Bei dem Bewegungsmuster 32 ist der vordere Bereich 38 auf das vordere Ende begrenzt.
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Die Bewegungsmuster 28, 30, 32, 34 umfassen jeweils mehrere geradlinige Bewegungsabschnitte. Im hinteren Teil ist bei den Bewegungsmustern 30, 32, 34 ein in Vorschubrichtung ausgerichteter Längsbalken 44 gebildet. Es kann vorgesehen sein, dass in einem Bewegungszyklus der Sekundärbewegung 26 der Längsbalken 44 je nur einmal hin- und hergehend abgefahren wird, während die Bewegungsabschnitte im vorderen Bereich 38 mehrfach abgefahren werden.
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Zwischen den unterschiedlichen Bewegungsabschnitten können Parameter des Laserschneidvorgangs, beispielsweise die Geschwindigkeit der Sekundärbewegung, die Laserleistung des Laserstrahls 12 und/oder die Position des Fokuspunkts des Laserstrahls 12 relativ zur Werkstückoberfläche 16, verändert werden. Insbesondere kann vorgesehen sein, dass die Geschwindigkeit der Sekundärbewegung innerhalb eines jeweiligen Bewegungsabschnitts konstant gehalten wird.
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Die Abmaße der Bewegungsmuster 28, 30, 32, 34 können proportional zur Vorschubgeschwindigkeit skaliert sein. Alternativ kann vorgesehen sein, dass die Ausdehnung des jeweiligen Bewegungsmusters in Vorschubrichtung, insbesondere die Länge des vorderen und hinteren Bereichs 28, 42, sowie die jeweilige Ausdehnung 36, 40 quer zur Vorschubrichtung unabhängig voneinander einstellbar sind.
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3 zeigt einzelne, nacheinander auszuführende Bewegungsabschnitte A, B, C, D eines in 4 dargestellten Bewegungsmusters 46 der Sekundärbewegung 26 (vergleiche 1). Die Bewegungsabschnitte A und D sind hier geradlinig und bilden einen schmalen, nach hinten spitz zulaufenden v-förmigen Bereich 42 des Bewegungsmusters 46. Die Bewegungsabschnitte C, und D sind hier kreisförmig bzw. halbkreisförmig und bilden einen breiten, vorderen Bereich 38 des Bewegungsmusters 46. Insgesamt kann das Bewegungsmuster 46 als Form einer Eistüte mit eingesetzter Eiskugel beschrieben werden.
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Die Bewegungsabschnitte B und C werden im Bereich des in Richtung der primären Vorschubbewegung 20 vorderen bzw. an der Werkstückoberfläche 16 gelegenen Endes der Schnittfront 24 ausgeführt, vergleiche 4 und 1. Der Wärmeeintrag des Laserstrahls 24 wird somit am vorderen Ende der Schnittfront 24 bzw. an der zur Schneiddüse 18 weisenden Werkstückoberfläche 16 konzentriert. Die Bewegungsabschnitte A und D verlaufen über die Schnittfront 24 hinaus in den Schnittspalt 22 hinein. Durch die geringere Breite des Bewegungsmusters 44 im hinteren Bereich 42 wird ein Aufschmelzen von Schnittkanten 48 des Schnittspalts 22 vermieden.
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5 zeigt einzelne, nacheinander auszuführende Bewegungsabschnitte K, L, M, N, O eines in 6 dargestellten Bewegungsmusters 50 der Sekundärbewegung 26 (vergleiche 1). Die Bewegungsabschnitte K, L und M eines vorderen, breiten Bereichs 38 können innerhalb eines Zyklus der Sekundärbewegung 26 mehrfach in Folge abgefahren werden. Es kann vorgesehen sein, dass die Bewegungsabschnitte N und O eines hinteren, schmalen Bereichs 42 pro Zyklus der Sekundärbewegung nur einmal abgefahren werden. Innerhalb eines Bewegungszyklus können die Bewegungsabschnitte beispielsweise in der Reihenfolge K, L, M, K, L, M, K, L, M, N, O durchfahren werden.
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Der durch die Bewegungsabschnitte K, L und M gebildete breite, vordere Bereich des Bewegungsmusters 50 kann im Wesentlichen vor der Schnittfront 24 auf der Werkstückoberfläche 16 (vergleiche 1) plaziert werden, um das Material des Werkstücks 10 aufzuschmelzen. Die Bewegungsabschnitte N und O können über der Schnittfront 24 durchgeführt werden, um den Austrieb der Schmelze zu unterstützen, ohne jedoch die Schnittkanten 48 aufzuschmelzen.
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Zusammenfassend betrifft die Erfindung Laserschneidverfahren, bei welchem einer primären Vorschubbewegung in Schnittrichtung eine zweidimensionale, periodisch wiederholte Sekundärbewegung überlagert ist. Eine Ausdehnung der Sekundärbewegung quer zur Vorschubrichtung ist in einem vorderen Bereich größer als in einem hinteren Bereich.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Werkstück
- 12
- Laserstrahl
- 14
- Schneidgasstrahl
- 16
- Werkstückoberfläche
- 18
- Schneiddüse
- 20
- Vorschubbewegung
- 22
- Schnittspalt
- 24
- Schnittfront
- 26
- Sekundärbewegung
- 28, 30, 32, 34
- Bewegungsmuster
- 35
- Düsenmitte
- 36
- Ausdehnung im vorderen Bereich 38
- 38
- vorderer Bereich
- 40
- Ausdehnung im hinteren Bereich 42
- 42
- hinterer Bereich
- 44
- Längsbalken
- 46
- Bewegungsmuster
- 48
- Schnittkanten
- 50
- Bewegungsmuster
- A, B, C, D; K, L, M, N, O
- Bewegungsabschnitte
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102008053397 A1 [0003]
