DE102022127956A1 - METHOD FOR MACHINING A METAL WORKPIECE AND LASER DEVICE - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren, bei welchem ein Bearbeitungsstrahl (18) auf ein Werkstück (W) gerichtet und in einer Schneidrichtung (24) relativ zu dem Werkstück (W) bewegt wird, wobei der Bearbeitungsstrahl (18) einen ersten Laserstrahl (20) mit einer ersten Intensität zum Schneiden des Werkstücks (W) einen neben dem ersten Laserstrahl (20) auf eine Werkstückoberfläche (26) des Werkstücks (W) auftreffenden zweiten Laserstrahl (22) mit einer geringeren zweiten Intensität umfasst, wodurch mittels des zweiten Laserstrahls (22) eine abgerundete Schnittkante (30) erzeugt wird; und für ein Erzeugen eines Materialstegs (36) des metallischen Werkstücks (W) die erste Intensität des ersten Laserstrahls (20) in einem Stabilisierungsbereich (38) des Werkstücks (W) reduziert wird im Vergleich zu wenigstens einem an den Stabilisierungsbereich (38) angrenzenden Schneidbereich (40) des Werkstücks (W), wodurch das Werkstück (W) in dem Stabilisierungsbereich (38) höchstens über einen Teilbereich seiner Dicke eingeschnitten wird.The invention relates to a method in which a processing beam (18) is directed at a workpiece (W) and moved in a cutting direction (24) relative to the workpiece (W), wherein the processing beam (18) comprises a first laser beam (20) with a first intensity for cutting the workpiece (W) and a second laser beam (22) with a lower second intensity which impinges on a workpiece surface (26) of the workpiece (W) next to the first laser beam (20), whereby a rounded cutting edge (30) is produced by means of the second laser beam (22); and for producing a material web (36) of the metallic workpiece (W), the first intensity of the first laser beam (20) is reduced in a stabilization region (38) of the workpiece (W) in comparison to at least one cutting region (40) of the workpiece (W) adjacent to the stabilization region (38), whereby the workpiece (W) is cut in the stabilization region (38) over at most a partial region of its thickness.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Bearbeiten eines metallischen Werkstücks sowie eine Lasereinrichtung zum Bearbeiten eines metallischen Werkstücks mittels eines Bearbeitungsstrahls.The invention relates to a method for machining a metallic workpiece and a laser device for machining a metallic workpiece by means of a machining beam.

Aus der WO 2022/037797 A1 ist ein Verfahren zur Herstellung mindestens eines Werkstückteils und einem Restwerkstück aus einem Werkstück mittels eines aus einem Laserbearbeitungskopf austretenden Laserstrahls bekannt. Bei dem Verfahren wird das Werkstück entlang einer Schnittlinie geschnitten, wobei Schnittkanten am Werkstückteil und am Restwerkstück gebildet werden. Weiterhin erfolgt bei dem Verfahren eine Modifikation des Werkstücks in Form einer Verrundung, während das Werkstückteil mit dem Restwerkstück verbunden ist.From the WO 2022/037797 A1 A method is known for producing at least one workpiece part and a remaining workpiece from a workpiece by means of a laser beam emerging from a laser processing head. In the method, the workpiece is cut along a cutting line, with cutting edges being formed on the workpiece part and on the remaining workpiece. In the method, the workpiece is also modified in the form of a rounding, while the workpiece part is connected to the remaining workpiece.

Darüber hinaus ist aus der DE 10 2019 125 103 A1 ein Verfahren zum Laserschneiden eines Werkstücks bekannt. Bei dem Verfahren wird ein Bearbeitungslaserstrahl zum Grobbearbeiten des Werkstücks erzeugt. Hierbei werden zwei Energieintensitätsbereiche des Bearbeitungslaserstrahls erzeugt, wobei ein erster Energieintensitätsbereich zum Grobbearbeiten des Werkstücks eine größere zeitlich integrierte Strahlungsenergie aufweist als der zweite Energieintensitätsbereich zum zumindest partiellen Feinbearbeiten einer Schnittkante. Mit diesem Bearbeitungsstrahl wird das Werkstück bestrahlt.In addition, the EN 10 2019 125 103 A1 a method for laser cutting a workpiece is known. In the method, a processing laser beam is generated for rough machining of the workpiece. Two energy intensity ranges of the processing laser beam are generated, with a first energy intensity range for rough machining of the workpiece having a greater time-integrated radiation energy than the second energy intensity range for at least partial fine machining of a cutting edge. The workpiece is irradiated with this processing beam.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Lösung zu schaffen, welche ein besonders schnelles und präzises Schneiden eines Werkstücks mittels einer Lasereinrichtung ermöglicht, wobei scharfe Schnittkanten vermieden werden.The object of the present invention is to provide a solution which enables a particularly fast and precise cutting of a workpiece by means of a laser device, whereby sharp cutting edges are avoided.

Die Aufgabe wird durch die Gegenstände der unabhängigen Ansprüche gelöst. Weitere mögliche Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen, der Beschreibung und der Zeichnung angegeben. Merkmale, Vorteile und mögliche Ausgestaltungen, die im Rahmen der Beschreibung für einen der Gegenstände der unabhängigen Ansprüche dargelegt sind, sind zumindest analog als Merkmale, Vorteile und mögliche Ausgestaltungen des jeweiligen Gegenstands der anderen unabhängigen Ansprüche sowie jeder möglichen Kombination der Gegenstände der unabhängigen Ansprüche, gegebenenfalls in Verbindung mit einem oder mehr der Unteransprüche, anzusehen.The object is solved by the subject matter of the independent claims. Further possible embodiments of the invention are specified in the subclaims, the description and the drawing. Features, advantages and possible embodiments that are set out in the description for one of the subject matter of the independent claims are to be regarded at least analogously as features, advantages and possible embodiments of the respective subject matter of the other independent claims and of any possible combination of the subject matter of the independent claims, if appropriate in conjunction with one or more of the subclaims.

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Bearbeiten eines metallischen Werkstücks, welches insbesondere platten- oder rohrförmig ausgebildet ist. Bei dem Verfahren ist es vorgesehen, dass ein Bearbeitungsstrahl auf das Werkstück gerichtet und in einer Schneidrichtung relativ zu dem Werkstück bewegt wird. Der Bearbeitungsstrahl wird mittels einer Lasereinrichtung bereitgestellt. Unter dem Richten des Bearbeitungsstrahls auf das Werkstück ist zu verstehen, dass der Bearbeitungsstrahl von der Lasereinrichtung bereitgestellt wird, auf das Werkstück ausgerichtet ist und auf die Werkstückoberfläche des Werkstücks auftrifft. Der Bearbeitungsstrahl umfasst einen ersten Laserstrahl mit einer ersten Intensität, welcher zum Schneiden des Werkstücks in einer Dickenrichtung vorgesehen ist. Mit anderen Worten wird beim Bearbeiten des metallischen Werkstücks das Werkstück in seiner Dickenrichtung mittels des ersten Laserstrahls geschnitten. Der Bearbeitungsstrahl umfasst des Weiteren einen neben dem ersten Laserstrahl auf eine Werkstückoberfläche des Werkstücks auftreffenden zweiten Laserstrahl, welcher eine im Vergleich zur ersten Intensität des ersten Laserstrahls geringere zweite Intensität aufweist. Mittels des zweiten Laserstrahls wird eine abgerundete Schnittkante des Werkstücks erzeugt. Mittels des zweiten Laserstrahls kann somit Material des Werkstücks zum Fließen gebracht werden, wodurch etwaige beim Schneiden des Werkstücks mittels des ersten Laserstrahls entstehende Schnittkanten verrundet werden. Ein Nachbearbeitungsaufwand des Werkstücks kann somit besonders geringgehalten werden. Der Bearbeitungsstrahl ermöglicht somit, dass das Werkstück geschnitten wird, wobei verrundete Schnittkanten entstehen. Ein nachträgliches Abrunden von Schnittkanten kann somit entfallen.The invention relates to a method for machining a metallic workpiece, which is in particular plate-shaped or tubular. In the method, it is provided that a machining beam is directed at the workpiece and moved in a cutting direction relative to the workpiece. The machining beam is provided by means of a laser device. Directing the machining beam at the workpiece means that the machining beam is provided by the laser device, is aligned with the workpiece and strikes the workpiece surface of the workpiece. The machining beam comprises a first laser beam with a first intensity, which is provided for cutting the workpiece in a thickness direction. In other words, when machining the metallic workpiece, the workpiece is cut in its thickness direction by means of the first laser beam. The machining beam further comprises a second laser beam which strikes a workpiece surface of the workpiece in addition to the first laser beam and has a second intensity that is lower than the first intensity of the first laser beam. A rounded cutting edge of the workpiece is produced by means of the second laser beam. The second laser beam can be used to make the material of the workpiece flow, rounding off any cutting edges that may arise when the workpiece is cut using the first laser beam. The amount of post-processing work required on the workpiece can therefore be kept to a minimum. The processing beam thus enables the workpiece to be cut, creating rounded cutting edges. Subsequent rounding of cutting edges can therefore be omitted.

Der Bearbeitungsstrahl umfasst somit den ersten Laserstrahl und den zumindest teilweise neben dem ersten Laserstrahl angeordneten zweiten Laserstrahl. Beispielsweise können sich der erste Laserstrahl und der zweite Laserstrahl zumindest teilweise überlappen. Es ist möglich, dass der erste Laserstrahl und der zweite Laserstrahl konzentrisch zueinander angeordnet sind. Hierunter ist zu verstehen, dass eine Abbildung des ersten Laserstrahls auf der Werkstückoberfläche des Werkstücks einen inneren Bereich des Bearbeitungsstrahls bildet und die Abbildung des zweiten Laserstrahls die Abbildung des ersten Laserstrahls umfangsseitig umschließt. Hierfür kann die Abbildung des ersten Laserstrahls zumindest im Wesentlichen kreisförmig oder ellipsenförmig sein, während die Abbildung des zweiten Laserstrahls ringförmig ausgestaltet ist und somit die Abbildung des ersten Laserstrahls ringförmig umgibt. In einer Ebene der Werkstückoberfläche können die Abbildungen des ersten Laserstrahls und des zweiten Laserstrahls ohne Überlapp oder durch einen kleinen Trennspalt voneinander beabstandet aneinander angrenzen.The processing beam thus comprises the first laser beam and the second laser beam arranged at least partially next to the first laser beam. For example, the first laser beam and the second laser beam can at least partially overlap. It is possible for the first laser beam and the second laser beam to be arranged concentrically to one another. This means that an image of the first laser beam on the workpiece surface of the workpiece forms an inner region of the processing beam and the image of the second laser beam encloses the image of the first laser beam on the circumference. For this purpose, the image of the first laser beam can be at least substantially circular or elliptical, while the image of the second laser beam is ring-shaped and thus surrounds the image of the first laser beam in a ring. In a plane of the workpiece surface, the images of the first laser beam and the second laser beam can adjoin one another without overlapping or spaced apart by a small separation gap.

Bei dem Verfahren ist es weiterhin vorgesehen, dass für ein Erzeugen eines Materialstegs des metallischen Werkstücks die erste Intensität des ersten Laserstrahls in einem sich in Schneidrichtung erstreckenden Stabilisierungsbereich des Werkstücks reduziert wird im Vergleich zu wenigstens einem in Schneidrichtung an den Stabilisierungsbereich angrenzenden Schneidbereich des Werkstücks. Hierdurch wird das Werkstück in dem Stabilisierungsbereich höchstens über einen Teilbereich seiner Dicke eingeschnitten. Das Stehenlassen des wenigstens einen Materialstegs beim Schneiden des Werkstücks ermöglicht, dass beim Bearbeiten des Werkstücks ein Verkippen von zwei durch das Schneiden des Werkstücks entstehenden Werkstückteilen zueinander unterbleibt, wodurch das Werkstück besonders präzise geschnitten werden kann. Würden die Werkstückteile während der Bearbeitung des metallischen Werkstücks unkontrolliert zueinander verkippen, dann könnte der Bearbeitungsstrahl von einer vorgegebenen Schneidlinie des Werkstücks abkommen, wodurch das Werkstück verschnitten wird. Durch den wenigstens einen Materialsteg kann ein derartiges Verschneiden des Werkstücks vermieden werden. Nach Beenden des Schneidens des metallischen Werkstücks mittels des Bearbeitungsstrahls werden jeweilige Werkstückteile des Werkstücks mittels des wenigstens einen Materialsteges aneinandergehalten. Anschließend werden vorgehaltene Materialstege des Werkstücks durchtrennt, um die Werkstückteile des Werkstücks voneinander zu trennen. Bei wenigstens einem der abgetrennten Werkstückteile kann es sich um ein Bauteil handeln, welches somit im Rahmen des Verfahrens aus dem metallischen Werkstück ausgeschnitten worden ist. Der wenigstens eine Materialsteg kann mittels des Bearbeitungsstrahls oder mechanisch beispielsweise durch Durchbrechen durchtrennt werden. Das Durchtrennen kann beispielsweise durch Herausdrücken, Herausschlagen oder Herausrütteln eines ersten Werkstückteils, insbesondere des Bauteils, aus einem umgebenden zweiten Werkstückteil erfolgen, bei welchem es sich somit um ein Restwerkstück beziehungsweise ein Restgitter des Werkstücks handelt. Alternativ kann der Materialsteg durchtrennt werden, indem mehrere durch Materialstege zusammengehaltene Werkstückteile abgeknickt oder abgerüttelt werden. Der wenigstens eine Materialsteg erstreckt sich als sogenannter „Nano Joint“ lediglich über einen Teilbereich der Dicke des Werkstücks. Diese Verwendung des Nano Joints als Materialsteg hat im Vergleich zu sogenannten Micro Joints, welche sich über die volle Dicke des Werkstücks erstrecken, den Vorteil, dass die gesamte Schnittkante abgerundet bereitgestellt werden kann.The method further provides that, for producing a material web of the metallic workpiece, the first intensity of the first laser beam is adjusted in a direction extending in the cutting direction extending stabilization region of the workpiece is reduced in comparison to at least one cutting region of the workpiece adjacent to the stabilization region in the cutting direction. As a result, the workpiece is cut in the stabilization region over at most a partial region of its thickness. Leaving the at least one material web standing when cutting the workpiece makes it possible for two workpiece parts created by cutting the workpiece to be prevented from tilting towards one another during machining of the workpiece, as a result of which the workpiece can be cut particularly precisely. If the workpiece parts were to tilt towards one another in an uncontrolled manner during machining of the metallic workpiece, the machining beam could deviate from a predetermined cutting line of the workpiece, as a result of which the workpiece would be cut. Such cutting of the workpiece can be avoided by the at least one material web. After the cutting of the metallic workpiece by means of the machining beam has ended, respective workpiece parts of the workpiece are held together by means of the at least one material web. Material webs of the workpiece that are held in place are then severed in order to separate the workpiece parts of the workpiece from one another. At least one of the separated workpiece parts can be a component, which has thus been cut out of the metal workpiece as part of the process. The at least one material web can be severed by means of the processing beam or mechanically, for example by breaking through. The severing can be carried out, for example, by pressing, knocking out or shaking out a first workpiece part, in particular the component, from a surrounding second workpiece part, which is thus a residual workpiece or a residual grid of the workpiece. Alternatively, the material web can be severed by bending or shaking off several workpiece parts held together by material webs. The at least one material web extends as a so-called "nano joint" only over a partial area of the thickness of the workpiece. This use of the nano joint as a material web has the advantage, compared to so-called micro joints, which extend over the full thickness of the workpiece, that the entire cutting edge can be provided rounded.

Im Stabilisierungsbereich wird das Werkstück eingeschnitten. Es wird somit in dem Stabilisierungsbereich der Materialsteg stehengelassen, welcher sich lediglich über einen Teil der Dicke des Werkstücks erstreckt. Im Schneidbereich wird das Werkstück in seiner Dicke vollständig durchgeschnitten. Der Schneidbereich kann sich an den Stabilisierungsbereich in Schneidrichtung nach vorne oder nach hinten anschließen. Insbesondere umfasst das Werkstück wenigstens zwei Schneidbereiche, von welchen sich einer in Schneidrichtung nach vorne an den Stabilisierungsbereich anschließt und der andere sich in Schneidrichtung nach hinten an den Stabilisierungsbereich anschließt. Der Stabilisierungsbereich ist somit in Schneidrichtung nach vorne und nach hinten von jeweiligen Schneidbereichen begrenzt. Insbesondere kann das Werkstück für jeden zu erzeugenden Materialsteg einen von jeweiligen Schneidbereichen umgebenen Stabilisierungsbereich aufweisen.The workpiece is cut in the stabilization area. The material web, which only extends over part of the thickness of the workpiece, is thus left in the stabilization area. In the cutting area, the workpiece is completely cut through in its thickness. The cutting area can adjoin the stabilization area to the front or to the back in the cutting direction. In particular, the workpiece comprises at least two cutting areas, one of which adjoins the stabilization area to the front in the cutting direction and the other adjoins the stabilization area to the back in the cutting direction. The stabilization area is thus delimited to the front and to the back in the cutting direction by respective cutting areas. In particular, the workpiece can have a stabilization area surrounded by respective cutting areas for each material web to be produced.

Um das metallische Werkstück in einem einzigen Verfahrensschritt mittels des Bearbeitungsstrahls zu schneiden und mit der abgerundeten Schnittkante bereitzustellen, wobei der wenigstens eine Materialsteg erzeugt wird, wird zumindest die Intensität des ersten Laserstrahls während des Führens in Schneidrichtung über die Oberfläche des Werkstücks geändert, um den Nano Joint stehen zu lassen. Die erste Intensität des ersten Laserstrahls weist somit in Schneidrichtung im Schneidbereich einen Ausgangswert auf, wird im in Schneidrichtung angrenzenden Stabilisierungsbereich auf einen reduzierten Wert gesenkt und wird in dem in Schneidrichtung an den Stabilisierungsbereich angrenzenden weiteren Schneidbereich wieder auf den Ausgangswert erhöht. Der Bearbeitungsstrahl kann somit stetig entlang der Werkstückoberfläche des Werkstücks geführt werden, um das Werkstück in dem Schneidbereich vollständig zu durchschneiden und in dem Stabilisierungsbereich den Materialsteg stehen zu lassen, wobei eine abgerundete Schnittkante des Werkstücks erzeugt wird. Ein Überarbeiten des Werkstücks in mehreren zueinander unterschiedlichen Bearbeitungsschritten wie beispielsweise Schneiden des Werkstücks mit Stehenlassen von wenigstens einem Materialsteg und anschließendes separates Verrunden der Kanten können somit entfallen. Somit ermöglicht das Verfahren ein besonders schnelles und umfangreiches Bearbeiten des metallischen Werkstücks.In order to cut the metallic workpiece in a single process step using the processing beam and to provide it with the rounded cutting edge, whereby the at least one material web is produced, at least the intensity of the first laser beam is changed while being guided in the cutting direction over the surface of the workpiece in order to leave the nano joint standing. The first intensity of the first laser beam thus has an initial value in the cutting direction in the cutting area, is reduced to a reduced value in the stabilization area adjacent in the cutting direction and is increased again to the initial value in the further cutting area adjacent to the stabilization area in the cutting direction. The processing beam can thus be guided continuously along the workpiece surface of the workpiece in order to completely cut through the workpiece in the cutting area and to leave the material web standing in the stabilization area, whereby a rounded cutting edge of the workpiece is produced. Reworking the workpiece in several different processing steps, such as cutting the workpiece while leaving at least one material web standing and then separately rounding the edges, can thus be omitted. The process thus enables particularly fast and extensive processing of the metallic workpiece.

In einer möglichen Weiterbildung der Erfindung ist es vorgesehen, dass der erste Laserstrahl und der zweite Laserstrahl in einer senkrecht zur Schneidrichtung auf der Werkstückoberfläche verlaufenden Linie nebeneinander angeordnet sind. Mit anderen Worten wird der Bearbeitungsstrahl in der Schneidrichtung relativ zu der Werkstückoberfläche bewegt, wodurch die Laserstrahlen nebeneinander über die Werkstückoberfläche des Werkstücks geführt werden. Hierdurch sind die Laserstrahlen in einer durch die Werkstückoberfläche aufgespannten Ebene senkrecht zur Schneidrichtung nebeneinander angeordnet. Insbesondere können die Laserstrahlen senkrecht zur Schneidrichtung und senkrecht zur Dickenrichtung des Werkstücks, welche mit einer Strahlrichtung zusammenfällt, in welcher die Laserstrahlen auf das Werkstück auftreffen, nebeneinander angeordnet. Der zweite Laserstrahl ist somit näher an einem beim Schneiden des Werkstücks verbleibenden Werkstückteil angeordnet als der erste Laserstrahl, wodurch beim Schneiden des Werkstücks mittels des ersten Laserstrahls erzeugte Schnittkanten durch Umschmelzen und somit Fließen von Material abgerundet werden können. Die Schnittkanten werden insbesondere unmittelbar bei deren Entstehung abgerundet mittels des zweiten Laserstrahls, wodurch eine Gefahr eines Erzeugens von scharfkantigen Schnittkanten besonders geringgehalten werden kann.In a possible development of the invention, it is provided that the first laser beam and the second laser beam are arranged next to each other in a line running perpendicular to the cutting direction on the workpiece surface. In other words, the processing beam is moved in the cutting direction relative to the workpiece surface, whereby the laser beams are guided next to each other over the workpiece surface of the workpiece. As a result, the laser beams are arranged next to each other in a plane spanned by the workpiece surface perpendicular to the cutting direction. In particular, the laser beams can be arranged perpendicular to the cutting direction and perpendicular to the thickness direction of the workpiece, which coincides with a beam direction in which the laser beams impinge on the workpiece, arranged next to each other. The second laser beam is thus arranged closer to a part of the workpiece that remains when the workpiece is cut than the first laser beam, whereby cutting edges created when the workpiece is cut using the first laser beam can be rounded off by melting and thus flowing material. The cutting edges are rounded off in particular immediately after they are created using the second laser beam, whereby the risk of creating sharp cutting edges can be kept particularly low.

In einer weiteren möglichen Ausgestaltung der Erfindung ist es vorgesehen, dass der Bearbeitungsstrahl mittels einer Lasereinrichtung bereitgestellt wird. Diese Lasereinrichtung umfasst einen Lichtwellenleiter, eine Laserstrahlerzeugungseinheit sowie eine Strahlaufteilungseinrichtung. Bei der Lasereinrichtung handelt es sich insbesondere um einen Faserlaser. Bei dem Lichtwellenleiter kann es sich somit um eine sogenannte Faser, insbesondere um eine Mehrfachclad-Faser, wie eine 2-in-1-Faser oder eine 3-in-1-Faser handeln. Der Lichtwellenleiter umfasst einen Kernbereich und wenigstens einen Ringbereich. Ist der Lichtwellenleiter als 2-in-1-Faser ausgebildet, dann umfasst der Lichtwellenleiter den Kernbereich und einen den Kernbereich umfangsseitig umschließenden Ringbereich. Ist der Lichtwellenleiter als 3-in-1-Faser ausgebildet, dann umfasst der Lichtwellenleiter den Kernbereich sowie zwei Ringbereiche, einen inneren Ringbereich sowie einen äußeren Ringbereich. Der innere Ringbereich umschließt den Kernbereich umfangsseitig und der äußere Ringbereich umschließt sowohl den Kernbereich als auch den inneren Ringbereich umfangsseitig. Hierbei sind der Kernbereich und die beiden Ringbereiche konzentrisch zueinander angeordnet. Die Laserstrahlerzeugungseinheit ist dazu eingerichtet, einen Lasereingangsstrahl zu erzeugen. Bei dem Verfahren wird somit mittels der Laserstrahlerzeugungseinheit der Lasereingangsstrahl erzeugt. Mittels der Strahlaufteilungseinrichtung wird der Lasereingangsstrahl auf den Kernbereich zum Erzeugen des ersten Laserstrahls und auf den wenigstens einen Ringbereich zum Erzeugen des zweiten Laserstrahls aufgeteilt. Mittels der Strahlaufteilungseinrichtung kann eingestellt werden, welcher Anteil des Lasereingangsstrahls in den Kernbereich und welcher Anteil des Lasereingangsstrahls in den wenigstens einen Ringbereich eingekoppelt werden soll. Somit kann mittels der Stahlaufteilungseinrichtung die Intensität der jeweiligen Laserstrahlen eingestellt werden. Alternativ zu der Ausgestaltung der Lasereinrichtung mit der Laserstrahlerzeugungseinheit, mittels welcher der eine Lasereingangsstrahl erzeugt wird, kann die Lasereinrichtung wenigstens zwei separate Laserstrahlerzeugungseinheiten aufweisen, wobei mittels einer ersten der Laserstrahlerzeugungseinheiten ein erster Lasereingangsstrahl in den Kernbereich und ein zweiter Lasereingangsstrahl in den Ringbereich eingekoppelt wird. Insbesondere kann die Lasereinrichtung für jeden Bereich des Lichtwellenleiters eine separate Laserstrahlerzeugungseinheit aufweisen. Durch das Vorsehen der jeweiligen separaten Laserstrahlerzeugungseinheiten können die Intensitäten der Laserstrahlen des Bearbeitungsstrahls besonders einfach individuell gesteuert werden. Das Vorsehen der Lasereinrichtung mit der Strahlaufteilungseinrichtung ermöglicht, dass durch das Aufteilen des einen Lasereingangsstrahls die Intensitäten des ersten Laserstrahls und des zweiten Laserstrahls besonders präzise über eine gesamte Intensitätsrange von 0 bis 100 % eingestellt werden können.In a further possible embodiment of the invention, it is provided that the processing beam is provided by means of a laser device. This laser device comprises an optical waveguide, a laser beam generation unit and a beam splitting device. The laser device is in particular a fiber laser. The optical waveguide can thus be a so-called fiber, in particular a multiple clad fiber, such as a 2-in-1 fiber or a 3-in-1 fiber. The optical waveguide comprises a core region and at least one ring region. If the optical waveguide is designed as a 2-in-1 fiber, then the optical waveguide comprises the core region and a ring region that encloses the core region on the circumference. If the optical waveguide is designed as a 3-in-1 fiber, then the optical waveguide comprises the core region and two ring regions, an inner ring region and an outer ring region. The inner ring region encloses the core region on the circumference and the outer ring region encloses both the core region and the inner ring region on the circumference. Here, the core region and the two ring regions are arranged concentrically to one another. The laser beam generation unit is set up to generate a laser input beam. In the method, the laser input beam is thus generated by means of the laser beam generation unit. The beam splitting device splits the laser input beam into the core region for generating the first laser beam and into the at least one ring region for generating the second laser beam. The beam splitting device can be used to set which portion of the laser input beam is to be coupled into the core region and which portion of the laser input beam is to be coupled into the at least one ring region. The intensity of the respective laser beams can thus be set by means of the beam splitting device. As an alternative to the design of the laser device with the laser beam generation unit, by means of which the one laser input beam is generated, the laser device can have at least two separate laser beam generation units, wherein a first laser input beam is coupled into the core region and a second laser input beam is coupled into the ring region by means of a first of the laser beam generation units. In particular, the laser device can have a separate laser beam generation unit for each area of the optical waveguide. By providing the respective separate laser beam generation units, the intensities of the laser beams of the processing beam can be controlled individually in a particularly simple manner. The provision of the laser device with the beam splitting device enables the intensities of the first laser beam and the second laser beam to be set particularly precisely over an entire intensity range from 0 to 100% by splitting the one laser input beam.

In diesem Zusammenhang kann es insbesondere vorgesehen sein, dass in dem Schneidbereich ein erster Anteil von wenigstens 80 % einer Laserleistung des Lasereingangsstrahls in den Kernbereich eingekoppelt wird und ein zweiter Anteil von höchstens 20 % der Laserleistung des Lasereingangsstrahls in den wenigstens einen Ringbereich eingekoppelt wird. Hierdurch wird sichergestellt, dass mittels des ersten Laserstrahls das Werkstück in dem jeweiligen Schneidbereich zuverlässig über die gesamte Dicke durchtrennt wird und mittels des zweiten Laserstrahls jeweilige Schnittkanten des Werkstücks verrundet werden, ohne ein zu starkes Fließen von Material des Werkstücks zu verursachen.In this context, it can be provided in particular that in the cutting area a first portion of at least 80% of a laser power of the laser input beam is coupled into the core area and a second portion of at most 20% of the laser power of the laser input beam is coupled into the at least one ring area. This ensures that the workpiece in the respective cutting area is reliably severed across its entire thickness by means of the first laser beam and that respective cutting edges of the workpiece are rounded by means of the second laser beam without causing excessive flow of material from the workpiece.

In diesem Zusammenhang kann es in einer weiteren möglichen Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen sein, dass die erste Intensität des ersten Laserstrahls eingestellt wird, indem die Intensität des Lasereingangsstrahls angepasst wird. Mit anderen Worten wird mittels der Laserstrahlerzeugungseinheit die Intensität des Lasereingangsstrahls modifiziert, wodurch der Anteil des Lasereingangsstrahls, welcher mittels der Strahlaufteilungseinrichtung in den Kernbereich zum Erzeugen des ersten Laserstrahls eingekoppelt wird, in seiner Intensität angepasst wird. Durch das Anpassen der Intensität des Lasereingangsstrahls kann die Intensität des ersten Laserstrahls besonders einfach modifiziert werden.In this context, in a further possible embodiment of the invention, it can be provided that the first intensity of the first laser beam is set by adjusting the intensity of the laser input beam. In other words, the intensity of the laser input beam is modified by means of the laser beam generation unit, whereby the portion of the laser input beam which is coupled into the core region for generating the first laser beam by means of the beam splitting device is adjusted in its intensity. By adjusting the intensity of the laser input beam, the intensity of the first laser beam can be modified particularly easily.

In einer weiteren möglichen Ausgestaltung der Erfindung kann es vorgesehen sein, dass die erste Intensität des ersten Laserstrahls eingestellt wird, indem mittels der Strahlaufteilungseinrichtung ein in den Kernbereich eingekoppelter Anteil des Lasereingangsstrahls angepasst wird. Es kann somit die Aufteilung des Lasereingangsstrahls zwischen dem Kernbereich und dem wenigstens einen Ringbereich angepasst werden, um die Intensität des ersten Laserstrahls einzustellen.In a further possible embodiment of the invention, it can be provided that the first intensity of the first laser beam is adjusted by adjusting a portion of the laser input beam coupled into the core region by means of the beam splitting device. The division of the laser input beam between the core region and the at least one ring region can thus be adjusted in order to adjust the intensity of the first laser beam.

In einer weiteren möglichen Ausgestaltung der Erfindung ist es vorgesehen, dass die zweite Intensität des zweiten Laserstrahls in dem Stabilisierungsbereich und in dem Schneidbereich gleich ist. Hierdurch kann erreicht werden, dass der Verrundungsradius an der Schnittkante des metallischen Werkstücks in allen Bereichen entlang der Schneidrichtung konstant ist. Unterschiede im Verrundungsradius in Bereichen des Werkstücks, in welchen der Materialsteg vorgehalten ist, zu Bereichen, in welchen kein Materialsteg vorgehalten ist, kann somit vermieden werden. Es kann somit eine besonders gleichmäßig verrundete Schnittkante am Werkstück erreicht werden.In a further possible embodiment of the invention, it is provided that the second intensity of the second laser beam is the same in the stabilization area and in the cutting area. This makes it possible to ensure that the rounding radius on the cutting edge of the metal workpiece is constant in all areas along the cutting direction. Differences in the rounding radius in areas of the workpiece in which the material web is provided compared to areas in which no material web is provided can thus be avoided. A particularly evenly rounded cutting edge can thus be achieved on the workpiece.

Insbesondere können für das Einstellen der Intensität des ersten Laserstrahls sowohl die Intensität des Lasereingangsstrahls angepasst werden als auch die Aufteilung des Lasereingangsstrahls auf den Kernbereich und den wenigstens einen Ringbereich aufgeteilt werden, da hierdurch die Intensität des ersten Laserstrahls reduziert werden kann, wohingegen trotz reduzierter Intensität des Lasereingangsstrahls aufgrund der Anpassung der Aufteilung des Lasereingangsstrahls die Intensität des zweiten Laserstrahls konstant gehalten werden kann. Wird lediglich die Laserleistung des Lasereingangsstrahls zum Erzeugen des Materialstegs in dem Stabilisierungsbereich des Werkstücks reduziert, beispielsweise um ca. 20 %, dann wird sowohl die Leistung des ersten Laserstrahls als auch die Leistung des zweiten Laserstrahls, welche zum Verrunden zur Verfügung steht, jeweils um 20 % reduziert. Hierdurch kann es vorkommen, dass in dem Stabilisierungsbereich ein Verrundungsradius im Vergleich zu den Schneidbereichen verringert wird. Um dies zu umgehen, wird die Leistungsreduzierung des Lasereingangsstrahls, welche im Stabilisierungsbereich zum Reduzieren der Intensität des ersten Laserstrahls für das Erzeugen des Materialstegs benötigt wird, teilweise in den Ringbereich des Lichtwellenleiters eingekoppelt. Es wird somit mit der Strahlaufteilungseinrichtung beim Bearbeiten des Werkstücks in dem Stabilisierungsbereich ein größerer Anteil des Lasereingangsstrahls in den Ringbereich eingekoppelt als in den Schneidbereich. Der Anteil des Lasereingangsstrahls, welcher in den Ringbereich beim Bearbeiten des Stabilisierungsbereichs des Werkstücks eingekoppelt wird, wird jedoch nur soweit erhöht, dass die Leistung des zweiten Laserstrahls in dem Stabilisierungsbereich und in dem Schneidbereich gleich und somit während des Bearbeitens des metallischen Werkstücks im Wesentlichen konstant ist.In particular, to adjust the intensity of the first laser beam, both the intensity of the laser input beam can be adjusted and the division of the laser input beam can be divided between the core region and the at least one ring region, since this allows the intensity of the first laser beam to be reduced, whereas despite the reduced intensity of the laser input beam, the intensity of the second laser beam can be kept constant due to the adjustment of the division of the laser input beam. If only the laser power of the laser input beam for generating the material web in the stabilization region of the workpiece is reduced, for example by approximately 20%, then both the power of the first laser beam and the power of the second laser beam, which is available for rounding, are each reduced by 20%. This can result in a rounding radius being reduced in the stabilization region compared to the cutting regions. To avoid this, the power reduction of the laser input beam, which is required in the stabilization region to reduce the intensity of the first laser beam for generating the material web, is partially coupled into the ring region of the optical waveguide. Thus, with the beam splitting device, a larger proportion of the laser input beam is coupled into the ring region when processing the workpiece in the stabilization region than into the cutting region. However, the proportion of the laser input beam which is coupled into the ring region when processing the stabilization region of the workpiece is only increased to such an extent that the power of the second laser beam in the stabilization region and in the cutting region is the same and thus essentially constant during processing of the metallic workpiece.

In einer weiteren möglichen Ausgestaltung der Erfindung ist es vorgesehen, dass das Werkstück in dem Stabilisierungsbereich mindestens über die Hälfte seiner Dicke, insbesondere mindestens über 2/3 seiner einer Dicke, eingeschnitten wird. Das Werkstück kann in dem Stabilisierungsbereich insbesondere über wenigstens 3/4 seiner Dicke, insbesondere über wenigstens 4/5 seiner Dicke eingeschnitten werden. Der somit resultierende erzeugte Materialsteg erstreckt sich infolgedessen über weniger als die Hälfte, insbesondere über weniger als ein Drittel, insbesondere über weniger als ein Viertel, insbesondere über weniger als ein Fünftel der Dicke des Werkstücks. Je größer die jeweilige Höhe des verbleibenden Materialstegs ist, desto stabiler ist der erzeugte Materialsteg, desto mehr Kraft ist jedoch wiederum erforderlich, um beim Bearbeiten des Werkstücks entstehende Werkstückteile voneinander zu trennen. Je geringer die Höhe des erzeugten Materialstegs ist, desto weniger Masse an Resten des Materialstegs sind gegebenenfalls von jeweiligen Werkstückteilen zu entfernen, nachdem der Materialsteg durchtrennt worden ist. Das Einschneiden des Werkstücks in dem Stabilisierungsbereich zumindest über die Hälfte der Dicke des Werkstücks stellt sicher, dass mittels des zweiten Laserstrahls eine zuverlässig verrundete Schnittkante zur Verfügung gestellt werden kann.In a further possible embodiment of the invention, it is provided that the workpiece is cut in the stabilization area over at least half of its thickness, in particular over at least 2/3 of its thickness. The workpiece can be cut in the stabilization area, in particular over at least 3/4 of its thickness, in particular over at least 4/5 of its thickness. The resulting material web thus produced consequently extends over less than half, in particular over less than a third, in particular over less than a quarter, in particular over less than a fifth of the thickness of the workpiece. The greater the respective height of the remaining material web, the more stable the material web produced, but the more force is required in order to separate workpiece parts that arise during machining of the workpiece from one another. The lower the height of the material web produced, the less mass of residues of the material web may have to be removed from the respective workpiece parts after the material web has been severed. Cutting the workpiece in the stabilization area at least over half the thickness of the workpiece ensures that a reliably rounded cutting edge can be provided by means of the second laser beam.

In einer weiteren möglichen Ausgestaltung der Erfindung ist es vorgesehen, dass der Bearbeitungsstrahl wenigstens drei Laserstrahlen mit zueinander unterschiedlichen Intensitäten umfasst, die in einer senkrecht zur Schneidrichtung auf der Werkstückoberfläche verlaufenden Linie nebeneinander angeordnet sind. Für das Erzeugen des Bearbeitungsstrahls mit den wenigstens drei Laserstrahlen kann die Lasereinrichtung verwendet werden, welche den als 3-in-1-Faser ausgebildeten Lichtwellenleiter aufweist. Alternativ können die jeweiligen Laserstrahlen mittels zueinander separaten Lasereinrichtungen bereitgestellt werden, wobei für jeden Laserstrahl eine separate Lasereinrichtung vorgesehen ist. Durch das Vorsehen der drei Laserstrahlen mit den zueinander unterschiedlichen Intensitäten kann mittels des ersten Laserstrahls das Werkstück geschnitten werden während mittels des zweiten Laserstrahls und des dritten Laserstrahls, welche ebenfalls zueinander unterschiedliche Intensitäten aufweisen, eine verrundete Schnittkante des Werkstücks bereitgestellt werden kann. Durch das Vorsehen des zweiten und des dritten Laserstrahls mit den zueinander unterschiedlichen Intensitäten kann eine Verrundungskontur der Schnittkante besonders präzise vorgegeben werden.In a further possible embodiment of the invention, it is provided that the processing beam comprises at least three laser beams with mutually different intensities, which are arranged next to one another in a line running perpendicular to the cutting direction on the workpiece surface. The laser device which has the optical waveguide designed as a 3-in-1 fiber can be used to generate the processing beam with the at least three laser beams. Alternatively, the respective laser beams can be provided by means of separate laser devices, with a separate laser device being provided for each laser beam. By providing the three laser beams with mutually different intensities, the workpiece can be cut by means of the first laser beam, while a rounded cutting edge of the workpiece can be provided by means of the second laser beam and the third laser beam, which also have mutually different intensities. By providing the second and third laser beams with mutually different intensities, a rounding contour of the cutting edge can be specified particularly precisely.

Umfasst der Lichtwellenleiter den Kernbereich sowie zwei weitere Ringbereiche, dann entstehen, wenn der Lasereingangsstrahl sowohl in den Kernbereich als auch in beide Ringbereiche eingekoppelt wird, ein erster Laserstrahl, ein zweiter Laserstrahl sowie ein dritter Laserstrahl. Der dritte Laserstrahl ist neben dem ersten und dem zweiten Laserstrahl angeordnet und trifft somit neben dem ersten Laserstrahl und dem zweiten Laserstrahl auf der Werkstückoberfläche des Werkstücks auf beim Ausrichten des Bearbeitungsstrahls auf das Werkstück. Insbesondere kann der dritte Laserstrahl den zweiten Laserstrahl umfangsseitig umschließen und auf der Werkstückoberfläche eine ringförmige Abbildung aufweisen. Der Bearbeitungsstrahl kann somit mittig den ersten Laserstrahl, den zweiten Laserstrahl, welcher den ersten Laserstrahl ringförmig umgibt, und den dritten Laserstrahl aufweisen, welcher den zweiten Laserstrahl ringförmig umgibt.If the optical waveguide includes the core area and two further ring areas, then when the laser input beam is coupled into both the core area and both ring areas, a first laser beam, a second laser beam and a third laser beam are created. The third laser beam is arranged next to the first and second laser beams and thus hits the first and second laser beams. the workpiece surface of the workpiece when aligning the processing beam onto the workpiece. In particular, the third laser beam can enclose the second laser beam circumferentially and have a ring-shaped image on the workpiece surface. The processing beam can thus have the first laser beam in the middle, the second laser beam, which surrounds the first laser beam in a ring, and the third laser beam, which surrounds the second laser beam in a ring.

Die Erfindung betrifft des Weiteren eine Lasereinrichtung zum Bearbeiten eines metallischen Werkstücks mittels eines Bearbeitungsstrahls in einem Verfahren wie es bereits im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren beschrieben worden ist. Das Werkstück kann während des Bearbeitungsprozesses beispielsweise auf einer Werkstückauflage gelagert werden. Die Lasereinrichtung kann beispielsweise Teil einer Laserschneidanlage, wie einer Flachbett-Laserschneidanlage oder einer Rohr-Laserschneidanlage sein. Der Bearbeitungsstrahl umfasst einen ersten Laserstrahl mit einer ersten Intensität zum Schneiden des Werkstücks in einer Dickenrichtung sowie einen neben dem ersten Laserstrahl auf eine Werkstückoberfläche des Werkstücks auftreffenden zweiten Laserstrahl mit einer im Vergleich zur ersten Intensität geringeren zweiten Intensität, wodurch mittels des zweiten Laserstrahls eine abgerundete Schnittkante erzeugt werden kann. Die Lasereinrichtung umfasst wenigstens eine Laserstrahlerzeugungseinheit, welche dazu eingerichtet ist, einen Lasereingangsstrahl zu erzeugen. Weiterhin umfasst die Lasereinrichtung einen Lichtwellenleiter mit einem Kernbereich und wenigstens einem Ringbereich, wobei bei einem Einkoppeln wenigstens eines Lasereingangsstrahls in den Lichtwellenleiter der Kernbereich dazu eingerichtet ist, den ersten Laserstrahl bereitzustellen, und der wenigstens eine Ringbereich dazu eingerichtet ist, den zweiten Laserstrahl bereitzustellen. Darüber hinaus umfasst die Lasereinrichtung eine Steuereinrichtung, welche dazu eingerichtet ist, die Lasereinrichtung für ein Anpassen der ersten Intensität des ersten Laserstrahls zu steuern. Die Lasereinrichtung kann als Festkörperlaser ausgebildet sein, wie insbesondere ein Faserlaser mit einem oder mehreren Faserlasermodulen, ein Scheibenlaser oder ein Diodenlaser. Der Lichtwellenleiter kann als sogenannte Mehrfachclad-Faser mit einem Kernbereich und wenigstens einem, den Kernbereich umgebenden Ringbereich ausgebildet sein. Die Mehrfachclad-Faser ist insbesondere dazu ausgebildet, den ersten Laserstrahl innerhalb des Kernbereichs und den zweiten Laserstrahl innerhalb des Ringbereichs von der Laserstrahlerzeugungseinheit zu einem Bearbeitungskopf zu führen. Mittels des Bearbeitungskopfs kann der Bearbeitungsstrahl auf die Werkstückoberfläche des Werkstücks gerichtet werden.The invention further relates to a laser device for processing a metallic workpiece by means of a processing beam in a method as has already been described in connection with the method according to the invention. The workpiece can be stored on a workpiece support during the processing process, for example. The laser device can be part of a laser cutting system, such as a flatbed laser cutting system or a tube laser cutting system, for example. The processing beam comprises a first laser beam with a first intensity for cutting the workpiece in a thickness direction and a second laser beam impinging on a workpiece surface of the workpiece next to the first laser beam with a second intensity that is lower than the first intensity, whereby a rounded cutting edge can be generated by means of the second laser beam. The laser device comprises at least one laser beam generation unit, which is set up to generate a laser input beam. The laser device further comprises an optical waveguide with a core region and at least one ring region, wherein when at least one laser input beam is coupled into the optical waveguide, the core region is designed to provide the first laser beam and the at least one ring region is designed to provide the second laser beam. In addition, the laser device comprises a control device which is designed to control the laser device to adjust the first intensity of the first laser beam. The laser device can be designed as a solid-state laser, such as in particular a fiber laser with one or more fiber laser modules, a disk laser or a diode laser. The optical waveguide can be designed as a so-called multi-clad fiber with a core region and at least one ring region surrounding the core region. The multi-clad fiber is designed in particular to guide the first laser beam within the core region and the second laser beam within the ring region from the laser beam generation unit to a processing head. The processing beam can be directed onto the workpiece surface of the workpiece by means of the processing head.

Die Lasereinrichtung kann weiterhin eine Strahlaufteilungseinrichtung umfassen, die zwischen der Laserstrahlerzeugungseinheit und dem Lichtwellenleiter, insbesondere der Mehrfachclad-Faser, angeordnet ist. Die Strahlaufteilungseinrichtung ist dazu eingerichtet, den von der Laserstrahlerzeugungseinheit bereitgestellten Lasereingangsstrahl auf jeweilige Bereiche der Mehrfachclad-Faser aufzuteilen. Hierbei kann die Strahlaufteilungseinrichtung den von der Laserstrahlerzeugungseinheit bereitgestellten Lasereingangsstrahl in den ersten Laserstrahl und den zweiten Laserstrahl aufteilen, wobei der erste Laserstrahl in den Kernbereich der Mehrfachclad-Faser und der zweite Laserstrahl in den Ringbereich der Mehrfachclad-Faser eingekoppelt wird. Sind von dem Bearbeitungsstrahl mehr als zwei Laserstrahlen umfasst, kann die Mehrfachclad-Faser mehrere, vorzugsweise konzentrisch zueinander angeordnete Ringbereiche aufweisen, welche jeweils zum Führen eines entsprechenden Laserstrahls ausgebildet sind. Die Strahlaufteilungseinrichtung kann beispielsweise eine sogenannte Keilweiche umfassen, die im Strahlengang des Lasereingangsstrahls angeordnet ist und durch laterale Verschiebung gegenüber dem Lasereingangsstrahl steuerbar Anteile des Lasereingangsstrahls in den Kernbereich und/oder den wenigstens einen Ringbereich der Mehrfachclad-Faser einkoppelt.The laser device can further comprise a beam splitting device which is arranged between the laser beam generation unit and the optical waveguide, in particular the multi-clad fiber. The beam splitting device is designed to split the laser input beam provided by the laser beam generation unit into respective regions of the multi-clad fiber. In this case, the beam splitting device can split the laser input beam provided by the laser beam generation unit into the first laser beam and the second laser beam, with the first laser beam being coupled into the core region of the multi-clad fiber and the second laser beam being coupled into the ring region of the multi-clad fiber. If the processing beam comprises more than two laser beams, the multi-clad fiber can have a plurality of ring regions which are preferably arranged concentrically to one another and which are each designed to guide a corresponding laser beam. The beam splitting device can, for example, comprise a so-called wedge switch, which is arranged in the beam path of the laser input beam and, by lateral displacement relative to the laser input beam, controllably couples portions of the laser input beam into the core region and/or the at least one ring region of the multi-clad fiber.

Die Lasereinrichtung ermöglicht ein Bearbeiten des Werkstücks in einem Zug, wobei das Werkstück bei dem Bearbeiten geschnitten und mit einer abgerundeten Schnittkante bereitgestellt wird und wenigstens ein Materialsteg, bei welchem es sich um einen sogenannten Nano Joint handelt, zum Zusammenhalten jeweiliger durch das Schneiden des Werkstücks entstehender Werkstückteile vorgehalten wird.The laser device enables the workpiece to be processed in one go, whereby the workpiece is cut during processing and provided with a rounded cutting edge and at least one material web, which is a so-called nano joint, is provided for holding together respective workpiece parts resulting from the cutting of the workpiece.

Weitere Merkmale der Erfindung können sich aus der nachfolgenden Figurenbeschreibung sowie anhand der Zeichnung ergeben. Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung und/oder in den Figuren allein gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.Further features of the invention can be seen from the following description of the figures and from the drawing. The features and combinations of features mentioned above in the description as well as the features and combinations of features shown below in the description of the figures and/or in the figures alone can be used not only in the combination specified in each case, but also in other combinations or on their own, without departing from the scope of the invention.

Die Zeichnung zeigt in:

  • 1 eine schematische Seitenansicht einer Lasereinrichtung, mittels welcher ein metallisches Werkstück bearbeitet wird;
  • 2 eine schematische Schnittansicht des mittels eines Bearbeitungsstrahls der Lasereinrichtung bearbeiteten metallischen Werkstücks;
  • 3 eine schematische Seitenansicht des bearbeiteten metallischen Werkstücks;
  • 4 eine Perspektivansicht des bearbeiteten metallischen Werkstücks; und
  • 5 eine Seitenansicht des bearbeiteten metallischen Werkstücks.
The drawing shows in:
  • 1 a schematic side view of a laser device by means of which a metallic workpiece is processed;
  • 2 a schematic sectional view of the metallic workpiece processed by means of a processing beam of the laser device;
  • 3 a schematic side view of the machined metallic workpiece;
  • 4 a perspective view of the machined metallic workpiece; and
  • 5 a side view of the machined metal workpiece.

Gleiche oder funktionsgleiche Elemente sind in den Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen.Identical or functionally equivalent elements are provided with the same reference symbols in the figures.

In 1 sind einzelne Bestanteile einer Lasereinrichtung gezeigt. So sind in 1 ein Lichtwellenleiter 10 sowie eine Fokussierlinse 12 einer Fokussieroptik dargestellt. Die Fokussierlinse 12 ist dazu eingerichtet, von dem Lichtwellenleiter 10 bereitgestellte Lichtstrahlen zu fokussieren. Die Lasereinrichtung umfasst eine in den Figuren nicht gezeigte Laserstrahlerzeugungseinheit, welche dazu eingerichtet ist, einen Lasereingangsstrahl zu erzeugen. Weiterhin umfasst die Lasereinrichtung den in 1 gezeigten Lichtwellenleiter 10, welcher vorliegend als Mehrfachclad-Faser, speziell als eine 2-in-1-Faser ausgebildet ist. Diese 2-in-1-Faser umfasst einen Kernbereich 14 sowie einen den Kernbereich 14 umfangsseitig umschließenden Ringbereich 16. Alternativ zu der Ausgestaltung der Mehrfachclad-Faser als 2-in-1-Faser kann die Mehrfachclad-Faser als sogenannte 3-in-1-Faser mit einem Kernbereich 14, einem inneren Ringbereich und einem äußeren Ringbereich ausgebildet sein, wobei der innere Ringbereich den Kernbereich 14 umfangsseitig umschließt und der äußere Ringbereich den inneren Ringbereich umfangsseitig umschließt. Die Lasereinrichtung umfasst des Weiteren eine in den Figuren nicht gezeigte Strahlaufteilungseinrichtung, mittels welcher der von der Laserstrahlerzeugungseinheit bereitgestellte Lasereingangsstrahl auf den Kernbereich 14 und den Ringbereich 16 aufgeteilt werden kann. Insbesondere ist die Strahlaufteilungseinrichtung dazu eingerichtet, die anteilige Aufteilung des Lasereingangsstrahls auf den Kernbereich 14 und den Ringbereich 16 einzustellen.In 1 individual components of a laser device are shown. For example, in 1 an optical waveguide 10 and a focusing lens 12 of a focusing optics are shown. The focusing lens 12 is designed to focus light beams provided by the optical waveguide 10. The laser device comprises a laser beam generation unit (not shown in the figures) which is designed to generate a laser input beam. Furthermore, the laser device comprises the laser beam generator shown in 1 shown optical waveguide 10, which in the present case is designed as a multi-clad fiber, specifically as a 2-in-1 fiber. This 2-in-1 fiber comprises a core region 14 and a ring region 16 that surrounds the core region 14 on the circumference. As an alternative to the design of the multi-clad fiber as a 2-in-1 fiber, the multi-clad fiber can be designed as a so-called 3-in-1 fiber with a core region 14, an inner ring region and an outer ring region, wherein the inner ring region surrounds the core region 14 on the circumference and the outer ring region surrounds the inner ring region on the circumference. The laser device further comprises a beam splitting device (not shown in the figures), by means of which the laser input beam provided by the laser beam generation unit can be split between the core region 14 and the ring region 16. In particular, the beam splitting device is designed to adjust the proportional distribution of the laser input beam to the core region 14 and the ring region 16.

Von der Lasereinrichtung wird zum Bearbeiten eines metallischen Werkstücks W ein Bearbeitungsstrahl 18 bereitgestellt und auf das Werkstück W gerichtet. Der Bearbeitungsstrahl 18 umfasst vorliegend einen ersten Laserstrahl 20 und einen zweiten Laserstrahl 22. Der erste Laserstrahl 20 und der zweite Laserstrahl 22 sind vorliegend jeweilige Teilstrahlen eines gemeinsamen Laserstrahls, der mittels der Mehrfachclad-Faser bereitgestellt wird. Der erste Laserstrahl 20 wird über den Kernbereich 14 und der zweite Laserstrahl 22 über den Ringbereich 16 der 2-in-1-Faser bereitgestellt. Die Laserstrahlen 20, 22 werden mittels einer Fokussieroptik, vorliegend der Fokussierlinse 12, in Richtung des Werkstücks W fokussiert. Für das Bearbeiten des metallischen Werkstücks W wird der Bearbeitungsstrahl 18 in einer in die Bildebene hinein verlaufenden Schneidrichtung 24 relativ zu dem Werkstück W bewegt. Der Bearbeitungsstrahl 18 wird somit in Schneidrichtung 24 über eine Werkstückoberfläche 26 des Werkstücks W bewegt. Mittels der auf die Werkstückoberfläche 26 auftreffenden Laserstrahlen 20, 22 des Bearbeitungsstrahls 18 wird das Werkstück W bearbeitet. Der erste Laserstrahl 20 weist eine erste Intensität auf und der zweite Laserstrahl 22 weist eine im Vergleich zur ersten Intensität des ersten Laserstrahls 20 niedrigere zweite Intensität auf. Der erste Laserstrahl 20 ist dazu eingerichtet, das Werkstück W in seiner Dickenrichtung 28 zu schneiden. Hierbei kann das Werkstück W über seine gesamte Dicke in der Dickenrichtung 28 mittels des ersten Laserstrahls 20 durchgeschnitten werden. Der zweite Laserstrahl 22 ist dazu eingerichtet, eine abgerundete Schnittkante 30 zu erzeugen. Mit anderen Worten wird beim Bearbeiten des Werkstücks W das Werkstück W mittels des Bearbeitungsstrahls 18 in ein erstes Werkstückteil W1 und in ein zweites Werkstückteil W2 unterteilt, wobei mittels des zweiten Laserstrahls 22 dafür gesorgt wird, dass jeweilige Schnittkanten 30 des ersten Werkstückteils W1 und des zweiten Werkstückteils W2 nach dem Bearbeiten abgerundet vorliegen.For processing a metallic workpiece W, a processing beam 18 is provided by the laser device and directed at the workpiece W. In this case, the processing beam 18 comprises a first laser beam 20 and a second laser beam 22. In this case, the first laser beam 20 and the second laser beam 22 are respective partial beams of a common laser beam that is provided by means of the multi-clad fiber. The first laser beam 20 is provided via the core region 14 and the second laser beam 22 via the ring region 16 of the 2-in-1 fiber. The laser beams 20, 22 are focused in the direction of the workpiece W by means of focusing optics, in this case the focusing lens 12. In order to process the metallic workpiece W, the processing beam 18 is moved relative to the workpiece W in a cutting direction 24 running into the image plane. The processing beam 18 is thus moved in the cutting direction 24 over a workpiece surface 26 of the workpiece W. The workpiece W is processed by means of the laser beams 20, 22 of the processing beam 18 striking the workpiece surface 26. The first laser beam 20 has a first intensity and the second laser beam 22 has a second intensity that is lower than the first intensity of the first laser beam 20. The first laser beam 20 is designed to cut the workpiece W in its thickness direction 28. The workpiece W can be cut through across its entire thickness in the thickness direction 28 by means of the first laser beam 20. The second laser beam 22 is designed to produce a rounded cutting edge 30. In other words, when processing the workpiece W, the workpiece W is divided into a first workpiece part W1 and a second workpiece part W2 by means of the processing beam 18, wherein the second laser beam 22 ensures that the respective cutting edges 30 of the first workpiece part W1 and the second workpiece part W2 are rounded after processing.

Wird als Mehrfachclad-Faser eine 3-in-1-Faser verwendet, dann kann der Bearbeitungsstrahl 18 drei Laserstrahlen mit zueinander unterschiedlichen Intensitäten umfassen, die in einer senkrecht zur Schneidrichtung 24 auf der Werkstückoberfläche 26 verlaufenden Linie nebeneinander angeordnet sind.If a 3-in-1 fiber is used as the multi-clad fiber, the processing beam 18 can comprise three laser beams with mutually different intensities, which are arranged next to one another in a line running perpendicular to the cutting direction 24 on the workpiece surface 26.

In 2 ist der Bereich, in welchem das Werkstück W mittels des Bearbeitungsstrahls 18 geschnitten wird, vergrößert dargestellt. Hierbei kann besonders gut erkannt werden, dass der erste Laserstrahl 20 und der zweite Laserstrahl 22 in einer senkrecht zur Schneidrichtung 24 auf der unbearbeiteten Werkstückoberfläche 26 verlaufenden Linie 32 nebeneinander angeordnet sind. Hierbei kann der zweite Laserstrahl 22 auf der unbearbeiteten Werkstückoberfläche 26 eine ringförmige Abbildung aufweisen, welche eine Abbildung des ersten Laserstrahls 20, welche insbesondere kreisförmig sein kann, außenumfangsseitig umschließt. Alternativ kann der zweite Laserstrahl 22 lediglich neben dem ersten Laserstrahl 20 angeordnet sein und die Abbildung des ersten Laserstrahls 20 nicht vollständig umschließen. Hierbei ist der zweite Laserstrahl 22 zu der entstehenden Schnittkante 30 hin neben dem ersten Laserstrahl 20 angeordnet, wodurch die Schnittkante 30 verrundet erzeugt wird.In 2 the area in which the workpiece W is cut by means of the processing beam 18 is shown enlarged. It can be seen particularly well that the first laser beam 20 and the second laser beam 22 are arranged next to one another in a line 32 running perpendicular to the cutting direction 24 on the unprocessed workpiece surface 26. The second laser beam 22 can have an annular image on the unprocessed workpiece surface 26, which encloses an image of the first laser beam 20, which can in particular be circular, on the outer circumference. Alternatively, the second laser beam 22 can only be arranged next to the first laser beam 20 and not completely enclose the image of the first laser beam 20. The second laser beam 22 is arranged next to the first laser beam 20 towards the resulting cutting edge 30, whereby the cutting edge 30 is rounded.

In 3 ist eines der durch das Bearbeiten des Werkstücks W erhaltenen Werkstückteile in einer Seitenansicht gezeigt, vorliegend das erste Werkstückteil W1. Hierbei kann erkannt werden, dass das erste Werkstückteil W1 die abgerundete Schnittkante 30 aufweist. Weiterhin kann eine Schnittfläche 34 erkannt werden, welche durch das Schneiden des Werkstücks W mittels des ersten Laserstrahls 20 erzeugt worden ist. Die verrundete Schnittkante 30 schließt an die Schnittfläche 34 an. In 3 kann weiterhin im Bereich der Schnittfläche 34 ein beim Schneiden des Werkstücks W vorgehaltener und zum Teilen des Werkstücks W nach dem Bearbeiten in das erste Werkstückteil W1 und das zweite Werkstückteil W2 durchtrennter Materialsteg 36 erkannt werden. Bei diesem Materialsteg 36 handelt es sich um einen sogenannten Nano Joint, welcher sich über weniger als die Hälfte, insbesondere über weniger als ein Drittel, insbesondere über weniger als ein Viertel, insbesondere über weniger als ein Fünftel der Dicke des Werkstücks W erstreckt. Der Materialsteg 36 erstreckt sich über eine in Schneidrichtung 24 verlaufende Länge eines Stabilisierungsbereichs 38 des Werkstücks W. In Schneidrichtung 24 schließen vor und nach dem Stabilisierungsbereich 38 jeweilige Schneidbereiche 40 des Werkstücks Wan.In 3 is one of the workpiece parts obtained by machining the workpiece W in a side view, in this case the first workpiece part W1. Here it can be seen that the first workpiece part W1 has the rounded cutting edge 30. Furthermore, a cutting surface 34 can be seen, which has been created by cutting the workpiece W by means of the first laser beam 20. The rounded cutting edge 30 adjoins the cutting surface 34. In 3 Furthermore, in the area of the cutting surface 34, a material web 36 can be recognized which was held in place when the workpiece W was cut and which was severed in order to divide the workpiece W after machining into the first workpiece part W1 and the second workpiece part W2. This material web 36 is a so-called nano joint which extends over less than half, in particular over less than a third, in particular over less than a quarter, in particular over less than a fifth of the thickness of the workpiece W. The material web 36 extends over a length of a stabilization region 38 of the workpiece W running in the cutting direction 24. In the cutting direction 24, respective cutting regions 40 of the workpiece Wan close before and after the stabilization region 38.

Bei dem Verfahren zum Bearbeiten des metallischen Werkstücks W wird für das Erzeugen des Materialstegs 36 die erste Intensität des ersten Laserstrahls 20 in dem Stabilisierungsbereich 38 reduziert im Vergleich zu den Schneidbereichen 40. Hierdurch wird das Werkstück W in seiner Dickenrichtung 28 mittels des ersten Laserstrahls 20 in den jeweiligen Schneidbereichen 40 vollständig durchgeschnitten und im Stabilisierungsbereich 38 lediglich eingeschnitten. Infolgedessen bleibt der Materialsteg 36 bestehen, während das Werkstück W mittels des Bearbeitungsstrahls 18 in der Schneidrichtung 24 bearbeitet wird. Über den Materialsteg 36 werden das erste Werkstückteil W1 und das zweite Werkstückteil W2 während dieses Bearbeitens des Werkstücks W mittels des Bearbeitungsstrahls 18 zusammengehalten, wodurch ein Verkippen der Werkstückteile W1, W2 zueinander unterbunden wird. Nachdem das Werkstück W mittels des Bearbeitungsstrahls 18 fertig bearbeitet worden ist, wird der wenigstens eine Materialsteg 36 durchtrennt, um das erste Werkstückteil W1 von dem zweiten Werkstückteil W2 zu trennen.In the method for machining the metallic workpiece W, the first intensity of the first laser beam 20 in the stabilization region 38 is reduced in comparison to the cutting regions 40 in order to produce the material web 36. As a result, the workpiece W is completely cut through in its thickness direction 28 by means of the first laser beam 20 in the respective cutting regions 40 and only cut in the stabilization region 38. As a result, the material web 36 remains while the workpiece W is machined in the cutting direction 24 by means of the machining beam 18. The first workpiece part W1 and the second workpiece part W2 are held together by means of the material web 36 during this machining of the workpiece W by means of the machining beam 18, thereby preventing the workpiece parts W1, W2 from tilting relative to one another. After the workpiece W has been completely machined by means of the machining beam 18, the at least one material web 36 is severed in order to separate the first workpiece part W1 from the second workpiece part W2.

Um einen Verrundungsradius entlang der gesamten Schnittkante 30 konstant zu halten, ist es vorgesehen, dass in dem Stabilisierungsbereich 38 lediglich die Intensität des ersten Laserstrahls 20 angepasst wird und die zweite Intensität des zweiten Laserstrahls 22 in dem Stabilisierungsbereich 38 und in den jeweiligen Schneidbereichen 40 gleich ist. Die zweite Intensität des zweiten Laserstrahls 22 bleibt somit während der gesamten Bearbeitung des Werkstücks W mittels des Bearbeitungsstrahls 18 konstant. Während des Schneidens des Werkstücks W mittels des ersten Laserstrahls 20 wird durch Einwirkung des zweiten Laserstrahls 22, der die im Vergleich zur ersten Intensität geringere zweite Intensität aufweist, gleichzeitig die Verrundung an dem oberen Ende der Schnittflanken erzeugt. Der erste Laserstrahl 20 dient somit als Kernstrahl, welcher einen Trennschnitt erzeugt, und der zweite Laserstrahl 22 dient somit als Ringstrahl, welcher für eine Anschmelzung und damit zumindest teilweise für eine Verrundung der Werkstückoberfläche beziehungsweise der oberen Schnittkante 30 sorgt.In order to keep a rounding radius constant along the entire cutting edge 30, it is provided that only the intensity of the first laser beam 20 is adjusted in the stabilization area 38 and the second intensity of the second laser beam 22 is the same in the stabilization area 38 and in the respective cutting areas 40. The second intensity of the second laser beam 22 thus remains constant during the entire processing of the workpiece W by means of the processing beam 18. While the workpiece W is being cut by means of the first laser beam 20, the rounding at the upper end of the cutting flanks is simultaneously produced by the action of the second laser beam 22, which has a lower second intensity than the first intensity. The first laser beam 20 thus serves as a core beam, which produces a separating cut, and the second laser beam 22 thus serves as a ring beam, which ensures melting and thus at least partial rounding of the workpiece surface or the upper cutting edge 30.

In den jeweiligen Schneidbereichen 40 kann für das Bereitstellen des Ausgangswerts der ersten Intensität des ersten Laserstrahls 20 wenigstens 80 % der Laserleistung des Lasereingangsstrahls in den Kernbereich 14 des Lichtwellenleiters 10 eingekoppelt werden und für das Bereitstellen der zweiten Intensität des zweiten Laserstrahls 22 ein zweiter Anteil von höchstens 20 % der Laserleistung des Lasereingangsstrahls in den Ringberiech 16 eingekoppelt werden. Die erste Intensität des ersten Laserstrahls 20 wird beim Übergang zwischen dem Schneidbereich 40 und dem Stabilisierungsbereich 38 eingestellt, indem die Intensität des Lasereingangsstrahls angepasst wird. Zusätzlich wird für das Einstellen der ersten Intensität des ersten Laserstrahls 2ß mittels der Strahlaufteilungseinrichtung der in den Kernbereich 14 eingekoppelte Anteil des Lasereingangsstrahls angepasst, um sicherzustellen, dass die zweite Intensität des zweiten Laserstrahls 22 konstant gehalten wird.In the respective cutting regions 40, at least 80% of the laser power of the laser input beam can be coupled into the core region 14 of the optical waveguide 10 to provide the initial value of the first intensity of the first laser beam 20, and a second portion of at most 20% of the laser power of the laser input beam can be coupled into the ring region 16 to provide the second intensity of the second laser beam 22. The first intensity of the first laser beam 20 is set at the transition between the cutting region 40 and the stabilization region 38 by adjusting the intensity of the laser input beam. In addition, to set the first intensity of the first laser beam 2ß by means of the beam splitting device, the portion of the laser input beam coupled into the core region 14 is adjusted to ensure that the second intensity of the second laser beam 22 is kept constant.

In 4 ist das erste Werkstückteil W1 in einer Perspektivansicht gezeigt, in welcher die abgerundeten Schnittkanten 30 entlang einer Innenkontur sowie einer Außenkontur des ersten Werkstückteils W1 besonders gut erkannt werden können. In 5 ist das erste Werkstückteil W1 in einer Seitenansicht gezeigt, wobei der erzeugte und durchtrennte Materialsteg 36, welcher sich lediglich über einen Teilbereich der Dicke des Werkstückteils W1 erstreckt, besonders gut erkannt werden kann.In 4 the first workpiece part W1 is shown in a perspective view in which the rounded cutting edges 30 along an inner contour and an outer contour of the first workpiece part W1 can be seen particularly well. In 5 the first workpiece part W1 is shown in a side view, wherein the produced and severed material web 36, which extends only over a partial area of the thickness of the workpiece part W1, can be seen particularly well.

Der beschriebenen Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass beim Kantenverrunden mittels eines optischen Elements, insbesondere einer 2-in-1-Faser oder einer 3-in-1-Faser, Werkstückteile, welche mit einem Micro Joint im Restgitter gehalten werden, nicht komplett verrundet werden können. An der Stelle des Micro Joints kann keine Verrundung angebracht werden, da der Micro Joint sich über eine gesamte Bauteildicke erstreckt. Sollte an der Stelle des Micro Joints ein Kantenverrundungsprozess durchgeführt werden, dann würde das Bauteil, welches noch mittels Micro Joint mit dem Restgitter fixiert ist, verschmelzen. Das Bauteil würde dadurch unbrauchbar werden und könnte nur durch sehr aufwendige, zeitintensive und kostspielige Nachbearbeitung eventuell gerettet werden. Dieses Problem wird dadurch gelöst, dass anstelle von Micro Joints Nano Joints zum Halten von Bauteilen an dem Restgitter beim Bearbeiten des Werkstücks W verwendet werden. Über den Nano Joint, welcher sich mit seiner Höhe insbesondere über nicht mehr als ein Drittel der Dicke des Werkstücks erstreckt, kann die Schnittkante 30 verrundet werden. Der Nano Joint erstreckt sich insbesondere über höchstens ein Viertel der Dicke des Werkstücks W, insbesondere über höchstens ein Fünftel der Dicke des Werkstücks W.The invention described is based on the knowledge that when rounding edges using an optical element, in particular a 2-in-1 fiber or a 3-in-1 fiber, workpiece parts that are held in the residual grid with a micro joint cannot be completely rounded. No rounding can be applied at the location of the micro joint, since the micro joint extends over the entire thickness of the component. If an edge rounding process were to be carried out at the location of the micro joint, the component, which is still fixed to the residual grid by means of a micro joint, would melt. The component would then become unusable and could only be repaired using very complex, time-consuming and costly This problem is solved by using nano joints instead of micro joints to hold components to the residual skeleton when machining the workpiece W. The cutting edge 30 can be rounded via the nano joint, the height of which extends in particular over no more than a third of the thickness of the workpiece. The nano joint extends in particular over a maximum of a quarter of the thickness of the workpiece W, in particular over a maximum of a fifth of the thickness of the workpiece W.

Im Rahmen des Verfahrens erfolgt das Verrunden der Schnittkante 30 mit der 2-in-1-Faser oder mit der 3-in-1-Faser im Direktschnitt beziehungsweise während des Schneidprozesses. Hierbei wird mit der Laserleistung des Faserkerns und somit mittels des ersten Laserstrahls 20 geschnitten und mit der Laserleistung des Fasermantels und somit mittels des zweiten Laserstrahls 22 die Schnittkante 30 verrundet. Um kippende Teile, insbesondere des Gutteils, vor Kollisionen mit einem Schneidkopf einer die Lasereinrichtung aufweisenden Bearbeitungseinrichtung zum Bearbeiten des metallischen Werkstücks W zu schützen, werden diese Werkstückteile W1, W2 mit Nano Joints fixiert. Diese Nano Joints finden sich insbesondere in einem unteren Drittel der Schnittfläche 34 und werden während des Schneidprozesses durch Reduzierung der Laserleistung erzeugt. Hierdurch kann eine Kantenverrundung oberhalb des Nano Joints angebracht werden.As part of the method, the cutting edge 30 is rounded with the 2-in-1 fiber or with the 3-in-1 fiber in a direct cut or during the cutting process. In this case, cutting is carried out with the laser power of the fiber core and thus by means of the first laser beam 20 and the cutting edge 30 is rounded with the laser power of the fiber cladding and thus by means of the second laser beam 22. In order to protect tilting parts, in particular the good part, from collisions with a cutting head of a processing device having the laser device for processing the metallic workpiece W, these workpiece parts W1, W2 are fixed with nano joints. These nano joints are found in particular in a lower third of the cutting surface 34 and are created during the cutting process by reducing the laser power. This allows an edge rounding to be applied above the nano joint.

Wenn die Laserleistung am Nano Joint reduziert wird, beispielsweise um ca. 20 %, dann wird die Laserleistung im Fasermantel, welche zum Verrunden zur Verfügung steht, ebenfalls um 20 % reduziert. Hierdurch wird ein Verrundungsradius der Schnittkante 30 verkleinert. Um diesen Tatbestand zu umgehen, kann die Leistungsreduzierung, welche zum Erzeugen des Nano Joints benötigt wird, zum Teil in den Fasermantel des Lichtwellenleiters 10 eingekoppelt werden. Hierfür wird die Keilweiche der Strahlaufteilungseinrichtung in ihrer Schaltposition geändert, wodurch prozentual mehr Leistung und somit ein größerer Anteil des Lasereingangsstrahls in den Fasermantel und somit in den Ringbereich 16 eingekoppelt wird. Hierbei wird der Anteil der Laserleistung des Lasereingangsstrahls, welcher in den Ringbereich 16 eingekoppelt wird, lediglich soweit angehoben, dass der Verrundungsradius der Schnittkante 30 im Schneidbereich 40 und im Stabilisierungsbereich 38 gleich ist und somit über die gesamte Schnittkante 30 konstant gehalten werden kann.If the laser power at the nano joint is reduced, for example by approximately 20%, then the laser power in the fiber cladding that is available for rounding is also reduced by 20%. This reduces the rounding radius of the cutting edge 30. To avoid this, the power reduction that is required to create the nano joint can be partially coupled into the fiber cladding of the optical waveguide 10. For this purpose, the wedge switch of the beam splitting device is changed in its switching position, whereby a higher percentage of power and thus a larger proportion of the laser input beam is coupled into the fiber cladding and thus into the ring region 16. In this case, the proportion of the laser power of the laser input beam that is coupled into the ring region 16 is only increased to such an extent that the rounding radius of the cutting edge 30 in the cutting region 40 and in the stabilization region 38 is the same and can therefore be kept constant over the entire cutting edge 30.

Im Folgenden wird ein Beispiel für ein Bearbeiten eines 5 mm dicken Baustahls als Werkstück W im Rahmen eines Highspeed-Schnitts, vorliegend eines Stickstoffschnitts, mit 12 kW Gesamtlaserleistung beschrieben. Hierbei beträgt die maximal zur Verfügung stehende Laserleistung 12 kW. Bei Verwendung einer 3-in-1-Faser können in den Faserkern 10 kW zum Schneiden eingekoppelt werden, wobei es sich um ca. 83,3 % der Gesamtlaserleistung handelt. In den Fasermantel werden 2 kW Laserleistung zum Verrunden eingekoppelt, wobei es sich um ca. 16,7 % der Gesamtlaserleistung handelt. Damit das Gutteil nicht kippt und eine Kollision mit einem Laserschneidkopf der Bearbeitungseinrichtung verursacht, wird ein Nano Joint gesetzt, insbesondere an einem Schnittende. Hierfür wird die Laserleistung um 20 % im Faserkern auf 8 kW reduziert. Im Fasermantel bleibt die Laserleistung konstant bei 2 kW. Dies erfolgt durch eine allgemeine Reduzierung der Gesamtlaserleistung auf 10 kW. Durch das Anfahren einer anderen Keilweichenposition der Keilweiche wird von den 10 kW Gesamtlaserleistung 80 % in den Faserkern eingekoppelt und 20 % in den Fasermantel eingekoppelt.The following describes an example of processing a 5 mm thick structural steel as workpiece W as part of a high-speed cut, in this case a nitrogen cut, with 12 kW total laser power. The maximum available laser power is 12 kW. When using a 3-in-1 fiber, 10 kW can be coupled into the fiber core for cutting, which is approximately 83.3% of the total laser power. 2 kW of laser power is coupled into the fiber cladding for rounding, which is approximately 16.7% of the total laser power. To prevent the good part from tipping over and causing a collision with a laser cutting head of the processing device, a nano joint is set, particularly at one end of the cut. For this purpose, the laser power is reduced by 20% in the fiber core to 8 kW. In the fiber cladding, the laser power remains constant at 2 kW. This is achieved by a general reduction in the total laser power to 10 kW. By moving the wedge switch to a different position, 80% of the 10 kW total laser power is coupled into the fiber core and 20% is coupled into the fiber cladding.

Alternativ kann die Laserleistung für den Faserkern und für den Fasermantel aus zwei unterschiedlichen Laserstrahlquellen stammen. Für das Erzeugen des Materialstegs 36 kann am zu erzeugenden Nano Joint die Laserleistung der Laserstrahlquelle, deren Laserstrahl in den Faserkern eingekoppelt wird, reduziert werden.Alternatively, the laser power for the fiber core and for the fiber cladding can come from two different laser beam sources. To create the material web 36, the laser power of the laser beam source whose laser beam is coupled into the fiber core can be reduced at the nano joint to be created.

Die Lasereinrichtung umfasst die 2-in-1-Faser oder insbesondere die 3-in-1-Faser als Lichtwellenleiter 10, wobei ein Großteil, insbesondere wenigstens 80 % der Gesamtlaserleistung in den Faserkern eingekoppelt wird und somit für das Schneiden des Werkstücks W zur Verfügung steht. Für den Verrundungsprozess wird ein dazu kleinerer Teil der Gesamtlaserleistung, insbesondere höchstens 20 %, in den Fasermantel eingekoppelt. Um ein Verkippen der entstehenden Werkstückteile zu vermeiden, wird am Ende der Schnittkontur oder mittig der Schnittkontur wenigstens ein Nano Joint gesetzt, indem die Laserleistung des Faserkerns um ca. 20 % vermindert wird.The laser device comprises the 2-in-1 fiber or in particular the 3-in-1 fiber as an optical waveguide 10, whereby a large part, in particular at least 80% of the total laser power is coupled into the fiber core and is thus available for cutting the workpiece W. For the rounding process, a smaller part of the total laser power, in particular at most 20%, is coupled into the fiber cladding. In order to prevent the resulting workpiece parts from tilting, at least one nano joint is placed at the end of the cutting contour or in the middle of the cutting contour by reducing the laser power of the fiber core by approx. 20%.

Insgesamt zeigt die Erfindung wie ein kollisionsfreies Kantenverrunden umgesetzt werden kann.Overall, the invention shows how collision-free edge rounding can be implemented.

BEZUGSZEICHENLISTELIST OF REFERENCE SYMBOLS

1010
Lichtwellenleiteroptical fiber
1212
FokussierlinseFocusing lens
1414
KernbereichCore area
1616
RingbereichRing area
1818
BearbeitungsstrahlProcessing beam
2020
erster Laserstrahlfirst laser beam
2222
zweiter Laserstrahlsecond laser beam
2424
SchneidrichtungCutting direction
2626
WerkstückoberflächeWorkpiece surface
2828
DickenrichtungThickness direction
3030
SchnittkanteCutting edge
3232
Linieline
3434
SchnittflächeCutting surface
3636
MaterialstegMaterial bridge
3838
StabilisierungsbereichStabilization area
4040
SchneidbereichCutting area
WW
Werkstückworkpiece
W1W1
erster Werkstückteilfirst workpiece part
W2W2
zweiter Werkstückteilsecond workpiece part

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDED IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

  • WO 2022037797 A1 [0002]WO 2022037797 A1 [0002]
  • DE 102019125103 A1 [0003]DE 102019125103 A1 [0003]

Claims (10)

Verfahren zum Bearbeiten eines metallischen Werkstücks (W), bei welchem - ein Bearbeitungsstrahl (18) auf das Werkstück (W) gerichtet und in einer Schneidrichtung (24) relativ zu dem Werkstück (W) bewegt wird, wobei der Bearbeitungsstrahl (18) einen ersten Laserstrahl (20) mit einer ersten Intensität zum Schneiden des Werkstücks (W) in einer Dickenrichtung (28) und einen neben dem ersten Laserstrahl (20) auf eine Werkstückoberfläche (26) des Werkstücks (W) auftreffenden zweiten Laserstrahl (22) mit einer im Vergleich zur ersten Intensität geringeren zweiten Intensität umfasst, wodurch mittels des zweiten Laserstrahls (22) eine abgerundete Schnittkante (30) erzeugt wird; und - für ein Erzeugen eines Materialstegs (36) des metallischen Werkstücks (W) die erste Intensität des ersten Laserstrahls (20) in einem sich in Schneidrichtung (24) erstreckenden Stabilisierungsbereich (38) des Werkstücks (W) reduziert wird im Vergleich zu wenigstens einem in Schneidrichtung (24) an den Stabilisierungsbereich (38) angrenzenden Schneidbereich (40) des Werkstücks (W), wodurch das Werkstück (W) in dem Stabilisierungsbereich (38) höchstens über einen Teilbereich seiner Dicke eingeschnitten wird.Method for machining a metallic workpiece (W), in which - a machining beam (18) is directed at the workpiece (W) and moved in a cutting direction (24) relative to the workpiece (W), wherein the machining beam (18) comprises a first laser beam (20) with a first intensity for cutting the workpiece (W) in a thickness direction (28) and a second laser beam (22) impinging on a workpiece surface (26) of the workpiece (W) next to the first laser beam (20) with a second intensity that is lower than the first intensity, whereby a rounded cutting edge (30) is produced by means of the second laser beam (22); and - for producing a material web (36) of the metallic workpiece (W), the first intensity of the first laser beam (20) is reduced in a stabilization region (38) of the workpiece (W) extending in the cutting direction (24) in comparison to at least one cutting region (40) of the workpiece (W) adjacent to the stabilization region (38) in the cutting direction (24), whereby the workpiece (W) is cut in the stabilization region (38) over at most a partial region of its thickness. Verfahren nach Anspruch 1, wobei der erste Laserstrahl (20) und der zweite Laserstrahl (22) in einer senkrecht zur Schneidrichtung (24) auf der Werkstückoberfläche (26) verlaufenden Linie (32) nebeneinander angeordnet sind.Procedure according to Claim 1 , wherein the first laser beam (20) and the second laser beam (22) are arranged next to one another in a line (32) running perpendicular to the cutting direction (24) on the workpiece surface (26). Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei der Bearbeitungsstrahl (18) mittels einer Lasereinrichtung bereitgestellt wird, welche - einen Lichtwellenleiter (10), welcher einen Kernbereich (14) und wenigstens einen Ringbereich (16) aufweist, - eine Laserstrahlerzeugungseinheit, mittels welcher ein Lasereingangsstrahl erzeugt wird, und - eine Strahlaufteilungseinrichtung umfasst, mittels welcher der Lasereingangsstrahl auf den Kernbereich (14) zum Erzeugen des ersten Laserstrahls (20) und auf den wenigstens einen Ringbereich (16) zum Erzeugen des zweiten Laserstrahls (22) aufgeteilt wird.Procedure according to Claim 1 or 2 , wherein the processing beam (18) is provided by means of a laser device which comprises - an optical waveguide (10) which has a core region (14) and at least one ring region (16), - a laser beam generation unit, by means of which a laser input beam is generated, and - a beam splitting device, by means of which the laser input beam is split between the core region (14) for generating the first laser beam (20) and between the at least one ring region (16) for generating the second laser beam (22). Verfahren nach Anspruch 3, wobei in dem Schneidbereich (40) ein erster Anteil von wenigstens 80 % einer Laserleistung des Lasereingangsstrahls in den Kernbereich (14) eingekoppelt wird und ein zweiter Anteil von höchstens 20 % der Laserleistung des Lasereingangsstrahls in den wenigstens einen Ringbereich (16) eingekoppelt wird.Procedure according to Claim 3 , wherein in the cutting region (40) a first portion of at least 80% of a laser power of the laser input beam is coupled into the core region (14) and a second portion of at most 20% of the laser power of the laser input beam is coupled into the at least one ring region (16). Verfahren nach Anspruch 3 oder 4, wobei die erste Intensität des ersten Laserstrahls (20) eingestellt wird, indem die Intensität des Lasereingangsstrahls angepasst wird.Procedure according to Claim 3 or 4 , wherein the first intensity of the first laser beam (20) is adjusted by adjusting the intensity of the laser input beam. Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 5, wobei die erste Intensität des ersten Laserstrahls (20) eingestellt wird, indem mittels der Strahlaufteilungseinrichtung ein in den Kernbereich (14) eingekoppelter Anteil des Lasereingangsstrahls angepasst wird.Method according to one of the Claims 3 until 5 , wherein the first intensity of the first laser beam (20) is adjusted by adjusting a portion of the laser input beam coupled into the core region (14) by means of the beam splitting device. Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 6, wobei die zweite Intensität des zweiten Laserstrahls (22) in dem Stabilisierungsbereich (38) und in dem Schneidbereich (40) gleich ist.Method according to one of the Claims 3 until 6 , wherein the second intensity of the second laser beam (22) is the same in the stabilization region (38) and in the cutting region (40). Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Werkstück (W) in dem Stabilisierungsbereich (38) mindestens über die Hälfte seiner Dicke, insbesondere mindestens über zwei Drittel seiner Dicke eingeschnitten wird.Method according to one of the preceding claims, wherein the workpiece (W) is cut in the stabilization region (38) over at least half its thickness, in particular at least over two thirds of its thickness. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Bearbeitungsstrahl (18) wenigstens drei Laserstrahlen mit zueinander unterschiedlichen Intensitäten umfasst, die in einer senkrecht zur Schneidrichtung (24) auf der Werkstückoberfläche (26) verlaufenden Linie (32) nebeneinander angeordnet sind.Method according to one of the preceding claims, wherein the processing beam (18) comprises at least three laser beams with mutually different intensities, which are arranged next to one another in a line (32) running perpendicular to the cutting direction (24) on the workpiece surface (26). Lasereinrichtung zum Bearbeiten eines metallischen Werkstücks (W) mittels eines Bearbeitungsstrahls (18) in einem Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, welcher einen ersten Laserstrahl (20) mit einer ersten Intensität zum Schneiden des Werkstücks (W) in einer Dickenrichtung (28) und einen neben dem ersten Laserstrahl (20) auf eine Werkstückoberfläche (26) des Werkstücks (W) auftreffenden zweiten Laserstrahl (22) mit einer im Vergleich zur ersten Intensität geringeren zweiten Intensität umfasst, wodurch mittels des zweiten Laserstrahls (22) eine abgerundete Schnittkante (30) erzeugt werden kann, mit - wenigstens einer Laserstrahlerzeugungseinheit, welche dazu eingerichtet ist, einen Lasereingangsstrahl zu erzeugen, - einem Lichtwellenleiter (10), mit einem Kernbereich (14) und wenigstens einem Ringbereich (16), wobei bei einem Einkoppeln wenigstens eines Lasereingangsstrahls in den Lichtwellenleiter (10) der Kernbereich (14) dazu eingerichtet ist, den ersten Laserstrahl (20) bereitzustellen, und der wenigstens eine Ringbereich (16) dazu eingerichtet ist, den zweiten Laserstrahl (22) bereitzustellen, - einer Steuereinrichtung, welche dazu eingerichtet ist, die Lasereinrichtung für ein Anpassen der ersten Intensität des ersten Laserstrahls (20) zu steuern.Laser device for processing a metallic workpiece (W) by means of a processing beam (18) in a method according to one of the preceding claims, which comprises a first laser beam (20) with a first intensity for cutting the workpiece (W) in a thickness direction (28) and a second laser beam (22) impinging on a workpiece surface (26) of the workpiece (W) next to the first laser beam (20) with a second intensity that is lower than the first intensity, whereby a rounded cutting edge (30) can be produced by means of the second laser beam (22), with - at least one laser beam generation unit that is set up to generate a laser input beam, - an optical waveguide (10) with a core region (14) and at least one ring region (16), wherein when at least one laser input beam is coupled into the optical waveguide (10), the core region (14) is set up to provide the first laser beam (20), and the at least one ring region (16) is set up to provide the second laser beam (22), - a control device which is designed to control the laser device for adjusting the first intensity of the first laser beam (20).
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