DE10238339A1

DE10238339A1 - Process for laser beam processing for the laser cutting or laser welding of workpieces comprises coupling a laser beam in a fluid containing a molten salt heated to a predetermined temperature

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Publication number: DE10238339A1
Application number: DE10238339A
Authority: DE
Original assignee: Leibniz Universitaet Hannover
Current assignee: Leibniz Universitaet Hannover
Priority date: 2002-08-16
Filing date: 2002-08-16
Publication date: 2004-03-04

Abstract

Process for laser beam processing comprises coupling a laser beam in a fluid containing a molten salt heated to a predetermined temperature which is deviated through an opening in a processing zone onto a workpiece so that the laser beam is deviated onto the workpiece within the fluid stream by total reflection on the fluid stream surface with expanding the stream. An Independent claim is also included for a device (1) for laser processing comprising a heated container (2) for molten salt (3) and an opening (5) through which molten salt is passed as defined fluid stream (4) into a processing zone (6) onto a workpiece (7). A laser beam (8) is coupled in the fluid stream in the region of the opening in the direction of the longitudinal axis (9).

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Laserstrahlbearbeitung. Weiterhin betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.The invention relates to a method for laser beam processing. The invention further relates to a Implementation device of the procedure.

In der industriellen Praxis ist das derzeit umfangreichste Einsatzgebiet für die Laserstrahlbearbeitung durch Laserschneiden zu finden. Grundsätzlich werden beim Laserschneiden drei verschiedene Prozessarten unterschieden, das Sublimier-, das Schmelz- sowie das Brennschneiden. Beim Lasersublimierschneiden erfolgt der Materialabtrag durch Verdampfen des Werkstoffes. Hierzu müssen durch Laserleistung und Fokussierung sehr hohe Energiedichten bereitgestellt werden, die es erlauben, den Werkstoff ausschließlich zu verdampfen. Der entstehende Metalldampf des Werkstückes wird durch einen Fluidstrahl, dem Schneidgasstrahl, aus der Schnittfuge ausgeblasen. Aufgrund der fehlenden Schmelze entstehen glatte Schnittflächen.In industrial practice it is currently the most extensive area of application for laser beam processing found by laser cutting. Basically when laser cutting distinguish between three different types of process, sublimation, melting as well as flame cutting. With laser sublimation cutting, this is done Material removal through evaporation of the material. To do this, use laser power and focusing very high energy densities are provided, which allow the material to be vaporized only. The emerging Metal vapor from the workpiece is cut from the kerf by a fluid jet, the cutting gas jet blown out. Due to the lack of melt, smooth cut surfaces are created.

Beim Laserschmelzschneiden wird das Material lediglich aufgeschmolzen und die Schmelze mit einem definierten Strahl eines Inertgases aus der Schnittfuge ausgeblasen. Das Laserschmelzschneiden kommt daher mit geringeren Streckenenergien aus, als das Lasersublimierschneiden.With laser fusion cutting it will Material just melted and the melt with a defined Inert gas jet blown out of the kerf. Laser fusion cutting therefore gets by with lower path energies than laser sublimation cutting.

Beim Laserbrennschneiden findet eine Reaktion des in dem Fluid enthaltenen Sauerstoffes mit dem Werkstück statt. Dieses Verfahren wird in der Praxis insbesondere bei niedrig le gierten Stahlwerkstoffen eingesetzt, bei denen durch die stark exotherme Reaktion des Werkstoffes geringere Laserleistungen eingesetzt werden können und dabei um ein vielfaches höhere Bearbeitungsgeschwindigkeiten erreicht werden können.Laser flame cutting finds one Reaction of the oxygen contained in the fluid with the workpiece instead. In practice, this method is used in particular for low-alloyed vehicles Steel materials used, where the strong exothermic Response of the material lower laser powers are used can and many times higher Processing speeds can be achieved.

Bei den bekannten Verfahren wird als Fluid ein Gas eingesetzt, welches die Funktion hat, das erschmolzene oder verdampfte Material aus der Schnittfuge auszutreiben und im Fall des Laserbrennschneidens durch die Reaktion mit dem Werkstück zusätzlich Energie im Bereich der Bearbeitungszone bereitzustellen. Der Gasstrahl kann entweder seitlich oder koaxial zu dem Laserstrahl zugeführt werden.In the known methods as a fluid, a gas is used which has the function of melting or expel vaporized material from the kerf and in Case of laser flame cutting due to the reaction with the workpiece additional energy to be provided in the area of the processing zone. The gas jet can can be supplied either laterally or coaxially to the laser beam.

Bei koaxialer Anordnung treten der Gas- und der Laserstrahl durch dieselbe Öffnung aus. Mit dem koaxial geführten Gasstrahl kann ein besserer Materialaustrag erreicht werden. Der seitlich zugeführte Gasstrahl wird im allgemeinen dann eingesetzt, wenn das koaxiale Führen des Gasstrahles nicht möglich ist, wie etwa beim Einsatz einer Spiegeloptik, die bei leistungsstarken CO₂-Lasern üblich ist. Der offene Strahlengang, ohne Linsen und Gläser, schließt dabei die Formung eines definierten Gasstrahles in Richtung des Laserstrahles aus.With a coaxial arrangement, the gas and laser beams exit through the same opening. A better material discharge can be achieved with the coaxial gas jet. The gas jet fed in from the side is generally used when it is not possible to guide the gas jet coaxially, such as when using mirror optics, which is common with powerful CO ₂ lasers. The open beam path, without lenses and glasses, precludes the formation of a defined gas jet in the direction of the laser beam.

Es ist auch bereits ein flüssigkeitsassistiertes Laserstrahlschneidverfahren bekannt, bei dem deionisiertes Wasser als Fluid verwendet wird. Dabei wird ein Nd:YAG-Laser in einen koaxialen Wasserstrahl eingekoppelt, welches sich insbesondere durch die einfache Verfügbarkeit und die problemlose Handhabung eignet. Die übertragbare Leistungsdichte ist jedoch gering, so dass die praktische Anwendung des Verfahrens beispielsweise auf dünne Folien beschränkt ist. Weiterhin treten Verluste der Laserleistung durch Absorption auf, die zum Verdampfen des Wasserstrahles führen.It is also a liquid-assisted laser cutting process known in which deionized water is used as the fluid. An Nd: YAG laser is coupled into a coaxial water jet, which is characterized in particular by the simple availability and is easy to handle. The transferable power density is small, however, so the practical application of the method for example on thin Slides limited is. Losses of laser power also occur due to absorption which lead to the evaporation of the water jet.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zu schaffen, durch welches die Laserbearbeitung wesentlich verbessert werden kann. Insbesondere soll die Abtragsleistung dadurch deutlich erhöht werden. Weiterhin soll eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens geschaffen werden.The invention is based on the object To create procedures by which laser processing is essential can be improved. In particular, the removal rate should clearly increased become. Furthermore, a device for performing the Procedure are created.

Die erstgenannte Aufgabe wird erfindungsgemäß mit einem Verfahren gemäß den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Die Unteransprüche 1 bis 6 betreffen besonders zweckmäßige Weiterbildungen der Erfindung.The first-mentioned object is achieved according to the invention with a Method according to the characteristics of the Claim 1 solved. The subclaims 1 to 6 relate to particularly expedient developments of the invention.

Erfindungsgemäß ist also ein Verfahren zur Laserstrahlbearbeitung vorgesehen, bei dem der Laserstrahl in ein auf eine vorbestimmte Temperatur erwärmtes salzschmelzehaltiges Fluid, welches durch eine Öffnung als definierter Fluidstrahl in eine Bearbeitungszone auf ein Werkstück gelenkt wird, derart eingekoppelt wird, dass der Laserstrahl im Inneren des Fluidstrahles durch eine Totalreflexion an der Fluidstrahloberfläche ohne wesentliche Strahlaufweitung gemeinsam mit dem Fluidstrahl auf das Werkstück gelenkt wird. Hierdurch wird die Laserbearbeitung wesentlich verbessert, indem durch den Einsatz des salzschmelzehaltigen Fluides Absorptionsverluste weitgehend ausgeschlossen und die Energieaufnahme wesentlich erhöht werden können. Weiterhin kann auf diese Weise der Sauerstoffgehalt in dem Fluid gesteigert und damit die Abtragsleistung bei der Laserstrahlbearbeitung, insbesondere beim Brennschneiden, verbessert werden. Die hohe Wärmekapazität ermöglicht zudem eine hohe Wärmeabsorption, ohne nachteiligen Einfluss auf den definierten Fluidstrahl. Die an die jeweiligen Prozessparameter anzupassende Temperatur des Fluides kann dabei in einem weiteren Bereich zwischen 200°C und 800°C eingestellt werden, um so optimale Eigenschaften des Fluidstrahles zu realisieren.According to the invention is a method for laser beam processing provided in which the laser beam in a predetermined Temperature warmed Fluid containing salt melt, which flows through an opening as a defined fluid jet is directed into a machining zone on a workpiece, coupled in such a way is that the laser beam inside the fluid jet through a Total reflection on the surface of the fluid jet without significant beam expansion is directed onto the workpiece together with the fluid jet. hereby the laser processing is significantly improved by the Use of the molten salt fluid largely absorption losses excluded and the energy consumption can be increased significantly can. Furthermore, the oxygen content in the fluid can in this way increased and thus the stock removal rate during laser beam processing, especially when flame cutting can be improved. The high heat capacity also enables high heat absorption, without adversely affecting the defined fluid jet. The temperature of the fluid to be adapted to the respective process parameters can be set in a further range between 200 ° C and 800 ° C in order to achieve optimal properties of the fluid jet.

Dabei ist es besonders vorteilhaft, wenn als Fluid eine Salzschmelze mit einem hohen Sauerstoffanteil verwendet wird. Hierdurch wird insbesondere beim Brennschneiden die Schnittleistung wesentlich verbessert. Der Sauerstoff kann der Salzschmelze auf chemischen oder physikalischen Wegen zugeführt werden oder die Auswahl des Salzes erfolgt bereits unter dem Gesichtspunkt des jeweils individuell erforderlichen Sauerstoffgehaltes.It is particularly advantageous if as a fluid a molten salt with a high oxygen content is used. This is particularly useful in flame cutting the cutting performance significantly improved. The oxygen can Melted salt can be supplied by chemical or physical means or the choice of salt is made from the point of view of the individually required oxygen content.

Dabei hat es sich in der Praxis als besonders erfolgversprechend erwiesen, wenn die Salzschmelze als wesentliche Bestandteile NaNO₃ oder KNO₃ aufweist oder eine Mischung aus NaNO₃ und KNO₃ verwendet wird. Hierdurch kann sowohl die gewünschte hohe Wärmekapazität, als auch der hohe Sauerstoffgehalt erreicht werden. Der Fluidstrahl bleibt daher auch bei einem starken Wärmeeinfluss der Bearbeitungszone weitestgehend stabil, so dass Abweichungen oder Bearbeitungsfehler ausgeschlossen sind. Zugleich ist der Schmelzpunkt dieser Bestandteile relativ niedrig.It has proven particularly promising in practice if the molten salt contains NaNO ₃ or KNO ₃ as essential constituents or if a mixture of NaNO ₃ and KNO ₃ is used. This enables both the desired high heat capacity and the high oxygen content to be achieved. The fluid jet therefore remains largely stable even when the processing zone is exposed to strong heat, so that deviations or processing errors are excluded. At the same time, the melting point of these components is relatively low.

Eine besonders zweckmäßige Abwandlung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird auch dann erreicht, wenn das Fluid mittels eines Druckgases durch die Öffnung ausgetrieben wird. Hierdurch weist der Fluidstrahl durch geeignete Auswahl der Parameter, insbesondere des Fluiddruckes, aber auch der Beschaffenheit der Öffnung im Austrittsbereich, die entsprechenden Eigenschaften auf. Zudem ist es möglich, den Fluidstrahl schlagartig zu unterbrechen, um so insbesondere eine Gefährdung des Bedienpersonals ausschließen zu können.A particularly useful modification of the inventive method is also achieved when the fluid passes through by means of a compressed gas the opening is driven out. As a result, the fluid jet points through suitable ones Selection of the parameters, especially the fluid pressure, but also the nature of the opening in the exit area, the corresponding properties. moreover Is it possible, to abruptly interrupt the fluid jet, in particular so a hazard of operating personnel to be able to.

Dabei ist in der Praxis ein vielseitiger Einsatz, insbesondere zum Laserschneiden oder Laserschweißen, ohne Schwierigkeiten möglich.In practice, this is a versatile one Use, in particular for laser cutting or laser welding, without Difficulties possible.

Die zweitgenannte Aufgabe, eine Vorrichtung zur Laserstrahlbearbeitung zur Durchführungen des Verfahrens zu schaffen, wird erfindungsgemäß mit einem heizbaren Behälter für eine Salzschmelze und mit einer Öffnung, durch welche die Salzschmelze als definierter Fluidstrahl in eine Bearbeitungszone auf einem Werkstück gelangt, wobei ein Laserstrahl im Bereich der Öffnung in Richtung der Längsachse in den Fluidstrahl einkoppelbar ist, gelöst. Hierdurch wird die erreichbare Leistungsdichte des Laserstrahles wesentlich erhöht, indem als Fluid eine bei Raumtemperatur in fester Form vorliegende Salzschmelze eingesetzt wird, deren Wärmekapazität die Absorption großer Wärmemengen gestattet. Hierdurch behält der Fluidstrahl auch bei hohen Temperaturen, insbesondere im Bereich der Bearbeitungszone, die gewünschten Eigenschaften. Die im Inneren des Fluidstrahles an der Phasengrenze zur Umgebungsluft auftretende Totalreflexion verhindert dabei zuverlässig die unerwünschte Strahlaufweitung, so dass über einen weiten Bereich eine Veränderung des Abstandes der Vorrichtung von dem Werkstück ohne Auswirkung auf die Laserbearbeitung bleibt.The second task, a device to create laser beam processing to carry out the method, is according to the invention with a heatable container for one Molten salt and with an opening, through which the salt melt as a defined fluid jet into a Machining zone arrives on a workpiece, using a laser beam in the area of the opening in the direction of the longitudinal axis can be coupled into the fluid jet. This will make the attainable Power density of the laser beam increased significantly by adding a fluid Salt melt present in solid form at room temperature whose heat capacity is the absorption greater amounts of heat allowed. This keeps the fluid jet even at high temperatures, especially in the area the processing zone, the desired ones Characteristics. The inside of the fluid jet at the phase boundary Total reflection occurring to the ambient air reliably prevents the undesirable Beam expansion so that over a wide area a change of Distance of the device from the workpiece without affecting the Laser processing remains.

Dabei hat es sich in der Praxis als besonders zweckmäßig erwiesen, wenn die Vorrichtung alternativ mit einer Spülvorrichtung ausgestattet ist, durch die die Salzschmelze der Bearbeitungszone als Spülstrahl zuführbar ist. Hierdurch können die vorteilhaften Eigenschaften der Salzschmelze ergänzend oder ersatzweise auch durch einen insbesondere seitlich der Bearbeitungszone zuführbaren Spülstrahl genutzt werden.It has turned out in practice as proven particularly useful if the device is alternatively equipped with a flushing device, through which the salt melt of the processing zone as a rinse jet supplied is. This can the advantageous properties of the molten salt in addition or as an alternative also by a feeder that can be fed in laterally to the processing zone flushing jet be used.

Weiterhin können mit einer Abwandlung, bei der die Vorrichtung eine Reinigungseinrichtung für die von der Salzschmelze benetzten Bauelemente der Vorrichtung hat, durch eine bedarfsweise Zufuhr von Flüssigkeit, beispielsweise Wasser, mögliche, an der Vorrichtung anhaftende Salzpartikel mühelos, insbesondere automatisiert, entfernt werden, wodurch die Verfügbarkeit der Vorrichtung weiter verbessert werden kann.Furthermore, with a modification, in which the device is a cleaning device for the the salt melt has wetted components of the device, by a supply of liquid as required, for example water, possible, Salt particles adhering to the device are effortless, in particular automated, removed, further increasing the availability of the device can be improved.

Die Erfindung lässt verschiedene Ausführungsformen zu. Zur weiteren Verdeutlichung ihres Grundprinzips ist eine davon in der Zeichnung dargestellt und wird nachfolgend beschrieben. Diese zeigt in einer seitlichen Prinzipskizze eine erfindungsgemäße Vorrichtung 1 zur Laserstrahlbearbeitung. Diese hat einen heizbaren Behälter 2, in dem eine Mischung aus NaNO₃ und KNO₃ geschmolzen wird. Diese Salzschmelze 3 wird als Fluidstrahl 4 mit einem hohen Druck p durch eine düsenförmige Öffnung 5 des Behälters 2 auf eine Bearbeitungszone 6 eines Werkstückes 7 gelenkt. Zugleich wird in den Fluidstrahl 4 ein Laserstrahl 8 in Richtung einer Längsachse 9 eingekoppelt, dessen Fokuspunkt in etwa im Bereich der Öffnung 5 liegt. Das eingekoppelte Laserlicht erfährt an der inneren Phasengrenze des Fluidstrahles 4 eine Totalreflexion, so dass eine unerwünschte Strahlaufweitung verhindert wird. Die insbesondere optische Korrektur des Abstandes der Vorrichtung 1 von dem Werkstück 7 entfällt dadurch. Die Vorrichtung 1 ist alternativ mit einer lediglich gestrichelt dargestellten Spülvorrichtung 10 ausgestattet, durch die die Salzschmelze 3 der Bearbeitungszone 6 als Spülstrahl 11 zuführbar ist.The invention permits various embodiments. To further clarify its basic principle, one of these is shown in the drawing and is described below. This shows a device according to the invention in a schematic diagram on the side 1 for laser beam processing. This has a heatable container 2 , in which a mixture of NaNO ₃ and KNO _{3 is} melted. This molten salt 3 is called a fluid jet 4 with a high pressure p through a nozzle-shaped opening 5 of the container 2 on a processing zone 6 of a workpiece 7 directed. At the same time is in the fluid jet 4 a laser beam 8th in the direction of a longitudinal axis 9 coupled in, the focal point roughly in the area of the opening 5 lies. The injected laser light experiences at the inner phase boundary of the fluid jet 4 a total reflection, so that an undesired beam expansion is prevented. The particular optical correction of the distance of the device 1 from the workpiece 7 is therefore eliminated. The device 1 is alternatively with a flushing device shown only in dashed lines 10 equipped by which the salt melt 3 the processing zone 6 as a flushing jet 11 is feedable.

Claims

Process for laser beam processing in which the laser beam into a molten salt bath heated to a predetermined temperature Fluid flowing through an opening directed onto a workpiece as a defined fluid jet in a machining zone is coupled in such a way that the laser beam inside of the fluid jet through a total reflection on the fluid jet surface without substantial beam expansion directed onto the workpiece together with the fluid jet becomes.

A method according to claim 1, characterized in that as Fluid uses a molten salt with a high oxygen content becomes.

Method according to claims 1 or 2, characterized in that the molten salt has as essential components NaNO ₃ or KNO ₃ .

A method according to claim 3, characterized in that a mixture of NaNO ₃ and KNO ₃ is used.

Method according to at least one of the preceding claims, characterized characterized in that the fluid is expelled through the opening by means of a compressed gas becomes.

Method according to at least one of the preceding claims, characterized characterized that the method used for laser cutting or laser welding becomes.

Contraption ( 1 ) for laser beam processing with a heatable container ( 2 ) for a molten salt ( 3 ) and with an opening ( 5 ) through which the molten salt ( 3 ) as a defined fluid jet ( 4 ) in a processing zone ( 6 ) on a workpiece ( 7 ), a laser beam ( 8th ) in the area of the opening ( 5 ) in the direction of the longitudinal axis ( 9 ) into the fluid jet ( 4 ) can be coupled.

Contraption ( 1 ) according to claim 7, characterized in that the device ( 1 ) alternatively with a flushing device ( 10 ) through which the molten salt ( 3 ) the processing zone ( 6 ) as a flushing jet ( 11 ) can be fed.

Contraption ( 1 ) according to claim 7 or 8, characterized in that the device has a cleaning device for the components of the device wetted by the molten salt.