Diese Erfindung betrifft ein Laserstrahlbearbeitungsverfahren
und eine darauf anwendbare Einrichtung, die ein Schneiden und
Schweißen etc. eines aus Metall bestehenden Werkstücks unter
Verwendung eines Laserstrahls ausführen und insbesondere auf
ein Laserstrahlbearbeitungsverfahren und eine Einrichtung,
die eine Bearbeitung unter tatsächlichen
Bearbeitungsbedingungen nach Bearbeitung des Werkstücks unter
vorläufigen Bearbeitungsbedingungen durchführen, um so einen
Oberflächenzustand des Werkstücks zu verbessern.
Allgemein wird bei einer Laserstrahlbearbeitung eines
Werkstücks, das aus einem Metall, beispielsweise
Kohlenstoffstahl, einem rostfreien Stahl oder Aluminium
besteht, ein Laserstrahl auf das Werkstück gestrahlt, während
ein Hilfsgas darin eingespritzt wird. Bei einer Bearbeitung
eines Werkstücks, dessen Oberfläche mit einer Substanz mit
einem niedrigen Schmelzpunkt überzogen ist, tritt während der
Bearbeitungsoperation möglicherweise eine verdampfende
Substanz mit niedrigem Schmelzpunkt in eine
Bearbeitungsfläche ein. In diesem Fall verschlechtert sich
die Qualität des Werkstücks.
Die Fig. 21 bis 26 beziehen sich auf herkömmliche
Schneide- und Schweißtechniken, die versuchen dieses Problem
zu lösen und in den Fig. 22-25 zeigt ein Pfeil 101 eine
Bearbeitungsrichtung oder Schneiderichtung durch den
Laserstrahl 1.
Zur Behandlung des voranstehend erwähnten Nachteils verwendet
ein in einer japanischen Patentveröffentlichung (Kokai)
Nr. 4-333386 offenbarter Stand der Technik eine Art von
Hilfsgas, wenn ein mit einer Substanz eines niedrigen
Schmelzpunkts überzogenes Material durch den Laserstrahl
bearbeitet wird, wie in Fig. 21 gezeigt. Dieser Stand der
Technik zielt darauf ab, eine Verdampfung der Substanz mit
niedrigem Schmelzpunkt zu begrenzen und die Qualität eines
Werkstücks zu verbessern.
In Fig. 21 wird ein Laserstrahl 1 von einem (nicht
dargestellten) Laseroszillator ausgestrahlt und durch eine
Linse 2 auf ein Werkstück 3a oder eine galvanisierte
Eisenplatte fokussiert. Die Oberfläche des Werkstücks 3a ist
mit einer galvanisierten Schicht 3b überzogen. Ein Paar von
Gasflaschen 4a und 4b enthalten darin Sauerstoff (O₂) bzw.
Argon (Ar) und liefern die Gase an einen Mischer 6. Ein
Bearbeitungskopf 7 weist an seinem führenden Ende eine Düse 8
auf, so daß er ermöglicht, daß ein gemischtes Gas aus
Sauerstoff und Argon von der Düse 8 in Richtung auf einen
Bearbeitungspunkt 9 auf dem Werkstück 3a ausgegeben wird.
Ein Betrieb der obigen Einrichtung wird nachstehend
beschrieben.
Der aus dem Laseroszillator austretende Laserstrahl 1 wird
durch einen (nicht dargestellten) Ablenkungsspiegel an den
Bearbeitungskopf 7 geleitet. Dann wird der Laserstrahl 1
durch die Linse 2 fokussiert und von der Düse 8 auf den
Bearbeitungspunkt 9 der galvanisierten Schicht 3b des
Werkstücks 3a gestrahlt. Eine Energiedichte des Laserstrahls
1 an der galvanisierten Schicht 3b wird in Abhängigkeit von
der Art, der Plattendicke oder der
Bearbeitungsgeschwindigkeit des Werkstücks 3a verändert.
Ferner wird Sauerstoffgas und Argongas von den Flaschen 4a
und 4b zugeführt und in dem Mischer 6 gemischt. Das gemischte
Gas wird unter die Sammellinse 2 in den Bearbeitungskopf 7
geführt und von der Düse 8 auf die galvanisierte Schicht 3b
zusammen mit dem Laserstrahl 1 ausgespritzt. Das gemischte
Gas wird verwendet, um das Zink der galvanisierten
Eisenschicht durch das darin enthaltene Oxidationsgas in ein
Zinkoxid oder Zinkperoxid zu oxidieren. Infolgedessen
verdampft das Zink nicht und ein Verspritzen wird verringert,
wodurch eine Laserstrahlschweißung mit wenigen
Gaseinschlüssen ermöglicht wird.
Eine in der japanischen Patentveröffentlichung (Kokai) Nr. 4-
1388 88 offenbarte Technik teilt einen Laserstrahl in zwei
Strahlen auf, so daß ein Strahl eine Substanz mit einem
niedrigen Schmelzpunkt ablöst und der andere Strahl eine
Schweißung durchführt, wie in Fig. 23 gezeigt.
In Fig. 23 weist die Einrichtung einen Laseroszillator 10
und einen teilweise reflektierenden Spiegel Mm und einen
total reflektierenden Spiegel Ms auf.
Der den Laseroszillator 10 verlassende Laserstrahl wird
durch den teilweise reflektierenden Spiegel Mm in zwei
Strahlen aufgeteilt und einer der Strahlen läuft dort
hindurch an das Werkstück 3a, um so eine
Beschichtungssubstanz, beispielsweise eine galvanisierte
Schicht 3b zu entfernen. Der andere Strahl wird durch den
teilweise reflektierenden Spiegel Mm in Richtung auf den
total reflektierenden Spiegel Ms reflektiert und ferner durch
den total reflektierenden Spiegel Ms in Richtung auf das
Werkstück 3a reflektiert, um es dadurch zu schweißen. Da die
Einrichtung die Strahlen in einer Richtung 101 bewegt, führt
sie gleichzeitig sowohl eine Entfernung der
Beschichtungssubstanz des Werkstücks als auch einen
Schweißvorgang durch.
Eine japanische Patentveröffentlichung (Kokai) Nr. 63-112088
offenbart ein Schweißverfahren einer galvanisierten
Eisenschicht, das einen Schritt zum Ablösen von Zink an einer
Oberfläche eines Werkstücks, wie in Fig. 24 gezeigt und
einen Schweißschritt, wie in Fig. 25 gezeigt, aufweist.
Wie in Fig. 24 gezeigt, wird der Bearbeitungskopf 7 zuerst
an einer Position über einer normalen Bearbeitungsposition
angeordnet, so daß eine Fokussierungsposition über der
Oberfläche des Werkstücks 3a zu liegen kommt. Ferner wird
eine Ausgangsleistung verkleinert und dann wird der
Laserstrahl 1 auf die galvanisierte Schicht 3b gestrahlt und
in die Richtung 101 entlang der Schicht 3b bewegt, um sie
abzulösen, um eine nackte Oberfläche 3d des Werkstücks 3a für
eine Nachbearbeitung vorzubereiten. Als nächstes wird die
Fokussierungsposition, wie in Fig. 25 gezeigt, näher an der
Oberfläche des Werkstücks 3a eingestellt und dann wird die
Ausgangsleistung erhöht, um einen Schweißvorgang aufzuführen.
Jedoch wird bei der Laserstrahlbearbeitung aus Fig. 21, die
das Mischgas als Hilfsgas verwendet, die Qualität des
Schweißvorgangs geringer, wenn die Dicke der galvanisierten
Schicht auf der Oberfläche des Werkstücks groß ist. Ferner
wird als ein Hilfsgas bei einem Schneidevorgang allgemein ein
Sauerstoffgas mit hoher Reinheit verwendet, so daß, wenn das
Mischgas auch bei dem Schneidevorgang verwendet wird, eine
Bearbeitungsmöglichkeit davon verringert wird. Deshalb
besteht eine Notwendigkeit, ein Schweißverfahren einer
galvanisierten Eisenschicht mit einer dicken galvanisierten
Schicht bereitzustellen.
Fig. 26 ist eine Querschnittsansicht, die einen
Schweißtropfen 3e beim Stumpfschweißen einer galvanisierten
Eisenschicht mit einer Dicke von 200 µm der galvanisierten
Schicht unter Verwendung eines Mischgases als ein Hilfsgas
zeigt. In der Figur werden in dem Schweißtropfen 3e
Gaseinschlüsse 3f erzeugt.
Fig. 22 zeigt eine Ursache einer Verschlechterung der
Bearbeitungsqualität bei einem Laserstrahlschneidevorgang der
galvanisierten Eisenschicht.
Unter Bezugnahme auf Fig. 22 wird beim Schneiden eines
Werkstücks 3a umfassend eine galvanisierte Eisenschicht das
Werkstück 3a mit einer Schneiderille 3c gebildet. Dämpfe 11,
die vorwiegend Zink wegen seines niedrigen Schmelzpunkts
umfassen, treten in die Schneiderille 3c ein.
Wie in Fig. 22 gezeigt, wird bei dem Laserschneidevorgang
der galvanisierten Eisenschicht die galvanisierte Schicht 3b
verdampft und der Zinkdampf 11 tritt in die Schneiderille 3c
ein. Demzufolge wird die Reinheit des Sauerstoffgases in der
Schneiderille 3c verringert, was große Splitter oder Sprünge
auf einer Schneidefläche und Grus auf einer hinteren
Oberfläche des Werkstücks 3a verursacht. Natürlich sollte der
Laserschneidevorgang durchgeführt werden, während verhindert
wird, daß der Zinkdampf 11 in die Schneiderille 3c eintritt.
Bei der Laserstrahlbearbeitung aus Fig. 23 wird das
Werkstück 3a durch einen zweiten Laserstrahl geschweißt,
nachdem die galvanisierte Schicht 3b durch einen ersten
Laserstrahl abgelöst ist, so daß der Schweißvorgang als eine
Hauptbearbeitung durchgeführt wird, bevor die zur Zeit einer
Ablösung der Überzugsschicht 3b erzeugte Wärme sich abgekühlt
hat. Wenn die Hauptbearbeitung durchgeführt wird, wenn das
bearbeitete Teil noch erwärmt ist, wird die Wärmeeinwirkung
so übermäßig, daß sich ein Zustand eines Selbstbrennens in
dem Schneidevorgang ergibt und eine Struktur von verbundenen
Teilen bei dem Schweißvorgang hypertrophiert und versprödet
wird. Für den Fall, daß die positionsmäßige Beziehung des
teilsweise reflektierenden Spiegels Mm und des total
reflektierenden Spiegels Ms fest ist, ergibt sich ein Fall,
daß Ortskurven des Laserstrahls bei dem Ablösevorgang als
eine Vorbehandlung und die Hauptbearbeitung nicht miteinander
übereinstimmen, wenn die Ortskurven kompliziert sind. Wenn
eine Konstruktion angewendet wird, die bewirkt, daß die
Ortskurven miteinander übereinstimmen, wird die Einrichtung
selbst kompliziert, teuer und besitzt keine praktische
Verwendbarkeit. Ferner ist die Einrichtung unter Verwendung
des teilweise reflektierenden Spiegels Mm und des total
reflektierenden Spiegels Ms nur auf eine lineare Bearbeitung
anwendbar.
Da die Ausgangsleistung bei dem in den Fig. 24 und 25
gezeigten Stand der Technik verringert wird und sich der
Brennpunkt als eine Bearbeitungsbedingung verschiebt, um
galvanisiertes Zink in dem ersten Schritt zu veraschen und zu
entfernen, nimmt die Bearbeitungsgeschwindigkeit ab. Obwohl
er auf eine aus Zink bestehende Galvanisierung, die einen
großen Absorptionsfaktor und einen niedrigen Schmelzpunkt
aufweist, anwendbar ist, kann er nicht auf eine Substanz
angewendet werden, die einen niedrigen Absorptionsfaktor und
einen hohen Schmelzpunkt aufweist. Ferner kann er die
Entfernung von Beschichtungsmaterialien mit unterschiedlichen
Eigenschaften nicht flexibel behandeln. Ferner ist es
erforderlich, genau die Ausgangsleistung und Geschwindigkeit
zu wählen und die Energiedichte des Laserstrahls unter einer
hohen Bearbeitungsgeschwindigkeit zu steuern, und zwar in
Abhängigkeit von der Art des Beschichtungsmaterials, um das
Beschichtungsmaterial richtig zu veraschen und zu entfernen.
Zusätzlich weisen die meisten Weichstahlmaterialien einen auf
ihren Oberflächen während eines Walzprozesses bei ihrer
Herstellung erzeugten Oxidfilm auf. Dieser Oxidfilm wird als
Walzenschlacke oder Walzsinter bezeichnet. Bei einer
Laserstrahlbearbeitung eines Weichstahlmaterials, das eine
dicke Walzenschlackenschicht oder eine dicke und dünne
marmorierte Schicht aufweist, wird eine Verteilung bewirkt.
Wenn nämlich das Weichstahlmaterial mit einem Oxidfilm einer
ungleichmäßigen Dicke geschnitten wird, existiert eine
Veränderung des Absorptionsfaktors des Laserstrahls an der
Oberfläche des Materials. Wenn der Absorptionsfaktor sich
beträchtlich verändert, verschlechtert sich die Qualität des
Schneidevorgangs. Auch wenn sich der Absorptionsfaktor bei
einem Schweißvorgang ändert, ändert sich auch eine
Eindringungstiefe, so daß eine stabile Bearbeitung unmöglich
ist. Wenn der geschweißte Teil (Schweißtropfen) mit dem
Oxidfilm der Werkstückoberfläche verunreinigt wird, wird eine
Schweißstärke verringert.
Wenn ferner der Oxidfilm größer als eine bestimmte Dicke
wird, werden durch die thermische Schockwirkung bei der
Laserstrahlbearbeitung Sprünge diskontinuierlich erzeugt, so
daß der Oxidfilm an einer Position des Laserstrahls
existieren kann und an einer anderen Position nicht
existieren kann. Wenn das Weichstahlmaterial mit dem Oxidfilm
einer ungleichmäßigen Dicke geschnitten wird, existiert
infolgedessen eine Veränderung des Absorptionsfaktors des
Laserstrahls an der Oberfläche des Materials, wie
voranstehend beschrieben. Wenn sich der Absorptionsfaktor
verändert, verschlechtert sich die Qualität des
Schneidevorgangs. Wenn sich der Absorptionsfaktor bei einem
Schweißvorgang ändert, ändert sich auch eine
Eindringungstiefe, so daß eine stabile Bearbeitung unmöglich
wird.
Ferner wird auf dem Weichstahlmaterial Rost erzeugt, wenn es
über lange Zeit in einer Umgebung mit hoher Luftfeuchtigkeit
zurückgelassen wird. Beim Laserschneiden des Teils des
Materials, welches mit Rost bedeckt ist, ergibt sich eine
anomale Verbrennung und die Bearbeitungsqualität
verschlechtert sich. Auch beim Laserstrahlschweißen des
verrosteten Teils werden Gaseinschlüsse in dem Schweißtropfen
erzeugt. Wenn nämlich die Werkstückoberfläche verrostet ist,
existiert eine Veränderung des Absorptionsfaktors des
Laserstrahls zwischen verrosteten Teilen und einem nicht
verrosteten Teil. Wenn sich der Absorptionsfaktor verändert,
wirkt sich dies auf die Qualität des Schneidevorgangs aus.
Wenn sich der Absorptionsfaktor beim Schweißen verändert,
variiert auch die Breite oder Tiefe einer Eindringung, so daß
eine stabile Bearbeitung unmöglich ist.
Je größer die Werkstückoberflächenunregelmäßigkeit oder
Oberflächenrauhigkeit ist, desto mehr Defekte werden in der
Bearbeitungsqualität in dem Laserschneidevorgang erzeugt.
Je größer die Oberflächenrauhigkeit ist, desto größer wird
eine Veränderung, die in dem Absorptionsfaktor des
Laserstrahls verursacht wird. Die Bearbeitungsgeschwindigkeit
ist an einem Teil höher, der eine große Oberflächenrauhigkeit
und einen großen Absorptionsfaktor aufweist, während die
Bearbeitungsgeschwindigkeit an einem Teil geringer ist, der
eine kleine Oberflächenrauhigkeit und einen kleinen
Absorptionsfaktor aufweist, so daß die Bearbeitungsqualität
nicht gleichmäßig ist. Außer für den Fall, daß die
Werkstückoberfläche senkrecht zu der Strahlungsrichtung des
Laserstrahls ist, wird der Fluß des Hilfsgases in der
Schneiderille gestört, wodurch ein fehlerhafter
Schneidevorgang bewirkt wird.
Ferner wird bei dem Laserstrahlschweißen eines Materials mit
hohem Reflexionsvermögen der Laserstrahl bei der Bearbeitung
reflektiert, so daß ein stabiler Bearbeitungsvorgang nicht
möglich ist.
Angesichts der vorangehenden Ausführungen ist es eine Aufgabe
der Erfindung,
- - ein Laserstrahlbearbeitungsverfahren und eine darauf
anwendbare Einrichtung vorzusehen, die unter Verwendung
eines Laserstrahls eine Werkstückoberfläche durch eine
vorläufige Bearbeitung bei einer vorläufigen
Bearbeitungsbedingung vorbereiten und eine
Hauptbearbeitung bei einer Hauptbearbeitungsbedingung
ausführen, um so das Werkstück in geeigneter Weise zu
bearbeiten.
Eine andere Aufgabe der Erfindung besteht darin,
- - ein Laserstrahlbearbeitungsverfahren und eine darauf
anwendbare Einrichtung bereitzustellen, die eine
Entfernungsgeschwindigkeit von Oberflächensubstanzen
eines Werkstücks, die eine Vielfalt von zueinander
unterschiedlichen Eigenschaften aufweisen und die eine
Hauptbearbeitung behindern können, vergrößern können.
Eine weitere Aufgabe der Erfindung besteht darin,
- - ein Laserstrahlbearbeitungsverfahren und eine darauf
anwendbare Einrichtung vorzusehen, die in einfacher
Weise eine Schneidequalität oder Schweißqualität ohne
irgendeine Änderung oder einen komplizierteren Aufbau
einer Laserstrahlmaschine selbst verbessern können.
Eine noch weitere Aufgabe der Erfindung besteht darin,
- - ein Laserstrahlbearbeitungsverfahren und eine darauf
anwendbare Einrichtung vorzusehen, die eine
Schneidequalität oder eine Schweißqualität ohne die
Notwendigkeit einer Änderung einer Laserstrahlmaschine
selbst verbessern können.
Gemäß der Lehren einer bevorzugten Ausführungsform umfaßt ein
Laserstrahlbearbeitungsverfahren die folgenden Schritte:
einen vorläufigen Bearbeitungsschritt zur Vorbehandlung eines
Werkstücks und einen Hauptbearbeitungsschritt zur Bearbeitung
des Werkstücks entlang einer letzten Bearbeitungsortskurve.
Der vorläufige Bearbeitungsschritt umfaßt die Schritte zum
Sammeln eines Laserstrahls in eine hohe Energiedichte unter
Verwendung eines fokussierenden optischen Systems und das
Aufstrahlen des Laserstrahls entlang der letzten
Bearbeitungsortskurve und zwar unter einer derartigen
vorläufigen Bearbeitungsbedingung, um eine zu einer
Energiedichte in einer Hauptbearbeitungsbedingung des
Hauptbearbeitungsschritts unterschiedliche Energiedichte zu
erhalten, um so vorher Material auf der Oberfläche des
Werkstücks zu entfernen. Der Hauptbearbeitungsschritt umfaßt
einen Schritt zum Aufstrahlen des Laserstrahls auf ein Gebiet
des Werkstücks, von dem das Oberflächenmaterial entfernt
worden ist, während die Energiedichte des Laserstrahls
entsprechend der Hauptbearbeitungsbedingung verändert wird,
um so das Werkstück zu bearbeiten.
Eine Laserstrahlbearbeitungseinrichtung gemäß der Erfindung
umfaßt: eine vorläufige Bearbeitungseinrichtung zur
Vorbehandlung eines Werkstücks und eine
Hauptbearbeitungseinrichtung zur Bearbeitung des Werkstücks
entlang einer letzten Bearbeitungsortskurve. Die vorläufige
Bearbeitungseinrichtung umfaßt eine Einrichtung zur
Fokussierung eines Laserstrahls in eine hohe Energiedichte
und eine Einrichtung zum Aufstrahlen eines führenden Endes
eines Laserstrahls entlang der letzten Bearbeitungsortskurve,
und zwar unter einer derartigen vorläufigen
Bearbeitungsbedingung, um eine Energiedichte zu erhalten, die
sich von einer Energiedichte in einer
Hauptbearbeitungsbedingung des Hauptbearbeitungsschritts
unterscheidet, um so vorher ein Oberflächenmaterial des
Werkstücks zu entfernen. Die Hauptbearbeitungseinrichtung
umfaßt eine Einrichtung zum Aufstrahlen des Laserstrahls auf
ein Gebiet des Werkstücks, von dem das Oberflächenmaterial
entfernt worden ist, während die Energiedichte des
Laserstrahls entsprechend der Hauptbearbeitungsbedingung
verändert wird, um so das Werkstück zu bearbeiten.
Gemäß einer anderen bevorzugten Ausführungsform der Erfindung
umfaßt ein Laserstrahlbearbeitungsverfahren die folgenden
Schritte: Einen vorläufigen Bearbeitungsschritt zur
Vorbehandlung eines Werkstücks und einen
Hauptbearbeitungsschritt zur Bearbeitung des Werkstücks
entlang einer letzten Bearbeitungsortskurve. Der vorläufige
Bearbeitungsschritt umfaßt die Schritte einer Fokussierung
eines Laserstrahls in eine hohe Energiedichte und des
Aufstrahlens eines führenden Endes eines Laserstrahls entlang
der letzten Bearbeitungsortskurve, und zwar unter einer
derartigen vorläufigen Bearbeitungsbedingung, um eine
Energiedichte zu erhalten, die sich von einer Energiedichte
in einer Hauptbearbeitungsbedingung des
Hauptbearbeitungsschritts unterscheidet, um so eine
Oberflächenrauhigkeit des Werkstücks gleichförmig zu machen.
Der Hauptbearbeitungsschritt umfaßt einen Schritt zum
Aufstrahlen des Laserstrahls auf ein Gebiet des Werkstücks,
auf dem die Oberflächenrauhigkeit gleichförmig gemacht worden
ist, während die Energiedichte des Laserstrahls entsprechend
der Hauptbearbeitungsbedingung verändert wird, um so das
Werkstück zu bearbeiten.
Gemäß einer anderen bevorzugten Ausführungsform der Erfindung
umfaßt eine Laserstrahlbearbeitungseinrichtung eine
vorläufige Bearbeitungseinrichtung zur Vorbehandlung eines
Werkstücks und eine Hauptbearbeitungseinrichtung zur
Bearbeitung des Werkstücks entlang einer letzten
Bearbeitungsortskurve. Die vorläufige Bearbeitungseinrichtung
umfaßt eine Einrichtung zur Fokussierung eines Laserstrahls
in eine hohe Energiedichte und eine Einrichtung zum
Aufstrahlen eines führenden Endes eines Laserstrahls entlang
der letzten Bearbeitungsortskurve, und zwar unter einer
derartigen vorläufigen Bearbeitungsbedingung, um eine
Energiedichte zu erhalten, die sich von einer Energiedichte
in einer Hauptbearbeitungsbedingung des
Hauptbearbeitungsschritts unterscheidet, um so eine
Oberflächenrauhigkeit des Werkstücks gleichförmig zu machen.
Die Hauptbearbeitungseinrichtung umfaßt eine Einrichtung zum
Aufstrahlen des Laserstrahls auf ein Gebiet des Werkstücks,
auf dem die Oberflächenrauhigkeit gleichförmig gemacht worden
ist, während die Energiedichte des Laserstrahls entsprechend
der Hauptbearbeitungsbedingung verändert wird, um so das
Werkstück zu bearbeiten.
Gemäß einer noch anderen bevorzugten Ausführungsform der
Erfindung umfaßt ein Laserstrahlbearbeitungsverfahren einen
vorläufigen Bearbeitungsschritt zur Vorbehandlung eines
Werkstücks und einen Hauptbearbeitungsschritt zur Bearbeitung
des Werkstücks entlang einer letzten Bearbeitungsortskurve.
Der vorläufige Bearbeitungsschritt umfaßt die Schritte des
Aufstrahlens eines Laserstrahls entlang der letzten
Bearbeitungsortskurve, und zwar unter einer derartigen
vorläufigen Bearbeitungsbedingung, um eine Energiedichte zu
erhalten, die sich von einer Energiedichte in einer
Hauptbearbeitungsbedingung des Hauptbearbeitungsschritts
unterscheidet, um so das Werkstück mit einer Aussparung zu
versehen. Der Hauptbearbeitungsschritt umfaßt einen Schritt
zum Aufstrahlen des Laserstrahls auf das ausgesparte Gebiet
des Werkstücks, während die Energiedichte des Laserstrahls
entsprechend der Hauptbearbeitungsbedingung verändert wird,
um so das Werkstück zu bearbeiten.
Gemäß einer noch anderen bevorzugten Ausführungsform der
Erfindung umfaßt eine Laserstrahlbearbeitungseinrichtung eine
vorläufige Bearbeitungseinrichtung zur Vorbehandlung eines
Werkstücks und eine Hauptbearbeitungseinrichtung zur
Bearbeitung des Werkstücks entlang einer letzten
Bearbeitungsortskurve. Die vorläufige Bearbeitungseinrichtung
umfaßt eine Einrichtung zum Aufstrahlen eines Laserstrahls
entlang der letzten Bearbeitungsortskurve, und zwar unter
einer derartigen vorläufigen Bearbeitungsbedingung, um eine
Energiedichte zu erhalten, die sich von einer Energiedichte
in einer Hauptbearbeitungsbedingung des
Hauptbearbeitungsschritts unterscheidet, um so das Werkstück
mit einer Aussparung zu versehen. Die
Hauptbearbeitungseinrichtung umfaßt eine Einrichtung zum
Aufstrahlen des Laserstrahls auf das ausgesparte Gebiet des
Werkstücks, während die Energiedichte des Laserstrahls
entsprechend der Hauptbearbeitungsbedingung verändert wird,
um so das Werkstück zu bearbeiten.
Gemäß einer noch anderen bevorzugten Ausführungsform der
Erfindung umfaßt ein Laserstrahlbearbeitungsverfahren einen
vorläufigen Bearbeitungsschritt zur Vorbehandlung eines
Werkstücks und einen Hauptbearbeitungsschritt zur Bearbeitung
des Werkstücks entlang einer letzten Bearbeitungsortskurve.
Der vorläufige Bearbeitungsschritt umfaßt einen Schritt des
Aufstrahlens eines Laserstrahls entlang der letzten
Bearbeitungsortskurve, und zwar unter einer derartigen
vorläufigen Bearbeitungsbedingung, um eine Energiedichte zu
erhalten, die sich von einer Energiedichte in einer
Hauptbearbeitungsbedingung des Hauptbearbeitungsschritts
unterscheidet, um so das Werkstück mit einer Aussparung zu
versehen. Der Hauptbearbeitungsschritt umfaßt die Schritte
des Aufstrahlens des Laserstrahls auf das ausgesparte Gebiet
des Werkstücks, während die Energiedichte des Laserstrahls
entsprechend der Hauptbearbeitungsbedingung verändert wird,
um so das Werkstück zu bearbeiten. Der vorläufige
Bearbeitungsschritt umfaßt einen Schritt zum Neigen einer
Aufstrahlungsrichtung des Laserstrahls und einer
Ausspritzrichtung eines Hilfsgases relativ zu der Oberfläche
des Werkstücks. Der Hauptbearbeitungsschritt umfaßt ferner
einen Schritt, um die Aufstrahlungsrichtung des Laserstrahls
und die Aufspritzrichtung des Hilfsgases relativ zu der
Oberfläche des Werkstücks einzustellen.
Gemäß einer noch anderen bevorzugten Ausführungsform der
Erfindung umfaßt eine Laserstrahlbearbeitungseinrichtung eine
vorläufige Bearbeitungseinrichtung zur Vorbehandlung eines
Werkstücks und eine Hauptbearbeitungseinrichtung zur
Bearbeitung des Werkstücks entlang einer letzten
Bearbeitungsortskurve. Die vorläufige Bearbeitungseinrichtung
umfaßt eine Einrichtung zum Aufstrahlen eines Laserstrahls
entlang der letzten Bearbeitungsortskurve, und zwar unter
einer derartigen vorläufigen Bearbeitungsbedingung, um eine
Energiedichte zu erhalten, die sich von einer Energiedichte
in einer Hauptbearbeitungsbedingung des
Hauptbearbeitungsschritts unterscheidet, um so das Werkstück
mit einer Aussparung zu versehen. Die
Hauptbearbeitungseinrichtung umfaßt eine Einrichtung zum
Aufstrahlen des Laserstrahls auf das ausgesparte Gebiet des
Werkstücks, während die Energiedichte des Laserstrahls
entsprechend der Hauptbearbeitungsbedingung verändert wird,
um so das Werkstück zu bearbeiten. Die vorläufige
Bearbeitungseinrichtung umfaßt eine Einrichtung zum Neigen
einer Aufstrahlungsrichtung des Laserstrahls und einer
Ausspritzrichtung eines Hilfsgases relativ zu der Oberfläche
des Werkstücks. Die Hauptbearbeitungseinrichtung umfaßt
ferner eine Einrichtung, um die Aufstrahlungsrichtung des
Laserstrahls und die Ausspritzrichtung des Hilfsgases relativ
zu der Oberfläche des Werkstücks einzustellen.
Gemäß einer noch anderen bevorzugten Ausführungsform der
Erfindung umfaßt ein Laserstrahlbearbeitungsverfahren einen
vorläufigen Bearbeitungsschritt zur Vorbehandlung eines
Werkstücks und einen Hauptbearbeitungsschritt zur Bearbeitung
des Werkstücks entlang einer letzten Bearbeitungsortskurve.
Der vorläufige Bearbeitungsschritt umfaßt die Schritte des
Aufstrahlens eines Laserstrahls entlang der letzten
Bearbeitungsortskurve, und zwar unter einer vorläufigen
Bearbeitungsbedingung eines Hilfsgases, welches ein
Sauerstoffgas zur Oxidation einer Oberfläche des Werkstücks
enthält, die sich von einer Hauptbearbeitungsbedingung zum
Schweißen des Hauptbearbeitungsschritts unterscheidet, um so
die Oberfläche des Werkstücks zu oxidieren.
Der Hauptbearbeitungsschritt umfaßt einen Schritt zum
Aufstrahlen des Laserstrahls auf ein oxidiertes Gebiet des
Werkstücks, während die Energiedichte des Laserstrahls
entsprechend der Hauptbearbeitungsbedingung verändert wird,
um so das Werkstück zu bearbeiten.
Gemäß einer noch anderen bevorzugten Ausführungsform der
Erfindung umfaßt eine Laserstrahlbearbeitungseinrichtung eine
vorläufige Bearbeitungseinrichtung zur Vorbehandlung eines
Werkstücks und eine Hauptbearbeitungseinrichtung zur
Bearbeitung des Werkstücks entlang einer letzten
Bearbeitungsortskurve. Die vorläufige Bearbeitungseinrichtung
umfaßt eine Einrichtung zum Aufstrahlen eines Laserstrahls
entlang der letzten Bearbeitungsortskurve, und zwar unter
einer vorläufigen Bearbeitungsbedingung eines Hilfsgases,
welches ein Sauerstoffgas zur Oxidierung der Oberfläche des
Werkstücks enthält, die sich von einer
Hauptbearbeitungsbedingung zum Schweißen des
Hauptbearbeitungsschritts unterscheidet, um so die Oberfläche
des Werkstücks zu oxidieren. Die Hauptbearbeitungseinrichtung
umfaßt eine Einrichtung zum Aufstrahlen des Laserstrahls auf
ein oxidiertes Gebiet des Werkstücks, während die
Energiedichte des Laserstrahls entsprechend der
Hauptbearbeitungsbedingung verändert wird, um so das
Werkstück zu bearbeiten.
Gemäß einer noch anderen bevorzugten Ausführungsform der
Erfindung umfaßt ein Laserstrahlbearbeitungsverfahren einen
vorläufigen Bearbeitungsschritt zur Vorbehandlung eines
Werkstücks und einen Hauptbearbeitungsschritt zur Bearbeitung
des Werkstücks entlang einer letzten Bearbeitungsortskurve.
Der vorläufige Bearbeitungsschritt umfaßt die Schrittes eines
Aufstrahlens eines Laserstrahls entlang der letzten
Bearbeitungsortskurve, und zwar unter einer derartigen
vorläufigen Bearbeitungsbedingung zur gleichmäßigen Erzielung
einer Energiedichte und einer Energieverteilung
unterschiedlich von einer Energiedichte und einer
Energieverteilung in wenigstens einer der
Hauptbearbeitungsbedingungen zum Schneiden und Schweißen und
zur thermischen Behandlung des Hauptbearbeitungsschritts, um
so vorher eine Oberflächensubstanz des Werkstücks zu
entfernen. Der Hauptbearbeitungsschritt umfaßt einen Schritt
des Aufstrahlens des Laserstrahls auf ein Gebiet des
Werkstücks, auf dem die Oberflächensubstanz entfernt worden
ist, während die Energiedichte und die Energieverteilung des
Laserstrahls entsprechend der Hauptbearbeitungsbedingung
verändert wird, um so das Werkstück zu bearbeiten.
Gemäß einer noch anderen bevorzugten Ausführungsform der
Erfindung umfaßt eine Laserstrahlbearbeitungseinrichtung eine
vorläufige Bearbeitungseinrichtung zur Vorbehandlung eines
Werkstücks und eine Hauptbearbeitungseinrichtung zur
Bearbeitung des Werkstücks entlang einer letzten
Bearbeitungsortskurve. Die vorläufige Bearbeitungseinrichtung
umfaßt eine Einrichtung zum Aufstrahlen eines Laserstrahls
entlang der letzten Bearbeitungsortskurve, und zwar unter
einer derartigen vorläufigen Bearbeitungsbedingung zur
gleichmäßigen Erzielung einer Energiedichte und einer
Energieverteilung unterschiedlich von einer Energiedichte und
einer Energieverteilung in wenigstens einer der
Hauptbearbeitungsbedingungen zum Schneiden und Schweißen und
zur thermischen Behandlung des Hauptbearbeitungsschritts, um
so vorher eine Oberflächensubstanz des Werkstücks zu
entfernen. Die Hauptbearbeitungseinrichtung umfaßt eine
Einrichtung zum Aufstrahlen des Laserstrahls auf ein Gebiet
des Werkstücks, von dem die Oberflächensubstanz entfernt
worden ist, während die Energiedichte und die
Energieverteilung des Laserstrahls entsprechend der
Hauptbearbeitungsbedingung verändert wird, um so das
Werkstück zu bearbeiten.
Weitere Aufgaben und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus
der nachfolgenden Beschreibung unter Bezugnahme auf die
beiliegenden Zeichnungen, in denen bevorzugte
Ausführungsformen der Erfindung deutlich gezeigt sind.
In den Zeichnungen zeigen:
Fig. 1 eine perspektivische Ansicht, die einen
Laserstrahlschneidezustand nach der Entfernung einer
galvanisierten Schicht auf einer Oberfläche eines Werkstücks
mit einer galvanisierten Eisenschicht zeigt, nämlich unter
Verwendung einer ersten Ausführungsform des erfindungsgemäßen
Laserstrahlbearbeitungsverfahrens und der Einrichtung;
Fig. 2 ein Erklärungsdiagramm, welches einen
Zusammenhang zwischen einem Galvanisierungsbetrag M in der
galvanisierten Eisenschicht und einer zur Entfernung einer
galvanisierten Schicht an einem bestrahlten Teil
erforderliche Energiedichte E eines Laserstrahls zeigt,
nämlich entsprechend der ersten Ausführungsform des
erfindungsgemäßen Laserstrahlbearbeitungsverfahrens und der
Einrichtung;
Fig. 3 ein Erklärungsdiagramm, das einen Zusammenhang
zwischen der Art von Beschichtungsmaterial mit einer
Beschichtungsmenge (M = 20 g/m²) und einer für deren
Entfernung erforderliche Energiedichte E eines Laserstrahls
zeigt, nämlich entsprechend der ersten Ausführungsform des
erfindungsgemäßen Laserstrahlbearbeitungsverfahrens und der
Einrichtung;
Fig. 4 ein Flußdiagramm, welches einen
Bearbeitungsprozeß der ersten Ausführungsform des
erfindungsgemäßen Laserstrahlbearbeitungsverfahrens und der
Einrichtung zeigt;
Fig. 5 eine schematische Ansicht, die einen
Gesamtaufbau eines Laserstrahlbearbeitungsverfahrens und
einer Laserstrahlbearbeitungseinrichtung zeigt, die für das
Verfahren gemäß der ersten bis achten Ausführungsformen der
Erfindung verwendet werden;
Fig. 6 ein Erklärungsdiagramm, das den prozentualen
Anteil von Defekten in einer Schneideoberfläche zu einem
Galvanisierungsbetrag zeigt, während ein Wert in der ersten
Ausführungsform des erfindungsgemäßen
Laserstrahlbearbeitungsverfahrens und der Einrichtung mit
einem Wert eines Standes der Technik, bei dem keine
Beschichtung entfernt wurde, verglichen wird;
Fig. 7 eine Querschnittsansicht, die einen
Schweißtropfen zeigt, der bei einem Schweißvorgang nach
Entfernung einer galvanisierten Schicht unter Verwendung
einer zweiten Ausführungsform des erfindungsgemäßen
Laserstrahlbearbeitungsverfahrens und der Einrichtung
erhalten wird;
Fig. 8 ein Erklärungsdiagramm, das einen Graph einer
Gaseinschluß-Belegungsrate zu einer Galvanisierungsmenge als
ein Parameter zeigt, während Werte für die zweite
Ausführungsform des erfindungsgemäßen
Laserstrahlbearbeitungsverfahrens und der Einrichtung mit
Werten eines Standes der Technik, bei dem keine Beschichtung
entfernt wurde, verglichen werden;
Fig. 9 eine Querschnittsansicht, die ein geschnittenes
Werkstück zeigt, das darauf einen nicht gleichförmigen
Oxidfilm aufweist, der durch eine dritte Ausführungsform des
erfindungsgemäßen Laserstrahlbearbeitungsverfahrens und der
Einrichtung behandelt werden soll;
Fig. 10 ein Erklärungsdiagramm, das einen Zusammenhang
einer Dicke eines Oxidfilms und einer
Schneideoberflächenrauhigkeit Rmax nach einer Bearbeitung
zeigt, während Werte für die dritte Ausführungsform des
erfindungsgemäßen Laserstrahlbearbeitungsverfahrens und der
Einrichtung mit Werten eines Standes der Technik, bei dem
keine Beschichtung entfernt wurde, verglichen wird;
Fig. 11(a) ein Erklärungsdiagramm, das eine Theorie
eines Laserstrahlbearbeitungsverfahrens und einer Einrichtung
in einem verwandten Stand der Technik für einen Fall des
Schneidens eines geneigten Werkstücks zeigt;
Fig. 11(b) ein Erklärungsdiagramm, das eine Theorie
einer vierten Ausführungsform des erfindungsgemäßen
Laserstrahlbearbeitungsverfahrens und einer Einrichtung für
einen Fall des Schneidens eines geneigten Werkstücks zeigt;
Fig. 12 ein Erklärungsdiagramm, das einen Zusammenhang
zwischen einem Neigungswinkel relativ zu einer horizontalen
Richtung und einem prozentualen Anteil von Defekten zeigt,
während ein Wert in der vierten Ausführungsform des
erfindungsgemäßen Laserstrahlbearbeitungsverfahrens und der
Einrichtung mit einem Wert in einem Stand der Technik, bei
dem keine Aussparung bereitgestellt wird, verglichen wird;
Fig. 13 ein Erklärungsdiagramm, das einen Zusammenhang
einer Bearbeitungsgeschwindigkeit und einer Eindringungstiefe
beim Schweißen zeigt, nachdem eine Oberfläche eines Materials
unter einer Bedingung oxidiert ist, die vorher entweder
reinen Sauerstoff oder ein sauerstoffenthaltendes Mischgas
verwendet, während ein Wert in einer fünften Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Laserstrahlbearbeitungsverfahrens und
einer Einrichtung mit einem Stand der Technik, der keine
Vorbehandlung aufweist, vergleichen wird;
Fig. 14 ein Erklärungsdiagramm, das einen
Aussparungszustand beim Aufstrahlen eines Laserstrahls und
Ausspritzen eines Hilfsgases vertikal auf eine Oberfläche
eines Werkstücks in einem verwandten Stand der Technik zeigt;
Fig. 15 ein Erklärungsdiagramm, das eine Ausnehmung
zeigt, die durch eine geneigte Düse in einer sechsten
Ausführungsform der erfindungsgemäßen Laserstrahlbearbeitung
und der Einrichtung hergestellt wird;
Fig. 16 ein Erklärungsdiagramm, welches einen
Bearbeitungszustand zeigt, bei dem eine Aussparung vorher auf
einem Werkstück entlang einer Schneideortskurve gebildet wird
und bei dem das Werkstück danach geschnitten wird, beim
Schneiden einer dicken Platte unter Verwendung der sechsten
Ausführungsform des erfindungsgemäßen
Laserstrahlbearbeitungsverfahrens und der Einrichtung;
Fig. 17 ein Erklärungsdiagramm, welches einen
Zusammenhang zwischen einer Aussparungstiefe t und einem
prozentualen Anteil von Defekten zeigt, beim Schneiden von
Weichstahlmaterialien mit unterschiedlichen Dicken T unter
Verwendung der sechsten Ausführungsform des erfindungsgemäßen
Laserstrahlbearbeitungsverfahrens und der Einrichtung;
Fig. 18 ein Erklärungsdiagramm, welches einen
Bearbeitungszustand bei einem Schneidevorgang zeigt, bei dem
eine Schneideortskurve eines Werkstücks geschmolzen wird, um
die Rauhigkeit der geschnittenen Oberfläche neu zu gestalten
und das Werkstück danach geschnitten wird, beim Schneiden des
Werkstücks, dessen Oberfläche mit geringer Genauigkeit durch
eine mechanische Bearbeitung oder dergleichen bearbeitet
wurde, unter Verwendung einer sechsten Ausführungsform des
erfindungsgemäßen Laserstrahlbearbeitungsverfahrens und der
Einrichtung;
Fig. 19 ein Erklärungsdiagramm, das einen Zusammenhang
einer Werkstückoberflächenrauhigkeit Rmax und einem
prozentualen Anteil von Defekten beim Schneiden von
Weichstahlmaterialien mit unterschiedlichen Dicken T in der
siebten Ausführungsform des erfindungsgemäßen
Laserstrahlbearbeitungsverfahrens und der Einrichtung zeigt;
Fig. 20(a) und 20(b) Erklärungsdiagramme, die jeweils
einen Zusammenhang eines Laserstrahlmodes und eines
Laserstrahlzustands gemäß einer achten Ausführungsform des
erfindungsgemäßen Laserstrahlbearbeitungsverfahrens und der
Einrichtung zeigen;
Fig. 21 eine perspektivische Ansicht, die ein
Laserstrahlbearbeitungsverfahren und eine Einrichtung des
Standes der Technik zeigt;
Fig. 22 eine perspektivische Ansicht, die einen
Schneidevorgang eines Laserstrahlbearbeitungsverfahrens und
einer Einrichtung des Standes der Technik zeigt;
Fig. 23 eine schematische Ansicht, die ein anderes
herkömmliches Laserstrahlbearbeitungsverfahren und eine
Einrichtung zeigen;
Fig. 24 eine perspektivische Ansicht, die einen
Schweißvorgang als eine vorläufige Bearbeitung in einem
Laserstrahlbearbeitungsverfahren und einer Einrichtung eines
Standes der Technik zeigt;
Fig. 25 eine perspektivische Ansicht, die eine
Hauptbearbeitung bei einem Laserstrahlbearbeitungsverfahren
und einer Einrichtung eines Standes der Technik zeigt; und
Fig. 26 eine Querschnittsansicht, die eine fehlerhafte
Schweißung bei einem Laserstrahlbearbeitungsverfahren und
einer Einrichtung eines Standes der Technik zeigt.
Unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen, in denen
gleiche Bezugszeichen gleiche oder entsprechende Teile
überall in den verschiedenen Ansichten zeigen, werden
bevorzugte Ausführungsformen eines erfindungsgemäßen
Laserstrahlbearbeitungsverfahrens und einer Einrichtung
nachstehend beschrieben. Gleiche Bezugszeichen werden auch
zur Bezeichnung der gleichen Teile verwendet, auf die in der
Beschreibung des Standes der Technik Bezug genommen werden,
um dadurch überflüssige Erklärungen zu vermeiden.
Erste Ausführungsform
Fig. 1 ist eine perspektivische Ansicht, die einen
Laserstrahl beim Schneiden zeigt, nachdem eine galvanisierte
Schicht auf einer Oberfläche einer galvanisierten
Eisenschicht unter Verwendung einer ersten Ausführungsform
eines erfindungsgemäßen Laserstrahlbearbeitungsverfahrens und
einer erfindungsgemäßen Einrichtung entfernt wurde.
In Fig. 1 wird der Laserstrahl 1 durch eine Einrichtung
erzeugt, die einen Laserstrahloszillator, ein optisches
System mit einer Linse und dergleichen (nicht gezeigt umfaßt
und der Laserstrahl 1 wird auf die Oberfläche eines
Werkstücks 3a, z. B. eine galvanisierte Eisenschicht
gestrahlt. Das erfindungsgemäße Verfahren und die Einrichtung
wird auf eine Vielfalt von Bearbeitungsvorgängen angewendet,
einschließlich des Schneidens, Schweißens etc., obwohl Fig.
1 einen Schneidevorgang zeigt. In Fig. 1 ist eine
galvanisierte Schicht 3b des Werkstücks 3a durch den
Laserstrahl 1 entfernt und eine nackte Oberfläche 3d ist
freigelegt und wird mit einer Schneideaussparung 3c
geschnitten.
Die erfindungsgemäße Laserstrahlbearbeitungseinrichtung weist
Verbesserungen hinsichtlich ihrer in einem Mikroprozessor
(nicht dargestellt) verwirklichten Software auf und eine
ausführliche Beschreibung ihres mechanischen Aufbaus erübrigt
sich. Die erfindungsgemäße Software ergibt sich aus der
folgenden Beschreibung und aus einem Flußdiagramm aus Fig.
4.
Nachstehend wird das Laserstrahlbearbeitungsverfahren
beschrieben. In einem vorläufigen Bearbeitungsschritt wird,
als eine erste Stufe, der Laserstrahl 1 in einen Strahl mit
hoher Energiedichte fokussiert, der auf eine letzte
Bearbeitungsortskurve aufgestrahlt wird, die die gleiche wie
die Hauptbearbeitungsortskurve ist, wodurch vorher die
galvanisierte Schicht auf der Oberfläche entfernt und eine
nackte Oberfläche 3d des Werkstücks 3a vorbereitet wird. Der
vorläufige Schritt wird unter einer vorläufigen
Bearbeitungsbedingung ausgeführt, um eine Energiedichte zu
erhalten, die sich von einer Energiedichte in einer
Hauptbearbeitungsbedingung für einen Schneidevorgang
unterscheidet. In einem Hauptbearbeitungsschritt wird der
Laserstrahl 1, als eine zweite Stufe, auf die nackte
Oberfläche 3d des Werkstücks 3a, um es zu schneiden, in einer
Energiedichte aufgestrahlt, die entsprechend der
Hauptbearbeitungsbedingung für den Laserstrahlschneidevorgang
geändert ist.
In der ersten Stufe einer Bearbeitung wird insbesondere die
vorläufige Bearbeitungsbedingung zur Entfernung der
galvanisierten Schicht 3b auf der Oberfläche des Werkstücks
3a vorbestimmt, wodurch es unter Verwendung eines
Bearbeitungsprogramms unter einer Bedingung bearbeitet wird,
so daß der Laserstrahl 1 veranlaßt wird, eine gewünschte
Kontur eines letztlich bearbeiteten Produkts zu verfolgen. In
der zweiten Stufe einer Bearbeitung wird der Laserstrahl 1 an
eine anfängliche Bearbeitungsposition des
Bearbeitungsprogramms zurückgeführt. Dann wird eine
vorbestimmte Hauptbearbeitungsbedingung eingestellt, wodurch
das Werkstück 3a entlang einer Länge der nackten Oberfläche
3d geschnitten wird, die die gleiche Ortskurve wie die
Schneideortskurve ist. Bei dem Schneidevorgang wird kein
Zinkdampf oder Zinkrauch erzeugt, so daß eine Reinheit eines
Sauerstoffgases als ein Hilfsgas hoch gehalten wird und die
Bearbeitungsqualität verbessert ist.
Fig. 2 ist ein Erklärungsdiagramm, das einen Zusammenhang
zwischen einem Galvanisierungsbetrag M [g/m²] in der
galvanisierten Eisenschicht und einer zur Entfernung der
galvanisierten Schicht 3b an einem aufgestrahlten Teil
erforderliche Energiedichte E [J/cm²] des Laserstrahls 1
zeigt.
Die Energiedichte E wird durch die folgende Gleichung (1)
ausgedrückt, die einen Zusammenhang einer
Laserausgangsleistung P [W], einer
Bearbeitungsgeschwindigkeit V [cm/s] und einer
Bearbeitungsbreite L [cm] zeigt.
E = P/(V×L) . . . (1).
Ein mit schraffierten Linien bezeichnetes Gebiet in Fig. 2
zeigt eine Energiedichte E, die das Zink perfekt entfernen
kann. Vorzugsweise wird hinsichtlich des
Bearbeitungswirkungsgrades die vorläufige
Bearbeitungsbedingung so eingestellt, daß eine niedrigste
Energiedichte, vorausgesetzt sie kann das Zink entfernen, mit
einer hohen Bearbeitungsgeschwindigkeit entsprechend dem
Galvanisierungsbetrag M erzielt wird. Unter Bezugnahme auf
Fig. 2 wird eine durch die folgende Gleichung (2) gezeigte
Beziehung zwischen jedem Galvanisierungsbetrag M und der
niedrigsten Energiedichte E gebildet.
E = 74×lnM+130 . . . (2).
Fig. 3 ist ein Erklärungsdiagramm, welches einen
Zusammenhang zwischen einem metallischen
Beschichtungsmaterial mit einem Beschichtungsbetrag (M =
20g/m²) und einer zur Entfernung des Metalls erforderlichen
Energiedichte E [J/cm²] des Laserstrahls 1 zeigt.
Die vorläufige Bearbeitungsbedingung wird vorzugsweise so
eingestellt, daß eine durch schraffierte Linien in Fig. 3
angezeigte Energiedichte E mit einer höchsten
Bearbeitungsgeschwindigkeit entsprechend einem
Absorptionsfaktor des Laserstrahls 1 und einem Schmelzpunkt
für jedes Beschichtungsmaterial erzielt wird. Nach einem
experimentellen Ergebnis kann das Beschichtungsmaterial mit
einer niedrigeren Energiedichte E in der Reihenfolge einer
Zink-Aluminium-Legierung, einer Zink-Nickel-Legierung, einer
Eisen-Zink-Legierung und von Zink entfernt werden.
Beziehungen der folgenden Gleichungen (3) bis (6) werden
zwischen dem Beschichtungsbetrag dieser
Beschichtungsmaterialien und der zur ihrer Entfernung
erforderlichen Energiedichte E gebildet, wobei die
Energiedichte für die Zink-Aluminium-Legierung mit Ea, die
Energiedichte für die Zink-Nickel-Legierung mit En, die
Energiedichte für die Eisen-Zink-Legierung mit Ef und die
Energiedichte für das Zink mit E bezeichnet ist.
Ea = 80×lnM+260 . . . (3)
En = 78×lnm+241 . . . (4)
Ef = 76×lnm+222 . . . (5)
E = 74×lnm+130 . . . (6).
Die Energiedichte zur Entfernung der Beschichtungsmaterialien
wird in einem Speicher des Mikroprozessors, der die
erfindungsgemäße Laserstrahlbearbeitungseinrichtung bildet,
in der Form der voranstehenden Gleichungen (3) bis (6) in
Abhängigkeit von der Beschichtungsmenge und einer Eigenschaft
des Beschichtungsmaterials gespeichert. Ferner kann die
Ausgangsleistung aus der Gleichung (1) entsprechend einer
erforderlichen Bearbeitungsbreite und einer
Bearbeitungsgeschwindigkeit auf eine gewünschte
Ausgangsleistung eingestellt werden. Fig. 4 ist ein
Flußdiagramm, das einen Bearbeitungsprozeß dieser
Ausführungsform zeigt. Das Flußdiagramm spricht für sich
selbst und im Schritt S1 werden durch einen Benutzer
Parameter eingegeben und im Schritt S3 wird der geeignete
Ausgang auf Grundlage von mit einer Datenbasis im Schritt S2
ausgetauschten Daten berechnet. Eine vorläufige
Bearbeitungsbedingung wird im Schritt S4 eingestell- und
Beschichtungsmaterial wird im Schritt S5 entfernt. Nach einer
Entfernung wird der Strahl an einen Startpunkt im Schritt S6
zurückgeführt, die Hauptbearbeitungsbedingung wird im Schritt
S7 eingestellt und die Hauptbearbeitung beginnt im Schritt S8
und endet am Schritt S9. Dieser Prozeß kann durch eine
Vielzahl von codierten Befehlen in dem Bearbeitungsprogramm
automatisch ausgeführt werden.
Fig. 5 ist eine schematische Ansicht, die einen Gesamtaufbau
eines Laserstrahlbearbeitungsverfahrens und einer
Laserstrahlbearbeitungseinrichtung zeigt, die für das
Verfahren gemäß der ersten bis achten Ausführungsformen der
Erfindung verwendet wird.
Eine Laserstrahlmaschine 100 in der Figur besteht grundlegend
aus einem Laseroszillator 10, in den ein (nicht
dargestellter) Resonator eingebaut ist, einer
Energieversorgungstafel 11, einer Kühleinheit 12, einem
Bearbeitungskopf 7 und einer Steuereinheit 20, die aus einer
wohlbekannten CPU, einem ROM, einem RAM und dergleichen
gebildet ist, während sie eine Datenbank 21 für einen
Beschichtungsmaterial-Entfernungsteil aufweist. Ein
Laserstrahl 1 wird von dem Laseroszillator 10 ausgestrahlt
und über einen Ablenkungsspiegel Mb an den Bearbeitungskopf 7
geleitet. Der an den Bearbeitungskopf 7 geleitete Laserstrahl
wird durch eine Linse 2 fokussiert, die in den Kopf 7
eingebaut ist. Der fokussierte Laserstrahl 1 wird von einer
Düse 8, die sich an einem führenden Ende des Kopfs
befindet, auf eine Oberfläche eines Werkstücks 3a gestrahlt,
das auf einem Bearbeitungstisch befestigt ist.
Dabei wird eine Energiedichte des Laserstrahls 1 in dem Teil
20a der Steuereinheit 20 zur Berechnung eines geeigneten
Ausgangs unter Verwendung der Datenbank 21 für den
Beschichtungsmaterial-Entfernungsteil berechnet und an den
Bearbeitungsbedingungs-Einstellteil 20b ausgegeben, wie in
Fig. 5 gezeigt, und zwar auf Grundlage von Daten wie
beispielsweise einer Bearbeitungsbreite, einer
Bearbeitungsgeschwindigkeit, einer Art eines
Beschichtungsmaterials einer Beschichtung und entsprechend
einem in Fig. 4 gezeigten Betriebsprozeß. Ausgangsdaten von
dem Bearbeitungsbedingungs-Einstellteil 20b werden durch den
Bearbeitungsbefehlsausgangsteil 20f ausgegeben. Ausgangsdaten
von dem Startbefehlsteil 20c zur Entfernung von
Beschichtungsmaterial und dem Rückführungsbefehlsteil 20d
werden durch den Bearbeitungsbefehlsausgangsteil 20f
ausgegeben. Eine Hauptbearbeitungsbedingung nach Entfernung
des Beschichtungsmaterials wird in dem
Hauptbearbeitungsbedingungs-Einstellteil 20e eingestellt und
durch den Bearbeitungsbefehlsausgangsteil 20f ausgegeben. Eine
Bearbeitungsbedingung oder ein Betrieb des Laseroszillators
10 oder des Bearbeitungstisches 5 wird auf Grundlage der
Ausgangsdaten von dem Bearbeitungsbefehls-Ausgangsteil 20f
gesteuert.
Fig. 6 ist ein Erklärungsdiagramm, das einen prozentualen
Anteil von Defekten [%] einer Schneideoberfläche zu einer
Galvanisierungsmenge [g/m²] zeigt, während der Wert der
vorliegenden Ausführungsform mit demjenigen eines verwandten
Standes der Technik verglichen wird. Hierbei werden Daten als
"herkömmlich" bezeichnet, die durch Schneiden eines 16 mm
dicken Weichstahlmaterials mit einer darauf zurückgelassenen
Galvanisierungsschicht erhalten werden und Daten werden mit
"bevorzugte Ausführungsform der Erfindung" oder mit
"vorliegende Ausführungsform" bezeichnet, die durch Schneiden
des 16 mm dicken Weichstahlmaterials erhalten werden, von dem
die Galvanisierungsschicht entfernt wurde.
Für den Bearbeitungsvorgang einer Entfernung der Beschichtung
in der Ausführungsform wurde eine Bedingung aus der Gleichung
(2) so gewählt, daß eine Bearbeitungsbreite von 5 mm und eine
Geschwindigkeit von 2000 mm/min möglich waren. Für alle
Schneidevorgänge der Ausführungsform und im herkömmlichen
Stand der Technik wurden Bedingungen eingestellt, so daß sie
eine Ausgangsleistung von 2200 W und eine
Bearbeitungsgeschwindigkeit von 800 mm/min aufweisen, während
Sauerstoff (O₂) als ein Hilfsgas verwendet wurde und sein
Gasdruck auf 0,6 kg/cm² eingestellt war.
Bei den herkömmlichen Verfahren stieg der Anteil von Defekten
im wesentlichen proportional zu dem Galvanisierungsbetrag
(der Dicke der galvanisierten Schicht) an. In der
vorliegenden Ausführungsform ist der Anteil von Defekten
ungefähr 2% zu jeder Galvanisierungsmenge.
Mit dem Verfahren und der Einrichtung der vorliegenden
Erfindung ist die Qualität des geschnittenen Werkstücks 3a
sehr gut und zufriedenstellend.
Während die vorliegende Ausführungsform unter Bezugnahme auf
eine galvanisierte Beschichtung beschrieben wird, ist die
Erfindung auf irgendwelche Beschichtungsmaterialien anwendbar
und die gleichen vorteilhaften Wirkungen werden erzielt, wenn
sie einen niedrigeren Schmelzpunkt als der eines Basismetalls
aufweist.
Zweite Ausführungsform
Fig. 7 ist eine Querschnittsansicht, die einen
Schmelztropfen zeigt, der bei einem Schweißvorgang nach
Entfernung einer galvanisierten Schicht unter Verwendung
einer zweiten Ausführungsform des
Laserstrahlbearbeitungsverfahrens und der Einrichtung der
Erfindung erhalten wird. Ein Gesamtaufbau einer
Laserstrahlmaschine dieser Ausführungsform ist der gleiche
wie in der ersten Ausführungsform aus Fig. 5 und seine
Beschreibung erübrigt sich.
Die zweite Ausführungsform betrifft eine
Laserstrahlschweißung, während die erste Ausführungsform sich
auf ein Laserstrahlstrahlschneiden bezieht. Eine ähnliche
Einrichtung wie die der ersten Ausführungsform wird zur
Ausführung des Verfahrens dieser Ausführungsform verwendet,
obwohl ein Bearbeitungsprogramm für einen gewünschten
Schweißvorgang in geeigneter Weise geändert wird.
Die zweite Ausführungsform besitzt einen vorläufigen
Bearbeitungsschritt als eine erste Stufe und der vorläufige
Bearbeitungsschritt ist der gleiche wie derjenige der ersten
Ausführungsform und seine ausführliche Beschreibung wird zur
Vermeidung von Überflüssigkeiten weggelassen. Dann wird in
einem Hauptbearbeitungsschritt als eine zweite Stufe der
Laserstrahl 1 auf eine nackte Oberfläche des Werkstücks 3a
gestrahlt, die durch Entfernung der galvanisierten Schicht 3b
in dem vorläufigen Bearbeitungsschritt erhalten wird und ein
Tropfen 3e wird in dem Werkstück 3a bereitgestellt, um es zu
schweißen. Dabei wird eine Energiedichte gemäß der
Hauptbearbeitungsbedingung für das Laserstrahlschweißen
geändert.
In der vorliegenden Ausführungsform wird SECC mit einer
Plattendicke von 2 mm und eine Galvanisierungsmenge von 50 g/m²
für ein Werkstück 3a gewählt. Für den Arbeitsvorgang einer
Entfernung der Beschichtung wird aus der Gleichung 2) eine
Bedingung so gewählt, daß eine Bearbeitungsbreite von 5 mm und
eine Geschwindigkeit von 2000 mm/min möglich sind. Für den
Schweißvorgang wird eine Bearbeitungsbedingung eingestellt,
so daß sie eine Ausgangsleistung von 1200 W und eine
Bearbeitungsgeschwindigkeit von 2500 mm/min umfaßt, während
Argon (Ar) als ein Hilfsgas verwendet wird und seine
Gasflußrate auf 20 l/min eingestellt ist.
In der vorliegenden Ausführungsform werden keine
Gaseinschlüsse in dem Schweißtropfen 3e erzeugt.
Fig. 8 ist ein Erklärungsdiagramm, das eine
Gaseinschlußbelegungsrate [%] zu einer Galvanisierungsmenge
[g/m²] als ein Parameter zeigt. Fig. 8 zeigt Ergebnisse, die
bei der Durchführung eines Schweißvorgangs mit einem Tropfen
auf einer 3 mm dicken galvanisierten Eisenschicht als eine
Platte durch den Laserstrahl 1 mit einer Ausgangsleistung von
1800 W und einer Geschwindigkeit von 1500 mm/min erhalten
werden. Die Gaseinschlußbelegungsrate ist ein Verhältnis
einer Querschnittsfläche von Gaseinschlußlöchern zu einer
Querschnittsfläche des Tropfens 3e. Die Daten, die bei dem
Schweißen des Werkstücks von über der galvanisierten Schicht
erhalten werden, werden als "Stand der Technik" bezeichnet
und Daten, die beim Schweißen des Werkstücks nach der
Entfernung der galvanisierten Schicht erhalten werden, werden
als "bevorzugte Vorgehensweise der Erfindung" oder "die
vorliegende Ausführungsform" bezeichnet. Für den
Arbeitsvorgang einer Entfernung der Beschichtung in der
Ausführungsform wurde eine Bedingung aus der Gleichung (2) so
gewählt, daß eine Bearbeitungsbreite von 5 mm und eine
Geschwindigkeit von 2000 mm/min möglich waren.
Mit dem Verfahren und der Einrichtung der vorliegenden
Ausführungsform ist die Qualität des geschweißten Werkstücks
3a sehr gut und zufriedenstellend.
Ferner nimmt bei dem Schweißvorgang nach einer Entfernung der
galvanisierten Schicht 3b in der vorliegenden Ausführungsform
die Erzeugung von Gaseinschlüssen zu einem großen Ausmaß ab
und eine gute Schweißung wird sichergestellt. Während die
vorliegende Ausführungsform in bezug auf eine galvanisierte
Beschichtung beschrieben wird, ist die Erfindung wie in der
ersten Ausführungsform auf irgendwelche
Beschichtungsmaterialien anwendbar und die gleichen
vorteilhaften Wirkungen werden erzielt, solange sie einen
niedrigeren Schmelzpunkt als der eines Basismaterials
aufweist.
Auch in der vorliegenden Ausführungsform wird eine
Energiedichte zur Entfernung der Beschichtungsmaterialien in
einem Speicher des Mikroprozessors, der die erfindungsgemäße
Laserstrahlbearbeitungseinrichtung bildet, in der Form der
voranstehenden Gleichungen (3) bis (6) entsprechend der
Beschichtungsmenge und einer Eigenschaft des
Beschichtungsmaterials gespeichert. Ferner kann die
Ausgangsleistung aus der Gleichung (1) entsprechend einer
erforderlichen Bearbeitungsbreite und einer
Bearbeitungsgeschwindigkeit auf eine gewünschte
Ausgangsleistung eingestellt werden. Fig. 4 ist ein
Flußdiagramm, welches auf den Bearbeitungsprozeß dieser
Ausführungsform anwendbar ist. Dieser Prozeß kann durch eine
Vielzahl von codierten Befehlen in dem Bearbeitungsprogramm
automatisch ausgeführt werden.
Dritte Ausführungsform
Fig. 9 ist eine Querschnittsansicht, die ein geschnittenes
Werkstück zeigt, das einen als Walzsinter oder Grus
bezeichneten ungleichförmigen Oxidfilm darauf aufweist, der
durch eine dritte Ausführungsform des
Laserstrahlbearbeitungsverfahrens und der Einrichtung der
Erfindung behandelt werden soll. Ein Gesamtaufbau einer
Laserstrahlmaschine in dieser Ausführungsform ist der gleiche
wie bei der ersten Ausführungsform, die in der schematischen
Ansicht aus Fig. 5 gezeigt ist und eine Beschreibung dieses
Aufbaus erübrigt sich.
Die dritte Ausführungsform betrifft einen
Laserstrahlschneidevorgang wie die erste Ausführungsform,
während sie ein Werkstück 3a mit einem Oxidfilm 3g oder dem
Walzsinter behandelt, der beim Walzen auf seiner Oberfläche
gebildet wird. Eine ähnliche Einrichtung wie die der ersten
Ausführungsform wird zur Ausführung auch des Verfahrens
dieser Ausführungsform verwendet, obwohl ein
Bearbeitungsprogramm für einen gewünschten Walzsinter-
Entfernungsbearbeitungsvorgang in geeigneter Weise verändert
wird.
Die dritte Ausführungsform verwendet einen vorläufigen oder
anfänglichen Bearbeitungsschritt als eine erste Stufe zur
Behandlung des Walzsinters, obwohl der vorläufige
Bearbeitungsschritt ähnlich wie der der ersten
Ausführungsform ist, außer daß er den Walzsinter behandelt.
Der Oxidfilm 3g wird nämlich in dem vorläufigen Schritt für
den folgenden Hauptschritt entfernt, in der gleichen Weise
wie die galvanisierte Schicht in der ersten Ausführungsform
entfernt wird. Dann wird in einem Hauptbearbeitungsschritt
als eine zweite Stufe der Laserstrahl 1 auf eine saubere
Oberfläche des Werkstücks 3a gestrahlt, die durch Entfernung
des Walzsinters in dem vorläufigen Bearbeitungsschritt
erhalten wird, um es zu schneiden. Der
Hauptbearbeitungsschritt ist der gleiche wie derjenige der
ersten Ausführungsform und eine ausführliche Beschreibung
davon wird zur Vermeidung von Überflüssigkeiten weggelassen.
Unter Bezugnahme auf Fig. 9 weist eine Dicke des Oxidfilms
3g auf dem Werkstück 3a einen Einfluß auf einen
Absorptionsfaktor des Laserstrahls 1 auf. Selbst wenn die
Dicke des Oxidfilms 1 ungleichmäßig ist, ist es allgemein
unmöglich, das Werkstück 3a zu bearbeiten, während eine
derartige Verteilung der Dicke erkannt und eine
Bearbeitungsbedingung dementsprechend gesteuert wird. Selbst
in einem derartigen Fall wird nämlich der Schneide- oder
Schweißvorgang unter der gleichen Bearbeitungsbedingung
durchgeführt, so daß die Qualität des bearbeiteten Werkstücks
entsprechend dem Absorptionsfaktor des Laserstrahls 1
ungleichförmig ist. Selbst im Fall einer Bearbeitung eines
Werkstücks, das einen darauf gebildeten dicken gleichmäßigen
Oxidfilm aufweist, wird der Oxidfilm häufig bei der
Bearbeitung abgelöst, so daß die Qualität des bearbeiteten
Werkstücks ungleichmäßig und verschlechtert wird. Ferner
ergibt sich auch bei der Bearbeitung eines Werkstücks mit
darauf gebildetem Rost eine Ungleichförmigkeit des
bearbeiteten Werkstücks.
Fig. 10 ist ein Erklärungsdiagramm, das einen Zusammenhang
einer Dicke eines Oxidfilms [µm] und einer
Schneideoberflächenrauhigkeit Rmax [µm] nach einer
Bearbeitung in bezug auf ein 12 mm dickes Weichstahlmaterial
(SS400) zeigt. Hier werden Daten, die beim Schneiden des
Werkstücks ohne eine Entfernung des Oxidfilms erhalten
werden, als "Stand der Technik" bezeichnet und Daten, die
beim Schneiden des Werkstücks nach einer Entfernung des
Oxidfilms erhalten werden, werden als "bevorzugte
Vorgehensweise der Erfindung" oder "die vorliegende
Ausführungsform" bezeichnet. Eine Bearbeitungsbedingung wurde
eingestellt, so daß sie eine Ausgangsleistung von 1500 W und
eine Schneidegeschwindigkeit von 1000 mm/min aufweist und das
Werkstück wurde unter der gleichen Bedingung im Stand der
Technik und der vorliegenden Ausführungsform geschnitten.
Je dicker der Oxidfilm ist, desto größer ist allgemein der
Absorptionsfaktor des Laserstrahls und desto rauher wird die
Schneideoberfläche. Allerdings weist die vorliegende
Ausführungsform vorteilhafte Ergebnisse darin auf, daß der
Absorptionsfaktor des Laserstrahls 1 gleichmäßig ist und die
Qualität der Schneideoberfläche immer gut und
zufriedenstellend ist.
Vierte Ausführungsform
Fig. 11(b) ist ein Erklärungsdiagramm, das eine Theorie
einer vierten Ausführungsform eines
Laserverarbeitungsverfahrens und einer Einrichtung der
Erfindung beim Schneiden eines geneigten Werkstücks zeigt.
Fig. 11(a) ist ein Erklärungsdiagramm, das eine Theorie
eines herkömmlichen Laserverarbeitungsverfahrens und einer
Einrichtung beim Schneiden eines geneigten Werkstücks zeigt.
In Fig. 11(a) zeigen die Pfeile einen Gasfluß, wenn ein
Hilfsgas von einer Düse 8 auf ein Werkstück 3a mit einer
darauf gebildeten Schneiderille oder Schneideausnehmung 3h
gespritzt wird. In Fig. 11(a) zeigen die Pfeile den Gasfluß,
wenn ein Hilfsgas von einer Düse 8 auf ein Werkstück ohne
eine darauf gebildete Schneiderille gespritzt wird. Ein
Gesamtaufbau einer Laserstrahlmaschine in dieser
Ausführungsform ist der gleiche wie bei der ersten
Ausführungsform, die in der schematischen Ansicht aus Fig. 5
gezeigt ist und eine Beschreibung davon erübrigt sich.
Die vierte Ausführungsform betrifft einen
Laserstrahlschneidevorgang wie bei der ersten
Ausführungsform, während sie ein Werkstück 3a zur Bildung
einer Schneiderille vorbehandelt. Eine ähnliche Einrichtung
wie die der ersten Ausführungsform wird zur Ausführung des
Verfahrens dieser Ausführungsform verwendet, obwohl ein
Bearbeitungsprogramm für einen gewünschten Schneiderillen-
Herstellungsbearbeitungsvorgang und einen Nachschneide-
Bearbeitungsvorgang in geeigneter Weise geändert wird.
Die vierte Ausführungsform verwendet einen anfänglichen oder
vorläufigen Bearbeitungsschritt als eine erste Stufe zur
Vorbehandlung des Werkstücks 3a zur Bildung der Schneiderille
3h anstelle eines Entfernungsbearbeitungsvorgangs der
galvanisierten Schicht entlang einer vorgegebenen Ortskurve
in der ersten Ausführungsform. Es wird nämlich die
Schneiderille 3a vorher in dem anfänglichen Schritt für den
folgenden Hauptschritt gebildet. Dann wird in dem
Hauptbearbeitungsschritt als eine zweite Stufe der
Laserstrahl 1 auf die Schneiderille des Werkstücks a
gestrahlt, um es zu schneiden, während ein Hilfsgas ebenfalls
auf die Schneiderille injiziert wird.
Wie voranstehend erwähnt, ist die vierte Ausführungsform zur
Behandlung des geneigten Werkstücks 3a zur Verbesserung
seines Schneidevorgangs vorgesehen. Insbesondere ist bei dem
Stand der Technik der Fig. 11(a) die Richtung des Gasflusses
fest und entlang der Ebene des geneigten Werkstücks 3a
geneigt, so daß kein Moment erwartet werden kann, um einen
geschmolzenen Teil 3k herunterzudrücken, der durch die
Ausstrahlung des Laserstrahls 1 geschmolzen wird. Da in
dieser Ausführungsform aus Fig. 11(b) im Gegensatz dazu das
Schneiden durchgeführt wird, nachdem eine Schneiderille 3h
auf der Oberfläche des Werkstücks 3a gebildet worden ist,
dient die Schneiderille 3h als eine Düse zur Orientierung des
Flusses des Hilfsgases und weist die Funktion auf, den
geschmolzenen Teil 3k des Werkstücks 3a herunterzudrücken, um
dadurch die Schneidefähigkeit beträchtlich zu verbessern.
Fig. 12 ist ein Erklärungsdiagramm, das einen Zusammenhang
eines Neigungswinkels 0 [Grad] relativ zu einer horizontalen
Richtung und einen prozentualen Anteil von Defekten [%] beim
Schneiden eines 12 mm dicken Weichstahlmaterials (SS400)
zeigt. Hierbei werden Daten, die beim Schneiden des
Werkstücks ohne die Schneiderille 3h ermittelt werden als
"Stand der Technik" bezeichnet und Daten, die beim Schneiden
des Werkstücks nach der Bildung der Schneiderille 3h erhalten
werden, werden als "bevorzugte Vorgehensweise der Erfindung"
oder "die vorliegende Erfindung" bezeichnet. Eine
Schneidebedingung war auf eine Ausgangsleistung von 1500 W und
eine Schneidegeschwindigkeit von 1000 mm/min eingestellt und
das Werkstück wurde unter der gleichen Bedingung beim Stand
der Technik und der vorliegenden Ausführungsform geschnitten.
Je größer der Neigungswinkel ist, desto unterschiedlicher ist
der Anteil von Defekten in der vorliegenden Ausführungsform
und dem Stand der Technik. Insbesondere verbessert die
vorliegende Erfindung den Anteil von Defekten bei einer
Bearbeitung des geneigten Werkstücks 3a auf ein großes
Ausmaß.
Mit dem Verfahren und der Einrichtung der vorliegenden
Ausführungsform wird die Qualität des geschnittenen
Werkstücks 3a sehr gut und zufriedenstellend.
Während die vorliegende Ausführungsform den
Bearbeitungsvorgang während einer Neigung des Werkstücks 3a
zeigt, können die gleichen vorteilhaften Wirkungen im Fall
einer Neigung der Laserstrahlrichtung relativ zu der
Werkstückoberfläche erzielt werden.
Fünfte Ausführungsform
In einer fünften Ausführungsform wird in einem vorläufigen
oder anfänglichen Bearbeitungsschritt als eine erste Stufe
der Laserstrahl 1 in eine hohe Energiedichte fokussiert und
auf eine letzte Bearbeitungsortskurve (oder
Endbearbeitungskurve) gesteuert, die die gleiche wie eine
Hauptbearbeitungsortskurve ist, um dadurch die Oberfläche des
Werkstücks 3a vorher zu oxidieren. Der anfängliche Schritt
wird unter einer vorläufigen Bearbeitungsbedingung eines
sauerstoffgasenthaltenden Hilfsgases zur Oxidation der
Oberfläche des Werkstücks 3a durchgeführt, die sich von einer
Hauptbearbeitungsbedingung für einen Scheidevorgang
unterscheidet. Bei einem Hauptbearbeitungsschritt als eine
zweite Stufe wird der Laserstrahl auf die vorbehandelte
Oberfläche des Werkstücks 3a, um es zu schneiden, mit einer
Energiedichte gestrahlt, die entsprechend der
Hauptbearbeitungsbedingung für den Laserstrahlschneidevorgang
geändert ist.
Fig. 13 ist ein Erklärungsdiagramm, das eine Beziehung einer
Bearbeitungsgeschwindigkeit [m/min] und einer
Eindringungstiefe [mm] beim Schweißen einer
Aluminiumlegierung (A5052) zeigt, während eine fünfte
Ausführungsform eines Laserstrahlverarbeitungsverfahrens und
einer Einrichtung der Erfindung mit dem Stand der Technik
verglichen wird. Ein Gesamtaufbau einer Laserstrahlmaschine
in dieser Ausführungsform ist der gleiche wie bei der in der
schematischen Ansicht aus Fig. 5 gezeigten ersten
Ausführungsform und eine Beschreibung davon erübrigt sich.
Die fünfte Ausführungsform führt das Schweißen nach einer
vorherigen Oxidation einer Oberfläche der Legierung unter
Verwendung von Sauerstoff oder einem sauerstoffenthaltendem
Mischgas durch, während der Stand der Technik keine derartige
Vorbehandlung aufweist. Für den Oxidationsvorgang wird eine
Bearbeitungsbedingung so eingestellt, daß sie eine
Ausgangsleistung von 2000 W und eine
Bearbeitungsgeschwindigkeit von 3000 mm/min aufweist, während
Sauerstoff (O₂) als ein Hilfsgas verwendet und sein Gasdruck
auf 2 kg/cm² eingestellt ist. Für den Schweißvorgang wird eine
Bearbeitungsbedingung auf eine Ausgangsleistung von 4000 W
eingestellt, während Argon (Ar) als ein Hilfsgas verwendet
wird und die Gasflußrate davon auf 20 l/min eingestellt wird.
Wenn die Oberfläche der Aluminiumlegierung nicht oxidiert
ist, ist der Absorptionsfaktor des Laserstrahls 1 nicht mehr
als 5%. Bei einer Oxidierung wird der Absorptionsfaktor
zweimal oder dreimal so groß. Dies bedeutet, daß eine
Schweißfähigkeit um ein großes Ausmaß ansteigt, indem die
Oberfläche des Werkstücks in der vorliegenden Ausführungsform
oxidiert wird.
Mit dem Verfahren und der Einrichtung der vorliegenden
Ausführungsform ist die Qualität des geschweißten Werkstücks
3a sehr gut und zufriedenstellend.
Während die vorliegende Ausführungsform die
Aluminiumlegierung behandelt, ist sie auch auf irgendwelche
anderen Materialien mit einem hohen Reflexionsvermögen, z. B.
Aluminium, Kupfer, eine Kupferlegierung etc. anwendbar und
kann die Qualität verbessern.
Sechste Ausführungsform
Fig. 15 ist ein Erklärungsdiagramm, das einen Rillen- oder
Aussparungsherstellungsvorgang durch eine geneigte Düse in
einer sechsten Ausführungsform des
Laserstrahlbearbeitungsverfahrens und der Einrichtung der
Erfindung zeigt. Fig. 14 ist ein Erklärungsdiagramm, das
einen Rillenzustand zeigt, wenn der Laserstrahl 1
aufgestrahlt und ein Hilfsgas vertikal auf eine Oberfläche
eines Werkstücks 3a bei einer Doppelschneidetechnik des
Standes der Technik eingespritzt wird. Ein Gesamtaufbau einer
Laserstrahlmaschine in dieser Ausführungsform ist der gleiche
wie bei der in der schematischen Ansicht aus Fig. 5
gezeigten ersten Ausführungsform und eine Beschreibung davon
erübrigt sich.
Beim Laserschneiden wird ein geschmolzener Teil 3k durch die
Laserstrahlaufstrahlung und die Einspritzung des Hilfsgases
nach oben geblasen, so daß das geschmolzene Metall an der
Düse 8 anhaftet. Infolgedessen wird der Fluß des Hilfsgases
gestört und eine fehlerhafte Bearbeitung wird verursacht.
Deshalb wird bei der Laserstrahlbearbeitung des Standes der
Technik das geschmolzene Metall von einem unteren Teil des
Werkstücks ausgeworfen, um dadurch eine stabile Bearbeitung
fortzusetzen.
Im Gegensatz dazu ist in der vorliegenden Ausführungsform und
wie in Fig. 15 gezeigt, die Düse 8 zu dem Werkstück 3a
geneigt, um so das heraufgeblasene Metall in eine Richtung zu
spritzen, so daß es nicht an der Düse 8 anhaftet. Während in
der vorliegenden Ausführungsform die Düse 8 relativ zu dem
Laserstrahl 1 geneigt ist, so daß der geschmolzene Teil 3k
nicht an der Düse 8 beim Ausspritzen des geschmolzenen Teils
3k während der Durchführung des Rillenbildungsvorgangs
anhaftet, kann ein Aufbau verwendet werden, bei dem eine
zweite Düse an der Seite der Düse 8 vorgesehen ist, um Gas
auf die Düse 8 zu blasen, um den geschmolzenen Teil 3k
wegzublasen und auszuwerfen.
Fig. 16 ist ein Erklärungsdiagramm, das einen
Bearbeitungszustand zeigt, in dem eine Aussparung oder Rille
vorher auf einem Werkstück entlang einer Schneideortskurve
gebildet ist und das Werkstück danach geschnitten wird, beim
Schneiden einer dicken Platte unter Verwendung der
vorliegenden Ausführungsform eines
Laserstrahlbearbeitungsverfahrens und einer Einrichtung.
In diesem Fall ist eine Plattendicke des Werkstücks 3a T und
eine Rillentiefe ist t, so daß eine tatsächliche
Schneidedicke (T-t) ist, wodurch ein stabiler Schneidevorgang
erleichtert wird.
In Fig. 16 zeigt das Bezugszeichen 3i eine durch einen Laser
vor einem Schneiden des Werkstücks 3a hergestellte Aussparung
oder Rille. Bei der Bearbeitung der Rille 3i ist es
erforderlich, die Rillenbildungsvorgänge in einem kurzen
Abstand zu wiederholen, um die gesamte Aussparung 3f
vorzubereiten, oder den Bearbeitungsgasdruck höher als
denjenigen bei der Schneidebedingung einzustellen und die
geschmolzene Substanz mit hoher Geschwindigkeit auszublasen,
oder den Laserstrahl 1 und das Hilfsgas in einer derartigen
Richtung zu strahlen und auszuspritzen, in der die
geschmolzene Substanz von der Werkstückoberfläche nicht
direkt an der Düse anhaftet, wodurch verhindert wird, daß die
geschmolzene Substanz an der Düse bei dem
Rillenbildungsvorgang anhaftet.
Fig. 17 ist ein Erklärungsdiagramm, das eine Beziehung
zwischen einer Rillentiefe [mm] und einem Anteil von Defekten
[%] beim Schneiden von Weichstahlmaterialien mit
unterschiedlichen Dicken (T = 12 mm, T = 19 mm und T = 25 mm)
zeigt.
Je kleiner die Dicke ist, desto geringer ist der Anteil von
Defekten. Je größer allerdings bei jeder Dicke des Materials
die Rillentiefe t ist, desto geringer ist der Anteil von
Defekten, da das Hilfsgas stabil wird. Jeder Arbeitsvorgang
wurde durchgeführt, während die Düse einen Neigungswinkel von
θ = 30 bei dem Rillenbildungsvorgang aufwies. Eine
Bearbeitungsbedingung bei dem Rillenbildungsvorgang war wie
folgt unter einer Pulsbedingung eingestellt: Eine
Ausgangsleistung von 1000 W, eine Bearbeitungsgeschwindigkeit
von 1,5 m/min und ein Gasdruck von 3 kg/cm², wenn die
Rillentiefe t 2 mm ist; eine Ausgangsleistung von 1500 W, eine
Bearbeitungsgeschwindigkeit von 1,2 m/min und ein Gasdruck von
3 kg/cm², wenn die Rillentiefe t 3 mm ist; eine
Ausgangsleistung von 2000 W, eine Bearbeitungsgeschwindigkeit
von 1,0 m/min und ein Gasdruck von 3 kg/cm², wenn die
Rillentiefe t 4 mm ist; eine Ausgangsleistung von 2200 W, eine
Bearbeitungsgeschwindigkeit von 1,0 m/min und ein Gasdruck von
3 kg/cm², wenn die Rillentiefe t 4 mm ist; und eine
Ausgangsleistung von 2400 W, eine Bearbeitungsgeschwindigkeit
von 0,8 m/min und ein Gasdruck von 3 kg/cm², wenn die
Rillentiefe t 5 mm ist.
Wie voranstehend erwähnt besitzt die sechste Ausführungsform
die gleichen ersten und zweiten Schritte wie die erste
Ausführungsform und neigt die Richtungen der
Laserstrahlaufstrahlung und der Hilfsgaseinspritzung relativ
zu einer bearbeiteten Oberfläche des Werkstücks 3a in einem
vorläufigen Bearbeitungsschritt. Bei dem
Hauptbearbeitungsschritt werden die Richtungen der
Laserstrahlaufstrahlung und der Hilfsgaseinspritzung relativ
zu der bearbeiteten Oberfläche des Werkstücks 3a senkrecht
eingestellt.
Mit dem Verfahren und der Einrichtung der vorliegenden
Ausführungsform ist die Qualität des geschnittenen Werkstücks
3a sehr gut und zufriedenstellend.
Siebte Ausführungsform
Fig. 18 ist ein Erklärungsdiagramm, das einen
Bearbeitungszustand bei einem Schneidevorgang unter
Verwendung einer siebten Ausführungsform eines
Laserstrahlbearbeitungsverfahrens und einer Einrichtung der
Erfindung zeigt, bei dem eine Schneideortskurve eines
Werkstücks zur Neugestaltung einer
Schneideoberflächenrauhigkeit davon geschmolzen und das
Werkstück danach geschnitten wird, beim Schneiden des
Werkstücks mit der durch eine mechanische Bearbeitung oder
dergleichen mit geringer Genauigkeit bearbeiteten Oberfläche.
Ein Gesamtaufbau einer Laserstrahlmaschine in dieser
Ausführungsform ist der gleiche wie bei der in der
schematischen Ansicht aus Fig. 5 gezeigten ersten
Ausführungsform und eine Beschreibung davon erübrigt sich.
Fig. 18 zeigt eine geschmolzene Oberfläche 3j vor einem
Schneidevorgang. Bei der Bearbeitung der geschmolzenen
Oberfläche 3j ist es erforderlich, eine Bedingung mit
geringer Ausgangsleistung zu verwenden, um eine
Brennpunktposition in eine defokussierte Position
einzustellen oder als ein Hilfsgas ein solches Gas zu
verwenden, das eine Oxidation beschränkt.
Fig. 19 ist ein Erklärungsdiagramm, das einen Zusammenhang
einer Werkstückoberflächenrauhigkeit Rmax und einem Anteil
von Defekten [%] beim Schneiden von Weichstahlmaterialien mit
unterschiedlichen Dicken (T = 12 mm und T = 19 mm) zeigt.
Je kleiner die Plattendicke ist, desto geringer ist der
Anteil von Defekten und bei jeder Plattendicke ist die
Werkstückoberflächenrauhigkeit Rmax größer, je größer der
Anteil von Defekten wird. Die Oberflächenrauhigkeit im Fall
eines vorhergehenden Schmelzens der Schneideortskurve zur
Neugestaltung der Schneideoberflächenrauhigkeit ist ungefähr
9 µm (Rmax), wie mit W in Fig. 19 gezeigt. Der Anteil von
Defekten ist ungefähr 5% in Hinsicht auf eine Dicke (T =
12 mm) und ungefähr 9% in Hinsicht auf die Dicke (T = 19 mm)
Die Bedingung zur Herstellung einer gleichmäßigen
Werkstückoberflächenrauhigkeit Rmax hängt von einer Größe der
Oberflächenrauhigkeit ab, aber gute Ergebnisse wurden unter
den folgenden Bedingungen erzielt.
Bei Rmax < 50 µm war eine Ausgangsleistung 300 W, eine
Bearbeitungsgeschwindigkeit 2000 mm/min und ein Gasdruck
0,1 kg/cm². Bei 50 µm Rmax 150 µm war eine Ausgangsleistung
450 W, eine Bearbeitungsgeschwindigkeit 2000 mm/min und ein
Gasdruck 0,1 kg/cm². Bei 150 µm Rmax 300 µm war eine
Ausgangsleistung 600 W, eine Bearbeitungsgeschwindigkeit
2000 mm/min und ein Gasdruck 0,1 kg/cm².
Wie voranstehend erwähnt, weist die vorliegende
Ausführungsform die gleichen ersten und zweiten Schritte wie
die erste Ausführungsform auf und verwendet ferner den ersten
Schritt, um vorher die Oberflächenrauhigkeit, die nicht
gleichmäßig ist, durch Aufstrahlen des Laserstrahls entlang
der Schneideortskurve gleichmäßig zu machen.
Mit dem Verfahren und der Einrichtung der vorliegenden
Ausführungsform ist die Qualität des geschnittenen Werkstücks
3a sehr gut und zufriedenstellend.
Während die vorliegende Ausführungsform auf einen Fall
angewendet ist, bei dem eine Bearbeitung oder Vorbehandlung
parallel zu einer longitudinalen Richtung der
Werkstückoberflächenrauhigkeit oder Unregelmäßigkeit
durchgeführt wird, kann sie so ausgeführt werden, um das
Werkstück in einer die konkaven oder konvexen Teile
kreuzenden Richtung zu bearbeiten oder vorzubehandeln.
Achte Ausführungsform
Die Fig. 20(a) und 20(b) sind Erklärungsdiagramme, die
jeweils einen Zusammenhang eines Laserstrahlmodes und eines
Laserstrahlzustands gemäß einer achten Ausführungsform eines
Laserstrahlbearbeitungsverfahrens und einer Einrichtung der
Erfindung zeigt. Fig. 19(a) zeigt einen Monomode, dessen
Strahlfokussierungsverhalten hervorragend und am meisten
bevorzugt ist. Fig. 19(b) zeigt einen Laserstrahlmode, bei
dem eine Energiedichte an einem laserstrahlbestrahlten Teil
gleichmäßig ist.
Wenn der Laserstrahl 1 in den Zustand der in Fig. 20(a)
gezeigten Energiedichte defokussiert wird, um ein
Beschichtungsmaterial auf einem Werkstück zu entfernen, wird
manchmal eine Oberflächenschmelzung an einem Mittelteil des
Werkstücks verursacht, der einen Strahl mit hoher Dichte
empfängt. Angesichts der voranstehenden Beschreibung
behandelt die vorliegende Ausführungsform die Oberfläche des
Werkstücks, um vorher die Oberflächensubstanz
(Beschichtungsmaterial, Oxidfilm oder Rost) in dem
Laserstrahlmodus aus Fig. 20(b) zu entfernen. Bei der
Hauptbearbeitung oder dem Schneidevorgang wird der Mode aus
dem Mode von Fig. 20(b) auf den Monomode aus Fig. 20(a)
umgeschaltet.
Allgemein werden die Laserstrahlmoden entsprechend der
Öffnungsradien in einem Laseroszillator geschaltet. Eine
derartige Modenänderung kann automatisch durch eine
Information von einer (nicht dargestellten) Steuereinrichtung
durchgeführt werden, während Bearbeitungsbedingungen zwischen
der anfänglichen Bearbeitung und der Hauptbearbeitung
umgeschaltet werden.
Wie voranstehend erwähnt, weist die vorliegende
Ausführungsform die gleichen ersten und zweiten Schritte wie
die erste Ausführungsform auf und strahlt den Laserstrahl in
dem ersten Schritt unter einer derartigen
Bearbeitungsbedingung auf, um eine Energiedichte und eine
Energieverteilung zu erhalten, die sich von wenigstens einer
der Bearbeitungsbedingungen für den Schneidevorgang, den
Schweißvorgang und der thermischen Behandlung unterscheidet.
In dem zweiten Schritt werden die Energiedichte und die
Energieverteilung entsprechend wenigstens einer der
Bearbeitungsbedingungen für den Schneidevorgan 00665 00070 552 001000280000000200012000285910055400040 0002019506768 00004 00546g, den
Schmelzvorgang und die thermische Behandlung verändert.
Mit dem Verfahren der Einrichtung der vorliegenden
Ausführungsform ist die Qualität des geschnittenen Werkstücks
3a sehr gut und zufriedenstellend.
Die hier beschriebenen bevorzugten Ausführungsformen sind zur
Erläuterung gedacht und nicht beschränkend, wobei der Umfang
der Erfindung in den beigefügten Ansprüchen angezeigt ist und
es ist beabsichtigt, daß alle Variationen, die in den Umfang
der Ansprüche fallen, darin eingeschlossen sind.