DE19506768B4

DE19506768B4 - Laserstrahlbearbeitungsverfahren und Laserstrahlmaschine

Info

Publication number: DE19506768B4
Application number: DE19506768A
Authority: DE
Inventors: Masaru Nagoya Kanaoka
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 1994-02-28
Filing date: 1995-02-27
Publication date: 2008-01-24
Anticipated expiration: 2015-02-28
Also published as: JP3159593B2; US5889253A; US6040549A; DE19549667B4; KR0158278B1; JPH07236984A; KR950024836A; DE19506768A1; US5767479A; CN1115271A; CN1087205C

Abstract

Laserstrahlbearbeitungsverfahren, gemäß dessen:
a) ein Vorbehandlungsschritt (S5) vorgesehen ist, zum vorhergehenden Entfernen eines Oberflächenmaterials (3b) eines Werkstücks (3a), derart, dass ein Laserstrahl (1) mit einer ersten Energiedichte von einem Laseroszillator (10) ausgegeben und ausgehend von einem Bearbeitungsstartpunkt entlang einer vorgegebenen Bearbeitungsortskurve geführt wird,
b) nach dem Vorbehandlungsschritt die Position des Laserstrahls (1) zu dem bearbeiteten Startpunkt zurückgeführt wird (S6), und
c) in einem nachfolgenden Hauptbearbeitungsschritt zum Bearbeiten des Werkstücks (3a) der Laserstrahl (1) mit einer zweiten Energiedichte von dem Laseroszillator (10) ausgegeben und entlang der vorgegebenen Bearbeitungsortskurve geführt wird (S8),
dadurch gekennzeichnet, dass
d) die für den Vorbehandlungsschritt erforderliche Ausgangsleistung des Laseroszillators (10) anhand von aus einer Datenbankvorrichtung ausgelesenen Bearbeitungsdaten zum Entfernen von Beschichtungsmaterial (3b) bestimmt wird, wozu
e) in Abhängigkeit von der jeweiligen Anforderung die für die Vorbehandlung erforderliche erste Energiedichte veränderlich mit Hilfe von Oberflächenmaterial-spezifischen Kennwerten berechnet, wobei
f) die erste...

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Laserstrahlbearbeitungsverfahren gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 und ferner ein Laserstrahlbearbeitungsgerät zum Ausführen des erfindungsgemäßen Laserstrahlbearbeitungsverfahrens.
In US-A-4 857 699 ist ein Laserstrahlbearbeitungsverfahren beschrieben, bei dem in einem vorläufigen Bearbeitungsschritt ein erster Laserstrahl von einem ersten Laseroszillator ausgegeben und entlang einer vorgegebenen Bearbeitungsortskurve ausgehend von einem Bearbeitungsstartpunkt geführt wird. Dieser Schritt dient dem Entfernen auf dem Werkstück aufgebrachten Beschichtung. Anschließend erfolgt mit einem zweiten Laserstrahl eines zweiten Laseroszillators eine Bearbeitung des Werkstücks, wiederum entlang der festgelegten Bearbeitungsortskurve. Sowohl während der vorläufigen Bearbeitung als auch während der Hauptbearbeitung ist die Energiedichte des Laserstrahls fest durch den zugeordneten Laseroszillator vorgegeben.
In "Verfahren zum Laserschweißen von galvanisiertem Stahl", Research Disclosure, April 1992, Seite 266 wird vorgeschlagen, zwei Stahlbleche nacheinander beabstandet anzuordnen, einem ersten Laserstrahl auszusetzen, anschließend zusammenzufügen und schließlich mit einem Laserstrahl zu verschweißen.
In DE 38 07 476 A1 ist eine Bearbeitungseinrichtung für laserschweißbare und lasertrennbare Werkstücke beschrieben, bei der für eine Vor- und Nachbearbeitung mehrere Bearbeitungsvorrichtungen vorgesehen sind.
In JP 4-34 48 87 , Patent Abstracts of Japan, 1993, N-1399, Band 17, Nr. 201 wird zum Verbessern der Absorptionsrate während einer Laserbearbeitung das Ausbilden von Vertiefungen und Vorsprüngen an der Oberfläche eines Werkstücks vorgeschlagen.
In DE 40 37 211 A1 ist eine Vorrichtung für die Laserbearbeitung eines Werkstücks beschrieben, bei der geschmolzenes Werkstückmaterial mit Hilfe einer aus einer Gasdüse austretenden Gasströmung von der Bearbeitungsstelle weggeführt wird.
In JP 04251684 A ist ein Laserschweißverfahren für galvanisiertes Stahlblech beschrieben, das in Form einer einzigen Stufe ausgebildet ist. Hierbei erfolgt eine Steuerung des Laserstrahls derart, dass Pulse mit einem geringen Spitzenwert und Pulse mit einem hohen Spitzenwert abwechselnd ausgegeben werden.
In JP 61159292 A ist ein Laserschweißverfahren für ein galvanisiertes Stahlblech beschrieben, bei dem ein Laserstrahl so angeglichen ist, dass er nicht die Bleche schmilzt, sondern lediglich den Zinkfilm verdampft.
In JP 05245670 A ist ein Verfahren zum Schmelzen hochverdampfender Stahlbleche mit einem Laserstrahl beschrieben, bei dem spezifische aneinandergefügte Teile mit einem defokussierten Laserstrahl bearbeitet werden.
In JP 63112088 A ist ein Laserstrahlbearbeitungsverfahren beschrieben, bei dem während der Bearbeitung die Leistung eines Laserstrahls für die Vorbearbeitungsstufe anders festgelegt ist als für eine Hauptbearbeitungsstufe.
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 11 bis 16 beziehen sich auf weitere herkömmliche Schneide- und Schweißtechniken, die versuchen dieses Problem zu lösen und in den 12–15 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 11 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 11 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. 4-138888 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 13 gezeigt.
In 13 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 1 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 14 gezeigt, und einen Schweißschritt, wie in 15 gezeigt, aufweist.
Wie in 14 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 blanke Oberfläche 3d des Werkstücks 3a für eine Nachbearbeitung vorzubereiten. Als nächstes wird die Fokussierungsposition, wie in 15 gezeigt, näher an der Oberfläche des Werkstücks 3a eingestellt und dann wird die Ausgangsleistung erhöht, um einen Schweißvorgang auszuführen.
Jedoch wird bei der Laserstrahlbearbeitung aus 11, 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.
16 zeigt 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.
12 zeigt eine Ursache einer Verschlechterung der Bearbeitungsqualität bei einem Laserstrahlschneidevorgang der galvanisierten Eisenschicht.
Unter Bezugnahme auf 12 wird beim Schneiden eines Werkstücks 3a umfassend eine galvanisierte Eisenschicht das Werkstück 3a mit einer Schneidrille 3c gebildet. Dämpfe 11, die vorwiegend Zink wegen seines niedrigen Schmelzpunkts umfassen, treten in die Schneiderille 3c ein.
Wie in 12 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 Schlacke 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 13 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 14 und 15 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.
Demnach besteht die Aufgabe der Erfindung in der Schaffung eines Laserstrahlbearbeitungsverfahrens und eines Laserstrahlbearbeitungsgeräts, das eine genaue Bearbeitung eines Werkstücks mit hoher Bearbeitungsgeschwindigkeit und -qualität ohne zusätzlichen Aufwand ermöglicht.
Diese Aufgabe wird durch ein Laserstrahlbearbeitungsverfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Weiterhin wird diese Aufgabe durch ein Laserstrahlbearbeitungsgerät gemäß dem Patentanspruch 4 gelöst.
Demnach ist es erfindungsgemäß möglich, unter Verwendung eines Laserstrahls eine Werkstückoberfläche durch eine vorläufige Bearbeitung unter vorläufigen Bearbeitungsbedingungen vorzubereiten und eine anschließende Hauptbearbeitung mit entsprechenden Hauptbearbeitungsbedingungen derart auszuführen, daß das Werkstück in geeigneter Weise bearbeitet wird.
Demnach ist es im Rahmen der vorliegenden Erfindung möglich, jeweils für den Vorbehandlungsschritt und den Hauptbearbeitungsschritt eine Energiedichte und eine Energieverteilung zu erhalten, die an die jeweiligen Anforderungen spezifisch angepasst sind.
Weiterhin kann die Entfernungsgeschwindigkeit für Oberflächensubstanzen eines Werkstücks, das mehrere unterschiedliche Eigenschaften aufweist, vergrößert werden. Durch die Entfernung der Oberflächensubstanzen lässt sich der Hauptbearbeitungsschritt einfacher ausführen.
Weiterhin ermöglicht das erfindungsgemäße Laserstrahlbearbeitungsverfahren und das Laserstrahlbearbeitungsgerät eine verbesserte Qualität beim Schneiden/Schweißen des Werkstücks, ohne dass eine Änderung des Aufbaus des Laserstrahlbearbeitungsgeräts selbst erforderlich wäre.
In den Zeichnungen zeigen:
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;
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;
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;
4 ein Flußdiagramm, welches einen Bearbeitungsprozeß der ersten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Laserstrahlbearbeitungsverfahrens und der Einrichtung zeigt;
5 eine schematische Ansicht, die einen Gesamtaufbau eines Laserstrahlbearbeitungsverfahrens und einer Laserstrahlbearbeitungseinrichtung zeigt, die für das Verfahren gemäß der ersten bis dritten Ausführungsform der Erfindung verwendet werden;
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;
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;
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;
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;
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;
11 eine perspektivische Ansicht, die ein Laserstrahlbearbeitungsverfahren und eine Einrichtung des Standes der Technik zeigt;
12 eine perspektivische Ansicht, die einen Schneidevorgang eines Laserstrahlbearbeitungsverfahrens und einer Einrichtung des Standes der Technik zeigt;
13 eine schematische Ansicht, die ein anderes herkömmliches Laserstrahlbearbeitungsverfahren und eine Einrichtung zeigen;
14 eine perspektivische Ansicht, die einen Schweißvorgang als eine vorläufige Bearbeitung in einem Laserstrahlbearbeitungsverfahren und einer Einrichtung eines Standes der Technik zeigt;
15 eine perspektivische Ansicht, die eine Hauptbearbeitung bei einem Laserstrahlbearbeitungsverfahren und einer Einrichtung eines Standes der Technik zeigt; und
16 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
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 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 1 einen Schneidevorgang zeigt. In 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 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.
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 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 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 )
3 ist ein Erklärungsdiagramm, welches einen Zusammenhang zwischen einem metallischen Beschichtungsmaterial mit einem Beschichtungsbetrag (M = 20 g/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 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. 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 eingestellt 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.
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 7 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 5 gezeigt, und zwar auf Grundlage von Daten wie beispielsweise einer Bearbeitungsbreite, einer Bearbeitungsgeschwindigkeit, einer Art eines Beschichtungsmaterials einer Beschichtung und entsprechend einem in 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 Rückführungsbefehlteil 20d werden durch den Bearbeitungsbefehlausgangsteil 20f ausgegeben. Eine Hauptbearbeitungsbedingung nach Entfernung des Beschichtungsmaterials wird in dem Hauptbearbeitungsbedingungs-Einstellteil 20e eingestellt und durch den Bearbeitungsbefehlausgangsteil 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.
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
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 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.
8 ist ein Erklärungsdiagramm, das eine Gaseinschlußbelegungsrate [%] zu einer Galvanisierungsmenge [g/m²] als ein Parameter zeigt. 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. 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
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 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 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.
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.
Wie voranstehend erwähnt, strahlt man den Laserstrahl in dem ersten Schritt unter einer 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 Schneidevorgang, den Schmelzvorgang und die thermische Behandlung verändert.
Mit dem Verfahren der Einrichtung der vorliegenden Erfindung ist die Qualität des geschnittenen Werkstücks sehr gut und zufriedenstellend.

Claims

Laserstrahlbearbeitungsverfahren, gemäß dessen: a) ein Vorbehandlungsschritt (S5) vorgesehen ist, zum vorhergehenden Entfernen eines Oberflächenmaterials (3b) eines Werkstücks (3a), derart, dass ein Laserstrahl (1) mit einer ersten Energiedichte von einem Laseroszillator (10) ausgegeben und ausgehend von einem Bearbeitungsstartpunkt entlang einer vorgegebenen Bearbeitungsortskurve geführt wird, b) nach dem Vorbehandlungsschritt die Position des Laserstrahls (1) zu dem bearbeiteten Startpunkt zurückgeführt wird (S6), und c) in einem nachfolgenden Hauptbearbeitungsschritt zum Bearbeiten des Werkstücks (3a) der Laserstrahl (1) mit einer zweiten Energiedichte von dem Laseroszillator (10) ausgegeben und entlang der vorgegebenen Bearbeitungsortskurve geführt wird (S8), dadurch gekennzeichnet, dass d) die für den Vorbehandlungsschritt erforderliche Ausgangsleistung des Laseroszillators (10) anhand von aus einer Datenbankvorrichtung ausgelesenen Bearbeitungsdaten zum Entfernen von Beschichtungsmaterial (3b) bestimmt wird, wozu e) in Abhängigkeit von der jeweiligen Anforderung die für die Vorbehandlung erforderliche erste Energiedichte veränderlich mit Hilfe von Oberflächenmaterial-spezifischen Kennwerten berechnet, wobei f) die erste Energiedichte gemäß E = A·lnM + Cberechnet wird, mit A, C: Beschichtungsmaterialabhängige Konstanten, und M: Beschichtungsbetrag.
Laserbearbeitungsverfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass gilt a) A = 80, C = 260 für ein Beschichtungsmaterial aus einer Zink-Aluminium-Legierung, b) A = 78, C = 241 für ein Beschichtungsmaterial aus einer Zink-Nickel-Legierung, c) A = 76, C = 222 für ein Beschichtungsmaterial aus einer Eisen-Zink-Legierung, und d) A = 74, C = 130 für ein Beschichtungsmaterial aus Zink.
Laserstrahlbearbeitungsverfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Energiedichte niedriger als die zweite Energiedichte gewählt wird.
Laserstrahlbearbeitungsgerät zur Durchführung des Laserstrahlbearbeitungsverfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 3.