DE19607376A1 - Verfahren zum Laserstrahlschneiden von Werkstücken - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Laser­ strahlschneiden von Werkstücken, bei dem die Wärmestrahlung des Schneidbereichs mit einem Sensor erfaßt wird und dessen Meßsignale einer Auswerteeinheit zugeleitet werden, mit der ein Verfahrensparameter des mit kontinuierlicher Laserstrah­ lung erfolgenden Schneidens beeinflußt wird, falls ein Meß­ signal einen eingestellten Schwellwert überschreitet.

Ein Verfahren mit den vorgenannten Merkmalen ist aus der DE 39 26 859 A1 bekannt. Die Wärmestrahlung ist temperaturab­ hängig, daß heißt, bei bestimmten Temperaturen wird Wärme bzw. Licht ganz bestimmter Wellenlängen erzeugt. Tritt Wärme­ strahlung dieser Wellenlänge mit bestimmter Intensität auf, so kann davon ausgegangen werden, daß die Bearbeitungsstelle eine ganz bestimmte, durch die Wellenlänge und ihre Intensi­ tät charakterisierte Temperatur hat. Bei dieser Temperatur liegt für eine bestimmte Werkstückgeometrie ein bestimmtes Bearbeitungsergebnis vor, beispielsweise eine bestimmte Schnittqualität. Dementsprechend wird das bekannte Verfahren mit einem oberen Schwellwert durchgeführt, der nicht über­ schritten werden darf, wenn es vermieden werden soll, ein un­ erwünschtes Bearbeitungsergebnis zu vermeiden. Entsprechend wird bei dem bekannten Verfahren ein unterer Schwellwert be­ stimmt und durch einfaches Ein- und Abschalten des Lasers soll ein qualitativ annehmbares Bearbeitungsergebnis erreicht werden. Dieses bekannte Verfahren kann jedoch bezüglich der Schneidgeschwindigkeit noch optimiert werden.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Ver­ fahren mit den eingangs genannten Verfahrensschritten so zu verbessern, daß die Schneidgeschwindigkeit gesteigert wird.

Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß die Schneidge­ schwindigkeit um eine vorbestimmte Stufe reduziert wird, wenn der Schwellwert um eine vorbestimmte Zeit und/oder um ein vorbestimmtes Maß überschritten wird, daß die stufenweise Re­ duzierung der Schneidgeschwindigkeit bedarfsweise wiederholt vorgenommen wird, bis der Schwellwert während der vorbestimm­ ten Zeit nicht überschritten wird, und daß mit der reduzier­ ten, nicht wieder erhöhten Schneidgeschwindigkeit weiter ge­ schnitten wird.

Für die Erfindung ist von Bedeutung, daß lediglich ein einziger Schwellwert benutzt wird, um die Schneidgeschwindig­ keit des Laserstrahlschneidens zu beeinflussen. Dabei wird eine stufenweise Reduzierung der Schneidgeschwindigkeit ein­ gesetzt, so daß diese nur so wenig wie nötig reduziert werden muß. Das Ausmaß der Reduzierung der Schneidgeschwindigkeit je Stufe kann an die Prozeßempfindlichkeit angepaßt werden, so daß mit einer vergleichsweise geringen Zurücknahme der Schneidgeschwindigkeit gearbeitet werden kann. Das Ausmaß der vorbestimmten Zeit zum Messen ermöglicht eine Optimierung der Schneidgeschwindigkeit ebenso, wie die Ermittlung des Ausmaßes, in dem die Wärmestrahlung den vorbestimmten Schwellwert überschreitet. Um mit der vorbeschriebenen Regelung mit Si­ cherheit in einen Bearbeitungsbereich zu gelangen, der trotz hoher Schneidgeschwindigkeit ein stabiles und qualitätssiche­ res Arbeiten erlaubt, kann die stufenweise Reduzierung der Schneidgeschwindigkeit wiederholt vorgenommen werden. Ist dann eine Schneidgeschwindigkeit erreicht, die für eine be­ stimmte Bearbeitungsqualität so hoch wie möglich ist, ande­ rerseits aber nicht zu hoch, wird ohne nachfolgende Erhöhung der Schneidgeschwindigkeit weiter geschnitten.

Das vorgeschriebene Verfahren kann dahingehend spezifi­ ziert werden, daß nach einem Überschreiten des Schwellwertes aufeinanderfolgend Abtastwerte der Wärmestrahlung von der Auswerteeinheit mit dem Schwellwert verglichen werden, daß die Zahl der letzteren überschreitenden Abtastwerte gezählt wird, und daß die stufenweise Reduzierung der Schneidge­ schwindigkeit bei Überschreiten einer vorbestimmten Anzahl erfolgt. Dabei wird die Zahl der Messungen so bestimmt, daß sie der oben genannten vorbestimmten Zeit entspricht. Die Zahl muß ausreichen, um über den Schneidprozeß eine hinrei­ chend sichere Aussage hinsichtlich des Wärmezustands des Schneidbereichs machen zu können. Beispielsweise werden zehn Abtastwerte ermittelt. Anhand dieser zehn Werte kann auch festgestellt werden, ob der Schwellwert um ein vorbestimmtes Maß überschritten wird, ob also die auf die Zeiteinheit bezo­ gene Vergrößerung der Wärmestrahlung bzw. die Anstiegsge­ schwindigkeit ein Mindestmaß überschritten hat. Ist das nicht der Fall, braucht die Regelung nicht aktiv zu werden, da der Prozeß nicht zu kippen droht. Andererseits braucht die Rege­ lung aber auch dann nicht einzugreifen, wenn der Schwellen­ wert zwar um ein vorbestimmtes Maß überschritten wird, die vorbestimmte Zeit jedoch nicht erreicht wird. Auch dann wird der Schneidprozeß nicht instabil.

Bei den vorbeschriebenen Verfahren läßt sich immer mit der maximalmöglichen Geschwindigkeit schneiden, ohne daß die Gefahr einer Beschädigung der Anlage besteht, z. B. durch Schäden an Düse oder Optik, und ohne daß die Gefahr des nicht mehr Durchtrennens besteht. Dadurch wird die Wirtschaftlich­ keit des Laserstrahlschneidverfahrens wesentlich verbessert.

Im Sinne einer Automatisierung kann so verfahren werden, daß der Schwellwert automatisch auf denjenigen Mittelwert der Schneidgeschwindigkeiten eingestellt wird, der sich für eine vorbestimmte Mittelungsdauer aus solchen Schneidgeschwindig­ keiten ergibt, für die der Schwellwert nach einer Reduzie­ rungsphase für die vorbestimmte Zeitdauer nicht überschritten wurde. Auf diese Weise kann sich der Schwellwert selbst ein­ stellen. Das System ist lernfähig. Die Mittelungsdauer ist eine längere Zeit unter optimalen Schneidbedingungen. Nach einer derartigen Mittelung von zulässigen Schneidgeschwindig­ keiten unter optimalen Schneidbedingungen kann der neue Schwellwert dann entsprechend dem errechneten Mittelwert zu­ züglich 30% bis 50% festgelegt werden.

Es muß Vorsorge dafür getroffen werden, daß die Schneid­ geschwindigkeit nicht zu gering ist. Um dies zu gewährlei­ sten, wird so verfahren, daß eine Warnmeldung erfolgt und/oder daß das Laserstrahlschneiden unterbrochen wird, wenn eine voreingestellte Schneidmindestgeschwindigkeit unter­ schritten wird. Die Warnmeldung macht die Bedienungsperson darauf aufmerksam, daß die Schneidleistung bzw. die Schneid­ geschwindigkeit unzureichend ist. Die Warnmeldung kann auch dazu benutzt werden, automatisch eine Dokumentierung zu er­ stellen, die beispielsweise Uhrzeit, Art des Fehlers und eingestellte Schneidparameter abzuspeichern erlaubt. Das op­ tionale Unterbrechen des Schneidens erfolgt, wenn eine Gefahr für die Schneidvorrichtung besteht. Zur Vermeidung von Zer­ störungen und Beschädigungen kann der Shutter geschlossen werden und die Servomotoren werden angehalten.

Eine weitere Ausgestaltung des Verfahrens besteht darin, daß nach einer Geschwindigkeitsreduzierung eine vorbestimmte Totzeit verstreicht, bis bedarfsweise eine wiederholte Redu­ zierung der Schneidgeschwindigkeit erfolgt. Die Totzeit er­ möglicht ein Abwarten, um Ansprechverzögerungen der Servomo­ toren für die Verstellung der Bearbeitungsoptik zu berück­ sichtigen, bevor wieder gemessen wird. Auf diese Weise werden Fehlmessungen verhindert.

Das Verfahren kann so durchgeführt werden, daß der Schwellwert und/oder die Anzahl der Abtastwerte beim Zählen der den Schwellwert überschreitenden Meßwerte und/oder die Stufenhöhe der stufenweisen Reduzierung der Schneidgeschwin­ digkeit von Hand und/oder nach einem vorbestimmten Programm automatisch einstellbar sind. Die Bemessung des Schwellwerts und/oder der Zahl der Abtastwerte und/oder der Stufenhöhe der Reduzierung der Schneidgeschwindigkeit ermöglichen es einzeln oder in Kombination, die Schneidgeschwindigkeit in Verwertung von Erfahrungsergebnissen zu optimieren. Ihre Einstellung von Hand, z. B. mit einem Override-Regler, ermöglicht eine Herauf­ setzung der Geschwindigkeit unabhängig von allen Vorgaben. Das ist insbesondere dann vorteilhaft, wenn nicht genügend Verfahrensparameter bekannt sind, weil es sich um ein zuvor nicht bekanntes Werkstück handelt. Demgegenüber ist eine au­ tomatische Einstellung nach einem vorbestimmten Programm von Vorteil, wenn beim Schneiden zwischen unterschiedlichen, an sich bekannten Verfahren bzw. Werkstücken gewechselt werden soll. Beispielsweise kann einer bestimmten Anzahl von Blech­ dicken ein jeweils unterschiedlicher Parametersatz zugeordnet sein, so daß der Anwender im Betrieb nur noch zwischen den Dickenbereichen wählen muß, nämlich durch entsprechende Ein­ stellung der Auswerteeinheit. Dabei können alle Parameter in einem speziellen Menü verändert und abgespeichert werden. Die automatische Einstellung ist so durchzuführen, daß der Para­ metersatz nicht veränderbar ist. Besonders in diesem Fall kann ein Parametersatz zur Initialisierung dienen, wenn das System total verstellt ist.

Das Laserstrahlschneiden wird üblicherweise nicht von der Kante eines Werkstücks aus durchgeführt, also so, daß z. B. von der Seite eines Blechs eingeschnitten wird. Hierfür ist beispielsweise die Einstellung senkrecht zur Werkstück­ oberfläche zu aufwendig. Vielmehr wird vor dem Laserstrahl­ schneiden eingelocht. Die Erfindung bezieht sich daher auch auf ein Verfahren zum Laserstrahlschneiden von Werkstücken, in die zu Bearbeitungsbeginn mit Laserstrahlung eingelocht wird, wobei die Wärmestrahlung des Einlochbereichs mit einem Sensor erfaßt und dessen Meßsignale einer Auswerteeinheit zu­ geleitet werden, die eine Ausschaltung der Laserstrahlung veranlaßt, sobald ein Meßsignal einen eingestellten Schwell­ wert überschreitet und die eine erneute Einschaltung der La­ serstrahlung veranlaßt.

Das vorgenannte Verfahren ist aus der DE 39 26 859 A1 bekannt. Die nach dem Ausschalten der Laserstrahlung wegen Überschreitung des eingestellten Schwellwertes erfolgende er­ neute Einschaltung der Laserstrahlung erfolgt in Abhängigkeit von einem unteren Grenzwert. Infolgedessen ist das Verfahren zwar für geringe Einlochtiefen geeignet, bei größeren Ein­ lochtiefen versagt das Verfahren jedoch, das Werkstück wird also nicht durchbohrt.

Demgegenüber liegt der Erfindung daher die Aufgabe zu­ grunde, das Verfahren mit den vorbeschriebenen Verfahrens­ schritten so zu verbessern, daß es auch für größere Einloch­ tiefen Anwendung finden kann, beispielsweise für Blechdicken über 5 mm.

Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß die erneute Ein­ schaltung der Laserstrahlung nach einer frei vorbestimmbaren Zeit erfolgt, während der die Laserstrahlung abgeschaltet ist. Das Verfahren mit einer frei vorbestimmten Zeit für die erneute Einschaltung der Laserstrahlung ermöglicht es, ver­ gleichsweise mehr Energie einzubringen und dadurch ein ver­ bessertes Einlochergebnis erzielen. Es ist nicht erforder­ lich, das Erreichen eines unteren Grenzwerts der Wärmestrah­ lung abzuwarten, so daß das Verfahren dementsprechend nicht an das systembedingte Absinken der Wärmestrahlung gekoppelt ist. Das ist insbesondere für größere Einlochtiefen von Vor­ teil, wo sich wesentlich erhöhte Zeitkonstanten für das Ab­ klingen der Wärmestrahlung ergeben.

Die vorbeschriebene Regelung des Einlochens kann dadurch verbessert werden, daß aufeinanderfolgend mehrere Ein- und Ausschaltungen als erster Einlochzyklus mit vorbestimmter er­ ster Zyklusdauer erfolgen, und daß nach einer vorbestimmten zyklusfreien Zeit ein zweiter oder weiterer Einlochzyklus mit vorbestimmter zweiter oder weiterer Zyklusdauer erfolgt. Die Zyklusdauern und die zyklusfreien Zeiten sind frei vorbe­ stimmbar, so daß sich entsprechende Freizügigkeiten bei der Gestaltung des Verfahrens ergeben. Es wird eine Pulsweiten- Modulation betrieben, die eine vergleichsweise große Freizü­ gigkeit gestattet, beispielsweise zur Abstimmung auf in Ein­ lochrichtung aufeinander folgende unterschiedliche Werkstoff­ schichten. Hierdurch ist es möglich, daß in den größeren Pausen wieder Prozeßgas (O₂) in das Bohrloch eindringen kann.

Eine weitere Verbesserung des Verfahrens kann sich da­ durch ergeben, daß die mittlere Laserleistung mit zunehmender Einlochtiefe bis auf eine Maximalleistung gesteigert wird.

Dies kann durch Einflußnahme auf den Laser geschehen. Die Steigerung der mittleren Laserleistung kann jedoch auch durch ein wachsendes Verhältnis von Einschaltzeiten zu Ausschalt­ zeiten erreicht werden.

Wenn das Einlochen durch das Werkstück hindurch erfolgt ist, das Bohrloch also durchgängig ist, kann der Einlochvor­ gang abgebrochen werden. Um diesen Zustand zu ermitteln, wird so verfahren, daß die Laserleistung abgeschaltet wird, wenn das Meßsignal für eine vorbestimmte Zeit unter einem vorbe­ stimmten Grenzwert liegt.

Es ist möglich, daß dieses Verfahren nur bei Blechen von weniger als 10 mm Dicke funktioniert, so daß noch weitere Ab­ bruchkriterien hinzugezogen werden sollten. Daher kann das Verfahren so durchgeführt werden, daß zur Auswertung der Meß­ signale eine einstellbare Anzahl von Abtastwerten während des genannten Einlochvorgangs gemittelt wird. Eine Mittelwertbil­ dung über z. B. zehn Abtastwerte ergibt einen verläßlichen An­ halt dafür, daß das Einlochen beendet ist. Des weiteren sind die Beachtung der Maxima und Minima sowie das Übersteuern während des Abtastens von Vorteil, wobei dieses auch erfolgen muß, während der Laser abgeschaltet ist.

Bei den aus der DE 39 26 859 A1 bekannten Verfahren er­ folgt die Beobachtung der Wärmestrahlung mit einem Scraper­ spiegel, dessen Loch im Umlenkbereich der Laserstrahlung an­ geordnet ist und dessen Lochdurchmesser so klein ist, daß nur ein vergleichsweise unbedeutender Anteil der Laserstrahlung nicht umgelenkt wird. Andererseits gelangt infolge des kleinen Lochdurchmessers aber nur ein entsprechend geringer Anteil der Wärmestrahlung in den Meßbereich. Infolgedessen ist das Meßsignal vergleichsweise klein und auch von lokalen Strahlungsschwankungen abhängig. Das Verfahren wird infolge­ dessen dadurch verbessert, daß die Wärmestrahlung mit einem Scraperspiegel aus dem Strahlengang der Laserstrahlung ausge­ koppelt wird, dessen Lochdurchmesser an den Durchmesser der Laserstrahlung angepaßt ist. Infolgedessen tritt die Laser­ strahlung durch das Loch des Scraperspiegels ungehindert und verlustfrei hindurch. Andererseits ist die Spiegelfläche des Scraperspiegels für die Wärmestrahlung im Vergleich zum Scraperspiegel groß, so daß dementsprechend große Wärmestrah­ lungsanteile für die Messung herangezogen werden können. Es ergeben sich vergleichsweise große und von lokalen Wärme­ schwankungen unabhängige Meßwerte. Zum Einlochen eignen sich Loch- und Scraperspiegel, wohingegen bei der Schneidüberwa­ chung nur der Scraperspiegel genügend Signalintensität lie­ fert.

Eine weitere Verbesserung beim Einlochen ergibt sich da­ durch, daß die Laserstrahlung im Bereich der Einlochachse ra­ dial bewegt wird. Es erfolgt eine Vergrößerung des Lochs, um den Austritt des geschmolzenen und verdampften Werkstoffs auch aus größeren Tiefen zu ermöglichen und damit das Ein­ lochen in größere Tiefen zu erleichtern. Des weiteren er­ reicht mehr Laserleistung den Bohrlochboden, was die Bohrge­ schwindigkeit erhöht.

Die Erfindung wird anhand von in den Zeichnungen darge­ stellten Vorrichtungen und Verfahrensabläufen erläutert. Es zeigt:

Fig. 1 eine schematische Darstellung einer Überwachungs­ einrichtung mit einem Scraperspiegel zur Auskopp­ lung von Wärmestrahlung aus dem Strahlengang aus der Laserstrahlung,

Fig. 2 die diagrammatische Abhängigkeit der Strahlungs­ intensität der Wärmestrahlung von der Zeit beim Laserstrahlschneiden,

Fig. 3 die auf Fig. 2 bezogene diagrammatische Darstellung der Schneidgeschwindigkeit von der Zeit,

Fig. 4 die diagrammatische Abhängigkeit der Laserleistung von der Zeit, bezogen auf die Steuerspannung zur Steuerung der Laserleistung,

Fig. 5 die Abhängigkeit der Laserleistung von der Zeit, und

Fig. 6 eine schematische Darstellung zur Erläuterung des Einlochens bei größeren Werkstückdicken s.

Gemäß Fig. 1 wird ein Werkstück 10 mit Laserstrahlung 20 geschnitten. Der Schneidbereich ist mit 12 bezeichnet. Das Werkstück 10 wird in der Richtung des angegebenen Pfeils mit der Schneidgeschwindigkeit v₀ bewegt. Das Werkstück 10 wird durchgeschnitten, so daß der Werkstoff 10 des Werkstücks 10 nach unten ausgeblasen wird. Infolgedessen ist das Werkstück links des Schneidbereichs 12 geschnitten und rechts unge­ schnitten.

Die Laserstrahlung 20 gelangt von einem nicht darge­ stellten Laser durch einen Scraperspiegel 21 in einen Bear­ beitungskopf 24 einer Schneideinrichtung. Der Bearbeitungs­ kopf 24 hat im Strahlengang hintereinander angeordnete Um­ lenkspiegel 25, die die Laserstrahlung 20 einem Fokussier­ spiegel 26 zuleiten, der die Laserstrahlung wie angegeben dem Werkstück fokussiert zuleitet, so daß der Fokus im Bereich des Werkstücks 10 liegt, vgl. insbesondere Fig. 6.

Beim Schneiden entsteht Wärmestrahlung 11, die aus dem Schneidbereich 12 zurück in den Bearbeitungskopf 24 gelangt, wo sie durch die Spiegel 26, 25 auf den Scraperspiegel 21 re­ flektiert wird. Der Scraperspiegel 21 ist im Außendurchmesser größer bemessen, als es dem Durchmesser 22 der Laserstrahlung 20 entspricht, so daß die auf ihn treffende Wärmestrahlung 11 aus dem dargestellten Strahlengang abgelenkt und über eine Sammellinse 27 einem Sensor 13 zugeführt wird. Der Scraper­ spiegel 21 könnte auch fokussieren. Dann fällt die Linse 27 weg. Bestandteil des Sensors ist ein optischer Filter 28, der unerwünschte Strahlung ausblendet, die das Meßsignal verfäl­ schen könnte, beispielsweise reflektierte Laserstrahlung. Das vom Sensor 13 erzeugte Meßsignal gelangt in eine Auswerteein­ heit 14. Mit Hilfe dieser Auswerteeinheit 14 wird in nicht dargestellter Weise eine Regelung der Schneidgeschwindigkeit v₀ durchgeführt, indem beispielsweise Einfluß auf Servomoto­ ren genommen wird. Die bei der Auswertung benutzte effektive Geschwindigkeit wird aus der geometrischen Addition der ein­ zelnen Geschwindigkeiten der Servomotoren für die Richtungen der x- und y-Achsen vorgenommen.

Die durch die Auswerteeinheit 14 eingeleitete Regelung greift nicht ein, solange die Intensität der Wärmestrahlung bzw. des Schmelzleuchtens unterhalb eines eingestellten Schwellwerts 16 liegt, der in Fig. 2 gepunktet über der Zeit dargestellt ist. Der Verlauf 30 der Meßsignale in Abhängig­ keit von der Zeit zeigt, daß die Meßsignale von der Zeit t = 0 bis t₀ unkritisch ist. Zum Zeitpunkt t₀ wird der Schwellwert 16 erreicht. Die Auswerteeinheit 14 hat einen nicht näher dargestellten Zähler, der zum Zeitpunkt t₀ zu zählen beginnt. Es werden Abtastwerte (Mittelwerte) gezählt, die im Zeitbe­ reich von t₁ über dem Schwellwert 16 liegen. Die Zeit t₁ ist eine vorbestimmte Zeit, deren Dauer mit Hilfe der Auswerte­ einheit 14 bestimmt wird. Eine Bestimmung ergibt sich bei­ spielsweise dadurch, daß für diese Zeit t₁ eine Anzahl von Abtastwerten 18 festgelegt wird, für die jeweils eine Messung erfolgt. Fig. 2 zeigt mehrere solcher Abtastwerte 18 im zeit­ lichen Verlauf. Für die Zeit t₁ liegen alle Abtastwerte 18 so hoch, daß jeweils der Schwellwert 16 überschritten wird.

Außerdem zeigt Fig. 2, daß der Schwellwert 16 um ein vor­ bestimmtes Maß überschritten wird, welches dadurch bestimmt wird, daß eine Strahlungsintensität 16 erreicht wird, was einer kritischen Anstiegsgeschwindigkeit der Wärmestrahlung während der Zeit t₁ entspricht.

Aus beiden vorgenannten Gründen muß die Schneidgeschwin­ digkeit v₁ reduziert werden, die in Fig. 3 beispielsweise dar­ gestellt ist. Zum Zeitpunkt t₀ erfolgt eine Abstufung der Schneidgeschwindigkeit von v₁ auf v₂.

Es kann nun sein, daß die Strahlungsintensität sehr schnell unter den Schwellwert 16 sinkt. Fig. 2 zeigt jedoch beispielsweise, daß noch nach der Zeit t₂ ein Abtastwert 18 vorliegt, der den Schwellwert 16 überschreitet. Infolgedessen hat die mit der Stufenhöhe v₁-v₂ vorgenommene Abstufung der Schneidgeschwindigkeit nicht ausgereicht und es muß zur Ver­ meidung von Schneidfehlern eine weitere Abstufung vorgenommen werden, nämlich auf die Schneidgeschwindigkeit v₃ zum Zeit­ punkt t₀′′. Wird diese Schneidgeschwindigkeit v₃ eingehalten, so fällt der Kurvenverlauf 30 in Fig. 2 unter den Schwellwert 16. Zum betreffenden Zeitpunkt t₀′′′ ist die Wärmestrahlung 11 so abgeklungen, daß ein unkritischer Bereich erreicht wurde und die Schneidgeschwindigkeit v₃ kann beibehalten werden. Sie liegt oberhalb der Schneidgeschwindigkeit v_min. Zum Zeit­ punkt t₀′′′ wird der Zähler der Abtasteinheit 14 auf null zu­ rückgesetzt.

Würde bei einer Abstufung der Schneidgeschwindigkeit v₁ diese Schneidmindestgeschwindigkeit v_min unterschritten, so kann die Auswerteeinheit 14 eine Warnmeldung veranlassen bzw. das Laserstrahlschneiden unterbrechen. Im Darstellungsfall der Fig. 3 hat sich der Prozeß jedoch bei v₃ gefangen und es wird dann mit dieser Geschwindigkeit weitergefahren, wobei die Geschwindigkeit nicht wieder erhöht wird.

Die Zeit t₂ entspricht einer Totzeit nach einer Ge­ schwindigkeitsreduzierung und ist erforderlich, um Einstel­ lungen des mechanischen Systems vornehmen zu können, ohne daß diese in eine etwaige Messung eingehen und Fehler verursa­ chen. Auch beim Beginn des Laserstrahlschneidens erfolgt die Messung verzögert, um fehlerhafte Anlaufmessungen zu vermei­ den. Die infolgedessen auftretenden Geschwindigkeitsfehler sind von geringer Bedeutung.

Vor Beginn des Schneidens wird das Werkstück 10 einge­ locht. Fig. 6 zeigt den Einlochbereich 19 des Werkstücks 10 mit einer Werkstückdicke s. Das Vorloch hat einen Lochdurch­ messer d_Loch, der etwas größer ist, als der Mindestdurchmesser 2w_f der Laserstrahlung 20.

In Fig. 6 ist dargestellt, daß die Laserstrahlung im Be­ reich der Einlochachse 23 radial bewegt wird, was beispiels­ weise durch kreisförmiges Bewegen des Bearbeitungskopfs 24 um die Einlochachse 23 geschieht. Durch dieses insbesondere bei größeren Blechen erforderliche Scannen der Laserstrahlung 20 wird das Bohren in größere Einlochtiefen erleichtert.

Eine weitere Maßnahme zur Erleichterung des Einlochens in größere Werkstücktiefen ist es, die mittlere Laserleistung P gemäß Fig. 5 im Laufe des Einlochens zu vergrößern. Zu Be­ ginn des Einlochens ist eine Startleistung P_Start eingestellt, z. B. 500 W. Diese wird dann im Laufe der Einlochzeit t bis auf den Maximalwert P_max erhöht, beispielsweise 1,4 kW. Es wird unterstellt, daß das Einlochen das der Zeit t_max durchge­ führt wurde, so daß dann in den Schneidbetrieb übergegangen werden kann.

Insbesondere bei größeren Einlochtiefen ist es von Inte­ resse, das Einlochen schnell und unter Gewährleistung eines möglichst kleinen Lochdurchmessers durchführen zu können. Es findet daher eine Regelung der Laserleistung in Abhängigkeit von Meßergebnissen statt, die durch Überwachung der Wärme­ strahlung 11 erhalten werden. Eingesetzt wird eine Modulation der Pulsweite, wie sie prinzipiell in Fig. 4 dargestellt ist. Diese Modulation wird durch Ein- und Ausschalten des Lasers erreicht. Dabei kann, wie auch beim Laserstrahlschneiden, zu­ gleich eine Gaszufuhr geregelt werden. Als Gas wird bei­ spielsweise O₂ eingesetzt, so daß ein Oxydeinlochen stattfin­ det.

Der Laser wird für eine Zeit T_AN1 eingeschaltet und da­ nach für eine Zeit T_AUS1 abgeschaltet. Fig. 4 zeigt einen er­ sten Einlochzyklus mit einer Zyklusdauer T_AN2, während der der Laser 4 mal eingeschaltet wird, worauf sich jeweils eine Ab­ schaltung anschließt. Die 4. Abschaltung ist einer zyklus­ freien Zeit T_AUS2 zugeordnet, während der der Laser ver­ gleichsweise lange abgeschaltet bleibt. Danach schließen sich weitere Zyklen Z an. Die Kenngrößen der Zyklen Z, nämlich T_AN1, T_AUS1, T_AN2 und T_AUS2 sind jeweils als Parameter frei einstellbar und erlauben es, auf die Geometrie des Werkstücks 14 Rücksicht zu nehmen, beispielsweise falls dieses von der dargestellten einfachen Blechgestalt abweicht. Mit Hilfe der vorbeschriebenen Parameter kann auch die Laserleistung im Sinne der Fig. 3 kontinuierlich erhöht werden, beispielsweise durch Veränderung des Verhältnisses von T_AN1 zu T_AUS1. Das An­ steuersignal kann durch die Auswerteeinheit 14 erzeugt wer­ den, oder auch durch ein von einer CNC-Steuerung vorgegebenes Signal.

Das Einlochen wird beendet, wenn das Meßsignal für eine vorbestimmte Zeit unter einem vorbestimmten Grenzwert 15 liegt, der in Fig. 2 beispielsweise eingezeichnet wurde. Es ist dann davon auszugehen, daß das Einlochen beendet ist, weil die gesamte Dicke des Werkstücks 10 durchlocht wurde.

Auch beim Einlochen kann eine Abtastung der Meßwerte der Wärmestrahlung 11 durchgeführt werden, so daß die Meßzeit in einfacher Weise durch eine Einstellung der Anzahl der Abta­ stungen bestimmt wird. Das Beenden des Einlochvorgangs er­ folgt dann durch Mittelung der Abtastwerte der eingestellten Anzahl.

Wenn das Einlochen beendet ist, erzeugt die Auswerte­ einheit 14 ein Steuersignal zum Beginn des Laserstrahlschnei­ dens einschließlich Überwachung des Schneidvorgangs gemäß Fig. 2, 3.

Claims (13)

1. Verfahren zum Laserstrahlschneiden von Werkstücken (10), bei dem die Wärmestrahlung (11) des Schneidbereichs (12) mit einem Sensor (13) erfaßt wird und dessen Meßsignale einer Auswerteeinheit (14) zugeleitet werden, mit der ein Verfahrensparameter des mit kontinuierlicher Laser­ strahlung (20) erfolgenden Schneidens beeinflußt wird, falls ein Meßsignal einen eingestellten Schwellwert (16) überschreitet, dadurch gekennzeichnet, daß die Schneid­ geschwindigkeit (v₁) um eine vorbestimmte Stufe (17) re­ duziert wird, wenn der Schwellwert (16) um eine vorbe­ stimmte Zeit (t₁) und/oder um ein vorbestimmtes Maß überschritten wird, daß die stufenweise Reduzierung der Schneidgeschwindigkeit (v₁) bedarfsweise wiederholt vor­ genommen wird, bis der Schwellwert (16) während der vor­ bestimmten Zeit (t₁) nicht überschritten wird, und daß mit der reduzierten, nicht wieder erhöhten Schneidge­ schwindigkeit (v₃) weiter geschnitten wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß nach einem Überschreiten des Schwellwertes (16) aufein­ anderfolgend Abtastwerte (18) der Wärmestrahlung von der Auswerteeinheit (14) mit dem Schwellwert (16) verglichen werden, daß die Zahl der letzteren überschreitenden Ab­ tastwerte (18) gezählt wird, und daß die stufenweise Re­ duzierung der Schneidgeschwindigkeit (v₁) bei Über­ schreiten einer vorbestimmten Anzahl erfolgt.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Schwellwert (16) automatisch auf denjenigen Mittel­ wert der Schneidgeschwindigkeiten (v₀) eingestellt wird, der sich für eine vorbestimmte Mittelungsdauer aus sol­ chen Schneidgeschwindigkeiten (v₃) ergibt, für die der Schwellwert (16) nach einer Reduzierungsphase für die vorbestimmte Zeitdauer (t₁) nicht überschritten wurde.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß eine Warnmeldung erfolgt und/oder daß das Laserstrahl­ schneiden unterbrochen wird, wenn eine voreingestellte Schneidmindestgeschwindigkeit (v_min) unterschritten wird.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß nach einer Geschwindigkeitsreduzierung eine vorbestimmte Totzeit (t₂) verstreicht, bis bedarfsweise eine wieder­ holte Reduzierung der Schneidgeschwindigkeit erfolgt.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Schwellwert (16) und/oder die Anzahl der Abtastwerte (18) beim Zählen der den Schwellwert (16) überschreiten­ den Meßwerte und/oder die Stufenhöhe (v₁-v₂) der stufen­ weisen Reduzierung der Schneidgeschwindigkeit von Hand und/oder nach einem vorbestimmten Programm automatisch einstellbar sind.

7. Verfahren zum Laserstrahlschneiden von Werkstücken (10), in die zu Bearbeitungsbeginn mit Laserstrahlung (20) eingelocht wird, wobei die Wärmestrahlung (11) des Ein­ lochbereichs (19) mit einem Sensor (13) erfaßt und des­ sen Meßsignale einer Auswerteeinheit (14) zugeleitet werden, die eine Ausschaltung der Laserstrahlung (20) veranlaßt, sobald ein Meßsignal einen eingestellten Schwellwert (16) überschreitet und die eine erneute Ein­ schaltung der Laserstrahlung (20) veranlaßt, insbesonde­ re vor Beginn eines Verfahrens nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die erneute Einschaltung der Laserstrahlung (20) nach einer frei vorbestimmbaren Zeit (T_AUS1) erfolgt, während der die Laserstrahlung (20) abgeschaltet ist.

8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß aufeinanderfolgend mehrere Ein- und Ausschaltungen als erster Einlochzyklus (Z) mit vorbestimmter erster Zy­ klusdauer (T_AN2) erfolgen, und daß nach einer vorbestimm­ ten zyklusfreien Zeit (T_AUS2) ein zweiter oder weiterer Einlochzyklus mit vorbestimmter zweiter oder weiterer Zyklusdauer (T′_AN2) erfolgt.

9. Verfahren nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeich­ net, daß die mittlere Laserleistung (P) mit zunehmender Einlochtiefe bis auf eine Maximalleistung (P_max) gestei­ gert wird.

10. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Laserleistung (20) abgeschaltet wird, wenn das Meßsignal für eine vorbestimmte Zeit un­ ter einem vorbestimmten Grenzwert (15) liegt.

11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß zur Auswertung der Meßsignale eine einstellbare Anzahl von Abtastwerten während des genannten Einlochvorgangs gemittelt wird.

12. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Wärmestrahlung (11) mit einem Scraperspiegel (21) aus dem Strahlengang der Laserstrah­ lung (20) ausgekoppelt wird, dessen Lochdurchmesser an den Durchmesser (22) der Laserstrahlung (20) angepaßt ist.

13. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Laserstrahlung (20) im Bereich der Einlochachse (23) radial bewegt wird.