DE19735354A1 - Verfahren zum Schneiden oder Schweißen mittels Laser - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Schweißen oder Schneiden eines Werk­ stückes mittels eines Laserstrahles und eines Arbeitsgasstrahles, die beide durch eine Laserdüse geführt und auf die zu bearbeitende Oberfläche des Werkstückes geleitet werden, wobei mittels der Laserdüse eine Gasflamme erzeugt wird.

Im Rahmen der Erfindung wird in erster Linie an die Bearbeitung von metallischen Werkstücken wie Stähle - was unlegierte, niedriglegierte und hochlegierte Stähle einschließt - aber auch Nichteisenmetalle gedacht.

Es sind zahlreiche Methoden zum Schweißen und Schneiden von Werkstücken unter Einsatz von Laserstrahlung bekannt. Einen Überblick über die in Zusammenhang mit dem Schneiden von Werkstücken zur Anwendung kommenden Verfahren liefert beispielsweise die Veröffentlichung:
"Thermische Schneidverfahren:
Autogenes Brennschneiden, Plasma-Schmelzschneiden, Laserstrahlschneiden- ein technologischer und wirtschaftlicher Vergleich",
H. Mair, DVS-Berichte, Band 109, Deutscher Verlag für Schweißtechnik GmbH, 1987.

Aus der EP 0 458 182 B1 ist außerdem ein Verfahren zum Laserstrahlbrennschneiden von metallischen Werkstücken mit einem fokussierten Laserstrahl und einem Schneid­ gasstrahl bekannt, die beide durch eine Schneiddüse geführt werden, wobei der Schneidgasstrahl mit einem heißen Gasschleier vorhangartig umhüllt wird. Mittels dieses heißen Gasschleiers wird eine zusätzliche Erwärmung des metallischen Werk­ stückes in Schnittdickenrichtung bewirkt, wodurch eine Aufhärtung in der entstehenden Schnittfuge verhindert werden soll. Dabei ist der heiße Gasschleier nicht auf den Auftreffpunkt des Laserstrahles auf der Werkstückoberfläche, sondern auf dessen Umgebung gerichtet.

Beim Verfahren nach der EP 0 458 182 B1 wird eine Vorrichtung zum Laserstrahl­ brennschneiden des Werkstückes mit einer Schneiddüse verwendet, die einen Düsenkanal für einen fokussierten Laserstrahl und für einen Schneidgasstrahl umfaßt, wobei in der Schneiddüse zusätzlich zum Düsenkanal für das Schneidgas und für den Laserstrahl symmetrisch um diesen Düsenkanal ein oder mehrere Kanäle für das den Gasschleier bildende Gas oder Gasgemisch angeordnet sind. Der Gasschleier besteht aus verbrannten Produkten eines Brenngas-Luft- oder Brenngas-Sauerstoff- Gemisches, welches in einer weichen Flamme verbrennt. Als Brenngase werden vor­ zugsweise Wasserstoff, Propan, Methan, Acetylen und/oder Ethylen eingesetzt. Das Brenngas-Luft- oder Brenngas-Sauerstoff-Gemisch verbrennt unmittelbar nach Ver­ lassen der Schneiddüse in der Flamme, deren Verbrennungsprodukte den zum Werk­ stück strömenden heißen Gasschleier bilden. Die Flamme brennt nicht bis zur Werk­ stückoberfläche.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Schweißen oder Schneiden eines Werkstückes nach der eingangs genannten Art dadurch weiterzu­ bilden, daß die Qualität der Bearbeitung verbessert wird. Insbesondere sollte die mögliche Bearbeitungstiefe mit dem Verfahren erhöht werden.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Gasflamme zusätzlich zur Laserstrahlung auf die zu bearbeitende Oberfläche des Werkstückes geführt wird.

Der Kern der vorliegenden Erfindung besteht darin, daß beim Schweißen oder Schneiden von Werkstücken ein Verfahren mit Einsatz von Laserstrahlung mit einem klassischen Verfahren unter Einsatz einer Gasflamme kombiniert wird. Das erfindungs­ gemäße Hybridverfahren zur Werkstückbearbeitung sieht eine Kombination von Laser­ bearbeitungsverfahren mit beispielsweise einem autogenen Schweiß- oder Schneid­ verfahren vor. Das erfindungsgemäße Hybridverfahren ermöglicht so überraschender­ weise eine Erhöhung der möglichen Bearbeitungstiefe beim Schweißen und Schneiden auf einfache, aber effektive Art und Weise.

In Ausgestaltung der Erfindung wird die Gasflamme auf den Auftreffpunkt des Laser­ strahles auf der zu bearbeitenden Oberfläche des Werkstückes gerichtet. In diesem Fall unterstützt die Flamme den Laserstrahl direkt am Auftreffpunkt und nicht nur in der Umgebung des auftreffenden Laserstrahls.

Die Bearbeitung des Werkstückes kann dadurch unterstützt werden, daß aus der Laserdüse ein weiteres Arbeitsgas strömt, welches den ersten Arbeitsgasstrahl und Laserstrahl beim Austritt aus der Laserdüse umgibt.

Ebenso wie in der EP 0 458 182 B1 beschrieben, kann die Laserdüse einen oder mehrere zusätzliche Kanäle für das zweite Arbeitsgas enthalten. Grundsätzlich kom­ men alle dort beschriebenen Anordnungen im Hinblick auf den oder die zusätzlichen Düsenkanäle auch für:das erfindungsgemäße Verfahren in Betracht. Dies gilt insbe­ sondere im Hinblick auf die Symmetrie des oder der Kanäle.

Besondere Vorteile werden dadurch erzielt, daß durch Verbrennung des zweiten Ar­ beitsgases mit dem ersten Arbeitsgas die Gasflamme erzeugt wird. Das erste Arbeits­ gas kann Sauerstoff enthalten oder aus Sauerstoff bestehen. Bevorzugt wird im letzt­ genannten Falle Sauerstoff mit einer Reinheit von mindestens 99,5 Gew.-% verwen­ det. Das zweite Arbeitsgas kann Wasserstoff umfassen oder aus Wasserstoff beste­ hen. Prinzipiell eignen sich im erfindungsgemäßen Verfahren alle bekannten Brenn­ gase zur Erzeugung der Gasflamme. Besondere Vorteile sind jedoch mit einer Kombi­ nation von Sauerstoff und Wasserstoff erreichbar.

In Weiterbildung der Erfindung wird zumindest die Gasflamme koaxial mit dem Laser­ strahl auf die Oberfläche des Werkstückes geführt. Durch diese Maßnahme kann die Tiefenwirkung der Flamme zusätzlich gesteigert werden.

Vorteilhafterweise trifft im erfindungsgemäßen Verfahren der Laserstrahl im wesent­ lichen fokussiert auf die Oberfläche des Werkstückes auf. Dies gewährleistet dort einen hohen Energieeintrag pro Flächeneinheit.

Beim Schneiden von beispielsweise Baustahl sind nach den bisher bekannten Ver­ fahren zum Laserschneiden nur Schnitte bis zu einer Tiefe von etwa 20 mm möglich. Mit dem erfindungsgemäßen Hybridverfahren kann merklich tiefer geschnitten werden. Entsprechend verhält es sich bei der Schweißbearbeitung von Werkstücken durch das erfindungsgemäße Verfahren.

Im folgenden wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert. Hierbei zeigt die einzige Figur eine Laserdüse für den Einsatz im erfindungsgemäßen Verfahren.

In der Figur ist eine Laserdüse 1 abgebildet, die in einem nicht näher dargestellten Bearbeitungskopf eingebaut sein kann. Die Laserdüse weist einen zentral angeord­ neten Kanal 2 auf. Durch diesen wird beispielsweise beim Schneiden der Laserstrahl (innerhalb der Düse nicht dargestellt) und Sauerstoff als erstes Arbeitsgas hindurch­ geleitet.

In der Figur ist ein weiterer Gaskanal 3 dargestellt, durch den beispielsweise Wasser­ stoff strömt.

Die Oberfläche des Werkstückes 4 wird sowohl vom Laserstrahl 5 als auch von der durch Verbrennung von Wasserstoff und Sauerstoff erzeugten Gasflamme 6 getroffen.

Claims (8)

1. Verfahren zum Schweißen oder Schneiden eines Werkstückes (4) mittels eines Laserstrahles und eines Arbeitsgasstrahles, die beide durch eine Laserdüse (1) geführt (2) und auf die zu bearbeitende Oberfläche des Werkstückes (4) geleitet werden, wobei mittels der Laserdüse (1) eine Gasflamme (6) erzeugt wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Gasflamme (6) zusätzlich zur Laserstrahlung (5) auf die zu bearbeitende Oberfläche des Werkstückes (4) geführt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Gasflamme (6) auf den Auftreffpunkt des Laserstrahles (5) auf der zu bearbeitenden Oberfläche des Werkstückes (4) gerichtet wird.

3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß aus der Laserdüse (1) ein weiteres Arbeitsgas (3) strömt, welches den ersten Arbeits­ gasstrahl und den Laserstrahl beim Austritt aus der Laserdüse (1) umgibt.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß durch Verbrennung des zweiten Arbeitsgases mit dem ersten Arbeitsgas die Gasflamme (6) erzeugt wird.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das erste Arbeitsgas Sauerstoff enthält oder aus Sauerstoff besteht.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das das zweite Arbeitsgas (3) Wasserstoff umfaßt oder aus Wasserstoff besteht.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest die Gasflamme (6) koaxial mit dem Laserstrahl auf die Oberfläche des Werkstückes (4) geführt wird.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Laserstrahl im wesentlichen fokussiert auf die Oberfläche des Werkstückes (4) trifft.