DE19944472A1

DE19944472A1 - Schneidgas und Verfahren zum Laserstrahlschmelzschneiden

Info

Publication number: DE19944472A1
Application number: DE19944472A
Authority: DE
Inventors: Johann Herrmann; Juergen Scholz
Original assignee: Linde Gas AG
Current assignee: Linde GmbH
Priority date: 1999-09-16
Filing date: 1999-09-16
Publication date: 2001-04-19
Anticipated expiration: 2019-09-17
Also published as: DE19944472B4

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Schneidgas und Verfahren zum Laserstrahlschmelzschneiden hochreflektierender Werkstoffe. Als Schneidgas wird erfindungsgemäß ein zumindest Helium enthaltendes Gemisch eingesetzt. Reproduzierbare Schnitte mit hoher Schnittqualität können insbesondere mit einem Helium und Stickstoff enthaltenden Schneidgasgemisch erzeugt werden.

Description

Die Erfindung betrifft ein Schneidgas zum Laserstrahlschmelzschneiden. Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zum Laserstrahlschmelzschneiden hochreflektierender Werkstoffe, wobei ein fokussierter Laserstrahl auf die zu bearbeitende Werkstück oberfläche geführt wird und ein Schneidgasstrom über mindestens eine Düse gegen die Werkstückoberfläche geleitet wird.

Die Eigenschaften der Laserstrahlung, insbesondere die Intensität und gute Fokussier barkeit, haben dazu geführt, daß Laser heute in vielen Gebieten der Materialbearbei tung zum Einsatz kommen. Die Laserbearbeitungsanlagen sind an sich bekannt. In der Regel weisen sie einen Laserbearbeitungskopf, gegebenenfalls mit einer zum Laser strahl koaxial angeordneten Düse auf. Oftmals werden Laserbearbeitungsanlagen in Verbindung mit einer CNC-Steuerung eingesetzt.

Das Laserstrahlschneiden ist das weltweit am häufigsten eingesetzte Laserbearbei tungsverfahren. Beispielsweise werden in Deutschland über 80% der Laserbearbei tungsanlagen zum Schneiden verwendet. Beim Laserstrahlschneiden wird zwischen den Varianten Laserstrahlbrennschneiden, Laserstrahlschmelzschneiden und Laser strahlsublimierschneiden unterschieden.

Beim Laserstrahlschmelzschneiden wird der Werkstoff durch die Laserstrahlung im Trennfleck aufgeschmolzen. Die Schmelze wird mit einem Schneidgas aus der Schnittfuge ausgetrieben. Das Laserstrahlschmelzschneiden mit Schneidgas unter Hochdruck hat sich beim Schneiden von Edelstählen durchgesetzt, wird aber auch bei anderen Werkstoffen wie Baustählen oder Aluminium verwendet.

Der wesentliche Vorteil des Laserstrahlschmelzschneidens mit einem Schneidgas insbesondere unter Hochdruck liegt darin, daß metallisch blanke Schnittkanten erzeugt werden können.

Als Schneidgas wird üblicherweise ein Inertgas verwendet. Insbesondere kommen als Schneidgase Stickstoff oder auch in Ausnahmefällen Argon zum Einsatz. Argon wird in der Regel bei Werkstoffen eingesetzt, welche mit Stickstoff zu unerwünschter Nitrid bildung neigen, wie beispielsweise titanstabilisierte Stähle.

Wie bereits erwähnt wird üblicherweise Stickstoff oder Argon als Schneidgas einge setzt. Beim Laserstrahlschmelzschneiden mit Stickstoff oder Argon sind Qualitäts schnitte beispielsweise bei Aluminium bis zu Blechdicken von 3 mm möglich. Bei Blechdicken bis zu 5 mm ist mit einem leicht anhaftenden weichen Grat zu rechnen, der aber ohne größere Probleme entfernt werden kann. Größere Blechdicken sind nach heutigem Stand der Technik nicht mehr prozeßsicher zu schneiden. Bei anderen, für die Laserstrahlung hochreflektierenden Werkstoffen wie beispielsweise Messing sind qualitativ hochwertige und reproduzierbare Schnitte unter Produktionsbedingun gen nicht möglich.

Beim Laserstrahlschmelzschneiden von hochreflektierenden Materialien kann es blechdickenabhängig zu einer Plasmabildung im Schnittspalt kommen. Diese Plasmabildung erzeugt einerseits eine geringe Schnittqualität, da beispielsweise eine Bart- oder Gratbildung auftreten kann. Andererseits kann durch das Plasma die kapazitive Höhenabtastung des Laserschneidkopfes ungünstig beeinflußt werden.

Diese Beeinflussung kann sogar dazu führen, daß ein Schnittabbruch eingeleitet wird. Diesen Problemen beim Laserstrahlschmelzschneiden von hochreflektierenden Werkstoffen begegnet man üblicherweise damit, daß die Laser gepulst betrieben werden, damit die mittlere Laserleistung sinkt und damit auch die maximal erzielbare Schneidgeschwindigkeit reduziert wird.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Schneidgas und ein Verfahren der eingangs genannten Art aufzuzeigen, die ein Laserstrahlschmelz schneiden bei Plasmabildung auch erlauben, ohne daß die Schneidgeschwindigkeit verringert werden muß. Insbesondere soll ein qualitativ hochwertiges, prozeßsicheres und reproduzierbares Laserschmelzschneiden ermöglicht werden. Außerdem sollten gegebenenfalls die schneidbare Blechdicken erhöht werden.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit einem Schneidgas gelöst, das aus einem zumindest Helium enthaltenden Gemisch besteht.

Es hat sich gezeigt, daß mit Hilfe eines Helium enthaltenden Schneidgases das Plas ma am besten verdünnt und somit kontrolliert werden kann. Dies liegt darin begründet, daß es bei Helium erst bei Temperaturen zwischen 15.000°C und 20.000°C zu einer Plasmabildung kommt.

In Ausgestaltung der Erfindung beträgt der Heliumanteil zwischen 1 und 75 Vol.-%, vorzugsweise zwischen 10 und 70 Vol.-%, besonders bevorzugt zwischen 30 und 65 Vol.-%.

Vorteilhafterweise kann das Schneidgas Stickstoff enthalten. Qualitativ hochwertige und reproduzierbare Schnitte konnten beispielsweise mit einem Schneidgas erzielt werden, das zumindest 25 Vol.-%, vorzugsweise zwischen 25 und 90 Vol.-%, besonders bevorzugt zwischen 40 und 75 Vol.-%, Stickstoff umfaßt.

Das erfindungsgemäße Schneidgas Kann aus einem binärem Gemisch aus Helium und Stickstoff bestehen. Dabei hat sich ein Gemisch aus 40% He und 60% N₂ beispielswei se beim Schneiden von Messing bewährt.

In Weiterbildung der Erfindung kann das Schneidgas zusätzlich zu oder anstelle von Stickstoff zumindest ein weiteres Edelgas außer Helium enthalten. Insbesondere kann das Schneidgas Argon enthalten. Zum Laserstrahlschmelzschneiden eignen sich Schneidgase aus einem ternären Gemisch, vorzugsweise aus Helium, Stickstoff und einem weiteren Edelgas, bevorzugt aus Helium, Stickstoff und Argon.

Die erfindungsgemäßen Schneidgase eignen sich zur Verwendung beim Laserstrahl schmelzschneiden hochreflektierender Werkstoffe. Unter einem hochreflektierendem Werkstoff ist im Rahmen der Erfindung ein metallischer Werkstoff (reines Metall oder Metallegierung) zu verstehen, der ein höheres Reflektionsvermögen bei der verwen deten Laserstrahlung besitzt als Stähle.

Die oben beschriebenen Schneidgase können erfindungsgemäß in einem Verfahren zum Laserstrahlschmelzschneiden hochreflektierender Werkstoffe eingesetzt werden, wobei ein fokussierter Laserstrahl auf die zu bearbeitende Werkstückoberfläche geführt wird und ein Schneidgasstrom über mindestens eine Düse über die Werkstückober fläche geleitet wird.

Mit Vorteil wird beim Laserstrahlschmelzschneiden ein Schneidgasdruck über 0,3 MPa, vorzugsweise zwischen 0,5 und 2,5 MPa, besonders bevorzugt zwischen 0,75 und 2,0 MPa eingehalten. Die Schneidgasdrücke beziehen sich dabei auf Drücke an der Düse.

Die Erfindung erlaubt ein qualitativ hochwertiges und reproduzierbares Schneiden insbesondere von Messing, Aluminium oder Aluminiumlegierungen. Das Laserstrahl schmelzschneiden nach der Erfindung hat sich als prozeßsicher gezeigt. In vielen Fällen kommt es zu einer Erhöhung der schneidbaren Blechdicken.

Unabhängig vom erfindungsgemäß vorgeschlagenen Schneidgas kann für den Ein stechvorgang zu Beginn eines Schnittes Sauerstoff verwendet werden. Ist der Ein stechvorgang beendet, kann problemlos mit dem erfindungsgemäßen Schneidgas weitergeschnitten werden. Voraussetzung für diese Vorgehensweise ist allerdings eine hierfür geeignete Ausstattung der Bearbeitungsanlage.

Die Erfindung kann grundsätzlich im Zusammenhang mit allen Arten von Lasern zur Anwendung kommen. Vor allem eignen sich für das Laserstrahlschmelzschneiden CO₂-Laser oder Nd : YAG-Laser.

In Versuchen haben sich die Vorteile der Erfindung bestätigt. Beispielsweise konnte beim Laserstrahlschmelzschneiden von Messing mit einer Blechdicke bis zu 4 mm mit einem 3,3 kW CO₂-Laser und einem binären Schneidgasgemisch aus Helium und Stickstoff mit einem Heliumanteil zwischen 35 und 45 Vol.-% und einem Stickstoffanteil zwischen 65 und 55 Vol.-% Qualitätsschnitte erzeugt werden, wobei 30 bis 40% höhere Vorschubgeschwindigkeiten im Vergleich zu reinem Stickstoff als Schneidgas prozeßsicher realisiert werden konnten.

Claims

1. Schneidgas zum Laserstrahlschmelzschneiden, dadurch gekennzeichnet, daß das Schneidgas aus einem zumindest Helium enthaltenden Gemisch besteht.

2. Schneidgas nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Heliumanteil zwischen 1 und 75 Vol.-%, vorzugsweise zwischen 10 und 70 Vol.-%, besonders bevorzugt zwischen 30 und 65 Vol.-%, beträgt.

3. Schneidgas nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Schneidgas Stickstoff enthält.

4. Schneidgas nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Schneidgas zumindest 25 Vol.-%, vorzugsweise zwischen 25 und 90 Vol.-%, besonders bevorzugt zwischen 40 und 75 Vol.-%, Stickstoff enthält.

5. Schneidgas nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Schneidgas aus einem binären Gemisch aus Helium und Stickstoff besteht.

6. Schneidgas nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Schneidgas zusätzlich zu oder anstelle von Stickstoff zumindest ein weiteres Edelgas außer Helium enthält.

7. Schneidgas nach einem der Ansprüche 1 bis 4 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Schneidgas Argon enthält.

8. Schneidgas nach einem der Ansprüche 1 bis 4, 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Schneidgas aus einem ternären Gemisch, vorzugsweise aus Helium, Stickstoff und einem weiteren Edelgas, besonders bevorzugt aus Helium, Stick stoff und Argon, besteht.

9. Verfahren zum Laserstrahlschmelzschneiden hochreflektierender Werkstoffe, wobei ein fokussierter Laserstrahl auf die zu bearbeitende Werkstückoberfläche geführt wird und ein Schneidgasstrom über mindestens eine Düse gegen die Werkstückoberfläche geleitet wird, dadurch gekennzeichnet, daß ein Schneidgas nach einem der Ansprüche 1 bis 8 eingesetzt wird.

10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß bei einem Schneidgas drucke über 0,3 MPa, vorzugsweise zwischen 0,5 und 2,5 MPa, besonders bevor zugt zwischen 0,75 und 2,0 MPa geschnitten wird.

11. Verwendung eines Schneidgases nach einem der Ansprüche 1 bis 8 zum Laserstrahlschmelzschneiden hochreflektierender Werkstoffe, insbesondere zum Laserstrahlschmelzschneiden von Messing, Aluminium oder Aluminiumlegie rungen.