DE19944472B4

DE19944472B4 - Verwendung eines Schneidgases und Verfahren zum Laserstrahlschmelzschneiden

Info

Publication number: DE19944472B4
Application number: DE19944472A
Authority: DE
Inventors: Johann Herrmann; Jürgen Dipl.-Ing. Scholz
Original assignee: Linde GmbH
Current assignee: Linde GmbH
Priority date: 1999-09-16
Filing date: 1999-09-16
Publication date: 2004-07-15
Anticipated expiration: 2019-09-17
Also published as: DE19944472A1

Abstract

Verwendung eines Schneidgases zum Laserstrahlschmelzschneiden, wobei das Schneidgas aus einem zumindest Helium enthaltenden Gemisch besteht, dadurch gekennzeichnet, daß der Heliumanteil zwischen 1 und 75 Vol.-% beträgt.

Description

Die Erfindung betrifft die Verwendung eines Schneidgases zum Laserstrahlschmelzschneiden, wobei das Schneidgas aus einem zumindest Helium enthaltenden Gemisch besteht. Die Erfindung betrifft ferner ein 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.
Die Eigenschaften der Laserstrahlung, insbesondere die Intensität und gute Fokussierbarkeit, haben dazu geführt, daß Laser heute in vielen Gebieten der Materialbearbeitung zum Einsatz kommen. Die Laserbearbeitungsanlagen sind an sich bekannt. In der Regel weisen sie einen Laserbearbeitungskopf, gegebenenfalls mit einer zum Laserstrahl koaxial angeordneten Düse auf. Oftmals werden Laserbearbeitungsanlagen in Verbindung mit einer CNC-Steuerung eingesetzt.

Aus der DD 102 616 ist ein Verfahren zum Laserschneiden von vorzugsweise metallischen Werkstoffen unter Einsatz eines Lasers bekannt, wobei während des Schneidprozesses der Laserstrahl unmittelbar mit einem Schneidgasstrahl gekoppelt ist. Als Schneidgas wird beispielsweise Sauerstoff verwendet. Es wird zusätzlich zum Schneidgas ein Hilfsgas eingesetzt, welches ein bereits für den Laserstrahl benutztes – nämlich insbesondere ein aus dem verbrauchten Gasgemisch des Laserresonators erzeugtes – Gasgemisch als Hilfsgas zur Stabilisierung des Schneidgasstrahls enthält. Das Hilfsgas kann leichte Gase wie Helium und auch andere Gase wie Neon, Stickstoff oder Kohlendioxid enthalten. Die DE 40 16 199 beinhaltet ein Verfahren zum Laserstrahlschneiden, bei welchem der Brennpunkt des Laserstahls oberhalb der Werkstoffoberfläche im Düsenkanal liegt. Als zum Laserstrahlschmelzschneiden geeignete Gase werden Stickstoff, Argon, Helium, Wasserstoff und/oder Druckluft genannt.

Das Laserstrahlschneiden ist das weltweit am häufigsten eingesetzte Laserbearbeitungsverfahren. Beispielsweise werden in Deutschland über 80 % der Laserbearbeitungsanlagen zum Schneiden verwendet. Beim Laserstrahlschneiden wird zwischen den Varianten Laserstrahlbrennschneiden, Laserstrahlschmelzschneiden und Laserstrahlsublimierschneiden 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 Nitridbildung neigen, wie beispielsweise titanstabilisierte Stähle.

Wie bereits erwähnt wird üblicherweise Stickstoff oder Argon als Schneidgas eingesetzt. Beim Laserstrahlschmelzschneiden mit Stickstoff oder Argon sind Qualitätsschnitte 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 Produktionsbedingungen 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 Laserstrahlschmelzschneiden 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, bei welchem der Heliumanteil zwischen 1 und 75 Vol.-% beträgt.

Es hat sich gezeigt, daß mit Hilfe eines Helium enthaltenden Schneidgases das Plasma 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 10 und 70 Vol.-%, vorzugsweise 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 beispielsweise 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 Laserstrahlschmelzschneiden 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 verwendeten 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 Werkstückoberfläche 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 Laserstrahlschmelzschneiden 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 Einstechvorgang zu Beginn eines Schnittes Sauerstoff verwendet werden. Ist der Einstechvorgang 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

Verwendung eines Schneidgases zum Laserstrahlschmelzschneiden, wobei das Schneidgas aus einem zumindest Helium enthaltenden Gemisch besteht, dadurch gekennzeichnet, daß der Heliumanteil zwischen 1 und 75 Vol.-% beträgt.
Verwendung eines Schneidgases nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Heliumanteil zwischen 10 und 70 Vol.-%, vorzugsweise zwischen 30 und 65 Vol.-%, beträgt.
Verwendung eines Schneidgases nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Schneidgas Stickstoff enthält.
Verwendung eines Schneidgases 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.
Verwendung eines Schneidgases nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Schneidgas aus einem binären Gemisch aus Helium und Stickstoff besteht.
Verwendung eines Schneidgases 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.
Verwendung eines Schneidgases nach einem der Ansprüche 1 bis 4 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Schneidgas Argon enthält.
Verwendung eines Schneidgases 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, Stickstoff und Argon, besteht.