DE2352481A1

DE2352481A1 - Schneideverfahren und schneidevorrichtung mit hilfe eines laserstrahls

Info

Publication number: DE2352481A1
Application number: DE19732352481
Authority: DE
Inventors: Jean Martin
Original assignee: Alsacienne Atom
Current assignee: Alsacienne Atom
Priority date: 1972-10-25
Filing date: 1973-10-19
Publication date: 1974-05-22
Also published as: NL7314574A; GB1437237A; BE805989A; FR2217118B1; IT995730B; FR2217118A1

Description

Neue/New Ad(d)ressfe)! I" 8535 DIPL. ING. DIETSICH LEWALD

PATENTANWALT

8 MÜNCHEN 40 BIBNAUKA STKASSE *

GBOUPEMEWT ATOMIQUE AISACIEME ATLANTIQUE 20 Avenue Edouard Herriot, 92350 IE PIESSIS BOBINSON

(Frankreich)

SCHNEIDEVEBFAHBEN UND SCHNEIDEVORRICHTUNG MIT HILFE EINES

LASEBSTBAHLS

Die Erfindung betrifft ein Senneideverfahren und eine Schneidevorrichtung mit Hilfe eines Laserstrahls,

Bekanntlich wird zum Schneiden eines Materials mit Hilfe eines Laserstrahls dieser auf der Oberfläche des zu schmelzenden Materials mit Hilfe von insbesondere einer Vorderlinse gebündelte Es ist ebenfalls bekannt, dass es notwendig ist, gleichzeitig mit dem Laserstrahl einen Gasstrahl einwirken zu lassen, mit dem das verflüssigte Metall fortgeblasen wird, da anderenfalls die durch den Laserstrahl erzeugte feine Schnittrille sich leicht durch Abbröckeln der Seitenwände wieder schliesate .

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Es ist auch bekannt, dass in den meisten Fällen die Vorderlinse aus zerbrechlichem Material gebildet wird und dass sie durch den vorbeifliessenden Gasstrahl geschützt wird.

Ferner ist bekannt, dass man. bei Verwendung eines Gasstrahls, der mit dem Schneidmaterial eine exotherme Reaktion ergibt, ohne qualitative Veränderung des Vorgangs die Schneidgeschwindigkeit und -tiefe des Laserstrahls vergr*dssern kann.

Das erfindungsgemässe Verfahren und die erfindungsgemässe Vorrichtung betreffen insbesondere die Erhöhung der Schnittgeschwindigkeit.

Das erfindungsgemässe Schneidverfahren mit Hilfe eines durch eine Vorderlinse gebündelten Laserstrahls und eines aus einer druckregelbaren Quelle stammenden Gasstrahls, die beide durch eine Düse verlaufen, ist dadurch gekennzeichnet, dass dem mit dem geschmolzenen Material in Berührung tretenden Gasstrahl regelbar eine grosse Energie zugeführt wird, wobei gleichzeitig der Schutz der Vorderlinse gewährleistet bleibt.

Die Vorrichtung, mit der dieses Verfahren verwirklicht wird, kombiniert Regeleinrichtungen, Mittel, mit denen dem Gasstrahl eine hohe Energie zugeführt werden kann, sowie Mittel, mit denen die Vorderlinse des Lasers jedesmal dann geschützt wird, wenn die dem Gas vor Eintritt in die Düse zugeführte Energie dieses empfindliche Bauteil gefährden -rJmite«,

In einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung A09821/0753 _m/_m

handelt es sich um eine Schneidvorrichtung mit Hilfe eines Laserstrahls und eines auf eine Laserstrahlquelle einstellbaren Gasstrahls, die .allgemein zylindrische Form aufweist und mit einem zentralen Kanal ausgestattet ist und ein Regelventil für den Druck des zugeführten Gases, das zuvor auf eine bestimmte Temperatur gebracht worden ist, sowie eine Einstelleinrichtung für das Einblasen des Gases enthält, die unter und in einer bestimmten Entfernung von der Vorderlinse angebracht ist. Es~ ist weiter günstig, dass der zentrale Kanal in einer Konvergenz-Divergenzdüse ausläuft, deren konvergenter Abschnitt einen Querschnitt aufweist, der aus zwei gleichgrossen symmetrischen Kreisbögen in bezug auf die Achse gebildet wird und deren divergenter Abschnitt einen Kegelstumpf darstellt, der leicht zur Achse geneigt ist«

Bs ist leicht einzusehen, dass bei einem gegebenen Druck der Gasdurchfluss entsprechend der Temperatur des Gasstrahls mehr oder weniger gross ist. Liegt die Temperatur des eingeblasenen Gases unter 100° C,.so tritt der Gasstrahl im allgemeinen mit Überschallgeschwindigkeit aus, wenn nur der Gasdruck am Eingang des Kanals einen Wert von einigen Bar erreicht.

Ist das Gas auf eine höhere Temperatur aufgeheizt, beispielsweise auf 200° C, so bleibt bei sonst unveränderten Bedingungen die Zufuhr von Kalorien praktisch gleich, weil der Massendurchsatz entsprechend abnimmt, so dass die Zufuhr von kinetischer Energie vorherrschend bleibt.

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Erst wenn die Gastetnperatur beträchtlich höher liegt, trägt die Berührung des Gases mit.dem Schneidmaterial aktiv zur Vorerwärmung der einige Augenblicke später durch den Laserstrahl berührten Zone bei und erleichtert das Schmelzen und erhöht folglich die Schnittgeschwindigkeit beträchtlich.

Diese zusätzliche Aufheizung kann auch dann eine wichtige Rolle spielen, wenn die chemische Natur des Gasstrahls zu einer exothermen Reaktion mit dem Schneidmaterial bei Vorhandensein des Laserstrahls führt. In diesem Fall beginnt die Reaktion leichter und die Schnittgeschwindigkeit wird entsprechend erhöht.

Im folgenden wird die Erfindung an Hand der beigefügten Zeichnungen im einseinen beschrieben.

Fig. 1 stellt schetnatisch eine erfindungsgetnässe Vorrichtung, die eine erste Verfahrensvariante verwendet, im Schnitt dar.

Fig. 2 zeigt einen vergrösserten Schnitt durch die Gasdüse dieser erfindungsgemässen Vorrichtung.

Fig. 3 zeigt schetnatisch eine Vorrichtung, mit der eine zweite erfindungsgetnässe Verfahrensvariante angewandt wird.

Fig. 1 zeigt eine Vorrichtung, in der der Einfluss der Geschwindigkeit und des Gasdrucks vorherrschend bleiben.

Die erfindungsgemässe Vorrichtung wird an einen Laserstrahlgenerator (nicht dargestellt) mit Hilfe einer zylindrischen Buchse 1 angeschlossen, die die Vorderlinse 2 trägt, die gleichzeitig auch zum Laserstrahlgenerator gehört.

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Eine Gas zuführungsleitung 3 mündet in ein "Ventil 4, durch das der Gasdurchfluss und der Druck des eingeblasenen Gases reguliert wird. Das aus dem Ventil strömende Gas wird in eine ringförmige Kanalisierung"5 geleitet, die Axialöffnungen wie 6 und 7 "besitzt. _ ■

Die zylindrische Hülse 1 wird zu ihrer Basis hin durch eine Düse 8 verlängert. Ein zylindrischer Abschnitt 9 dieser Düse gleitet im Innern einer ringförmigen öffnung 10, die sich im unteren Teil der Hülse 1 befindet; eine Schraubenfeder 11, die in der ringförmigen Öffnung 10 liegt, verhindert, dass der zylindrische Abschnitt 9 der DUse ganzlich in die ringförmige öffnung 10 hineinrutscht. Diese Feder drückt die Düse gegen die Schneidoberfläche 12 mit Hilfe eines Gleitdichtrings 13» der im inneren Teil 14 der Düse sitzt. Der zylindrische Abschnitt 9 gleitet reibungsfrei in der ringförmigen öffnung 10, Er wird durch einen Bollenkranz 16 nach aussen gedrückt, der in einer im Bandbereich 17 der ringförmigen öffnung 10 eingearbeiteten Gleitrille 15 liegt« Sechs Kugelführungen, wie beispielsweise 18, sind symmetrisch zur Achse an der Aussenseite 19 der ringförmigen öffnung 10 angebracht, so dass die Düse sehr leicht und reibungsfrei über die Oberfläche des.zu schneidenden Werkstücks gleitet. Der zylindrische Abschnitt 9 der Düse läuft in einem kegelstumpfartigen Element aus» Am unteren Ende dieses kegelstumpfförmigen Elements findet sich eine öffnung,, die als Konvergenz-Divergenzdüse ausgebildet ist. Der kegelstumpfförmige Abschnitt endet unten in einem abgerundeten Teil 22„ wie es am besten in der

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Fig. Z; die eine Vergrösserung des unteren Teils der Vorrichtung darstellt, zu sehen ist. Der Ausgangsquerschnitt dieses abgerundeten Teils wird aus zwei Kreisabschnitten gebildet, die tangential dem konischen Abschnitt 20 angenähert sind. Jenseits des Kanals 23 findet sich eine Verlängerung dieses Teils in Form eines Kegels 24, der von der Längsachse mit einem Winkel von weniger als 7° divergiert.

Die Rückholfeder 11 bewirkt, dass der untere Teil des Laserstrahls stets auf der Oberfläche des zsu schneidenden Teils ist, woraus sich ergibt, dass der Gasstrahl gegenüber dem Metall stets die gleiche Form aufweist und dass bei einer gegebenen Einstellung des Gasdrucks der Gasstrahl in bezug auf das" zu behandelnde Material stets gleich positioniert ist» Die Form der Düse führt zu einem Ausströmen mit einer Geschwindigkeit, die bei einem Druck von einigen Bar deutlich im Überschallbereich liegt. So dringt das Gas in die Schneidrille ein, wird plötzlich abgebremst, gibt einen grossen Teil seiner Energie ab und bläst das geschmolzene Material durch den vollkommen freigeschnittenen Teil der Schneidrille.

Die Erfahrung zeigt, dass die Sehneidgeschwissdigkeit ziemlich schnell ansteigt, wenn die Austrittgeschwindigkeit des Gases im Überschallbereich liegt.

Bei einem Druck von 5 Bar wurde am Ausgang der Düse eine Geschwindigkeit von angenähert 1,7 Mach gemessen.

Die Temperatur des eingeblasenen Gases w±r<S ~>_; ,Islen 409821/0753

Fällen durch die Art der Vorderlinse 2 begrenzt. Insbesondere bei einem aus einem Licht, dessen Wellenlänge etwa 10 Mikron beträgt, gebildeten Laserstrahl ist es natürlich schwierig, ein Gas mit hoher Temperatur einzublasen, ohne einen wirksamen Schutz für die Vorderlinse bereitzustellen.

Dieser Schutz entspricht der zweiten Variante des Verfahrens, die in den meisten Fällen mit der an Hand der Figuren 1 und 2 beschriebenen Variante kombiniert werden kann. Damit ein heisses Gas wirksam auf das Schneidmaterial einwirken kann,, ist es vorteilhaft _s dass das Gas zur Temperatur des zu schmelzenden Materials einen grösstmöglichen Unterschied aufweist und dass es- mit dem Material unter einem hohen Druck in Berührung tritt„ Diese Bedingung führt zu der Verwendung eines Gleitdichtrings. Es ist ebenfalls notwendig, ein leitendes Gas zu verwenden. Diese Bedingungen sind im allgemeinen nicht mit dem Material der Vorderlinse des Lasers kompatibel. Denn diese Linse kann durch das verwendete Gas infolge der hohen Temperatur geschmolzen werden. Sie kann auch durch chemische Reaktion des verwendeten Gases zersetzt werden. Deshalb ist es notwendig, für die Vorderlinse einen Schutz vorzusehen.

Um zu vermeiden, dass sich das Gas auf seinem Wege abkühlt, ist es notwendig, es so nahe wie möglich am Düsenausgang einzublasen.

Fig. 3 entspricht einer Vorrichtung, die diesen vielfältigen Anforderungen entspricht.

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Die zu einer Laserstrahlquelle gehörende Vorrichtung, deren Vorderlinse 30 gezeigt wird, umfasst einen äusseren Körper, der in etwa die Form eines Zylinders 31 besitzt, in dem eine Leitung 32 für ein unter den Isoliergasen wie beispielsweise Argon oder vorzugsweise Krypton ausgewähltes Schutzgas mundet. Am Ausgang eines Regelventils 33 wird dieses Gas in den durch den Zylinder 31 begrenzten Raum unterhalb der Vorderlinse 30 durch 6 symmetrisch angeordnete Eintritts'dffnungen wie 34 und 35, die in den Zylinder 31 gebohrt sind, eingeblasen. Blenden wie 36 und 37 begrenzen den Gasstrom in Bichtung auf den Ausgang der Düse, Durch eine Austrittsleitung 38» die mit symmetrisch angeordneten Offnungen 39 und 41 Über ein Ventil 42 verbunden ist, kann das Schutzgas entfernt werden. Bis hierher stellt diese Vorrichtung ein Schutzsystem für die Vorderlinse 30 dar.

Das Einblasen des aufgeheizten Gases geschieht hinter der letzten Blende 37 durch eine kreisförmige Öffnung 43, die eine obere Lippe 44 aufweist, durch die das Gas nach, unten und in Bichtung auf den Laserbrennpunkt 45 gelenkt wird.

Diese kreisförmige Öffnung steht mit einem kreisförmigen Aufsatz 46, in den symmetrisch Offnungen wie 47 und 48 gebohrt sind, in Verbindung. Ein regelbares Aufheizgerät 49 ermöglicht mit einer bestimmten Genauigkeit die Einstellung der Temperatur des eingeblasenen Gases.

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Die Austrittsdüse 45 weist, denselben Verlauf auf wie die in Fig. 2 beschriebene*

Daraus ergibt sich,' dass beim Blasen des Gases mit ausreichendem Druck auf die Schneidstelle ein Oberschallstrahl aus der Düse auf das durch den laserstrahl· verflüssigte Material einwirkt und es gründlich entfernt.

Darüber hinaus gibt aufgrund seines Drucks das Gas seine Wärmeenergie direkt an das. gerade geschnittene Material ab und beschleunigt so in hohem Ausmasse die Schnittgeschwindigkeit, insbesondere durch das Aufheizen des zu schneidenden

Materials, . ;

Es kann so nachgewiesen werden» dass, wenn der Bereich der Schnittrille, wo sich der Easerlichtfleck bildet, auf eine !Temperatur von etwa 400° C gebracht wird, die Schnittgeschwindigkeit verdoppelt wird.

Ausserdem trägt die Zufuhr eines auf eine hohe Temperatur gebrachten aktiven Gases dazu bei, eine exotherme Reaktion mit dem Schneidmaterial früher einzuleiten und zu unterhalten, die unter den gewöhnlichen Bedingungen der Zufuhr eines reaktionsfähigen Gases nicht oder nur schwer hervorgerufen werden kömite.

Das erfindungsgemässe Schneidverfahren ermöglicht also in allen Fällen eine Erhöhung der Geschwindigkeit und Vergrösserung der Schnittiefe sowie einen Schnitt,, dessen* chemische Beschaffenheit aen Wünschen des Verwenders Je nach späterer Weiterverarbeitung oder Verwendung entspricht.

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In bestimmten Fällen kann es vorteilhaft sein, die Geschwindigkeit des aus der Düse tretenden Gases zu verrin-. gern und es auf Unterschallgeschwindigkeit zu halten, insbesondere um leichter den Gasdurchsatz regeln zu können. In . diesem Fall bleibt die Zufuhr von Wärmeenergie vorherrschend und die oben angeführten Eigenschaften finden sich in der Vorrichtung wieder.

In anderen Fällen kann es vorteilhaft sein, das Gas nicht unter hohem Druck mit dem geschmolzenen Material in Berührung zu bringen, weil die Temperatur de3 eingeblasenen Gases die Verwendung einer Gleitdichtung problematisch werden lasst. In diesem Fall wird die Düse der Vorrichtung in geringer Entfernung vom Schneidmaterial· gehalten. Das Gas entnimmt dann seine Energie seiner Geschwindigkeit und seiner Temperatur.

Ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen, kann es in bestimmten besonderen Fällen vorteilhaft sein, das eingeblasene Gas in einer bestimmten Entfernung von der Austrittsdüse zu erwärmen oder die Schutzmittel für die Vorderlinse zu verändern.

- Patentansprüche 409821/0753

Claims

PATENTANSPRÜCHE

I lJ Schneidverfahren mit Hilfe eines durch eine Vorderlinse gebündelten Laserstrahls und eines aus einer druckregelbaren Quelle stammenden Gasstrahls, die beide eine Düse durchlaufen, dadurch -=gekenn zeichnet, dass der mit dem schmelzenden Material in Berührung tretende Gasstrahl regelbar einen grossen Energieinhalt aufweist, wobei gleichzeitig die Vorderlinse (2) vor ihm geschützt wird.
2. An eine Laserstrahlquelle anschliessbare Schneidvorrichtung zur Durchführung des Verfahrens gemäss Anspruch 1, mit einem an der einen Seite durch die Vorderlinse des Laserstrahls, auf der anderen Seite durch die Ausgangsdüse des Gases und des Laserstrahls und seitlich durch eine zylindrische Wand begrenzten axialsymmetrischen Raum, wobei in der zylindrischen Wand eine Anzahl von Einlassöffnungen für das aus mindestens einer druckregelbaren Quelle über ein am Eingang der Vorrichtung angebrachtes Ventil herangeführte Gas vorhanden sind, dadurch gekennzeichnet, dass zu der Schneidvorrichtung eine Kombination von Mitteln, mit denen dem Gas eine hohe Geschwindigkeit, ein hoher Druck beim Berühren des zu schneidenden Teils und eine deutliche Temperaturerhöhung verliehen wird, wobei Mittel vorgesehen sind, durch die die Vorderlinse (2)- geschützt wird*
3. Schneidvorrichtung gemäss Anspruch 2, dadurch

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gekennzeichnet, dass eines der Mittel, die dem Gas eine hohe Geschwindigkeit verleihen, durch eine Ausgangsdüse (8) gebildet wird, dessen Achsenquerschnitt eine Symmetrieachse aufweist und durch einen kreisförmigen Teil (22) gebildet wird, der langsam entgegen der Strömungsrichtung in einen geradlinigen Abschnitt (20) übergeht und sich in Strömungsrichtung in einem geradlinigen divergenten Abschnitt (24) fortsetzt, der um weniger als 7° zur Achse geneigt ist.
4. Schneidvorrichtung getnäss Anspruch 3, dadurch gekennze ichnet, dass das Mittel, mit dem das beschleunigte Gas bei Berührung mit dem in Schmelze vorliegenden Material unter einem hohen Druck gehalten wird, darin besteht, der zylindrischen Wand (9) mit axialer Symmetrie eine zylindrische Form zu geben, die eine kreisförmige Aussparung (10) aufweist, in der der zylindrische Teil (9) der Düse (8) unter der Wirkung einer Schraubenfeder (11), die auf dem Grund dieser Aussparung (10) ruht, gleiten kann und so die Düse (8) mit Hilfe eines Gleitdichtrings (13) gegen die Oberfläche des zu schneidenden Materials drückt.
5. Schneidvorrichtung gemäss Anspruch 3, dadurch gekennze ichnet, dass das Mittel mit dem dem Gas eine deutliche Temperaturerhöhung verliehen wird, darin besteht, dieses Gas vor dem Einblasen in die Düse (8) in der Nähe der Austrittsöffnung durch eine Heizvorrichtung (49) zu leiten.

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6. Schneidvorrichtung gemäss Anspruch 5, d a d u r c h g e k einzeichnet, dass das Mittel zum Schutz der Vorderlinse (30) aus einem Strom von neutralem Gas gebildet ■wird, das durch eine Einlassöffnung (34) in der Nähe der Vorderlinse eingeblasen wird und durch eine Öffnung (39) vor dem Einlasskanal (44) für das heisse Gas wieder austritt.
7. Schneidvorrichtung gemäss Anspruch 4, d a d u r c h g e k e η η ζ e i c h η e t, dass das Mittel, mit dem dem Gas unter Druck eine deutliche Temperaturerhöhung verliehen wird, darin besteht, dieses Gas durch eine Heizeinrichtung (49) zu leiten, bevor es in der Nähe der Düsenaustrittsoffnung (8) eingeblasen wird. ·
8. Schneidvorrichtung gemäss Anspruch 7, d a d u r c h gekennzeichnet, dass das Mittel zum Schutz der Vorderlinse durch einen neutralen Gasstrom gebildet wird, der durch eine Einlassöffnung (34) in der Nähe der Vorderlinse (30) eingeblasen wird und durch eine Auslassöffnung (39) vor den Einlasskanal für das heisse Gas (44) wieder austritt.
9. Schneidvorrichtung gemäss Anspruch .8, dadurch gekennzeichnet, dass der Schutz der Linse (30) durch Blenden (36 und 37) gewährleistet wird, die in Strömungsrichtung des Schutzgases, das durch die Offnungen (39) austritt, und vor dem Einlasskanal (44) für das heisse Gas angebracht sind.

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