DE3619513A1 - Verfahren zum laserschneiden metallischer werkstuecke - Google Patents
Verfahren zum laserschneiden metallischer werkstueckeInfo
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Description
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Laserschneiden
von metallischen Werkstücken, bei welchem zur Vermeidung von
Grat- und Schlackebildung in dem Brennschnittspalt und zur
Gewährleistung guter Schneidbarkeit sowie gelegentlich zur
Ermöglichung hoher Schneidgeschwindigkeiten ein Schneidgas
verwendet wird, welches wenigstens ein aktives Gas, wie bspw.
Sauerstoff, enthält.
Beim Laserschneiden von metallischen Werkstücken wird üblicher
weise ein Laserstrahl auf das metallische Werkstück, welches
geschnitten werden soll, fokusiert. Gleichzeitig wird ein
Schneidgas, bspw. Sauerstoff, auf das Werkstück mittels einer
Düse geblasen. Das Prinzip einer Laserschneidanlage ergibt sich
im übrigen aus der Zeichnung (Fig. 1). Ein Laserstrahl eines
Lasergerätes, z. B. eines CO2-Lasers, wird mittels einer Linse
durch eine Düsenanordnung hindurch auf das Werkstück fokusiert,
bspw. ein Metallblech. Das Schneidgas, bspw. Sauerstoff, wird
durch eine Einlaßleitung in eine Beruhigungskammer geführt und
koaxial zu dem Laserstrahl durch das Düsenmundstück hinaus auf
das Werkstück gerichtet. Die Düsenanordnung ist in einem
Trägerglied gehalten, in welchem Lagerkugeln drehbar aufgenom
men sind, gegen welche das Werkstück, z. B. das Metallblech,
anliegt. Ein Trägerglied stützt sich an der Unterseite des
Werkstückes, z. B. des Metallbleches, ab und ist mit einem Loch
unterhalb der Düsenanordnung versehen. Das Werkstück, z. B. das
Metallblech, bewegt sich während des Schneidvorganges in einer
vorgegebenen Richtung und kann während der Bewegung bspw. auf
einem beweglichen Koordinatenschneidtisch gehalten sein.
Der Zweck des Schneidgases Sauerstoff ist ein zweifacher:
- a) der Schutz der Linse in der Schneidanlage gegen Spritzer und Schlacke, die während des Schneidprozesses gebildet werden und
- b) das Ausspülen des geschmolzenen Materials und der Schlacke aus dem Brennschnittspalt, der sich infolge des Schneid vorganges ergibt.
Bei diesem geschmolzenen Material wird die Schlacke durch das
Loch in dem Stützglied hindurchgespült. Wenn das Blech aus
Kohlenstoffstahl oder rostfreiem Stahl besteht, erfüllt der
Sauerstoff einen weiteren Zweck, nämlich der chemischen Reak
tion mit dem Stahl zur Erzeugung von Hitze, welches den
Schneidprozeß erleichtert. Somit hat, abgesehen vom Schmelzen
des Bleches durch die Wirkung des Laserstrahls, das Laser
schneiden die Folge einer Stahlverbrennung, wie sie auch bei
dem üblichen Gasschneiden stattfindet.
Bisher wurde beim Laserschneiden ein Schneidgas gefordert, wel
ches möglichst 100% Sauerstoff enthält, da ein derartiges Gas
die besten Ergebnisse hinsichtlich der Schneidgeschwindigkeit
und der Qualität des Brennschnittspaltes ergab. Die hier in
Erwägung gezogenen Eigenschaften hängen von mehreren Parametern
ab. In diesem Zusammenhang seien u. a. erwähnt die Schneidge
schwindigkeit, der Schneidgasdruck (d. h. der Gasdruck in der
Düse), der Düsendurchmesser (d. h. der Lochdurchmesser in dem
Düsenmundstück), der Düsenabstand (d. h. der Abstand zwischen
Düsenmundstück und Werkstück) und schließlich die Laseraus
gangsleistung. Man kann im allgemeinen sagen, daß erhöhter
Schneidgasdruck höhere Schneidgeschwindigkeit ergibt. Der
Schneidgasdruck muß jedoch unter Berücksichtigung der Fokusie
rungslinsen begrenzt bleiben. Das Laserschneiden mit reinem
Sauerstoff als Schneidgas hat jedoch auch Nachteile, insbeson
dere beim Schneiden von rostfreiem Stahl. In dem Werkstück
werden während des Schmelzens des Materials Oxide gebildet.
Diese Oxide werden zusammen mit dem geschmolzenen Material aus
dem Brennschnittspalt geblasen. Ein Teil der Oxide und des
geschmolzenen Materials wird jedoch auf der Unterseite des
Brennschnittspaltes als Grat abgelagert. Diese Grate können
insbesondere bei hochlegiertem Stahl nur schwer entfernt
werden. Beim Schneiden mit reinem Sauerstoff als Schneidgas
wird die geschmolzene Zone mit Schlacke vermischt, d. h. mit
einer Mischung aus Oxiden des Werkstückes. Die Schlackeblätt
chen in dem Brennschnittspalt können Probleme bei dem nach
folgenden Schweißen bewirken. Ein Metallblech, welches mit
reinem Sauerstoff als Schneidgas geschnitten wird, ergibt somit
eine Schweißverbindung, die Schlacketaschen enthält, die nur
schwierig zu entfernen sind. Eine Möglichkeit der Vermeidung
dieser Schwierigkeiten, die mit der Bildung von Oxiden und
nachfolgend eines Grates und der Schlackeformation verbunden
sind, könnten durch Ersatz des Schneidgassauerstoffs durch
Inertgas vermieden werden. Dies führt jedoch zu einer Abnahme
der Schneidgeschwindigkeit auf eine sehr niedrige Rate. Daher
ist ein solcher Prozeß mit erheblichen Nachteilen behaftet.
Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist die Verwirklichung
eines Verfahrens, mittels welchem die zuvor geschilderten
Nachteile vermieden werden können. Das erfindungsgemäße Verfah
ren besteht zur Lösung dieser Aufgabe im wesentlichen darin,
daß das Schneidgas, welches wenigstens ein aktives Gas, wie
Sauerstoff, enthält, mit wenigstens einem im wesentlichen iner
ten Gas, wie bspw. He, N2, Ar, CO2 oder Mischungen dieser Gase,
vermischt wird, welches nur geringe Neigung zur Reaktion mit
dem Material des Werkstückes hat, sowie dadurch, daß die Sauer
stoffkonzentration im Bereich zwischen 30 und 90% des gesamten
Schneidgasgehaltes liegt.
Die Unteransprüche sind auf vorteilhafte Weiterbildungen dieses
Verfahrens gerichtet.
Weitere Ziele, Merkmale, Vorteile und Anwendungsmöglichkeiten
der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden
Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der Zeichnung.
Dabei bilden alle beschriebenen und/oder bildlich dargestellten
Merkmale für sich oder in beliebiger sinnvoller Kombination den
Gegenstand der vorliegenden Erfindung unabhängig von ihrer
Zusammenfassung in den Ansprüchen oder deren Rückbeziehung.
Es zeigt
Fig. 1 den prinzipiellen Aufbau einer Laserschneidanlage und
Fig. 2 und 3 schematisch die Schneidgeschwindigkeit als Funktion
der Sauerstoffkonzentration im Schneidgas bei einer
typischen Schneidgasmischung.
Die Anlage nach Fig. 1 ist oben bereits kurz beschrieben wor
den. Ein Laserstrahl 1 wird über eine Fokusierungslinse 2 durch
eine Düsenvorrichtung 3 und insbesondere deren Düsenmundstück
11 auf das Werkstück 6 gelenkt. Dabei wird das Werkstück 6 auf
einem Trägerglied 9 abgestützt. Das Trägerglied 9 hat ein Loch
10 unmittelbar unterhalb des Düsenmundstückes 11, so daß das
geschmolzene Material und die Schlacke 12 durch das Loch 10
abfließen können. In eine Beruhigungskammer 4 der Düsenvorrich
tung 3 wird seitlich über eine Einlaßleitung 5 Schneidgas zuge
führt und dann koaxial mit dem Laserstrahl 1 durch das Düsen
mundstück 11 auf das Werkstück 6 gerichtet. Die Düsenanordnung
3 ist in einem Trägerglied 7 gehalten, in welchem Lagerkugeln 8
drehbar aufgenommen sind, über welche sich das Stützglied 7 auf
dem Werkstück 6 abstützt. Im Falle der Erfindung wird der
Einlaßleitung 5 bspw. Sauerstoff gemischt mit einem Inertgas
zugeführt. Bei Experimenten wurden He, N2, Ar und CO2 als
zusätzliche Inertgase eingesetzt. Für bestmögliche Ergebnisse
bezüglich Schneidgeschwindigkeit und Brennschnittspalt ist es
wichtig, daß geeignete Werte ausgewählt werden, und zwar für
den Sitz der Linse 2, den Durchmesser des Düsenmundstückes 11
und den Abstand zwischen Düsenmundstück 11 und Werkstück 6.
Außerdem muß ein geeigneter Schneidgasdruck in der Düsenvor
richtung 3 eingestellt werden und eine geeignete Mischung aus
aktiven und inerten Gasen des Schneidgases. Bei einem CO2-Laser
sollte eine Ausgangsleistung von mehr als 400 W eingesetzt
werden. Der Düsendurchmesser kann in der Größenordnung zwischen
0,8 und 1,2 mm liegen und der Düsenabstand in der Größenordnung
zwischen 0,25 und 0,6 mm. Der Schneidgasdruck in der Düsenvor
richtung 3 sollte vorzugsweise im Bereich zwischen 2 und 5 bar
liegen. Mit speziellen Düsenvorrichtungen kann auch ein höherer
Schneidgasdruck eingesetzt werden, also bspw. auch oberhalb von
7 bar.
Die Schneidgasmischung, d. h. beispielsweise die Mischung aus
Sauerstoff und einem Inertgas soll erfindungsgemäß, wie oben
erwähnt, derart sein, daß die Sauerstoffkonzentration im Be
reich zwischen 30 und 90% des Gesamtschneidgasgehaltes liegt.
Wenn eines der Inertgase He, N2, Ar und/oder CO2 verwendet
wird, sollte die Sauerstoffkonzentration beim Schneiden von
hochlegiertem und rostfreiem Stahl im Bereich zwischen 40 und
80% des gesamten Schneidgasgehaltes liegen. Wenn He als Inert
gas ausgewählt ist, sollte die Sauerstoffkonzentration im
Bereich zwischen 45 und 75% des gesamten Schneidgasgehaltes
liegen. Wenn eine der anderen genannten Inertgase N2, Ar
und/oder CO2 ausgewählt sind, sollte die Sauerstoffkonzentra
tion im Bereich zwischen 40 und 70% des gesamten Schneidgas
gehaltes liegen.
Schneidexperimente wurden bei Werkstücken in Form von Blechen
unterschiedlicher Dicke aus nichtlegiertem und hochlegiertem
Material, bspw. rostfreiem Stahl ausgeführt. Die Experimente
erfolgten unter verschiedenen Düsenabständen, wobei die besten
Schneidergebnisse bei möglichst geringen Düsenabständen erhal
ten wurden. Als praktisches Ergebnis können Düsenabstände im
Bereich von 0,3 mm genannt werden. Für den Durchmesser des
Düsenmundstückes erwiesen sich Abmessungen im Bereich von
0,8 mm als praktikabel. Bei den Experimenten wurden die
Schneidgeschwindigkeit, der Gasdruck und die Linsenlage für
jede Blechdicke und Schneidgasmischung verändert, um die
bestmöglichen Schneidbedingungen zu bestimmen.
Die Experimente zeigten im allgemeinen, daß die mögliche
Schneidgeschwindigkeit fällt, wenn der Sauerstoffgehalt in dem
Schneidgas reduziert wird. Bei dem jeweiligen Experiment wurde
die höchste Schneidgeschwindigkeit bei der bestmöglichen Brenn
schnittspaltqualität für Schneidgasmischungen bestimmt, welche
aus Sauerstoff, gemischt mit He, N2, Ar und CO2 bestanden.
Hauptsächlich war es die Größe der Grate an dem Brennschnitt
spalt, welche bei einer Anordnung für die Brennschnittspalt
qualität entscheidend war. Die Fig. 2 und 3 veranschaulichen
die Schneidgeschwindigkeit als Funktion der Sauerstoffkonzen
tration in dem Schneidgas, wobei das Schneidgas mit He gemischt
wurde. Fig. 2 zeigt diese Beziehung beim Schneiden von rost
freiem Stahlblech mit einer Dicke von 0,5 mm und Fig. 3 beim
Schneiden von rostfreiem Stahlblech mit einer Dicke von 1,0 mm.
Diese Kurven zeigen typische Beispiele der Beziehung zwischen
Schneidgeschwindigkeit, Sauerstoffkonzentration und Brenn
schnittspaltqualität. Kurven ähnlicher Form werden für die
anderen oben erwähnten Gase und Gasmischungen erhalten.
Man erkennt aus den Fig. 2 und 3, daß die Schneidgeschwindig
keitskurve einen Tiefstpunkt bei einem Sauerstoffgehalt von
90% hat, und daß die Kurve danach mit abnehmender Sauerstoff
konzentration wieder ansteigt. Bei einer He-Mischung in dem
Schneidgas wird eine maximale Schneidgeschwindigkeit bei einer
Sauerstoffkonzentration in der Größenordnung zwischen 45 und
75% erreicht. In den Fig. 2 und 3 ist auch die Schneidge
schwindigkeit bei 100% He-Schneidgasmischung eingetragen. Hier
liegt die Schneidgeschwindigkeit nur bei etwa 0,5 m/min, also
einem völlig unbefriedigenden Wert. Dies betont die Wichtigkeit
der Anwesenheit von Sauerstoff in dem Schneidgas beim Laser
schneidprozeß. Was die Qualität des Brennschnittspaltes anbe
trifft, wird eine erhebliche Verbesserung insbesondere bei
rostfreiem Stahlmaterial durch die Verwendung einer erfindungs
gemäßen Gasmischung als Schneidgas erreicht. Der Grund hierfür
ist, weil ein Grat an der unteren Kante des Brennschnittspaltes
bei Verwendung von reinem Sauerstoff im Schneidprozeß entsteht.
Dieser Grat kann nur schwer entfernt werden. Das gleiche trifft
für Gasmischungen zu, welche einen Sauerstoffgehalt in der
Größenordnung zwischen 90 und 100% aufweisen. Der Bereich von
80 bis 90% ist ein Übergangsbereich, in welchem der Grat die
Form von Graupeln anzunehmen beginnt. Dies wird deutlicher bei
Sauerstoffgehalten niedriger als 70%. Hier haben die Grate die
Form von Graupeln entlang des Brennschnittspaltes, die leicht,
bspw. mit einer Bürste, beseitigt werden können. Demzufolge ist
diese Verbesserung der Brennschnittspaltqualität eine Aus
wirkung der zuvor erwähnten Zunahme der Schneidgeschwindigkeit.
Es wurde ferner möglich, eine weitere Verbesserung der Brenn
schnittspaltqualität unter Verwendung von erfindungsgemäßem
Gasgemisch als Schneidgas festzustellen und zwar mit Hilfe
metallurgischer Überprüfungen unter Verwendung der Elektronen
mikroskopie. Bei der Verwendung eines erfindungsgemäßen Gasge
misches wurde gefunden, daß die Schmelzzone im Bereich des
Brennschnittspaltes kleiner ist als bei herkömmlichen Schneid
verfahren, und daß diese Zone keine Schlackeplättchen eingela
gert enthält. Infolgedessen wird beim Schweißen bspw. eines
Bleches aus rostfreiem Stahl der Schweißnaht eine saubere,
glatte Oberfläche erteilt, wenn erfindungsgemäß Mischgas als
Schneidgas beim Laserschneiden eingesetzt worden ist.
Unter Verwendung eines Schneidgases beim Laserschneiden, wel
ches aus einem Gasgemisch, bestehend aus einem aktiven Gas, wie
Sauerstoff, und einem Inertgas, wie He, N2, Ar und/oder CO2,
bei welchem die Sauerstoffkonzentration in der Größenordnung
zwischen 30 und 90% des gesamten Schneidgasgehaltes liegt,
besteht, kann das Schneiden sowohl bei nichtlegierten als auch
bei hochlegierten Werkstücken unter angemessenen Bedingungen
ausgeführt werden. Während eine etwas geringere Schneidge
schwindigkeit erhalten wird, erreicht man eine wesentlich
bessere Brennschnittspaltqualität. Bei einem Brennschnittspalt,
welcher sich bei dem erfindungsgemäßen Verfahren ergibt, fehlen
entweder die störenden Grate vollständig oder sie können
einfach entfernt werden. Es treten keine Schlacketaschen an der
Brennschnittspaltoberfläche auf, was für das nachfolgende
Schweißen von erheblichem Vorteil ist.
Die in den Ansprüchen und in der Beschreibung gemachten Pro
zentangaben beziehen sich sämtlich auf Volumen-Prozent.
Claims (6)
1. Verfahren zum Laserschneiden metallischer Werkstücke, bei
welchem zur Vermeidung der Grat- und Schlackebildung in dem
Brennschnittspalt und der Gewährleistung guter Schweißbarkeit
sowie gelegentlich zur Ermöglichung hoher Schnittgeschwindig
keiten ein Schneidgas verwendet wird, welches wenigstens ein
aktives Gas, wie bspw. Sauerstoff, enthält, dadurch gekenn
zeichnet, daß dem Schneidgas wenigstens ein im wesentlichen
inertes Gas, bspw. He, N2, Ar, CO2 oder eine Mischung solcher
Gase, zugemischt wird, welches bzw. welche nur geringe Neigung
zur Reaktion mit dem Material des Werkstückes haben, und daß
die Sauerstoffkonzentration in der Größenordnung zwischen 30
und 90% des gesamten Schneidgasgehaltes liegt.
2. Verfahren nach Anspruch 1 für das Laserschneiden von Werk
stücken aus hochlegiertem oder rostfreiem Material, wie Stahl,
dadurch gekennzeichnet, daß das aktive Gas Sauerstoff gemischt
mit wenigstens einem der Inertgase He, N2, Ar und/oder CO2 ist,
und daß die Sauerstoffkonzentration in der Größenordnung
zwischen 40 und 80% des gesamten Schneidgasgehaltes liegt.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß He
als Inertgas verwendet wird und daß die Sauerstoffkonzentration
in der Größenordnung zwischen 45 und 75% des gesamten Schneid
gasgehaltes liegt.
4. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß Ar
als Inertgas verwendet wird und die Sauerstoffkonzentration in
der Größenordnung zwischen 40 und 70% des gesamten Schneidgas
gehaltes liegt.
5. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß CO2
als Inertgas verwendet wird, und daß die Sauerstoffkonzentra
tion in der Größenordnung zwischen 40 und 70% des gesamten
Schneidgasgehaltes liegt.
6. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß N2
als Inertgas verwendet wird, und daß die Sauerstoffkonzentra
tion in der Größenordnung zwischen 40 und 70% des gesamten
Schneidgasgehaltes liegt.
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