DE4215561C2 - Verfahren und Vorrichtung zum Abtragen von Werkstoff eines relativbewegten metallenen Werkstücks - Google Patents
Verfahren und Vorrichtung zum Abtragen von Werkstoff eines relativbewegten metallenen WerkstücksInfo
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Description
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Abtragen
von Werkstoff eines relativ bewegten metallenen Werkstücks, ins
besondere zum Schneiden von Blech, bei dem die Oberfläche des
Werkstücks zumindest auf die Entzündungstemperatur ihres Werk
stoffs vorgeheizt wird, bei dem ein Strahl eines Brenngases auf
das vorgeheizte Werkstück geblasen wird, der verbrannten Werk
stoff aus einer durch das Verbrennen gebildeten Abtragsvertie
fung wegbläst, und bei dem auf eine Abtragsfront der Abtrags
vertiefung Laserstrahlung eingestrahlt wird.
Aus der US 36 04 890 ist ein Verfahren mit den vorgenann
ten Verfahrensschritten bekannt. Bei dem bekannten Verfahren
sind zwei Laserstrahlen vorhanden, die unterschiedlich fokus
siert sind. Der eine Laserstrahl hat eine kürzere Fokuslänge
und ist auf die Oberfläche des Werkstücks fokussiert. Der
zweite Laserstrahl hat eine größere Fokuslänge und ist über den
Strahlfleck des ersten Laserstrahls in die Tiefe des Werkstücks
fokussiert. Der Strahlfleck dieses zweiten Laserstrahls auf der
Oberfläche des Werkstücks ist also größer, als der Strahlfleck
des ersten Laserstrahls. Letzterer ist ein Vorheizsystem, das
der Vorheizung der Oberfläche des Werkstoffs dient und eine be
grenzte Oxidationsreaktion oder ein Schmelzen veranlaßt. Dabei
trifft jedoch die Laserstrahlung des zweiten Laserstrahls auf
Bereiche der Werkstückoberfläche, die nicht vorgeheizt sind. In
diesen nicht vorgeheizten Bereichen finden Eisen-Brenngas-Reak
tionen statt, die ein Ausbrennen zur Folge haben, so daß uner
wünschte Abtragsvertiefungen nicht zu vermeiden sind, falls die
Vorschubgeschwindigkeit nicht erheblich reduziert wird, um die
erforderliche Oberflächenqualität zu erreichen.
Aus der älteren, nicht vorveröffentlichten DE 40 16 181
ist es bekannt, beim Laserstrahl-Brennschneiden einen heißen
Gasschleier durch Verbrennung von Gas zu erzeugen. Die dabei
bewirkte Vorheizung des Werkstücks bewirkt eine Vermeidung der
Aufhärtung der die Schnittfuge begrenzenden Werkstoffkanten. Es
wird nicht beschrieben, daß die Oberfläche des Werkstücks zu
mindest auf die Entzündungstemperatur ihres Werkstoffs vorzu
heizen sei.
Aus der EP 129 603 A1 ist ein Verfahren bekannt, bei dem
mit einem Laserstrahl geschnitten wird und eine Plasmaquelle
zur Vorheizung der Werkstückoberfläche vorhanden ist. Das ist
nützlich, wenn Arbeitsfluide angewendet werden, die in Richtung
der Laserstrahlung auf den Strahlfleck geblasen werden, um ab
rasiv zu schneiden. Mit der Plasmaquelle wird Hilfsenergie zur
Verfügung gestellt, um dickere Werkstücke auch dann noch
schneiden zu können, wenn die Energie des Laserstrahls allein
nicht ausreicht.
Autogenes Schneiden ist allgemein bekannt. Die Vorheizung
der Oberfläche des Werkstücks auf dessen Entzündungstemperatur
erfolgt mit einem Heizgas, beispielsweise einer Gasmischung aus
Acetylen und Sauerstoff. Hierbei wird der Schmelzpunkt nicht
erreicht. Es wird als wesentlich erachtet, daß Energie des
Heizgases auch in die Schnittfuge gelangt. Als Brenngas wird
Sauerstoff verwendet, mit dem der Werkstoff des Werkstücks zu
Oxid verbrannt wird. Das Oxid wird durch den Druck des Brenn
gases weggeblasen. Es entsteht eine glattwandige Schnittfuge
bzw. eine glattwandige Abtragsvertiefung. Die bei diesem Ver
fahren einzukoppelnde Energie ist im Vergleich zum allgemein
bekannten Laserbrennschneiden vergleichsweise gering, so daß
auch die Schneidgeschwindigkeit entsprechend niedrig ist.
Bei dem allgemein bekannten Laserstrahl-Brennschneiden
wird ein Brenngasstrahl und ein dazu koaxialer Laserstrahl zum
Schneiden von Blechen benutzt. Bei diesem Laserstrahl-Brenn
schneiden von Blechdicken unter 20 mm kann schneller geschnit
ten werden, als beim herkömmlichen autogenen Brennschneiden.
Die Schnittflächen dickerer Bleche weisen jedoch eine geringere
Qualität auf. Bei Blechdicken ab ca. 10 mm nimmt die Anzahl der
Ausbrennungen zu und die gemittelten Rauhtiefen liegen häufig
oberhalb 100 µm. Ausbrennungen und Rauhigkeiten sind auf Turbu
lenzen zurückzuführen, die sich auf der Schnittfront infolge
der einfallenden Laserstrahlung beim Aufschmelzen und Verbren
nen ergeben. Mit dem Auftreten von Turbulenzen ist auch eine
Verringerung der Schneidgeschwindigkeit verbunden.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren
mit den eingangs genannten Merkmalen so zu verbessern, daß die
Abtragsfront bei fortschreitendem Abtragen nicht aus dem Be
reich der Laserstrahlung herausläuft, insbesondere nicht bei
dicken Werkstücken, z. B. bei mehr als 30 mm dicken Stahlble
chen, die infolgedessen einer schnellen Abtragsbearbeitung un
terworfen werden können, bei der die Wände der Abtragsvertie
fung eine Oberflächenrauhtiefe von weniger als 50 µm aufweisen.
Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß das Vorheizen der
Oberfläche des Werkstücks auf zumindest die Entzündungstempera
tur ohne Schmelzen des Werkstoffs erfolgt, daß die Vorheiz
stelle in Relativvorschubrichtung vor der Abtragsfront angeord
net wird, wobei die Vorheizstelle größer ist, als der Auftreff
bereich des Brenngasstrahls auf dem Werkstück.
Für die Erfindung ist die Erkenntnis von Bedeutung, daß
die Erhöhung der Rauhtiefe und die Verringerung der Schnittge
schwindigkeit bei dicken Blechen dann vermieden werden kann,
wenn vor der Einstrahlung der Laserstrahlung auf die Abtrags
front eine Vorheizung der Oberfläche des Abtragbereichs er
folgt. Nur dann kann beim Beginn der Abtragsbearbeitung von der
Werkstückoberfläche aus eine störungsfreie Verbrennung erwartet
werden. Bei diesem Verfahren dient die auf die Abtragsfront
eingestrahlte Laserstrahlung dazu, in die Abtragsvertiefung zu
sätzlich thermische Energie einzukoppeln, um die Schneidge
schwindigkeit zu steigern, ohne bei den Aufschmelzvorgängen
Turbulenzen zu erzeugen. Die Laserstrahlung kann infolgedessen
insbesondere eine Aufheizung und Begradigung der sich an der
Abtragsunterkante abflachenden Abtragsfront bzw. Schneidfront
bewirken. Wird demgegenüber nicht vorgeheizt, so ergeben sich
vom Anschnitt bzw. von den Anfangsstellen der Abtragsbearbei
tung ausgehende Instabilitäten, z. B. bedingt durch dort erfol
gende unterschiedliche Einkopplung von Strahlungsenergie in
folge sich ändernder Reflexionsverhältnisse.
Im Ergebnis ergibt sich ein abbrandstabilisiertes Laser
strahl-Brennschneiden bzw. -abtragen. Bleche von mehr als 30 mm
Dicke haben glatte Schnittflächen, vorzugsweise von Rauhtiefen
mit Rz<50 µm. Die Schnitte sind bartfrei bzw. ein Bart läßt
sich leicht entfernen. Die Schneidgeschwindigkeit ist erhöht
und es sind auch sehr große Blechdicken schneidbar, z. B. 80 mm.
Infolge des abbrandstabilisierten Verbrennens des Werkstoffs
ergibt sich eine zeitlich stabil ablaufende exotherme Reaktion
mit optimaler Energieauswertung des Brenngases und mit optima
ler Einkopplung der Energie der Laserstrahlung in die Abtrags
front. Das Verhältnis der Abtragleistung des Brenngases zur Ab
tragleistung der Laserstrahlung ist um ein Vielfaches größer,
als beim bekannten Laserstrahl-Brennschneiden, woraus dessen
Verbesserung unmittelbar ersichtlich ist.
Zweckmäßigerweise wird die Vorheizstelle mit Laserstrah
lung vorgeheizt. Das Vorheizen mit Laserstrahlung hat den Vor
teil der universellen Einsetzbarkeit und Anpaßbarkeit an den
jeweiligen Bearbeitungsfall. Ein derartiges Vorheizen bietet
insbesondere die Möglichkeit, daß zum Vorheizen des Werkstücks
und zum Einstrahlen in die Abtragsvertiefung Laserstrahlung
derselben Laserstrahlungsquelle verwendet wird. Dabei kann vor
teilhafterweise ein einziger Laserstrahl verwendet werden. Es
können aber auch zwei voneinander getrennt geführte Laserstrah
len zur Anwendung kommen. Damit ist, wie beim bekannten Laser
strahl-Brennschneiden, nur ein einziger Laser erforderlich.
Das Verfahren wird vorteilhafterweise so durchgeführt, daß
die Temperatur der Vorheizstelle geregelt wird. Eine Regelung
der Temperatur an der Vorheizstelle kann dazu benutzt werden,
daß die Entzündungstemperatur an der Vorheizstelle während der
Bearbeitung nicht unterschritten wird, und sie kann dazu be
nutzt werden, daß die Schmelztemperatur nicht erreicht wird.
Die Regelung ist insbesondere erforderlich, wenn die Werkstück
oberfläche z. B. infolge Oxydation von Vorheizstelle zu Vorheiz
stelle unterschiedliches Entzündungsverhalten zeigt. Die Rege
lung hat insbesondere beim Vorheizen mit Laserstrahlung Vor
teile, wenn die Werkstückoberfläche unterschiedliches Absorpti
onsverhalten für die Laserstrahlung hat. Wenn die Temperatur
der Vorheizstelle konstant gehalten wird, können insbesondere
solche Werkstücke optimal bearbeitet werden, bei denen der Un
terschied zwischen der Entzündungstemperatur und der Schmelz
temperatur des Werkstoffs nur gering ist.
Das Verfahren kann auch so durchgeführt werden, daß zum
Vorheizen Induktionsspulen und/oder Lichtbogenelektroden
und/oder Mikrowellenstrahler und/oder Gasbrenner verwendet wer
den. In diesem Fall wird auf herkömmliche Heizmittel zurückge
griffen, deren spezielle Vorteile gezielt eingesetzt werden
können. Beispielsweise wird das Verfahren so durchgeführt, daß
zum Vorheizen mit Heizgas ein Gasbrenner mit einer Ringdüse
verwendet wird, deren Heizabgase koaxial zum Brenngas abströ
men. Die koaxial zum Brenngas abströmenden Heizgase stützen den
Brenngasstrahl, der infolgedessen mit einem sehr kleinen bzw.
nicht aufgeweiteten Durchmesser auf das Werkstück trifft, so
daß die Abtragsvertiefung schmal gehalten werden kann, was beim
Blechschneiden von Vorteil ist. Wie beim bekannten autogenen
Brennschneiden gelangt ein großer Teil der Heizenergie in die
Abtragsvertiefung und steht dort zum Aufschmelzen mit zur Ver
fügung.
Vorteilhafterweise wird das Verfahren so durchgeführt, daß
in die Abtragsvertiefung eingestrahlte Laserstrahlung impuls
weise eingestrahlt wird. Mit der Pulsung kann Einfluß auf die
eingekoppelte Leistung genommen werden. Eine Beeinflussung der
Pulsung erlaubt nicht nur eine Steuerung der Abtragsgeschwin
digkeit, sondern auch eine Einflußnahme auf lokale Schmelz-
bzw. Verbrennungsvorgänge und damit eine Einflußnahme auf die
Oberflächenausbildung der Abtragungswände bzw. deren Rauhtiefe.
Es hat sich als wesentlich erwiesen, die Vorheizstelle ge
gen vorzeitigen Abbrand zu schützen. Ein solcher Abbrand kann
durch seitlich von der Abtragsvertiefung entweichendes Brenngas
erfolgen, oder durch Reaktion mit der Umgebungsatmosphäre. Ein
solcher Schutz kann dadurch erreicht werden, daß die Vorheiz
stelle mit einem Gas bespült wird, das sie gegen eine vorzei
tige Reaktion mit einem anderen Gas schützt. Die Bespülung der
Vorheizstelle mit einem sie gegen eine vorzeitige Reaktion
schützenden Gas kann auch durch ein koaxial zum Brenngas ab
strömendes Heizgas einer vorheizenden Ringdüse erreicht werden,
wobei darauf zu achten ist, daß der Brenngasstrahl vom Schutz
gas- bzw. Heizabgasstrahl nicht abgelenkt oder verunreinigt
wird.
Im Falle sehr großer Blechdicken von z. B. <100 mm kann es
vorteilhaft sein, das Verfahren so durchzuführen, daß die in
die Abtragsvertiefung zusätzlich zum Brenngas eingestrahlte La
serstrahlung reduzierbar und/oder abschaltbar ist. Zum Vorhei
zen kann weiterhin vorteilhafterweise Laserstrahlung benutzt
werden.
Die Erfindung bezieht sich des weiteren auf eine Vorrich
tung zum Abtragen von Werkstoff eines relativ bewegten metalle
nen Werkstücks, insbesondere zum Schneiden von Blech, mit einer
Einrichtung zum Vorheizen der Oberfläche des Werkstücks zumin
dest auf die Entzündungstemperatur ihres Werkstoffs, mit einer
Brenngasdüse, deren Brenngasstrahl mit Druck auf das Werkstück
in die durch Verbrennen des Werkstoffs gebildete Abtragsvertie
fung geblasen ist, und mit auf die Abtragsfront der Abtragsver
tiefung eingestrahlter Laserstrahlung.
Um eine derartige Vorrichtung im Sinne der vorgenannten
Aufgabenstellung auszugestalten, wird die Vorrichtung so ausge
bildet, daß die Vorheizeinrichtung auf eine in Relativvor
schubrichtung vor der Abtragsfront gelegene Vorheizstelle ge
richtet ist, wo sich der Strahlfleck der Vorheizeinrichtung und
der Strahlfleck des Brenngases nicht überschneiden, und daß der
kleinste Düsendurchmesser der Brenngasdüse kleiner ist, als die
Vorheizstelle.
Die Vorrichtung ist vorteilhafterweise so ausgebildet, daß
der Fokus des Laserstrahls oberhalb des Werkstücks angeordnet
ist. Es hat sich erwiesen, daß eine derartige Anordnung des Fo
kus dazu beiträgt, die Schneidgeschwindigkeit zu steigern. Dar
über hinaus kann der das Werkstück neben der Abtragsvertiefung
seitlich bestrahlende Anteil des Laserstrahls zum Vorheizen be
nutzt werden. In diesem Fall ist die durch den Laserstrahl er
zeugte Vorheizstelle größer, als derjenige Bereich, in dem der
Brenngasstrahl auf das Werkstück auftrifft. Es kann mit einem
einzigen Laserstrahl erreicht werden, daß der Brenngasstrahl
stets auf vorgeheizten Werkstoff trifft, und daß auch die Ab
tragsgeschwindigkeit durch in die Abtragsvertiefung einge
strahlte Laserstrahlung gesteigert wird.
Die Vorrichtung wird in einem Bereich dicht am Werkstück
vereinfacht, wenn der Laserstrahl die Brenngasdüse durchsetzt.
Es wird gewährleistet, daß der Laserstrahl infolge seiner ko
axialen Anordnung zum Brenngasstrahl stets an der vorbestimmten
Stelle auf die Abtragsfront auftrifft, insbesondere auch bei
unterschiedlichen Blechdicken. Die Vorrichtung kann so ausge
staltet werden, daß die Brenngasdüse eine zum Werkstück ver
jüngt abgestufte Brennschneiddüse ist, und daß der Fokus des
Laserstrahls in der engsten Düsenstufe angeordnet ist. Die Ab
stufung der Brenngasdüse dient außer zur Formung des Brenngas
strahls auch der Anpassung an die über die Länge des Laser
strahls unterschiedlichen Strahlquerschnitte. Insbesondere be
wirkt die Anordnung des Fokus des Laserstrahls in der engsten
Düsenstufe, daß die Düsenbohrung so klein wie möglich gehalten
werden kann, was für eine große Wurfweite der Düse für den Gas
strahl von Bedeutung ist.
Damit der Durchmesser des Brenngasstrahls möglichst klein
gehalten werden kann und dieser ausschließlich die Breite der
Abtragsvertiefung bestimmt, ist die Vorrichtung so ausgebildet,
daß der kleinste Bohrungsdurchmesser der Brenngasdüse kleiner als die Vorheizstelle
ist.
Damit die Vorrichtung bezüglich ihrer Abtragwirkung an un
terschiedliche Blechdicken angepaßt werden kann, wird sie so
ausgebildet, daß der Bohrungsdurchmesser wie folgt bemessen ist:
log [sd] = 6 · s+b
sd = Bohrungsdurchmesser in [mm]
s = Blechdicke in [mm]
b = empirischer Wert (-0,4<b<0,1).
s = Blechdicke in [mm]
b = empirischer Wert (-0,4<b<0,1).
Die Vorrichtung kann auch so ausgebildet werden, daß ein
Laserstrahl zum Vorheizen der Vorheizstelle in Bezug auf die
Düse voreilend und unter einem spitzen Winkel gegen die Düsen
längsachse angeordnet ist. Eine solche Ausbildung ist insbeson
dere dann vorteilhaft, wenn bei sehr großen Blechdicken nur we
nig oder zeitweise überhaupt keine Laserstrahlung auf die Ab
tragsfront eingestrahlt werden soll, oder wenn zusätzlich zu
einem mit dem Brenngas koaxialen Laserstrahl eine davon unabhän
gige Vorheizung erreicht werden soll. Die Schräganordnung des
Laserstrahls ist insbesondere an eine sich zum Werkstück ver
jüngende äußere Ausbildung der Brenngasdüse angepaßt. Der auf
der Vorheizstelle des Werkstücks abgebildete Vorheizfleck eines
Laserstrahls mit kreisförmigem Querschnitt ist elliptisch. In
folge dieser Längserstreckung gelangt ein entsprechend großer
Anteil in die Abtragsvertiefung und trotz der Schrägstellung
auch auf die Abtragsfront, insbesondere wenn diese bei größeren
Abtragstiefen zunehmend flacher wird.
Bei einer vorteilhaft ausgestalteten Vorrichtung wird La
serstrahlung auf die Abtragsfront gestrahlt und es wird auch
mit Laserstrahlung vorgeheizt, und zwar durch zwei voneinander
separat geführte Strahlen. Um das zu erreichen, wird die Vor
richtung so ausgebildet, daß eine Laserstrahlungsquelle vorhan
den ist, deren Laserstrahlung einem Strahlungsteiler zugeführt
ist, und daß ein erster Anteil der vom Strahlteiler reflektier
ten Strahlung koaxial mit dem Brenngas auf die Abtragsfront und
ein zweiter Anteil auf die Vorheizstelle strahlbar ist. Die
Lasestrahlungsquelle kann ein für die gesamte Vorrichtung ein
ziger Laser sein.
Um Laserstrahlung in die Abtragsvertiefung und an die ge
wünschten Stellen im Bereich um die Abtragsvertiefung herum in
flexibler Weise führen zu können, ist die Vorrichtung so aus
gebildet, daß die Laserstrahlung mit Lichtleitfasern geleitet
ist. Die flexible Anordnung und Einrichtung der Lichtleitfasern
ermöglicht es auch, Nachheizung zu betreiben oder Laserstrah
lung an individuell bestimmte Stellen der Abtragsfront zu lei
ten.
Die Erfindung wird anhand von in der Zeichnung dargestell
ten Ausführungsbeispielen erläutert. Es zeigt:
Fig. 1 einen Vertikalschnitt durch eine Abtragvorrichtung
in schematischer Darstellung,
Fig. 2 eine der Fig. 1 ähnliche Darstellung mit voreilend
angeordnetem Laserstrahl zur Erzeugung einer größe
ren Vorheizstelle,
Fig. 3, 4 Vorrichtungen zum Vorheizen mit Laserstrahlung und
zum zugleich erfolgenden Einstrahlen von Laserstrah
lung auf die Arbeitsfront,
Fig. 5 eine Vorrichtung mit Überwachung einer Vorheizstel
le,
Fig. 6 ein Blockschaltbild zum Regeln der Temperatur der
Vorheizstelle,
Fig. 7 ein Schnittbild eines Werkstücks bei bekanntem
Laserstrahlbrennschneiden,
Fig. 8 ein Schnittbild eines Werkstücks bei einem Laser
strahlbrennschneiden gemäß der Erfindung,
Fig. 9 eine schematische Darstellung der Abhängigkeit der
Leistung von der Vorschubgeschwindigkeit zur Erläu
terung der jeweils
eingekoppelten Leistungsanteile beim herkömmlichen
Laserstrahlbrennschneiden und beim Laserstrahlbrenn
schneiden gemäß der Erfindung,
Fig. 10 die schematische Darstellung der Abhängigkeit des
kleinsten Durchmessers sd der Brenngasdüse von der
Blechdicke s, und
Fig. 11 die Darstellung einer vorteilhaften Intensitätsver
teilung im Querschnitt eines Laserstrahls.
Fig. 1 zeigt ein Werkstück 10, nämlich ein Blech mit der
Dicke s. Zwischen dem Werkstück 10 und einem Laserstrahl 23 er
folgt eine Relativverschiebung in der Richtung 28. Der Laser
strahl 23 ist koaxial zu einer Brenngasdüse 20 angeordnet, mit
der Brenngas 12 auf die Oberfläche 11 des Werkstücks 10 gebla
sen wird. Die Brenngasdüse 20 bzw. deren Bohrung 24 ist zum
Werkstück 10 verjüngend abgestuft und hat eine engste Düsen
stufe 20′, deren Bohrungsdurchmesser sd in Fig. 2 bezeichnet
ist. Dieser Bohrungsdurchmesser sd ist im Vergleich zur Boh
rungslänge 25 sehr klein. Das Verhältnis von Bohrungslänge 25
zum Bohrungsdurchmesser sd ist wenigstens 8 : 1, damit sich eine
möglichst große Wurfweite der Düse 20 für das Brenngas 12 er
gibt. Bei einer derartigen großen Wurfweite wird das Brenngas
12 über eine vergleichsweise große Distanz ohne wesentliche
Strahlaufweitung ausgeblasen, was im Sinne einer schmalen Ab
tragsvertiefung 14 günstig ist. Die beim Schneiden als Schnitt
fuge ausgebildete Abtragsvertiefung 14 ist in den Fig. 1 bis 5
vertikal schraffiert dargestellt. Der Übergang von der Abtrags
vertiefung 14 zu dem noch nicht bearbeiteten, schräg schraf
fierten Bereich des Werkstoffs des Werkstücks 10 bildet die Ab
tragsfront 16. An dieser Abtragsfront 16 findet das Aufschmel
zen und Verbrennen des Werkstoffs statt. Der verbrannte Werk
stoff bzw. dessen Oxid wird durch den Brenngasstrahl weggebla
sen.
Die Laserstrahlung 15 des Laserstrahls 23 wird mit einer
Fokussierlinse 29 der Brennweite 30 fokussiert. Der Fokus 22
ist in der engsten Düsenstufe 20 angeordnet. Die Fokussierung
ist so erfolgt bzw. die Abstufung der Bohrung 24 ist so er
folgt, daß die Innenwände der Düse 20 von der Laserstrahlung 15
nicht berührt werden. Infolge der Anordnung des Fokus 22 ober
halb der Werkstückoberfläche 11 ergibt sich aus der Düse 20
heraus eine Aufweitung des Laserstrahls 23, die dazu führt, daß
ein entsprechender Anteil der Laserstrahlung nicht in die Ab
tragsvertiefung 14 auf die Abtragsfront 16 eingestrahlt wird,
sondern den Werkstoff im Bereich einer um die Schnittfront
herum gelegenen Vorheizstelle 13 vorheizt.
Die Vorheizung des Werkstücks 10 erfolgt so, daß der Werk
stoff der Vorheizstelle 13 mit dem Brenngas 12 entzündet werden
kann. Er verbrennt dabei unter Oxidation und wird durch den
Druck des Strahls des Brenngases 12 weggeblasen. Infolgedessen
vertieft sich die Abtragsvertiefung 14 unter Bildung der sche
matisch dargestellten Abtragsfront 16. Als Brenngas 12 wird
beispielsweise Sauerstoff verwendet. Bewährt hat sich für
Stahlwerkstoffe und Titan die Verwendung von Sauerstoff mit ei
ner Reinheit von mindestens 99,5%. Das Brenngas oder ein Gasge
misch reagiert mit dem zu schneidenden Werkstoff exotherm. Die
infolgedessen freiwerdende Leistung und die auf die Abtrags
front eingestrahlte Strahlungsleistung bilden gemeinsam die Ab
tragsleistung. Von dieser Abtragsleistung wird Werkstoff aufge
schmolzen, verbrannt und die Verbrennungsrückstände 31 werden
durch den Brenngasstrahl 12 weggeblasen.
Fig. 9 zeigt den Verlauf der notwendigen Leistung 32 zum
Abtragen für ein 20 mm dickes Stahlblech als Funktion der Vor
schubgeschwindigkeit. Kurve 43 zeigt die notwendige Laserlei
stung beim herkömmlichen Laserbrennschneiden, wenn also Sauer
stoff auf die Werkstückoberfläche 11 geblasen wird und die La
serstrahlung ohne Vorheizung des zu schneidenden Werkstoffs
eingekoppelt wird. Bei wachsenden Vorschubgeschwindigkeiten er
gibt sich ein sehr steiler Anstieg der Kurve 43 für die notwen
dige Laserleistung, was gleichbedeutend mit dem Abfall des Ver
hältnisses der durch den reaktiven Brenngasstrahl einkoppelba
ren Leistung zur Laserleistung ist. Zugleich ergibt sich aus
Fig. 7 für ein 50 mm starkes Blech beim herkömmlichen Laser
strahlbrennschneiden, daß die Oberflächenrauhigkeit erheblich
ist, verbunden mit einer vergleichsweise geringen Schneid- bzw.
Vorschubgeschwindigkeit des Werkstücks.
Gemäß Fig. 1 wird die Vorheizstelle 13 auf eine unterhalb
der Schmelztemperatur liegende Temperatur vorgeheizt, die je
doch gleich oder größer als die Entzündungstemperatur ist. Die
Vorheizstelle ist vergleichsweise groß, so daß der Strahl des
Brenngases 12 auf eine entzündbare Fläche des Werkstoffs trifft
und diesen verbrennt. Infolge der Größe der Vorheizstelle wird
eine vollständige Ausleuchtung des Abtragungsbereichs mit La
serstrahlung gewährleistet und damit verhindert, daß die Ab
tragsfront bei zu starker Eisen-Sauerstoff-Reaktion aus dem Be
reich des Laserstrahls herausläuft, wobei die Abtragsreaktion
erlischt, was zum Ausbrennen an der Abtragsfront bzw. an den
Seitenwänden der Abtragsvertiefung führen könnte. Demgegenüber
wird bei einem Abtragen mit Vorheizung bei einer Zündleistung
von wenigen 100 W auf der Vorheizstelle an der Blechoberfläche
ein Abtragvorgang unterbrechungsfrei aufrechterhalten und es
hat sich erwiesen, vgl. Fig. 9, Kurve 44, daß nur eine ver
gleichsweise geringe Laserleistung über die Abtragsfront 16
eingekoppelt werden muß, um mit hohen Vorschubgeschwindigkeiten
arbeiten zu können. Darüber hinaus zeigt Fig. 8, daß die Ober
flächenqualität unvergleichlich viel besser ist.
Wird mit einem einzigen Laserstrahl 23 sowohl auf die Ab
tragsfront 16 eingestrahlt, wie auch vorgeheizt, so kann der
Anteil der Vorheizleistung infolge der Geometrie des Laser
strahls 23 leicht zu groß sein. Es ist daher sehr vorteilhaft,
wenn die Intensitätsverteilung im Laserstrahl 23 beeinflußt
werden kann. Insbesondere könnte dies gemäß Fig. 11 geschehen,
wobei der Laserstrahl 23 in seiner Mitte bei r=0 ein Maximum 33
hat, das in einigem Abstand von einem ringförmigen Nebenmaximum
34 umgeben ist, welches den Radius r₁ aufweist. Gemäß der rech
ten Darstellung in Fig. 11 entspricht der Durchmesser des Maxi
mus 33 etwa der Weite w der Abtragsvertiefung, so daß der
Hauptteil der Leistung des Laserstrahls 23 zum Abtragen des
Werkstücks 10 eingekoppelt wird, während die Vorheizung der
Vorheizstelle 13 mit dem Nebenmaximum 34 erreicht wird. Da die
Energieverteilung durch die Beeinflussung des Maximums 33 bzw.
des Nebenmaximums 34 problemlos gesteuert werden kann, ist eine
entsprechende Steuerung in Abhängigkeit von der Vorschubge
schwindigkeit leicht möglich.
Fig. 2 zeigt eine Anordnung zum Abtragen von Werkstoff mit
einer Brenngasdüse 20, die gemäß Fig. 1 ausgebildet und angeord
net ist. Sie dient jedoch nicht dem Durchtritt von Laserstrah
lung. Vielmehr ist ein Laserstrahl 23 mit seiner Achse 23′ um
einen Winkel α gegen die Längsachse 20′′ der Düse 20 geneigt
angeordnet, und zwar in Richtung der relativen Vorschubrichtung
28 vorlaufend. Die Fokussierung durch die Linse 29 erfolgt so,
daß der Fokus 22 oberhalb der Werkstückoberfläche 11 angeordnet
ist und Laserstrahlung 17 auf eine in Relativvorschubrichtung
28 vor der Abtragsfront 16 gelegene Vorheizstelle 13 ein
strahlt. Die Vorheizstelle 13 wird auf mindestens die Entzün
dungstemperatur vorgeheizt. Die Neigung des Laserstrahls 23 be
wirkt einen elliptischen Strahlfleck. Dieser ragt über das
obere Ende der Abtragsfront 16 hinaus, so daß infolgedessen ein
Anteil der Laserstrahlung 15 in die Abtragsvertiefung 14 und
bei schräg liegender Abtragsfront 16 auch auf diese einge
strahlt werden kann. Das kann mit Sicherheit dadurch ausge
schlossen werden, wenn sich der Strahlfleck der Strahlung 15
und der Strahlfleck des Brenngases 12 nicht überschneiden. In
diesem Fall bewirkt der Laserstrahl 23 lediglich die Vorheizung
der Vorheizstelle 13. Auch durch die Relativlage von Laser
strahlfleck und Brenngasstrahlfleck kann Einfluß auf den Ablauf
des Abtragsverfahrens genommen werden. Die Anwendung von Laser
strahlung außerhalb der Bohrung 24 der Brenngasdüse 20 eröffnet
die Möglichkeit, sowohl die Düse 20 für sich als auch die La
serstrahlung 15 für sich optimal auf das Abtragsverfahren abzu
stimmen.
Eine optimale Abstimmung der Brenngasdüse 20 wird dann er
reicht, wenn ihr Bohrungsdurchmesser sd wie folgt bemessen ist:
log [sd] = 6 · s+b
sd = Bohrungsdurchmesser in [mm]
s = Blechdicke in [mm]
b = empirischer Wert (-0,4<b<0,1).
s = Blechdicke in [mm]
b = empirischer Wert (-0,4<b<0,1).
Eine Veranschaulichung dieser Bemessung ergibt sich in
Fig. 10. Die Variationsbreite in dem Parameter b liegt darin be
gründet, daß der Bohrungsdurchmesser sd mit wachsendem Gasdruck
abnehmen kann. Die kleinsten Bohrungsdurchmesser lassen sich mit
Überschalldüsen realisieren.
Die Fig. 3 bis 5 zeigen, wie eine Vorrichtung zum Abtragen
optimal ausgebildet werden kann, wenn die Vorheizstelle 13 mit
besonders geführtem Laserstrahl vorgeheizt wird. Gemäß Fig. 3
wird die Laserstrahlung 18′ einer nicht dargestellten Strah
lungsquelle 18 einem Strahlungsteiler 26 zugeführt. Dieser ist
Bestandteil einer Einrichtung 19 zum Vorheizen der Oberfläche
11 des Werkstücks 10. Der Strahlungsteiler 26 ist ein mit einer
Bohrung versehener Umlenkspiegel, von dem ein erster, größter
Anteil 26′ zu einem Fokussierspiegel 35 reflektiert wird, der
diesen Anteil als Laserstrahl 23 durch die Düse 20 in die Ab
tragsvertiefung 14 fokussiert. Die abgestufte Ausbildung der
Düse 20 ist auch in diesem Fall der Formgebung des Laserstrahls
23 entsprechend günstig, bei der der Fokus des Laserstrahls in
der Abtragsvertiefung liegt. Durch die Bohrung des Strahlungs
teilers 26 gelangt ein zweiter Strahlungsanteil 26′′ auf einen
Fokussierspiegel 36, von dem aus die Vorheizstelle 13 bestrahlt
wird.
Fig. 4 zeigt die Fokussierung eines Laserstrahls 23 mit ei
ner Fokussierlinse 29 durch eine abgestufte Bohrung 24 einer
Brenngasdüse 20 hindurch in die Abtragsvertiefung 14. Der Vor
heizung der Vorheizstelle 13 dient ein separater Laserstrahl,
der über mehrere Lichtleitfasern 27 einer Einrichtung 19 in die
Abtragsumgebung geleitet wird. Die Lichtleitfasern 27 enden in
der Nähe der Werkstückoberfläche 11 dort, wo sie vorheizen sol
len. Die Lichtleitfasern 27 können den baulichen Anforderungen
des Laserkopfes entsprechend um die Schneidgasdüse 20 herum an
geordnet werden. Die von ihnen erreichte Aufheizungsgeometrie
entspricht praktisch derjenigen einer Ringdüse, wie sie beim
Vorheizen mit Heizgas hier eingesetzt werden könnte.
Fig. 5 zeigt eine der Fig. 3 ähnliche Ausgestaltung mit ei
nem Strahlungsdetektor in Gestalt einer Fotodiode 37. Sie ist
gemäß Fig. 6 über einen Vergleicher 40 an einen Regler 39 ange
schlossen. Die Fotodiode 37 nimmt Wärmestrahlung der Vorheiz
stelle 13 auf und erzeugt entsprechend der aufgenommenen Lei
stung PTh eine Spannung UTh, dementsprechend der Verstärker 38
eine Ist-Spannung Uist dem Vergleicher 40 zuführt. Dieser wird
außerdem mit einer Spannung Ugrenz beaufschlagt, die auf die
mindestens zu erreichende Entzündungstemperatur der Vorheiz
stelle 13 abgestimmt ist. Die Differenz von Ugrenz und Uist wird
als Differenzspannung Ud dem Regler 39 zugeführt, der den Laser
bzw. die Laserstrahlungsquelle 18 entsprechend beaufschlagt.
Als Beispiel ist angegeben, daß über die Elektrodenspannung des
Lasers die Gasentladung beeinflußt wird, so daß das infolgedes
sen abgegebene Licht bzw. die Laserstrahlung die Temperatur der
Vorheizstelle 13 steigert oder absenkt oder konstant hält.
Claims (20)
1. Verfahren zum Abtragen von Werkstoff eines relativ bewegten
metallenen Werkstücks (10), insbesondere zum Schneiden von
Blech, bei dem die Oberfläche (11) des Werkstücks (10) zu
mindest auf die Entzündungstemperatur ihres Werkstoffs
vorgeheizt wird,
bei dem ein Strahl eines Brenngases (12) auf das vorge heizte Werkstück (10) geblasen wird, der verbrannten Werk stoff aus einer durch das Verbrennen gebildeten Abtrags vertiefung (14) wegbläst,
und bei dem auf eine Abtragsfront (16) der Abtragsvertie fung (14) Laserstrahlung (15) eingestrahlt wird, dadurch gekennzeichnet, daß das Vorheizen der Oberfläche (11) des Werkstücks (10) auf zumindest die Entzündungstemperatur ohne Schmelzen des Werkstoffs erfolgt,
daß die Vorheizstelle (13) in Relativvorschubrichtung vor der Abtragsfront (16) angeordnet wird,
wobei die Vorheizstelle (13) größer ist, als der Auf treffbereich des Brenngasstrahls auf dem Werkstück (10).
bei dem ein Strahl eines Brenngases (12) auf das vorge heizte Werkstück (10) geblasen wird, der verbrannten Werk stoff aus einer durch das Verbrennen gebildeten Abtrags vertiefung (14) wegbläst,
und bei dem auf eine Abtragsfront (16) der Abtragsvertie fung (14) Laserstrahlung (15) eingestrahlt wird, dadurch gekennzeichnet, daß das Vorheizen der Oberfläche (11) des Werkstücks (10) auf zumindest die Entzündungstemperatur ohne Schmelzen des Werkstoffs erfolgt,
daß die Vorheizstelle (13) in Relativvorschubrichtung vor der Abtragsfront (16) angeordnet wird,
wobei die Vorheizstelle (13) größer ist, als der Auf treffbereich des Brenngasstrahls auf dem Werkstück (10).
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die
Vorheizstelle (13) mit Laserstrahlung (17) vorgeheizt
wird.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß zum
Vorheizen des Werkstücks (10) und zum Einstrahlen in die
Abtragsvertiefung (14) Laserstrahlung (15, 17) derselben
Laserstrahlungsquelle (18) verwendet wird.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch ge
kennzeichnet, daß die Temperatur der Vorheizstelle (13)
geregelt wird.
5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die
Temperatur der Vorheizstelle (13) konstant gehalten wird.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch ge
kennzeichnet, daß zum Vorheizen Induktionsspulen und/oder
Lichtbogenelektroden und/oder Mikrowellenstrahler und/oder
Gasbrenner verwendet werden.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch ge
kennzeichnet, daß zum Vorheizen mit Heizgas ein Gasbrenner
mit einer Ringdüse verwendet wird, deren Heizabgase ko
axial zum Brenngas (12) abströmen.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch ge
kennzeichnet, daß in die Abtragsvertiefung (14) einge
strahlte Laserstrahlung (15) impulsweise eingestrahlt
wird.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch ge
kennzeichnet, daß die Vorheizstelle (13) mit einem Gas be
spült wird, das sie gegen eine vorzeitige Reaktion mit ei
nem anderen Gas schützt.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch ge
kennzeichnet, daß die in die Abtragsvertiefung (14) zu
sätzlich zum Brenngas (12) eingestrahlte Laserstrahlung
(15) reduziert und/oder abgeschaltet wird.
11. Vorrichtung zum Abtragen von Werkstoff eines relativ beweg
ten metallenen Werkstücks (10), insbesondere zum Schneiden
von Blech, mit einer Einrichtung (19) zum Vorheizen der
Oberfläche (11) des Werkstücks (10) zumindest auf die Ent
zündungstemperatur ihres Werkstoffs,
mit einer Brenngasdüse (20), die einen Brenngasstrahl mit Druck auf das Werkstück (10) in die durch Verbrennen des Werkstoffs gebildete Abtragsvertiefung (14) bläst, und mit auf die Abtragsfront (16) der Abtragsvertiefung eingestrahlter Laserstrahlung, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorheizeinrichtung (19) auf eine in Relativvor schubrichtung vor der Abtragsfront (16) gelegene Vorheiz stelle (13) gerichtet ist, wo sich der Strahlfleck der Vorheizeinrichtung und der Strahlfleck des Brenngases nicht überschneiden,
und daß der kleinste Düsendurchmesser (sd) der Brenngas düse (20) kleiner ist, als die Vorheizstelle (13).
mit einer Brenngasdüse (20), die einen Brenngasstrahl mit Druck auf das Werkstück (10) in die durch Verbrennen des Werkstoffs gebildete Abtragsvertiefung (14) bläst, und mit auf die Abtragsfront (16) der Abtragsvertiefung eingestrahlter Laserstrahlung, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorheizeinrichtung (19) auf eine in Relativvor schubrichtung vor der Abtragsfront (16) gelegene Vorheiz stelle (13) gerichtet ist, wo sich der Strahlfleck der Vorheizeinrichtung und der Strahlfleck des Brenngases nicht überschneiden,
und daß der kleinste Düsendurchmesser (sd) der Brenngas düse (20) kleiner ist, als die Vorheizstelle (13).
12. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß
der Fokus (22) des Laserstrahls (23) oberhalb des Werk
stücks (10) angeordnet ist.
13. Vorrichtung nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeich
net, daß der Laserstrahl (23) die Brenngasdüse (20) durch
setzt.
14. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 13, dadurch ge
kennzeichnet, daß die Brenngasdüse (20) eine zum Werkstück
(10) verjüngt abgestufte Brennschneiddüse ist, und daß der
Fokus (22) des Laserstrahls (23) in der engsten Düsenstufe
(20′) angeordnet ist.
15. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 14, dadurch ge
kennzeichnet, daß die Brenngasdüse (20) eine schlanke Boh
rung (24) mit einem Verhältnis von Bohrungslänge (25) zu
Bohrungsdurchmesser (sd) von wenigstens 8:1 besitzt.
16. Vorrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet,
daß der Bohrungsdurchmesser (sd) wie folgt bemessen
ist:
log [sd] = 6 · s+bsd = Bohrungsdurchmesser in [mm]
s = Blechdicke in [mm]
b = empirischer Wert (-0,4<b<0,1).
s = Blechdicke in [mm]
b = empirischer Wert (-0,4<b<0,1).
17. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 16, dadurch
gekennzeichnet, daß ein Laserstrahl (17′) zum Vorheizen
der Vorheizstelle (13) in Bezug auf die Düse (20) vorei
lend und unter einem spitzen Winkel (α) gegen die Düsen
längsachse (20′′) angeordnet ist.
18. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 17, dadurch
gekennzeichnet, daß eine Laserstrahlungsquelle (18) vorhanden
ist, deren Laserstrahlung (18′) in einem Strahlungsteiler
(26) in einen ersten Anteil (26′),
den der Strahlteiler (26) reflektiert und der
koaxial mit dem Brenngas (12) auf die Abtragsfront (16) trifft
und in einen zweiten Anteil (26′′) aufspaltet, der auf die Vorheizstelle (13) trifft.
19. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 18, gekennzeichnnet
durch Lichtleitfasern (27) zur Führung der Laserstrahlung (17).
20. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 19, dadurch
gekennzeichnet, daß die Intensitätsverteilung des Laserstrahls
(23) in der Mitte ein Maximum (33) und in einigem Abstand zur
Mitte ein ringförmiges Nebenmaximum (34) aufweist.
Priority Applications (5)
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US08/672,871 US5847358A (en) | 1991-11-19 | 1996-06-28 | Method and apparatus for removing material from metal workpieces moved relative to a laser removal tool |
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CN113814566B (zh) * | 2021-09-18 | 2023-09-29 | 重庆溯联塑胶股份有限公司 | 新能源汽车冷却系统接头激光焊接机构 |
EP4201576A1 (de) * | 2021-12-22 | 2023-06-28 | Bystronic Laser AG | Lasers-reaktive-schneidverfahren und -vorrichtung zum schneiden von dicken metall werkstücken |
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WO1991010533A1 (en) * | 1990-01-19 | 1991-07-25 | Fanuc Ltd | Method of laser cutting work |
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- 1992-05-12 DE DE4215561A patent/DE4215561C2/de not_active Expired - Lifetime
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Also Published As
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DE4215561A1 (de) | 1993-05-27 |
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