DE4215561C2

DE4215561C2 - Verfahren und Vorrichtung zum Abtragen von Werkstoff eines relativbewegten metallenen Werkstücks

Info

Publication number: DE4215561C2
Application number: DE4215561A
Authority: DE
Inventors: Joerg Dipl Ing Franke; Wolfgang Dipl Phys Schulz; Gerd Prof Dr Ing Herziger
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 1991-11-19
Filing date: 1992-05-12
Publication date: 1995-04-06
Anticipated expiration: 2012-05-13
Also published as: DE4215561A1

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 R_z<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 [s_d] = 6 · s+b

s_d = Bohrungsdurchmesser in [mm]
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 s_d 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 s_d in Fig. 2 bezeichnet ist. Dieser Bohrungsdurchmesser s_d ist im Vergleich zur Boh rungslänge 25 sehr klein. Das Verhältnis von Bohrungslänge 25 zum Bohrungsdurchmesser s_d 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 s_d wie folgt bemessen ist:

log [s_d] = 6 · s+b

Eine Veranschaulichung dieser Bemessung ergibt sich in Fig. 10. Die Variationsbreite in dem Parameter b liegt darin be gründet, daß der Bohrungsdurchmesser s_d 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 P_Th eine Spannung U_Th, dementsprechend der Verstärker 38 eine Ist-Spannung U_ist dem Vergleicher 40 zuführt. Dieser wird außerdem mit einer Spannung U_grenz beaufschlagt, die auf die mindestens zu erreichende Entzündungstemperatur der Vorheiz stelle 13 abgestimmt ist. Die Differenz von U_grenz und U_ist wird als Differenzspannung U_d 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

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).

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 (s_d) 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 (s_d) von wenigstens 8:1 besitzt.

16. Vorrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß der Bohrungsdurchmesser (s_d) wie folgt bemessen ist: log [s_d] = 6 · s+bs_d = Bohrungsdurchmesser in [mm]
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.