Beim schon bekannten Prozeß des Laserschneidens wird der Strahl
eines Hochleistungslasers, wie etwa eines Kohlendioxyd- oder
Nd : YAG-Lasers mit einer Leistung im Bereich von wenigen 100 bis
etwa 2000 Watt durch eine Linse scharf gebündelt und entlang der
gewünschten Schnittlinie über das Werkstück geführt. Dabei wird
das Material, jeweils an der Stelle, an der der Laserstrahl auf
das Werkstück trifft, unterhalb des Fokus der Strahlung aufge
schmolzen. Ist die Intensität der Strahlung groß genug und ist die
Verfahrgeschwindigkeit nicht zu hoch, so bildet sich ein flüssiger
Kanal, der von der Oberseite des Werkstücks bis zu seiner Unter
seite reicht und dessen Ausdehnung im Prinzip durch den Durch
messer des Laserstrahls bestimmt wird. Durch Strahlungsdruck und
Rückstoß in Folge von Verdampfung wird dann flüssiges Material an
der Unterseite des Werkstücks ausgetrieben, womit Materialab
tragung zustande kommt und sich ein Schnittspalt ausbildet. Um das
Austreiben des flüssigen Materials noch wesentlich zu verstärken,
wird zusätzlich zum Laserstrahl ein scharf gebündelter, zum letz
teren koaxialer Gasstrahl, auf den Bearbeitungspunkt gerichtet.
Zu diesem Zwecke ist unterhalb der für die Fokussierung des Laser
strahls verwendeten Linse eine Düse angebracht, durch die sowohl
der gebündelte Laserstrahl wie auch der Schneidgasstrahl zur Werk
stückoberfläche hin austreten. Wird ein reaktives Gas, wie etwa
Sauerstoff verwendet, so tritt noch eine zusätzliche Erwärmung
durch exotherme Reaktion des Sauerstoffs mit dem geschnittenen
Material, wie etwa Stahl auf, was zu einer weiteren Erhöhung der
Effizienz des Prozesses führt (Laserbrennschneiden).In the already known process of laser cutting, the beam
a high power laser, such as a carbon dioxide or
Nd: YAG lasers with an output in the range of a few 100 to
about 2000 watts sharply focused by a lens and along the
desired cutting line over the workpiece. Doing so
the material, in each case at the point at which the laser beam hits
the workpiece strikes below the focus of the radiation
melted. Is the intensity of the radiation high enough and is it
Travel speed is not too high, so a liquid is formed
Channel that runs from the top of the workpiece to its bottom
side is enough and its expansion in principle through the through
knife of the laser beam is determined. By radiation pressure and
Recoil as a result of evaporation then turns to liquid material
expelled the underside of the workpiece, with which material
wearing occurs and a cut gap is formed. To do that
Drive out the liquid material significantly,
is in addition to the laser beam a sharply focused, the last
tter coaxial gas jet, directed at the processing point.
For this purpose it is below that for focusing the laser
used a nozzle through which both
the bundled laser beam as well as the cutting gas beam to the factory
emerge from the surface of the piece. Becomes a reactive gas, such as
If oxygen is used, additional heating occurs
by exothermic reaction of the oxygen with the cut
Material, such as steel on, causing a further increase in
Efficiency of the process leads (laser flame cutting).
Dabei kann etwa Stahl mit einer Dicke von einigen Millimetern mit
einer Geschwindigkeit bis zu einigen Metern pro Minute mit hoher
Schnittqualität geschnitten werden. Es ist auch bekannt, daß man
durch Messung gewisser Größen, wie etwa der reflektierten Schneid
laserstrahlung oder der sichtbaren Lichtemission des flüssigen
Materials im Bearbeitungspunkt während des Bearbeitungsvorganges
Rückschlüsse auf die erzielte Schnittqualität ziehen kann. Wird
die Schnittgeschwindigkeit über den oben genannten Wert gestei
gert, so nimmt die Schnittqualität stark ab und das Werkstück
erwärmt sich kräftig. Beides kommt auch bei zu geringer Schnitt
geschwindigkeit zustande.Steel with a thickness of a few millimeters can be used
a speed up to a few meters per minute at high speed
Cutting quality can be cut. It is also known that one
by measuring certain sizes, such as the reflected cutting
laser radiation or the visible light emission of the liquid
Material in the machining point during the machining process
Can draw conclusions about the cut quality achieved. Becomes
the cutting speed increases above the above value
cut quality and the workpiece
warms up vigorously. Both come even if the cut is too small
speed.
Da die Schnittqualität aus vielen, nur schwer quantifizierbaren,
Teilkomponenten besteht (Schnittbreite, Riefenbildung, Gratbil
dung, Ausdehnung der Wärmeeinflußzone) ist eine Beurteilung nur
nachträglich möglich. Es wäre daher wünschenswert, über die Mes
sung von Größen, die sich während des Bearbeitungsvorganges on-
line erfassen lassen, zuverlässige Informationen zu erhalten, die
Rückschlüsse auf die zur Zeit erzielte Schnittqualität zulassen.Since the cut quality from many, difficult to quantify,
There are sub-components (width of cut, scoring, ridges
extension, expansion of the heat affected zone) is an assessment only
possible later. It would therefore be desirable to know about the Mes
solution of sizes that change during the machining process
let line capture to get reliable information that
Allow conclusions to be drawn about the cutting quality currently achieved.
Durch umfangreiche experimentelle Untersuchungen konnte der
Patentwerber nachweisen, daß durch Temperaturmessungen am Werk
stück in der Umgebung des Bearbeitungspunktes Rückschlüsse auf die
Schnittqualität möglich sind. Ein näheres Verständnis dieser Zu
sammenhänge liefert die Theorie des Laserschneidens:Through extensive experimental investigations, the
Patent applicants prove that temperature measurements at the factory
piece in the vicinity of the processing point conclusions on the
Cut quality are possible. A closer understanding of this To
the theory of laser cutting provides:
Beim Laserschneiden bildet sich eine geschmolzene Zone, die sich
mit der Schneidgeschwindigkeit durch das Werkstück bewegt. Dabei
wird an der in Schneidrichtung gelegenen Vorderseite dieser ge
schmolzenen Zone festes Material aufgeschmolzen, fließt dann in
die Schmelzzone ein und wird dann durch die Reibung zwischen dem
Schneidgasstrahl und der geschmolzenen Masse an der Unterseite des
Werkstücks ausgetrieben, wodurch an der Rückseite der geschmol
zenen Zone Material fehlt und ein Schnittspalt gebildet wird. Für
die Energiebilanz dieses Vorganges sind nun zwei Geschwindigkeiten
maßgebend und zwar einerseits die Schneidgeschwindigkeit, also die
Geschwindigkeit mit der sich die geschmolzene Masse gemeinsam mit
dem Laserstrahl und dem Schneidgasstrahl durch das Werkstück be
wegt und andererseits die Geschwindigkeit mit der sich die Wärme
von der Schmelzzone ausgehend zu den noch kalten Werkstückzonen in
Schneidrichtung hin bewegt. Genauer betrachtet handelt es sich
dabei um diejenige Geschwindigkeit, mit der sich die Schmelztem
peratur in Richtung kälterer Zonen hin fortbewegt. Diese Geschwin
digkeit hängt im wesentlichen vom Quotienten aus Wärmeleitfähig
keit und spezifischer Wärme ab. In Folge des negativen Temperatur-
Koeffizienten der Wärmeleitfähigkeit führt eine Erhöhung der Werk
stücktemperatur zu einer Verringerung der Wärmeausbreitungs
geschwindigkeit.
A molten zone forms during laser cutting
moved through the workpiece at the cutting speed. Here
is ge on the front of this in the cutting direction
melted solid material melted, then flows into
the melting zone and is then affected by the friction between the
Cutting gas jet and the molten mass at the bottom of the
Expelled workpiece, causing the molten at the back
zenen zone material is missing and a cutting gap is formed. For
the energy balance of this process is now two speeds
decisive, on the one hand, the cutting speed, i.e. the
The speed at which the melted mass coexists
the laser beam and the cutting gas beam through the workpiece
moves and on the other hand the speed at which the heat
from the melting zone to the still cold workpiece zones in
Cutting direction moved. Looked at more closely
thereby at the speed with which the melting
temperature in the direction of colder zones. This speed
Essentially depends on the quotient of thermal conductivity
and specific heat. As a result of the negative temperature
Coefficient of thermal conductivity leads to an increase in the factory
piece temperature to reduce the heat propagation
speed.
Ist nun die Schneidgeschwindigkeit etwa gleich groß wie die Ge
schwindigkeit der Wärmeausbreitung, so wird an der jeweiligen
Grenze zwischen geschmolzenem und festem Material die gesamte aus
dem flüssigen Material in Richtung zum festen Material hin
fließende Wärme zum Erwärmen und Aufschmelzen des festen Materials
im Zuge des Vorrückens der geschmolzenen Zone in Schneidrichtung
verwendet und es bleibt kaum mehr Wärme zur Ableitung in die käl
teren Zonen, jedenfalls in Schneidrichtung, übrig, so daß es zu
keiner nennenswerten Erwärmung des Werkstücks kommt, ein Fall, wie
er beim einwandfreien Schneiden von Stahl vorliegt.Now the cutting speed is about the same as the Ge
speed of heat propagation, so at the respective
Boundary between molten and solid material the entire
the liquid material towards the solid material
flowing heat for heating and melting the solid material
as the molten zone advances in the cutting direction
used and there is hardly any heat left to dissipate into the cold
tere zones, at least in the cutting direction, so that it is too
there is no significant heating of the workpiece, a case like
he is present when cutting steel properly.
Ist die Schneidgeschwindigkeit aber kleiner als die Geschwindig
keit der Wärmeausbreitung, so wird einerseits ein beträchtlicher
Teil der vom Laser und durch Reaktion zugeführten Wärme in die
kälteren Zonen des Werkstücks abgeleitet, so daß sich das letztere
dadurch stärker erwärmt. Darüberhinaus wächst die geschmolzene
Zone so lange an, bis ihre Masse für eine stabile Aufrechterhal
tung zu groß wird und sie dann allenfalls als Ganzes abgerissen
wird, worauf sich dann erst wieder eine neue Schmelzzone aufbauen
muß, so daß insgesamt der ganze Vorgang instabil wird und zu fluk
tuieren beginnt, was sich in einer verschlechterten Schnittquali
tät ausdrückt.If the cutting speed is lower than the speed
heat spreading, on the one hand a considerable
Part of the heat supplied by the laser and by reaction into the
derived colder zones of the workpiece so that the latter
thereby warmed more. In addition, the melted grows
Zone until its mass for stable maintenance
tion becomes too large and then at most torn down as a whole
is what a new melting zone builds up on
must, so that the whole process becomes unstable and too flood
Doing begins, which results in a deteriorated editing quality
expresses.
Wird andererseits die Schnittgeschwindigkeit größer gewählt als
die Geschwindigkeit der Wärmeausbreitung, so eilt der Laserstrahl
der geschmolzenen Zone vor, so daß er das Werkstück in noch küh
leren Regionen an der Vorderseite der geschmolzenen Zone (in
Schneidrichtung gesehen) trifft, was dazu führt, daß das Werkstück
kräftig erwärmt wird, aber die geschmolzene Zone eine zu geringe
Energieeintragung erfährt und zu schrumpfen beginnt und
schließlich abreißt, was dann von einem neuerlichen Aufbau der
geschmolzenen Zone gefolgt werden muß. Damit wird aber auch unter
diesen Umständen einer gegenüber der Wärmeausbreitungsgeschwin
digkeit vergrößerten Schneidgeschwindigkeit der ganze Vorgang
instabil und fluktuierend, so daß die Schnittqualität entscheidend
verringert wird. Damit kann man nun verstehen, daß sich bei zu
hoher oder zu niedriger Schneidgeschwindigkeit das Werkstück er
hitzt und die Schnittqualität absinkt, weshalb die Erwärmung des
Werkstücks in einer gewissen Entfernung vom Bearbeitungspunkt ein
zuverlässiges Maß für die beim Schneiden erzielte Schnittqualität
sein muß, was erfindungsgemäß über eine Messung der Temperatur zur
automatischen Prozeßüberwachung in Hinblick auf optimale Schnitt
qualität verwendet werden kann.On the other hand, the cutting speed is chosen to be greater than
the speed of heat propagation, the laser beam hurries
the molten zone so that it still cools the workpiece
regions at the front of the melted zone (in
Seen cutting direction), which leads to the workpiece
is heated vigorously, but the melted zone is too small
Experiences energy entry and begins to shrink and
finally tears off what then of a new build of the
melted zone must be followed. But this is also under
one of these circumstances compared to the heat propagation speed
speed increased the whole process
unstable and fluctuating, so the cut quality is crucial
is reduced. So you can now understand that at too
high or low cutting speed the workpiece
heats and the cut quality drops, which is why the heating of the
Workpiece at a certain distance from the machining point
reliable measure of the cutting quality achieved during cutting
Must be what the invention for measuring the temperature for
automatic process monitoring with regard to optimal cutting
quality can be used.
Auf Grund der oben beschriebenen experimentellen Erfahrungen und
ihrer theoretischen Deutung wird daher erfindungsgemäß vorgeschla
gen, während des Laserschneidens um den Bearbeitungspunkt Tempera
turfühler zur vergleichenden Messung der Werkstücktemperatur anzu
ordnen, wobei sich der eine Sensor unmittelbar beim Bearbeitungs
punkt und der andere in einer etwas größeren Entfernung von diesem
befindet. Meßwert ist die Temperaturerhöhung durch das Laser
schneiden. Ist die Werkstücktemperatur vor dem Schneiden gleich
der Raumtemperatur, so genügt ein Temperaturfühler. Die Entfernung
des Sensors nahe beim Bearbeitungspunkt ergibt sich aus der For
derung, daß einerseits noch eine meßbare Temperaturerhöhung fest
stellbar sein soll, aber andererseits der Temperaturfühler nicht
durch vom Bearbeitungspunkt weggeschleuderte Schmelztröpfchen,
durch reflektierte Strahlung oder andere Emissionen der Bearbei
tungspunkte beschädigt werden darf. Es wird weiters erfindungs
gemäß vorgeschlagen, daß die von diesem Temperaturfühler geliefer
te Spannung durch eine einfache Schwellwertschaltung so überwacht
wird, daß das Überschreiten eines bestimmten Pegels registriert
wird, was zur Erkennung einer Übertemperatur und damit einer ent
weder durch zu hohe oder zu geringe Schnittgeschwindigkeit beding
ten Verschlechterung der Schnittqualität verwendet werden kann,
womit sich diese einfache Vorrichtung dafür eignet, den Schneid
vorgang vollautomatisch in Hinblick auf die Erzielung hoher Bear
beitungsqualität zu überwachen und für den Fall einer Verschlech
terung der Qualität etwa einen Alarm auszulösen, der eine Opti
mierung der Bearbeitungsparameter durch das Bedingungspersonal
ermöglicht und damit den Verlust des gerade bearbeiteten Werk
stücks verhindert. Falls die Temperatur des unbearbeiten Werk
stücks von der Umgebungstemperatur abweicht, muß noch ein zweiter
Temperatursensor verwendet werden, wobei dem erwähnten Schwell
wertschalter dann das Differenzsignal der beiden Ausgangsspan
nungen der Sensoren zugeführt werden muß.
Based on the experimental experience and
their theoretical interpretation is therefore proposed according to the invention
gene, during laser cutting around the Tempera machining point
door sensor for comparative measurement of the workpiece temperature
arrange, the one sensor immediately during processing
point and the other at a slightly greater distance from this
located. The measured value is the temperature increase by the laser
to cut. Is the workpiece temperature the same before cutting
the room temperature, a temperature sensor is sufficient. The distance
of the sensor close to the processing point results from the For
change that on the one hand still a measurable increase in temperature
should be adjustable, but on the other hand not the temperature sensor
through melt droplets flung away from the processing point,
due to reflected radiation or other emissions from the machining
points may be damaged. It is also fiction
proposed according to that supplied by this temperature sensor
voltage is monitored in this way using a simple threshold circuit
is registered that the exceeding of a certain level
is what to detect an overtemperature and thus an ent
neither due to too high or too low cutting speed
deterioration of the cut quality can be used,
which makes this simple device suitable for cutting
process fully automatic with a view to achieving high Bear
to monitor processing quality and in the event of deterioration
quality trigger an alarm that triggers an opti
processing parameters by the condition staff
enables and thus the loss of the currently edited work
piece prevented. If the temperature of the unprocessed work
piece deviates from the ambient temperature, a second must
Temperature sensor can be used, the threshold mentioned
value switch then the difference signal of the two output chips
Solutions of the sensors must be supplied.
Anhand eines bevorzugten Anwendungsbeispiels soll nun die Erfin
dung näher beschrieben werden. Dabei zeigt Fig. 1 den verein
fachten Aufbau dieses bevorzugten Ausführungsbeispiels.Based on a preferred application example, the inven tion will now be described in more detail. Here, FIG. 1 shows the oversimplified design of this preferred embodiment.
Als Laser wird zum Beispiel ein schnell längsgeströmter CO2-Laser
der 1.5 kW Leistungsklasse (1) eingesetzt, dessen Ausgangsstrahl
(2) durch einen Umlenkspiegel (3) um 90° umgelenkt und durch eine
Linse (4) auf das Werkstück (5) fokussiert wird. Diese Linse ist
im Bearbeitungskopf (6) montiert, durch den auch der zum Laser
strahl parallele Schneidgasstrahl (7) erzeugt wird, wobei das
Schneidgas durch den Gaseinlaß (8) zugeführt wird. Das Werkstück
bewegt sich in die Vorschubrichtung (9), während der Bearbeitungs
kopf fix montiert ist. Gemäß der Erfindung sind nun in unmittel
barer Nähe und und in etwas größerer Entfernung vom Bearbeitungs
kopf Temperatursensoren (10, 11) montiert, die die Werkstück
temperaturen an diesen Punkten erfassen. Die der Temperatur pro
portionalen elektrischen Signale der Detektoren werden in Verstär
kern (12, 13) zunächst im Pegel angehoben und dann dem Schwell
wertelement (14) zugeführt. Zuvor wird das Signal des weiter
entfernten Detektors (11) noch invertiert, so daß am Schwellwert
element ein der Differenztemperatur proportionales Signal anliegt.
Das Schwellwertelement aktiviert daher seinen Ausgang, wenn die
Differenztemperatur einen voreingestellten Grenzwert überschrei
tet. Dieses Ausgangssignal löst dann vorzugsweise akustische (15)
oder optische (16) Alarmsignale aus, die anzeigen, daß die Bear
beitungsqualität im Moment nicht den Anforderungen entspricht. In
einem etwas abgewandelten Anwendungsfall kann auch der Temperatur
sensor (11) samt nachgeschalteter Elektronik entfallen und durch
eine Spannungsquelle ersetzt werden, über die dann ein Referenz
wert vorgegeben werden kann.For example, a rapidly longitudinally flowing CO 2 laser of the 1.5 kW power class ( 1 ) is used as the laser, the output beam ( 2 ) of which is deflected by 90 ° by a deflecting mirror ( 3 ) and focused on the workpiece ( 5 ) by a lens ( 4 ) becomes. This lens is mounted in the processing head ( 6 ), through which the cutting gas jet ( 7 ) parallel to the laser beam is generated, the cutting gas being supplied through the gas inlet ( 8 ). The workpiece moves in the feed direction ( 9 ) while the machining head is permanently mounted. According to the invention, temperature sensors ( 10 , 11 ) are now mounted in the immediate vicinity and at a somewhat greater distance from the machining head, which detect the workpiece temperatures at these points. The temperature per proportional electrical signals from the detectors are first increased in level in amplifiers ( 12 , 13 ) and then supplied to the threshold value element ( 14 ). Before that, the signal from the more distant detector ( 11 ) is inverted, so that a signal proportional to the differential temperature is present at the threshold element. The threshold value element therefore activates its output when the differential temperature exceeds a preset limit value. This output signal then preferably triggers acoustic ( 15 ) or optical ( 16 ) alarm signals which indicate that the processing quality at the moment does not meet the requirements. In a slightly modified application, the temperature sensor ( 11 ), including the downstream electronics, can also be omitted and replaced by a voltage source, via which a reference value can then be specified.