DE4403726A1

DE4403726A1 - Verfahren zum Laserschneiden, insbesondere von hochlegierten Stählen, mit einem Schneidgas

Info

Publication number: DE4403726A1
Application number: DE4403726A
Authority: DE
Inventors: Andreas Dr Mootz; Peter Heine
Original assignee: Messer Griesheim Schweisstechnik GmbH and Co
Current assignee: Messer Griesheim Schweisstechnik GmbH and Co
Priority date: 1994-02-07
Filing date: 1994-02-07
Publication date: 1995-08-10

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Laserschnei den, insbesondere von hochlegierten Stählen, mit einem Schneidgas.

Beim Laserschneiden wird im allgemeinen in Abhängigkeit des jeweils zugrundeliegenden Wirkprinzips zwischen drei Verfahrensvarianten unterschieden, nämlich dem Laser strahl-Brennschneiden, dem Laserstrahl-Schmelzschneiden und dem Laserstrahl-Sublimierschneiden.

Für das Schneiden metallischer Werkstoffe kommen alle Verfahrensvarianten in Betracht, die größte Bedeutung besitzen jedoch das Laserstrahl-Brennschneiden und das Laserstrahl-Schmelzschneiden.

Beim Laserstrahl-Brennschneiden erwärmt der (fokussierte) Laserstrahl den zu schneidenden Werkstoff örtlich. Durch einen Sauerstoffstrahl, der auf die erwärmte Stelle auf trifft, reagiert der Werkstoff mit dem Sauerstoff exo therm, d. h. der Werkstoff wird verbrannt. Die entstehende Schlacke wird durch den Schneidgasstrahl ausgetrieben. Insbesondere beim Schneiden hochlegierter Stähle ent steht auf der Schnittfläche eine relativ harte und rauhe Oxidschicht, deren Beschaffenheit sowohl vom Werk stoff als auch den Prozeßparametern abhängt und die oft mals nicht den Anforderungen an die vorgesehene Verwen dung des Werkstoffes hinsichtlich Verschweißbarkeit, Korrosionsbeständigkeit und dergleichen entspricht. Es kann erforderlich sein, daß diese Oxidschicht mittels geeigneter mechanischer Bearbeitungsverfahren wie Schleifen oder Fräsen abgearbeitet werden muß. Ursache für die Entstehung dieser Oxidschicht sind chemische Reaktionen der Legierungsbestandteile des Werkstoffes mit dem Sauerstoff.

Beim Laserstrahl-Schmelzschneiden besitzt das sogenannte Hochdruck-Inertgasschneiden besondere Bedeutung. Dabei dient in der Regel Stickstoff, aber auch Edelgase wie Argon als quasiinertes, d. h. reaktionsträges Schneid gas. Der fokussierte Laserstrahl schmilzt den Werkstoff und der Schneidgasstrahl treibt die entstehende Schmelze aus der Schnittfuge. Die hierbei zu erzielenden Schnitte weisen eine glatte, metallisch blanke Schnittfläche auf.

Aufgrund der veränderten energetischen Verhältnisse, die aufgrund des Wegfalls der exothermen Reaktion zwischen Werkstoff und Sauerstoff beim Laserstrahl-Brennschneiden entstehen, sind die möglichen Schneidgeschwindigkeiten und die schneidbaren Werkstückdicken beim Hochdruck inertgasschneiden im Vergleich zum Laserstrahl-Brenn schneiden geringer. Das Hochdruck-Inertgasschneiden wird daher beim Schneiden von dünneren Blechen (bis ca. 5 mm) angewendet. Zum Schneiden dickerer Bleche scheidet diese Verfahrensvariante wegen des hohen Schneidgasverbrauchs und der niedrigen Schneidgeschwindigkeit aus Kosten gründen aus bzw. ist ab ca. 10 mm Blechstärke nur noch eingeschränkt und ab ca. 15 mm gar nicht mehr möglich.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Laserschneiden mit einem Schneidgas aus Sauerstoff zu schaffen, welches durch Zugabe mindestens einer wei teren Komponente zu einer deutlichen Verbesserung des Schneidverhaltens führt, ohne daß es zu metallurgisch nachteiligen Effekten kommt.

Ausgehend von dem im Oberbegriff des Anspruches 1 be rücksichtigten Stand der Technik ist diese Aufgabe er findungsgemäß gelöst mit den im kennzeichnenden Teil des Anspruches 1 angegebenen Merkmalen.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.

Überraschend hat sich gezeigt, daß anstatt von Sauer stoff oder einem inerten bzw. quasiinerten Laserschneid gas ein Mischgas, bestehend aus den Komponenten Sauer stoff, einem oder mehreren Edelgasen, vorzugsweise Argon, aber auch Helium oder beide und wahlweise Was serstoff zu einer deutlichen Verbesserung des Schneid verhaltens führt. Hierbei haben sich Mischgase mit einem Anteil von mindestens 30% an Edelgasen wie Helium oder Argon, denen wahlweise mindestens 0,5% Wasserstoff beigefügt waren, als vorteilhaft erwiesen. Der Anteil des Sauerstoffes beträgt dabei mindestens 3%. Folgende erfindungsgemäße Zusammensetzungen sind relevant:

a) O₂ + Ar
b) O₂ + Ar + He
c) O₂ + Ar + H₂
d) O₂ + Ar + He + H₂
e) O₂ + He
f) O₂ + He + H₂.

Versuche ergaben, daß beim Schneiden von CrNi-Stahl 1.4301 (X5 CrNi 18 10) mit einem Mischgas 8% O₂/Rest Ar hochwertige Schnitte mit einer geringen Oxidschicht (einige 10 µm) und geringer Riefigkeit zu erzielen sind. Die Oxidschicht ist bei zahlreichen Anwendungen akzeptabel und kann ggf. mittels einfacher Methoden (Chemisches Abtragen durch Beizen) entfernt werden.

Zum Schneiden von 8 mm dickem Blech aus o.g. Werkstoff wurde ein Geschwindigkeitszuwachs von annähernd 100% gegenüber dem Hochdruck-Inertgasschneiden erzielt.

Damit stellt dieses erfindungsgemäße Verfahren im unteren Blechdickenbereich eine wirtschaftliche Alter native zum Hochdruck-Inertgasschneiden dar und ermög licht im oberen Blechdickenbereich eine wesentliche Verbesserung der Schnittqualität im Vergleich zum Laser brennschneiden dieser Werkstoffe. Auch ist die ther mische Belastung des Werkstoffs geringer, so daß z. B. enge Innenkonturen, kleine Lochdurchmesser usw. besser herstellbar sind.

Durch die wesentlich vereinfachte und reduzierte Nach arbeit an den Schnittflächen ist weiterhin die Wirt schaftlichkeit beim Laserstrahlschneiden erhöht.

Claims

1. Verfahren zum Laserschneiden, insbesondere von hoch legierten Stählen, mit einem Schneidgas, dadurch gekennzeichnet, daß das Schneidgas aus Sauerstoff und mindestens einem Edelgas besteht.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Edelgas Argon ist.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Edelgas Helium ist.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß dem Schneidgas Wasserstoff beigefügt ist.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß dem Schneidgas mindestens 30% Argon und/oder mindestens 30% Helium beigefügt sind.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß dem Schneidgas mindestens 0,5% Wasserstoff bei gefügt sind.

7. Schneidgas für das Laserschneiden, insbesondere von hochlegierten Stählen, gekennzeichnet durch Sauerstoff mit einer Beimischung von mindestens 30% Argon und/oder mindestens 30% Helium.

8. Schneidgas nach Anspruch 7, gekennzeichnet durch die Beimischung von mindestens 0,5% Wasserstoff.

9. Schneidgas nach Anspruch 7 oder 8, gekennzeichnet durch 8% Sauerstoff und 92% Argon.