DE4407755A1

DE4407755A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Laserstrahlschneiden von Werkstoffen

Info

Publication number: DE4407755A1
Application number: DE4407755A
Authority: DE
Inventors: Nikolaj Makasev; Oleg Busykin; Jevgenj Asmolov; Andrej Boris; Nikolaj Anissimov
Original assignee: MNOGOTRASSLEVOE N PROIZV OB ED
Current assignee: MNOGOTRASSLEVOE N PROIZV OB ED
Priority date: 1994-03-08
Filing date: 1994-03-08
Publication date: 1995-09-14

Description

Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und Vorrichtun gen zum Schneiden von Werkstoffen mittels Laserstrahl. Ein bevorzugtes Anwendungsgebiet der Erfindung ist das Trenn schneiden dickwandiger Bleche, z. B. von zu verschrottenden Schiffsrümpfen.

Stand der Technik

Es sind zahlreiche Verfahren und Vorrichtungen zum Laser strahlschneiden unter Verwendung von Schneidgas bekannt, wo bei ein oder mehrere Gase oder Zweiphasengemische unmittelbar in die Zone der Laserstrahleinwirkung oder in die Zone des thermischen Einflusses des Laserstrahls eingeblasen werden.

Um die Wirksamkeit des Schneidens zu erhöhen, werden ver schiedenartige Gasdüsen verwendet (Fieret J., Terry M. J.: Overview of flow dynamics in gas assisted laser cutting; Proc. SPTE, vol. 801, 1987, p. 2431), die aber einen gemein samen Mangel beim Schneiden großer Materialstärken haben, und zwar eine stark verminderte Schneidgeschwindigkeit und Schneidgüte, sowie eine schnell ansteigende Laserausgangs leistung bei größeren Stärken des Schneidgutes.

In der DK-PS 4161/86 wird vorgeschlagen, den Angriffsmittel punkt des Gasstroms relativ zum Mittelpunkt des Laserstrahls entgegen der Schneidrichtung zu versetzen. Mit dieser Maßnah me kann man zwar den Gasstrom im Laserschnitt verbessern, ist aber nicht imstande, den obengenannten Mangel zu beheben, weil dabei die Stärke des Gasstroms und das Ausmaß seiner Versetzung zur Schneidrichtung in keiner Weise auf die Stärke des zu schneidenden Werkstoffs abgestimmt werden kann.

Die von den Erfindern durchgeführten gasdynamischen Versuche an Modellen, bei denen die Besonderheiten des Gasstromes in Kombination mit einer numerischer Simulation des Schneidpro zesses zeigten, daß der Hauptgrund für den obengenannten Man gel eine schlechte Struktur des Gasstroms innerhalb des Schnitts ist, wo es Zonen mit abbremsenden Druckgradienten gibt (Makaschev N. K. u. a.: Gashydrodynamik des Metall schneidens unter Verwendung kontinuierlicher Laserstrahlung in Edelgas; Kwantowaja Elektronika, B. 19, N 9, 1992).

Diese schlechte Struktur ist einmal bedingt durch ein abrup tes Abbremsen des Gasstroms und eine Änderung der Strömungs richtung im unteren Teil des Schnitts, hervorgerufen durch eine Überexpansion, und, zum zweiten, durch eine verschlech terte Umströmung der Oberkante des Schnitts, wenn man im Rah men der bekannten technischen Lösungen versucht, lediglich den Gasstrom zu erhöhen. Wenn Sauerstoff oder ein anderes chemisch aktives Gas verwendet wird, kommt zu den Nachteilen der bekannten Verfahren noch der unkontrollierbare Verlauf der Reaktion hinzu, der durch die Zerstörung der gerichteten Strömung des Zusatzgases innerhalb des Schnitt s hervorgerufen wird, wodurch die Schnittgüte verschlechtert wird.

Aufgabe der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Schneidge schwindigkeit und Schneidgüte beim Laserschneiden stärkerer Werkstoffe durch eine verbesserte Zuführung des Schneidgases unter Berücksichtigung der Form des Laserstrahls bei gleich bleibender Laserausgangsleistung entscheidend zu erhöhen.

Offenbarung der Erfindung

Die Aufgabe der Erfindung wird mit dem im Anspruch 1 angege benen Verfahrensmerkmalen gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltun gen für Vorrichtungen hierzu sind in den Ansprüchen 2 bis 7 angegeben.

Vorteilhafte Wirkungen der Erfindung

Das vorgeschlagene Verfahren und die Vorrichtungen zur Reali sierung des Verfahrens ermöglichen es, die Stärke des zu schneidenden Werkstoffes zu vergrößern und die Schneidgüte bei starken Blechen mit einem verhältnismäßig geringem Ver brauch an Laserenergie und Schneidgas infolge Erzeugung eines Gasstroms mit optimalen Parametern und einer auf diesen Gasstrom abgestimmten Form des Laserstrahls zu erhöhen.

Die Modellversuche und die Berechnungen für das Schneiden von Metallen sowohl in Edelgasen, als auch im Sauerstoffmedium haben gezeigt, daß das vorgeschlagene Verfahren und die vor geschlagenen Vorrichtungen hierzu es erlauben, die für das Schneiden von 50 mm bis 100 mm starken Werkstoffen erforder lichen Laserleistungen um das Zwei- bis Dreifache im Ver gleich zu bekannten Verfahren zu verringern. Die Versuche auf einer Laseranlage mit einer Leistung von etwa 15 kW bestä tigten ein positives Ergebnis des Schneidens eines 35 mm-star ken Stahlblechs im Luftmedium und eines bis 60 mm-starken Blechs mit gleichzeitiger Zuführung von Sauerstoff und Luft. Zugleich wurde eine wesentliche Erhöhung der Schneidgüte er zielt.

Ausführungsbeispiel

Die Erfindung soll anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert werden.

In der zugehörigen Zeichnung zeigt:

Fig. 1 die schematische Darstellung einer Düse, des Laser strahls und des zu schneidenden Werkstoffs für den Fall, daß der Laserstrahl durch die Düse hindurchgeführt wird.

Fig. 2 eine schematische Darstellung von Düsen, des Laser strahls und des zu schneidenden Werkstoffs für den Fall, daß der Laserstrahl außerhalb der Düse geführt wird.

Fig. 3 die Lage des Laserstrahls und der Düsen mit je zwei Kanälen zueinander.

Fig. 4 die Lage des Laserstrahls und der Düsen mit einem Hauptkanal und zwei Zusatzkanälen zueinander.

Fig. 5 eine verstellbare Düsenhalterung.

Die Erfindung ist in verschiedenen Ausführungsformen reali sierbar, je nachdem, ob der Laserstrahl 4 die Düse 1 passiert (Fig. 1) oder nicht (Fig. 2) und ob ein chemisch aktives Gas, wie z. B. Sauerstoff, benutzt wird (Fig. 3 und Fig. 4).

Die Vorrichtung gemäß Fig. 1 besteht im wesentlichen aus ei ner gasdynamischen Düse 1 mit einem in Schnittrichtung ge strecktem Austrittsquerschnitt 2. Die Hauptachse des Aus trittsquerschnitts 2 kann eine Gerade sein oder eine konstan te Krümmung besitzen. Die Abmessung der Nebenachse ist gleich dem Quermaß des Laserstrahls 4 oder um einige Zehn Prozent größer, was zum Abbremsen des Laserstrahls 4 über dem Schnitt und zum Entstehen der erforderlichen Hochdruckzone führt. Die gasdynamische Düse 1 wird in bezug zum Laserstrahl 4 so ange ordnet, daß sich der in Schneidrichtung vordere Rand des Aus trittsquerschnitts 2 der Düse 1 möglichst nahe dem Laser strahl 4 befindet und der hintere Rand des Austrittsquer schnittes 2 mit einem Betrag von 40% bis 60% der Werkstoff stärke beabstandet ist. Der Austrittsquerschnitt 2 der Düse 1 ist zur Oberfläche 5 des Schneidgutes 8 hin ungefähr paral lel, und der Abstand zu ihm wird auf an sich bekannte Weise eingestellt. Wenn die Vorrichtung in Betrieb ist, wird der aus der Düse 1 ausströmende Überschallgasstrahl durch das Werkstück 8 gebremst und baut darüber eine Hochdruckzone mit den entsprechend dem vorgeschlagenen Verfahren erforderlichen Abmessungen auf.

Die Vorrichtung gemäß der zweiten Ausführungsvariante (Fig. 2) besteht aus zwei spiegelsymmetrischen Düsen 1, die zur Symmetrieebene des Schnitts 3 symmetrisch angeordnet sind. Der Neigungswinkel und der Abstand von den Austrittsquer schnitten 2 der Düsen 1 bis zur Schneidgutoberfläche 5 wer den, ausgehend von den geringsten Verlusten an dem Gesamtgas druck, unter Berücksichtigung der gegebenen geometrischen Grenzen gewählt. Die von den Erfindern durchgeführten Versu che haben gezeigt, daß die Werte dieser Parameter im Bereich von 15° bis 30° und vom Drei- bis Fünffachen der Abmessungen der Nebenachse der Austrittsquerschnitte 2 liegen und vom Gasdruck abhängen. Die Abmessungen der Hauptachse der Aus trittsquerschnitte 2 dieser Düsen 1 und ihre Anordnung ent lang der Schnittrichtung werden in derselben Weise bestimmt, wie im Fall der in Fig. 1 gezeigten Vorrichtung. Die Abmes sungen der Nebenachsen der Austrittsquerschnitte 2 sind unge fähr um das Zweifache kleiner als die Breite des Laserstrahls 4 in der Ebene der Oberfläche des Werkstoffs 5. Im Unter schied zur erstbeschriebenen Vorrichtung werden in dieser Ausführung die aus den Düsen 1 ausströmenden Gasstrahlen nicht nur durch ihr Auftreffen auf das Werkstück 8 gebremst und die Hochdruckzone wird nicht nur durch dieses Hindernis, sondern auch durch das Gegeneinanderprallen der Gasströme auf gebaut. Eine optimale Wahl der geometrischen Parameter in den obengenannten Bereichen sichert das Entstehen der erforderli chen Hochdruckzone über dem Schnitt 3.

Für das Schneiden bei Anwesenheit von einem mit dem Werkstoff chemisch reagierenden Gas wird eine weitere Ausführung vorge schlagen, die der ersten und zweiten ähnelt, sich aber von diesen dadurch unterscheidet, daß die einzige Düse 1 oder je de der zwei schräggestellten Düsen 1 in zwei Kanäle 6, 7 mit verschiedenen Abmessungen geteilt wird. Die Anordnung dieser Kanäle 6, 7 relativ zum Laserstrahl 4 ist in Fig. 3 für den Fall zweier symmetrisch angeordneter Düsen 1 gezeigt. Das ak tive Gas wird dem kleineren, sich dem Laserstrahl am nächsten befindlichen Kanal 6 zugeführt. Im anderen Kanal 7 wird Inert gas oder Luft zugeführt. Wenn die entsprechenden Gasströme durch das Werkstück 8 gebremst werden, bildet sich die Ab bremszone des aktiven Gases in der Nähe der Schnittfront, wo durch die erforderliche Konzentration des aktiven Gases im Schnittbereich erzielt wird. Die Gesamtabmessung der zwei Kanäle 6, 7 ist gleich der Abmessung eines Gesamtkanals, und das Verhältnis ihrer Abmessungen hängt von der für das Zusam menwirken des aktiven Gases mit dem Werkstoff 8 erforderli chen Zeit ab, die unterschiedlich sein kann.

Eine weitere Ausführungsform (Fig. 4) unterscheidet sich von der vorhergehenden dadurch, daß die Düse 1 drei Kanäle 6, 7 besitzt, wobei sich der Kanal 6 mit dem aktiven Gas in der Mitte befindet und gleiche Zusatzkanäle 7 sich an den Seiten befinden. Das Arbeitsprinzip der Vorrichtung beruht darauf, daß auf eine an sich bekannte Weise nur ein Zusatzkanal 7, nämlich derjenige, der über dem Schnitt 3 liegt, an die Gas leitung angeschlossen wird. In dieser Ausführung wird die Verwendung der Vorrichtung in technologischen Schneidanlagen erleichtert, weil beim Schneiden entlang krummliniger Bahnen ein bedeutend kleinerer Winkel für deren Drehung um die Laser strahlachse erforderlich ist. Um eine optimale Lage der Vor derkante der Düse 1 im Verhältnis zum Laserstrahl 4 zu errei chen, ist es notwendig, gleichzeitig mit dem Umschalten der Kanäle 7 auch die Düse 1 bezüglich des Laserstrahls 4 zu ver setzen.

Die Ausführungsformen mit zwei symmetrischen Düsen 1 ermögli chen es, eine flexible Abstimmung der Vorrichtung auf konkre te Formen des Laserstrahls 4 vorzunehmen und optimale Schneid bedingungen zu schaffen. Es wird vorgeschlagen, diese Möglich keit zu realisieren, indem jede der Düsen 1, Fig. 5, auf zwei Rollwagen 9 mit Hilfe von Halbachsen aufgestellt wird. Die Rollwagen 9 können entlang horizontaler Gleitschienen 10 un abhängig voneinander bewegt werden. Die Halbachsen des oberen Wagens 9 können entlang der Düsenachsen gleiten, so daß es möglich ist, den lichten Abstand zwischen ihnen und ihrem Nei gungswinkel durch die Bewegung der Wagen 9 zu ändern.

Claims

1. Verfahren zum Laserstrahlschneiden unter Verwendung eines mittels einer Düse auf die Brennschnittzone geblasenen Schneidgases, das Schneidrückstände ausbläst und mit dem zu schneidenden Werkstoff chemisch reagiert, dadurch gekennzeichnet, daß über und längs des Brennschnittes (3) mittels des Schneid gases eine Hochdruckzone aufgebaut wird, die an der Schnitt vorderkante beginnt und sich entgegen der Schneidrichtung über die thermische Einflußzone des Laserstrahls (4) hinaus gehend bis zu einer Länge von 40% bis 60% der Werkstoffstärke erstreckt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Laserstrahlquerschnitt in Nähe der Oberfläche (5) des zu schneidenden Werkstoffs (8) eine Hauptachse in Schnitt richtung besitzt, deren Länge 5% bis 10% der Stärke des zu schneidenden Werkstoffs (8) beträgt.

3. Vorrichtung zum Laserstrahlschneiden nach Anspruch 1 mit tels eines durch eine Gasdüse hindurchtretenden Laserstrahls, dadurch gekennzeichnet, daß die Düse (1) für die über dem Brennschnitt (3) aufzubau ende Hochdruckzone eine in Schnittrichtung gestreckte Aus trittsöffnung (2) besitzt, deren Abmessungen längs des Brenn schnitts (3) 40% bis 60% der Stärke des zu schneidenden Werk stoffs (8) und quer zur Schnittrichtung 100% bis 150% der Laserstrahlbreite betragen und deren Vorderkante mit dem Vor derrand des Laserstrahls (4) etwa zusammenfällt.

4. Vorrichtung zum Laserschneiden nach Anspruch 1 mittels ei nes außerhalb der Düse verlaufenden Laserstrahls, gekennzeichnet durch ein Paar unter einem Winkel von 150 bis 300 zur Schnittsymme trieebene spiegelsymmetrisch angeordneter Düsen (1), die in Schnittrichtung eine gestreckte Austrittsöffnung von 40% bis 60% der Stärke des zu schneidenden Werkstoffs (8) und eine Breite von 50% bis 70% der Laserstrahlbreite besitzen und de ren Vorderrand die vordere Begrenzung des Laserstrahls (4) etwa um die halbe Laserstrahlbreite überragt.

5. Vorrichtung nach Anspruch 3 und 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Düsen (1) in zwei Kanäle (6, 7) geteilt sind, wobei der dem Laserstrahl (4) zunächst liegende Hauptkanal (6) einen in Schnittrichtung kleineren Querschnitt als der Nebenkanal (7) besitzt und der Zuführung des chemisch aktiven Gases dient, während der Nebenkanal (7) einen größeren Querschnitt als der Hauptkanal (6) aufweist und der Zuführung eines Inert gases dient.

6. Vorrichtung nach Anspruch 4 und 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Düsen (1) zusätzlich zu den Hauptkanälen (6) je zwei Nebenkanäle (7) für das Inertgas besitzen, die beiderseits vom Hauptkanal (6) längs zur Schnittrichtung liegen, sowie einen Umschalter für die Nebenkanäle (7), der anspricht, so bald die Schnittrichtung um 180° geändert wird.

7. Vorrichtung nach Anspruch 4, 5 oder 6 dadurch gekennzeichnet, daß für eine Änderung des Neigungswinkels und des lichten Ab stands zwischen den Düsen (1) entsprechend der Form des Laser strahls (4) und für eine Gewährleistung optimaler Schneidbe dingungen jede der Düsen (1) auf zwei Rollwagen (9) aufge stellt ist, die sich in unterschiedlichem Abstand von der Werkstoffoberfläche senkrecht zur Symmetrieebene des Laser schnitts bewegen können.