DE4407756A1

DE4407756A1 - Verfahren zum Gaslaserschneiden und Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens

Info

Publication number: DE4407756A1
Application number: DE4407756A
Authority: DE
Inventors: Goluskov Viktor Fedorovic; Usanov Jurj Jakovlevic; Usanova Irina Vladimirovna
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 eine Vor richtung zum Gaslaserschneiden. Ein bevorzugtes Anwendungs gebiet der Erfindung ist das Dimensions- und Trennschneiden dickwandiger Bleche beim Verschrotten großflächiger Konstruk tionen, z. B. von Schiffsrümpfen, und das Schneiden dickerer, nichtmetallischer Materialien.

Stand der Technik

Es ist bereits ein Verfahren zum Gaslaserschneiden bekannt, das die Einwirkung eines fokusierten Laserstrahls auf ein zu bearbeitende Werkstück unter Relativverschiebung des Werk stücks zum Laserstrahl betrifft (DE 36 19 513 A1). Die dabei verwendete Vorrichtung benützt ein Linsenobjektiv für die Fo kussierung des Laserstrahls und eine Düse für die definierte Zufuhr eines Schneidgases in die Schneidzone.

Ferner ist ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Gaslaser schneiden bekannt, das einen transportablen, technologischen Laserkomplex für die Zerlegung von Stahlschrott betrifft und in dem Prospekt des wissenschaftlichen Forschungsinstituts der wissenschaftlichen Produktionsvereinigung WFI WPV "Lutsch", 142100, Podolsk, Gebiet Moskau, Zheleznodorozhnaja- Straße 24, beschrieben ist. Dieses Verfahren und die zugehö rige Vorrichtung betrifft ebenfalls die Einwirkung eines fo kusierten Laserstrahls mitsamt eines Gasstroms auf ein hier zu relativ verschiebbares Werkstück, wobei die Laserkomponen te ein Spiegelobjektiv für die Fokusierung des Laserstrahls und eine Düse für die Gaszuführung in die Schneidzone ent hält.

Nachteilig an den beschriebenen Verfahren und Vorrichtungen ist, daß auf das Schneidgut ein zu einem kreisrunden Erhit zungsfleck fokusierter Laserstrahl mit eng begrenzter Strah lungsleistung einwirkt, was bei einer vorgegebenen Leistung des Lasers zwangsläufig entweder zu einer Begrenzung der Schnittgeschwindigkeit oder aber zu einer Begrenzung der Dicke des Schneidgutes führen muß.

Außerdem begrenzt die Verwendung eines fokusierenden Objek tivs in Form einer Linse aus optisch durchsichtigem Material nach der DE 36 19 513 A1 die Zuverlässigkeit und die Lei stungsgfähigkeit der Vorrichtung als Ganzes. Bei hinreichend hoher Ausgangsleistung des Lasers macht eine Linsenoptik die Arbeit der Vorrichtung wegen der Zerstörung des fokussieren den Elements als Folge unzureichender Strahlungsfestigkeit überhaupt unmöglich. Letzterer Umstand verhindert auch eine an sich wünschenswerte Vergrößerung der Dicke des Schneidgu tes.

Aufgabe der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Produktivität des Gaslaserschneidens durch Erhöhung der Einwirkdauer auf das relativ zum Laserstrahl bewegte Schneidgut zu erhöhen. Dabei soll bei gleichbleibender Laserausgangsleistung entwe der die Schneidgeschwindigkeit gesteigert werden können oder die zu schneidende Materialdicke vergrößert werden können.

Erfindung

Die Aufgabe der Erfindung wird mit dem im Anspruch 1 angege benen Verfahrensmerkmal gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen einer Vorrichtung hierzu sind in den Ansprüchen 2 bis 4 an gegeben.

Vorteilhafte Wirkungen der Erfindung

Die erfindungsgemäße Fokusierung des Laserstrahls zu einem in Schneidrichtung sich erstreckenden Erhitzungsfleck ermög licht es, die Zeit der Einwirkung des Laserstrahls mit dem zu schneidenden Material zu vergrößern, was zu einer Erhö hung des Durchschmelzvermögens des Laserstrahls bei gegebe ner Strahlungsleistung führt. Die Erhöhung des Schneidvermö gens des Laserstrahls führt wiederum zu einer Erhöhung der Schneidproduktivität des Gaslaserschneidens und zu einer Er weiterung der Gesamtheit der bearbeitbaren Werkstoffe und Werkstückausmaße durch Gaslaserschneiden. Das erzielte tech nische Ergebnis wird durch Vergleichsprüfungen des Gaslaser schneidens mit einem runden und einem in Richtung einer der Koordinaten ausgedehnten Erhitzungsfleck bestätigt.

Die Vorteile bei der Verwendung der erfindungsgemäßen Vor richtung bestehen darin, daß im Gegensatz zu einer bekannten Vorrichtung das Objektiv als spärischer Konkavspiegel ausge führt ist, der unter einem Winkel zur Achse des Laserstrahls angeordnet ist, wobei der Öffnungswinkel (Apertur) der Düsen- Ausgangsöffnung (zugleich Aperturblende) mindestens dem Ausmaß des fokussierten Laserstrahlflecks entspricht. Der sphärische Spiegel hat Astigmatismus, weshalb der Fokalfleck in der sagittalen und tangentialen Ebene in einer Vorzugskoordinate gestreckt ist, wodurch sich die gewünschte Form ergibt.

Die Einwirkung des in Schneidrichtung gestreckten Erhitzungs flecks auf das zu zerschneidende Werkstück und die Relativ verschiebung des Werkstücks entlang der Erhitzungsflecker streckung erlaubt es, die Einwirkzeit des Laserstrahls auf das Werkstück bei gleichem Vorschub zu erhöhen und damit die Schmelzfähigkeit des Laserstrahls bei gegebener Leistung zu vergrößern, was seinerseits zu einer Erhöhung der Produkti vität des Schneidens sowie einer Erweiterung der Anwendungs breite bezüglich der bearbeitbaren Materialien und Material stärken führt.

Ausführungsbeispiel

Die Erfindung soll anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert werden.

In der zugehörigen Zeichnung zeigt:

Fig. 1 eine schematische Darstellung einer Vorrichtung nach der Erfindung,

Fig. 2 eine schematische Darstellung einer Vorrichtung mit verbesserten Betriebseigenschaften.

Zunächst soll das erfindungsgemäße Verfahren näher erläutert werden. Es besteht im folgenden:
Auf das zu bearbeitende Werkstück wirkt ein Laserstrahl und ein Gasstrahl, beispielsweise ein Sauerstoffstrahl. Der La serstrahl ist zu einem in einer Richtung ausgedehnten Er hitzungsfleck fokusiert. Die Relativverschiebung des Werk stücks und des Laserstrahls wird entlang dem größeren Er streckungsmaß des Fokalflecks ausgeführt.

Die Vorrichtung nach Fig. 1 enthält ein Objektiv für die Fo kusierung des Laserstrahls, das als sphärischer, astigmati scher Konkavspiegel 1 ausgeführt ist und der in einem Gehäu se 2 unter einem Winkel zur Achse des Laserstrahls angeord net ist. Für die Gewährleistung der Achsenparallelität des Eingangs- und Ausgangsstrahls ist im Gehäuse 2 ein Plan-Um kehrspiegel 3 unter einem Winkel von 45° zur Achse des Fokus sierungsstrahls angeordnet. Das Gehäuse 2 ist weiterhin mit einer Düse 4 mit einer im Beispiel kreisrunden Ausgangsöffnung 5 gekoppelt, deren Aperatur nicht kleiner ist als die größte Erstreckung des Erhitzungsflecks 6. Das Werkstück 7 ist in der Ebene des genannten Erhitzungsflecks 6 angeord net. Ferner besitzt die Vorrichtung einen nicht näher darge stellten Antrieb zur Längsverschiebung in der zur Achse des Laserstrahls senkrechten Richtung.

Die Vorrichtung arbeitet folgendermaßen: Der Laserstrahl wird durch den Plan-Umkehrspiegel 3 auf den Konkavspiegel 1 gerichtet, und durch diesen zu einem gedehnten Erhitzungs fleck 6 auf dem Werkstück 7 fokusiert. Durch eine Düse 4, deren Düsenöffnung zugleich die Aperturblende bildet, wird in die Schneidzone Schneidgas, beispielsweise Sauerstoff, zur Vermeidung von Grat- und Schlackebildung in dem Brenn schnittspalt und zur Gewährleistung guter Schneidbarkeit zu geführt.

Die Vorrichtung mit verbesserten Betriebseigenschaften nach Fig. 2 enthält zusätzlich zu den Komponenten nach Fig. 1 ei nen weiteren Plan-Umkehrspiegel 8 und einen Antrieb 9 für diesen. Der Antrieb 9 ermöglicht es, durch Längsverschiebung des Plan-Umkehrspiegels 8 in der zur Achse des fokusierten Strahls senkrechten Richtung, den genannten Strahl in der Richtung, die senkrecht zur Achse des Eingangsstrahls liegt, abzulenken. Am Gehäuse 2 ist eine weiter Zusatzdüse 10 für den senkrecht zum Eingangsstrahl verlaufenden Strahl ange ordnet. Ferner ist das Gehäuse mit einem Drehantrieb 11 aus gestattet, der eine Umdrehung des Gehäuses 2 um 360° bezüg lich der Achse des Eingangsstrahls gewährleistet. Das Werk stück 7 ist in der Ebene des Fokalerhitzungsflecks 6 in der Stellung 7a bzw. 7b je nach der Schubstellung des Umkehrspie gels 8 angeordnet.

Die verbesserte Vorrichtung arbeitet folgendermaßen: Der Laserstrahl wird mit einem Plan-Umkehrspiegel 3 auf den Konavspiegel 1 gerichtet, und mittels dessen zu einem ge streckten Erhitzungsfleck 6 auf dem Werkstück 7 fokussiert. Über den aus der Flucht des fokusierten Strahlendurchgangs entfernten Plan-Umkehrspiegel 8 wirkt der Erhitzungsfleck 6 auf das Werkstück 7 ein, das in der Stellung 7a angeordnet ist. Durch die Düse 4 wird in die Schneidzone das technolo gische Gas für das Entfernen von Grat und Schlacke aus der Schneidzone zugeführt, die unter Wechselwirkung des Laser strahls mit dem Werkstoff entstehen.

An dem in die Durchgangszone des fokusierten Strahls ein geführten Plan-Umkehrspiegel 8 wird der Laserstrahl senk recht zur Achse des Eingangsstrahls abgelenkt, und das tech nologische Gas durch die Düse 10 zugeführt. In diesem Falle wird die Bearbeitung des Werkstücks 7 in der Stellung 7b ausgeführt.

Durch die Drehung des Gehäuses 2 um die Achse des Eingangs strahls wird die Orientierungsumstellung des fokussierten Strahls auf die zu zerlegenden Werkstücke, die im Raum be liebig aufgestellt sind, gewährleistet, was die Handhabung der Vorrichtung erleichtert und das Gaslaserschneiden kom plizierter, großflächiger Konstruktionen, wie z. B. zu ver schrottende Schiffsrümpfe, ermöglicht.

Claims

1. Verfahren zum Gaslaserschneiden von Schneidgut mittels eines durch eine Schneidgasdüse hindurch fokusierten Laser strahls, dadurch gekennzeichnet, daß der Laserstrahl zu einem in Schneidrichtung längsge streckten Erhitzungsfleck (6) fokussiert wird.

2. Vorrichtung zum Gaslaserschneiden nach Anspruch 1, mit einem in einem Gehäuse angeordneten Objektiv für die Fokus sierung des Laserstrahls auf dem Schneidgut, einen Plan-Um kehrspiegel und einer Schneidgasdüse für die Zufuhr eines Gasstroms in die Schneidzone, dadurch gekennzeichnet, daß das Objektiv als ein sphärischer, unter einem Winkel zur Achse des Laserstrahls angeordneter, astigmatischer Konkav spiegel (1) ausgeführt ist, und die Apertur der Ausgangsöff nung (5) der Schneidgasdüse (4) mindestens der Erstreckung des Fokalerhitzungsflecks (6) entspricht.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse (2) mit einem zweiten, zwischen dem Konkav spiegel (1) und der Schneidgasdüse (4) unter einem Winkel von 45° zur Achse des fokussierten Laserstrahls angeordneten und quer zum Eingangsstrahl über einen Antrieb (9) in Wirk position verschiebbaren Umkehrspiegel (8) sowie mit einer am Gehäuse (2) senkrecht zur ersten Schneidgasdüse (4) angeflan schten zweiten Schneidgasdüse (10) für den Austritt des über diesen zweiten Umkehrspiegel (8) abgelenkten fokussierten La serstrahls versehen ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse (2) einen Drehantrieb (11) für die Drehung der Vorrichtung um die Achse des Eingangsstrahls aufweist.