DE60206184T2

DE60206184T2 - Verfahren und anlage zum laserstrahlschneiden unter verwendung eines objektivs mit mehreren brennweiten und einer konvergierenden/divergierenden düse

Info

Publication number: DE60206184T2
Application number: DE60206184T
Authority: DE
Inventors: Olivier Matile
Original assignee: Air Liquide SA; LAir Liquide SA a Directoire et Conseil de Surveillance pour lEtude et lExploitation des Procedes Georges Claude
Current assignee: Air Liquide SA; LAir Liquide SA pour lEtude et lExploitation des Procedes Georges Claude
Priority date: 2001-08-22
Filing date: 2002-07-12
Publication date: 2006-06-29
Anticipated expiration: 2022-07-13
Also published as: US20050067393A1; FR2828825A1; FR2828825B1; ATE304423T1; JP2005500170A; ES2249633T3; WO2003018246A1; EP1420916B1; EP1420916A1; DE60206184D1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Schneiden durch Laserstrahl, gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Ein solches Verfahren ist in dem Dokument EP-A-929376 beschrieben.
Herkömmlich wird bei dem Umsetzen eines Verfahrens zum Schneiden eines Werkstoffs durch Laserstrahl das Hilfsgas, dessen Hauptaufgabe darin besteht, das Ausstoßen durch kinetischen Effekt des durch den Laserstrahl geschmolzenen Werkstoffs zu begünstigen, von einer Düse zugeführt, deren innere Geometrie in Verbindung mit dem Gasversorgungsdruck dieser Düse die Gasströmungsmerkmale über und in dem Schneideinschnitt bestimmt und insbesondere mit dem dynamischen Druck am Eingang des Schneideinschnitts, das heißt auf der Ebene der oberen Fläche des Werkstoffs gegenüber der Schweißdüse.
Wenn man ferner wünscht, das Hilfsgas effizient zu dem zu schneidenden Teil zu kanalisieren, ist es bekannt, eine Düse mit axisymmetrischem Innenprofil des konvergierenden/divergierenden Typs zu verwenden, auch Laval-Düse genannt, denn eine solche Düse erlaubt es, das Gas, das sie liefert, dank einer Überschallentspannung, die in dem divergierenden Teil der Düse auftritt, beachtlich zu beschleunigen, und daher einen dynamischen Druck zu erzeugen, der größer ist als der, den man mit einer zylindrischen Düse für einen gleichen Versorgungsdruck und einen gleichen Gasdurchsatz erzielt.
Aufgrund der besonderen Geometrie dieses Typs von Düse und insbesondere aufgrund ihrer größeren Länge im Vergleich zu einer Düse des herkömmlichen zylindrischen Typs sowie aufgrund der notwendigerweise von dem Einschnitt im Vergleich zu dem geringeren Querschnitt der Düse (Querschnitt am Kragen) entfernten Position ist es schwierig, ja sogar unmöglich, die Kaustik, das heißt den äußeren Mantel eines herkömmlichen Strahls, der von einem Leistungslaser geliefert wird (Mode TEM 00 oder TEM 01*) in der Bohrung der Düse ohne Berührung zwischen Strahl/Düsenwand aufzunehmen und gleichzeitig eine korrekte Position des Fokussierungspunkts in Bezug auf das zu schneidende Teil beizubehalten.
Zu bemerken ist, dass ein Kontakt zwischen dem Laserstrahl und der Wand der Düse zu einem Erhitzen dieser Wand führen würde, was zu einer beschleunigten Verschlechterung dieser führen kann, ja sogar zu ihrer quasi totalen Beschädigung in bestimmten Fällen, so dass sie häufig oder verfrüht ersetzt werden muss.
Daher kann dieser Düsentyp beim Laserschneiden nur unter großen technischen Schwierigkeiten oder mit einer nicht optimalen Funktionsweise verwendet werden.
Daher führt der Gebrauch einer konvergierenden/divergierenden Düse mit einem herkömmlichen Laserstrahl:

– entweder zum Verwenden von Optiken mit sehr großer Brennweite, um es der Kaustik des Strahls zu erlauben, sich in die Düse einzufügen, ohne Kontakt mit den Wänden, was dazu führt, dass man im Fokussierungspunkt nur über eine geringe Leistungsdichte verfügt,
– oder dazu, den Fokussierungspunkt in eine nicht optimale Entfernung von dem zu schneidenden Teil zu positionieren und insbesondere zu hoch, das heißt zu nahe an der oberen Fläche des zu schneidenden Teils, welche die Fläche ist, die sich gegenüber der Düse befindet, die den Laserstrahl abgibt,
– oder eine konvergierende/divergierende Düse mit einem sehr breiten Querschnitt auf der Ebene des Kragens zu verwenden, was dazu führt, den Hilfsgasverbrauch beträchtlich zu steigern.

Das Ziel der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Schneidverfahren durch Laserstrahl, mit einem Hilfsgas vorzuschlagen, das es erlaubt, die Vorteile des Einsatzes einer Laval-Düse zu nutzen, ohne deren Nachteile zu haben, und dies so, dass die Schneidgeschwindigkeit im Vergleich zu einem herkömmlichen Verfahren gesteigert werden kann.
Die Lösung der Erfindung besteht daher aus einem Schneidverfahren eines Werkstoffs (eines zu schneidenden Teils) durch Laserstrahl 3, 13, 23, das mindestens ein multifokales optisches Mittel 1 anwendet, um den Laserstrahl 3, 13, 23 auf mehrere getrennte Fokussierungspunkte PF1, PF2 zu fokussieren, kombiniert mit einer konvergierenden/divergierenden Düse 2, durch welche der Laserstrahl 3, 13, 23 läuft, und durch welche ein Hilfsgasstrom des Laserstrahls zirkuliert.
Je nach Fall kann das erfindungsgemäße Verfahren eines oder mehrere der folgenden technischen Merkmale aufweisen:

– Das optische Mittel ist so angeordnet, dass man mindestens einen ersten Fokussierungspunkt PF1 erzielt, der sich in der Nähe der oberen Fläche des zu scheidenden Teils positioniert, vorzugsweise zusammenfallend mit der oberen Fläche oder in der Stärke des zu schneidenden Teils in einer Region in der Nähe der oberen Fläche, und einen zweiten Fokussierungspunkt PF2, der sich in der Nähe der unteren Fläche des zu schneidenden Teils und in deren Stärke oder außerhalb dieser positioniert.
– Das optische Mittel teilt den Laserstrahl in einen zentralen Unterstrahl und in einen peripheren Unterstrahl, wobei der zentrale Unterstrahl auf den zweiten Fokussierungspunkt PF2 fokussiert ist und der periphere Unterstrahl auf den ersten Fokussierungspunkt PF1 fokussiert ist.
– Das Hilfsgas wird ausgewählt aus Sauerstoff, Stickstoff, Argon, Helium, Wasserstoff, Kohlendioxid und ihren Gemischen.
– Der Werkstoff ist ein Stück aus unlegiertem oder schwach legiertem Stahl, aus nicht rostendem Stahl, aus beschichtetem Stahl, aus Aluminium oder aus Aluminiumlegierung.
– Das multifokale optische Mittel wird ausgewählt aus den Linsen, den Spiegeln und ihren Kombinationen, vorzugsweise eine bifokale Linse oder eine Kombination mehrerer Linsen.
– Die Stärke des zu schneidenden Teils liegt zwischen 0,8 mm und 20 mm, vorzugsweise zwischen 2 und 12 mm.
– Das zu schneidenden Teil wird ausgewählt aus den Platten, Blechen und den Rohren.
– Das Gas hat einen Druck von 0,5 bis 30 bar, vorzugsweise von 1 bis 28 bar.

Die Erfindung betrifft auch eine Schneidanlage durch Laserstahl mit Hilfsgasunterstützung, die ein erfindungsgemäßes Verfahren umsetzen kann, die Folgendes aufweist:

– mindestens einen Lasergenerator zum Erzeugen mindestens eines Laserstrahls,
– mindestens ein multifokales optisches Mittel zum Teilen des Laserstrahls in mindestens zwei Unterlaserstrahlen, wobei die Unterlaserstrahlen auf mindestens einen ersten Fokussierungspunkt PF1 und einen zweiten Fokussierungspunkt PF2, die voneinander getrennt sind, fokussiert werden,
– mindestens eine konvergierende/divergierende Düse, die von den Unterlaserstrahlen durchquert wird, und
– mindestens eine Hilfsgasquelle, um die konvergierende/divergierende Düse mit Hilfsgas zu versorgen.

Wie aus oben Stehendem ersichtlich, beruht die Erfindung auf dem kombinierten Gebrauch einer konvergierenden/divergierenden Düse und einer Linse oder eines multifokalen Objektivs, das heißt mit mehreren Brennweiten, was es erlaubt, die Vorteile dieser zwei Vorrichtungen vorteilhaft zu kombinieren, insbesondere durch eine bessere Verteilung des Wärmestroms, der von dem Aufprallen des Strahls erzeugt wird, der aus einer Linse, einer Optik oder einem Multifokalobjektiv hervorgeht, und durch einen verbesserten kinetischen Effekt, der sich aus dem Gebrauch der Düse mit konvergierendem/divergierendem Innenprofil ergibt.
Die Kaustik kann in dem erfindungsgemäßen Fall perfekt in die Bohrung der Düse fallen, ohne Gefahr zu laufen, mit den Wänden in Berührung zu geraten, denn die räumliche Verteilung des Laserstrahls wird durch den Gebrauch einer Linse, eines Spiegels, einer Optik oder eines Multifokalobjektivs geändert.
Unter Linse, Spiegel, Optik oder Multifokalobjektiv versteht man eine oder mehrere optische Vorrichtungen, die es erlauben, in Synchronismus mehrere Fokussierungspunkte zu fokussieren, im Allgemeinen zwei getrennte Fokussierungspunkte, die sich auf der Achse der Öffnung der Düse befinden, durch Teilen des Hauptlaserstrahls, der von der Leistungslaserquelle gesendet wird, zum Beispiel eines CO₂- oder Nd:YAG-Lasers in mehrere (gewöhnlich zwei) Unterstrahlen, die sich kreuzen, wie in dem Dokument EP-A-929376 beschrieben, das heißt, dass der zentrale Unterstrahl unter dem peripheren Unterstrahl in der Stärke des zu schneidenden Teils fokussiert ist.
Das Funktionskonzept einer multifokalen Vorrichtung oder eines multifokalen Mittels ist schematisch das Folgende, Genaueres dazu kann jedoch dem Dokument EP-A-929376 (= WO 98/14302) entnommen werden.
Der von einem Laserstrahlgenerator abgegebene Hauptlaserstrahl wird typisch mittels eines optischen bifokalen Mittels in zwei Unterstrahlen geteilt, so dass ein erster Fokussierungspunkt PF1 und ein zweiter Fokussierungspunkt PF2 erzielt werden, die auf der Längsachse der Laserdüse liegen.
Der erste Fokussierungspunkt PF1, der aus dem größten Konvergenzwinkel (peripherer Unterstrahl) stammt, der mit dem optischen bifokalen Mittel erzielt wird, positioniert sich in der Nähe der oberen Fläche des zu schneidenden Teils, vorzugsweise zusammenfallend mit der oberen Fläche oder in der Stärke des Werkstoffs in einer Region nahe der oberen Fläche.
Ferner positioniert sich der zweite Fokussierungspunkt PF2, der aus dem kleinsten Konvergenzwinkel (zentraler Unterstrahl) stammt, der mit dem optischen bifokalen Mittel erzielt wird, in der Nähe der unteren Fläche des Teils in der Stärke des Werkstoffs oder außerhalb dieser.
Mit anderen Worten sind der Hauptunterstrahl und der zentrale Unterstrahl koaxial, jedoch mit verschiedenen Konvergenzwinkeln.
Die für jeden der Unterstrahlen auszuwählenden Konvergenzwinkel können empirirsch vom Fachmann insbesondere in Abhängigkeit von der Länge und der Geometrie der Düse ausgewählt werden, die die Laserschneidvorrichtung ausstattet, in Abhängigkeit von der Stärke des zu schneidenden Werkstoffs, der Auswahl der Fokussierungslage jedes der Fokussierungspunkte usw.
Vergleichende Beispiele
Als Beispiele erlauben es die unten stehenden Tabellen I und II, die Ergebnisse zu vergleichen, die mit verschiedenen optischen Kombinationen (mono- oder multi fokal) und Düsen (zylindrische Düse oder konvergierende/divergierende Düse) bei der Umsetzung eines Laserstrahlschneidverfahrens mit Hilfsgas unter Verwenden dieser verschiedenen Verbindungen Linse/Düse erzielt werden.
Bei diesen versuchen wurde eine Platte aus nicht rostendem Stahl zu 3 mm Stärke mit einem Laserstrahl geschnitten, der von einem Lasergenerator des Typs CO₂ zu 1500 W Leistung abgegeben wird, indem reiner Stickstoff als Hilfsgas des Laserstrahls verwendet wird, und mit verschiedenen Kombinationen aus Linse/Düse, wie in den Tabellen I und II detailliert angegeben.
Die Versuche A bis D der Tabelle I werden unter Konstanthalten des Drucks und des Durchsatzes des Schneidgases (Durchsatz = 15 m³/Stunde) durchgeführt, während die in Tabelle II festgehaltenen (Versuche E bis H) durchgeführten Versuche unter Konstanthalten der Schneidgeschwindigkeit (= 2,2 m/Min.) durchgeführt werden.
Alle anderen Betriebsbedingungen (wie zum Beispiel Entfernungen Düse/Teil, Positionen von Fokussierungspunkten, Vorgas- und Nachgasdauer usw.) sind ferner gleich.
Das verwendete Gas ist Stickstoff, der bei der Firma L'AIR LIQUIDE unter der Handelsreferenz LASAL 2001 erhältlich ist.
Tabelle I: Schnitt mit konstantem Druck und Durchsatz
Tabelle II: Schneiden bei konstanter Schneidgeschwindigkeit
Diese Versuche zeigen klar auf, dass man bei Verwendung einer erfindungsgemäßen Kombination (bifokale Optik/Laval-Düse) beim Laserstrahlschneiden entweder eine Erhöhung der Schneidgeschwindigkeit erzielt, wenn man identische Durchsätze wie die umsetzt, die mit einer herkömmlichen Vorrichtung verwendet werden, oder eine Verringerung des Verbrauchs an erforderlichem Hilfsgas für eine gleiche Schneidgeschwindigkeit, wie die mit einer herkömmlichen Vorrichtung verwendete.
Auf der anliegenden Figur wurde der Schneidkopf einer erfindungsgemäßen Laserschneidanlage schematisch dargestellt, der als Kombination eine oder mehrere optische Mittel 1 umfasst, die durchsichtig oder reflektierend sind, zum Beispiel eine bifokale Linse, die es erlaubt, in Synchronismus zwei getrennte Fokussierungspunkte PF1, PF2 ausgehend von einem Hauptlaserstrahl 3 zu erzielen, der von der Linse 1 in zwei Unterstrahlen geteilt wird, und einer Laval-Düse mit konvergierendem/divergierendem Innenprofil 2, um es zu erlauben, ein Teil 4 zu schneiden.
Eine solche Anlage weist mindestens einen Lasergenerator des Typs CO₂ oder des Typs Nd:YAG auf, um den Laserstrahl 3 zu erzeugen, eine konvergierende/divergierende Düse 2, die das Hilfsgas liefert und von den zwei Laserunterstrahlen 13, 23, die aus der Teilung des Hauptlaserstrahls 3 stammen, durchquert wird, mindestens ein optisches Mittel 1 zum Teilen des Laserstrahls 3 in einen ersten Unterlaserstrahl 13 und einen zweiten Unterlaserstrahl 23, so dass er in zwei Fokussierungspunkten PF1, PF2 fokussiert wird, und mindestens eine Hilfsgasquelle des Laserstrahls, welche die Düse 2 mit Hilfsgas versorgt, wobei die Einführung des Hilfsgases in die Düse 2 herkömmlich über eine oder mehrere Gaseingangsöffnungen erfolgt.
Optische Mittel 1 des Typs Linsen mit mehreren Fokussierungspunkten, die im Rahmen der vorliegenden Erfindung verwendet werden können, sind in dem Dokument WO-A-98/14302 beschrieben und im Handel bei der Firma V&S erhältlich.
Andere optische Mittel können jedoch auch verwendet werden, aber unter der Voraussetzung, dass es diese optischen Mittel erlauben, zwei Fokussierungspunkte PF1 und PF2 zu fokussieren, so dass sich der erste Fokussierungspunkt PF1, der aus dem größten Fokussierungswinkel stammt, hier dem Winkel α des Unterstrahls 23, in der Nähe der oberen Fläche des zu schneidenden Teils 4 positioniert, vorzugsweise zusammenfallend mit der oberen Fläche, oder in der Stärke des Werkstoffs in einer Region nahe der oberen Fläche, während sich der zweite Fokussierungspunkt PF2, der aus dem kleinsten Fokussierungswinkel des Laserunterstrahls 13 stammt, hier dem Winkel β, in der Nähe der unteren Fläche des Teils 14 in der Stärke des Werkstoffs oder außerhalb dieser positioniert.
Dieser Fokussierungstyp wird auch gekreuzter Fokussierungstyp genannt, denn die zwei Unterstrahlen kreuzen sich.
Wie oben erklärt, ist die Düse 2 eine Laval-Düse mit konvergierendem/divergierendem Innenprofil, die zum Beispiel einen Kragendurchmesser von 0,5 mm bis 3 mm und eine konvergierende/divergierende Länge von 1 mm bis 6 mm hat. Solche Düsen mit Innenprofil, das an die Geometrie eines Multifokussierungspunktsstrahls und an die angestrebten Druck-/Durchsatzbedingungen angepasst ist, können industriell durch herkömmliche Bearbeitungsmittel hergestellt werden.
Die vorliegende Erfindung gilt für das Schneiden nicht legierter oder schwach legierter Stähle, nicht rostender Stähle, beschichteter Stähle, von Aluminium oder Aluminiumlegierungen.

Claims

Verfahren zum Schneiden eines Werkstoffs durch Laserstrahl (3, 13, 23), das mindestens ein multifokales optisches Mittel (1) anwendet, um den Laserstrahl (3, 13, 23) auf mehrere getrennte Fokussierungspunkte (PF1, PF2) zu fokussieren, kombiniert mit einer Düse (2), durch welche der Laserstrahl (3, 13, 23) läuft und durch welche ein Hilfsgasstrom des Laserstrahls zirkuliert, wobei – das optische Mittel den Laserstrahl (13) in einen zentralen Unterstrahl (13) und in einen peripheren Unterstrahl (23) unterteilt, wobei der zentrale Unterstrahl (13) auf einen zweiten Fokussierungspunkt (PF2) fokussiert und der periphere Unterstrahl (23) auf einen ersten Fokussierungspunkt (PF1) fokussiert ist, und – das optische Mittel so eingerichtet ist, dass ein erster Fokussierungspunkt (PF1) erzielt wird, der sich mit der oberen Fläche des Teils oder in der Stärke des zu schneidenden Teils in einer Region in der Nähe der oberen Fläche positioniert, und so dass sich der zweite Fokussierungspunkt (PF2) in der Nähe der unteren Fläche des zu schneidenden Teils und in deren Stärke positioniert, dadurch gekennzeichnet, dass die Düse eine konvergierende/divergierende Düse ist.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das multifokale optische Mittel aus Linsen, Spiegeln und ihren Kombinationen ausgewählt ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das optische Mittel eine bifokale Linse oder eine Kombination mehrerer Linsen ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Hilfsgas ausgewählt wird aus Sauerstoff, Stickstoff, Argon, Helium, Wasserstoff, Kohlenstoff und ihren Gemischen.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Werkstoff ein Stück aus unlegiertem oder schwach legiertem Stahl, aus nicht rostendem Stahl, aus beschichtetem Stahl, aus Aluminium oder aus Aluminiumlegierung ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Stärke des zu schneidenden Teils zwischen 0,8 mm und 20 mm liegt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Stärke des zu schneidenden Teils zwischen 2 und 12 mm liegt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das zu schneidende Werkstück aus Platten, Blechen und Rohren ausgewählt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Gas einen Druck von 0,5 bis 30 bar hat.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Gas einen Druck von 1 bis 28 bar hat.