DE7327896U

DE7327896U - Device for laser beam processing of workpieces

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Publication number: DE7327896U
Application number: DE7327896U
Authority: DE
Original assignee: LKS LASER KOMBINATIONSSYSTEME GmbH
Current assignee: LKS LASER KOMBINATIONSSYSTEME GmbH
Priority date: 1973-07-30
Filing date: 1973-07-30
Publication date: 1974-05-09

Description

Vorrichtung zur Laserstrahl-Bearbeitung von WerkstückenDevice for laser beam processing of workpieces

Die Neuerung betrifft eine Vorrichtung zur Laserstrahl-Bearbeitung von werkstücken, insbesondere eine Vorrichtung zur Bearbeitung von Werkstücken mittels eines aus einem Laserstrahl und einem diesen überlagerten Fluidstrahl bestehenden Bearbeitungsstrahls.The innovation relates to a device for laser beam processing of workpieces, in particular a device for processing workpieces by means of a Laser beam and a machining beam that is superimposed on this fluid beam.

Bekanntlich sind die gebündelten oder fokusslerten Strahlen von Lasern, insbesondere Kohlendioxid-Lasern, geeignet, metallische und nichtmetallische Werkstoffe bzw. Werkstücke zu bearbeiten, insbesondere zu schneiden, zu bohren, zu profilleren, zu ritzen oder dergleichen. As is known, the bundled or focused beams of lasers, in particular carbon dioxide lasers, are suitable for processing metallic and non-metallic materials or workpieces, in particular cutting, drilling, profiling, scoring or the like.

608-xl769-HdBk608-xl769-HdBk

In diesem Zusammenhang ist es Insbesondere für COp-In this context, it is particularly important for COp-

I*/V* X %# ± S/O I * / V * X% # ± S / O

bekannt (vgl. Sullivan, Α., u. Houldcroft, P.T.: Oas-jet laser cutting, British Welding J. 14 (1967) S. 44j5 - 445), koaxial mit der? fokussierten Laserstrahl dem zu bearbeitenden Werkstück durch eine enge Düse ein Fluid in Form von Sauerstoff zuzuführen, damit an der durch den Laserstrahl aufgeheizten Oberfläche des Werkstücks eine exotherme Reaktion beginnt, deren Ausbeute ein Vielfaches der absorbierten Laserenergie sein kann.known (see Sullivan, Α., and Houldcroft, P.T .: Oas-jet laser cutting, British Welding J. 14 (1967) pp. 44j5 - 445), coaxial with the? focused laser beam to the one to be processed A fluid in the form of oxygen is fed to the workpiece through a narrow nozzle so that it is sent to the laser beam An exothermic reaction begins on the heated surface of the workpiece, the yield of which is a multiple of the absorbed laser energy can be.

Zwar kann auf diese Weise eine erheblich größere Bearbeitungsgeschwindigkeit erzielt werden, als sie ohne den Sauer stoff strahl möglich wäre_e dooh ist- als Nachteil festgestellt worden, daß die exotherme chemische Reaktion an der Bearbeitungsetelle nur sehr schwer gesteuert werden kann, insbesondere dann, wenn «s sich um Werkstoff· großer Sauerstoffaffin!tat (z.B. Titan) handelt. Aber selbst beim Bearbeiten von nicht so reaktiven Werkstoffen (z.B. normalem Stahl, V2A-Stahl usw.) führt die exotherme Reaktion, insbesondere beim Sohneiden mit kleinen Vorschüben, wie sie bei komplexer Form der herzustellenden Werkstücke auftreten, zu Schnittkanten nur geringer Qualität, die dann eine Nachbearbeitung erfordern. Although a significantly greater processing speed can thus be achieved when they material without the sour radiant possible _e would be actual dooh been found to be a disadvantage that the exothermic chemical reaction can be very difficult to control at the Bearbeitungsetelle, especially when " s is a material with a high affinity for oxygen (e.g. titanium) . But even when processing less reactive materials (e.g. normal steel, V2A steel, etc.), the exothermic reaction, especially in the case of sons with small feed rates, such as occur with the complex shape of the workpieces to be manufactured, leads to cut edges of only poor quality, which then require post processing.

Ke ist ferner bekannt g*wor4»n (vgl. John 1. Harry und Prank W. Lunau, Electrothermal Cutting Processes Using a CO₂ Laser, ISBE TTamsaotions on industry applications, VeI. IA-8, Mo. 4, JuIi/August 1972, S. 4i8 ~ 424), sin Schneiden sowohl von Netallen als auch Miohteetallen game allgemein einen Gasstrahl als Pluldetrathl kcaxiÄl zub fefeasslerteB Laserstrahl auf das Werkstück einwirken asu lassen. Ke is also known (cf. John 1. Harry and Prank W. Lunau, Electrothermal Cutting Processes Using a CO ₂ Laser, ISBE TTamsaotions on industry applications, VeI. IA-8, Mon. 4, July / August 1972, pp. 4i8 ~ 424), cutting of both metal and metal alloys generally involves allowing a gas jet to act on the workpiece in the form of a plug that can be used for a fixed laser beam .

was das Schneiden von Miefrt&etaiiea beUrifft, so bewirkt as for the cutting of Miefrt & etaiiea, so does it

7327βΜ-ί.ί. Κ7327βΜ-ί.ί. Κ

der Oasstrahl eine Kühlung der Schnittkanten, was zu einer geraderen Schnittkante an der Werkstüokoberseite führt, weite* eine Entfernung von geschmolzenen und verdampften Materialien des Werkstücks aus dem Schneidbereich, und schließlich eine Verringerung oder Vermeidung von Abbrand, selbst wenn Luft als das Gas verwendet wird, und zwar infolge der Kühlung des Werkstücks durch den Oasstrahl in der Nähe des fokussierten Laserstrahls,the oas jet a cooling of the cut edges, resulting in a straighter cutting edge on the top of the workpiece leads to a removal of melted and vaporized materials of the workpiece from the cutting area, and finally reducing or avoiding burn-up, even when air is used as the gas, due to cooling of the workpiece through the oas beam in the vicinity of the focused laser beam,

Sofern ein Strahl eines inerten Oases zum Sohneiden von Metall verwendet wird, unterstützt er die Entfernung von Sohlaoke. Als nachteilig 1st ,jedoch ermittelt worden» daß sich an der vom fokussierten Laserstrahl abgewandten Seite des Werkstücks Me tall tröpfchen aus fast reinem N<> tall bilden, die nicht verschlackt sind, und daher kaum bzw, mir· duroh eine Nachbehandlung entfernt v*^a -dan kennen, wobei die Nachbehandlung mittels einer Säuberung*trommel oder Abfclopfen mit einem Hammer erfolgt, was beträchtlich· Spuren an der Unterseite des werkstüoks Infolg« der Abrisse hinterläß*·..In so far as a ray of an inert oasis is used to son of metal, it aids in the removal of Sohlaoke. Been 1st disadvantageous, however, determined "that on the side facing away from the focused laser beam side of the workpiece me tal droplets of almost pure N <> tall form that are not slagged, and therefore has little or me · duroh an aftertreatment away v * ^a -dan know, with the after-treatment by means of a cleaning drum or tapping with a hammer, which leaves considerable traces on the underside of the workpiece as a result of the tears *.

Ferner haben sich beim Bearbeiten, insbesondere Sohneiden, von kleinen, komplizierten Teilen, wie sie insbesondere in der Feinwerktechnik benötigt werden (z.B. Typenhebeln, Steuerkurven), mittels eines aus einen Laser- und eiia«« Fluldstrahl zusammengesetzten Bearbeitunfsstrahle wvltore Px*9bleae eviejefeeA· Wie FIg* 1 w eplMMMt s&bt, die eelMMBB* tlseh tee Att*#efeot£#·«» eines Innenteils A warn eine« AuJtenteil β «ittels «Ines Bearbeituacsstrahls C »elgt, wir« alt zunehaeaden Ausseh^le^en 4m* Innenteile A und daalt Vtfila··· rung eiaer SoÄmttllnie t> di« V&hB**iu#ituiä« vo« Inn«nt«ll A zu« Aufienteil B, das normalerweise wegen der grOIeren •ins größere Wareekapa*ität besitzt, eraohwert. Dadurch findet eine überhitzni^ d#s Innenteils A statt, was Ausn unä Geftigerertoderu^en des Innemtelle zurFurthermore, when processing small, complicated parts, such as those required in particular in precision engineering (e.g. type levers, control cams), using a processing beam composed of a laser and a fluid beam, wvltore Px * 9bleae eviejefeeA · Wie FIg * 1 w eplMMMt s & bt, the eelMMBB * tlseh tee Att * # efeot £ # · «» of an inner part A warn an «outer part» means «Ines processing beam C» elgt, we «old look too hairy and 4m * inner parts A and daalt Vtfila ··· ration of a SoÄmttllnie t> di «V & hB ** iu # ituiä« from «Inn« nt «ll A to« Aufienteil B, which normally has a larger product capacity because of the larger goods capacity. This results in an overheating of the inner part A, which results in the failure of the inner part

hat. Diese Effekte sind umso störender, Je kleiner die zu fertigenden Inr-er.tslie sincU d,h, je kleiner deren Wärmekapazität ist, so daß es bislang praktisch unmöglich 1st, Feinwerkteile mit weniger als "ι cm Durchmesser oder mit schmalen Brücken, wie sie in der Feinwerktechnik sehr häufig vorkommen, in der notwendigen Qualität aus Blechen unterhalb etwa J) mm Dicke auszuschneiden. Selbstverständlich treten die geschilder an Wärmeabfuhrprobleme auch dann auf, wenn die Schnittlinie D sich nicht über die gesamte werkstoff dicke erstreckt, d.h. wenn z.B. der Werkatof nur .tark geritzt wird.Has. These effects are all the more disruptive, the smaller the Inr-er.tslie sincU d, h, the smaller their heat capacity is, so that it has hitherto been practically impossible to produce precision parts with a diameter of less than ½ cm or with narrow bridges like them It is very common in precision engineering to cut out the required quality from sheet metal below about J) mm thick. Of course, the heat dissipation problems described also occur if the cutting line D does not extend over the entire material thickness, i.e. if, for example, the workshop only . is heavily scratched.

Es 1st daher Aufgab« der Neuerung, ein« Vorrichtung der »inganga genannten Art «nirageb««, dls nisht nur «ine genau« Bearbeitung von Vrsrlc-tLlctisr. shm praktisch* Ab. meeaungab«grenzung naoh unten und ohne naohtetllK· Veränderung dea Wvrkatoffc erlaubt, ion4ern »oa;ar dt· hearn«tr.unp;agenaulgkelt, lnabaaondare nel Verwendung «tn«*, mit. dem Werk-■ tofr r«aeierend«n Fluide «t· ;iauflrer.')rr, im «rivihan.It is therefore the task of the innovation to "nirageb" a "device of the type called" inganga "which is not only" in an exact "processing of Vrsrlc-tLlctisr. shm practical * Ab. meeaungab «limit naoh below and without naohtetllK · change dea Wvrkatoffc allowed, ion4ern» oa; ar dt · hearn «tr.unp; agenaulgkelt, lnabaaondare nel use« tn «*, with. the Werk- ■ tofr r «aeierend« n Fluide «t ·; iauflrer. ') rr, im « rivihan.

Die»· Aufgab· wird ««mfed aar M«u«runa st,·"'^' durch • In« KUh leinr Iaht, un« *ui»s Aun,r««an «tn«a KUd ImU. t.· Ie auf den Bearbelt.unesberelnh >im» wert*a η »β.The "task becomes""mfed aar M" u "runa st,""'^' through • In" KUh leinr Yaht, un "* ui" s Aun, r "" an "tn" a KUd ImU. T . · Ie on the Bearbelt.unesberelnh > im » Wert * a η» β.

Oft« auf 4ay tu b*«rb«n.«n4· w«ru*r.iink »uftrefrendeOften «on 4ay tu b *« rb «n.« N4 · w «ru * r.iink» uftrefrende

WhI* ile wM«U tt lnmr* um**t**m *»r Bearbeltungs at«ll· inteiMtv ab .*n* aorgt ummlt rvtr 41« notwendige Wärme a&r^ir, se 4ss elf» 'JMrttttiung avlt 6mn damit, verknüpften Au«brenn ngpm vma lenieevertnderuxeen veraileden wird.WhI * ile wM «U tt lnmr * um ** t ** m *» r processing at «ll · inteiMtv ab. * N * aorg ummlt rvtr 41« necessary heat a & r ^ ir, se 4ss elf »'JMrttttiung avlt 6mn with it , linked Au «Brenn ngpm vma lenieevertnderuxeen veraileden.

Durch <tas auf dea WerketUok treffende Kühlmittel erfolgt aber vort«llhafterw*lee keine Absorption von Laserstrahlenergie, da der Fluidstrahlanteil des Bearbeitungs-Due to the coolant hitting the work unit, however, there is advantageously no absorption of laser beam energy, since the fluid jet portion of the machining

Strahls unmittelbar an der Bear-beitungsstelle das Kühlmittel verdrängt. Eine ausreichende Kühlung ist jedoch trotzdem gewährleistet, da infolge der Relativbewegung des Werkstücks und des Bearbeitungsstrahls die eben im Laserstrahl gelegenen Zonen des Werkstücks schnell diesen Energiezuführungsbereich verlassen und dann sofort abgekühlt werden, was im Sonderfall der Verwendung von Sauerstoff als das Fluid den besonderen Vorteil mit sich bringt, daß die Grenztemperatur für die exotherme Reaktion des Werkstoffs mit Sauerstoff sofort unterschritten wird und damit keine weitere Reaktion stattfindet, was für höchste Bearbeitungsgenauigkeit sorgt.The coolant directly at the processing point repressed. Adequate cooling is nevertheless guaranteed, since it is due to the relative movement of the workpiece and the machining beam, the zones of the workpiece that are located in the laser beam quickly remove them Leave the energy supply area and then immediately cooled, which in the special case of the use of oxygen than the fluid has the particular advantage that the limit temperature for the exothermic reaction of the Material with oxygen is immediately undershot and thus no further reaction takes place, which is the highest Machining accuracy ensures.

Ferner ist die Neuerung insoweit vorteilhaft, als sich am unteren Rand bildende Schlacken bzw. Metalltröpfchen bei Bearbeitung des Werkstücks unter gleichzeitigem Auftragen des Kühlmittels sehr leicht (z.B. durch eine Bürste) entfernen lassen. Nach der Entfernung dieser Schlacken- bzw. Metalltröpfchen sind kaum Spuren am Werkstück zu bemerken.Furthermore, the innovation is advantageous in that slag or metal droplets are formed at the lower edge Machining of the workpiece can be removed very easily (e.g. with a brush) while simultaneously applying the coolant permit. After removing these slag or metal droplets, hardly any traces can be seen on the workpiece.

Infolge der schnellen Kühlung der Umgebung der Jeweiligen Bearbeitungsstelle werden normalerweise thermische Veränderungen des Werkstoffgefüges auch bei kleinen Werkstücken mit Sicherheit vermieden, denn die Wärmeeinflußzone ist bei Bearbeitungs- bzw. Schnittbreiten von z.B. 0,1 mm, wie z.B. sie in 1 - 1,5 mm dickem Stahlblech erzielbar sind, vernachlässigbar klein, wie die praktische Erprobung der Neuerung bewiesen hat.As a result of the rapid cooling of the area around the respective processing point, thermal Changes to the material structure, even with small workpieces, are avoided with certainty, because the heat-affected zone is for processing or cutting widths of e.g. 0.1 mm, such as can be achieved in 1 - 1.5 mm thick sheet steel, negligibly small, as practical testing of the innovation has shown.

Schließlich wird dur:h das Kühlmittel weitgehend eine Wärmerückstrahlung vom Werkstück zur den Bearbeitungsstrahl abgebenden Bearbeitungsstrahldüse vermieden, so daß die Gefahr einer übermäßigen Aufheizung der Bearbeitungsstrahl-Finally, by : h the coolant largely prevents heat reflection from the workpiece to the machining jet emitting the machining jet, so that the risk of excessive heating of the machining jet

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düse und e:r3r dadurch bedingten Zerstörung beträchtlich reduziert wird.nozzle and e: r3r the destruction caused by it is reduced.

Beim Bearbeiten bzw= Schneiden von dickeren Werkstoffen z.B. Stahlblech von 2 - 5 mn Dicke und mehr, kann sich die Wärmeabfuhr durch das Kühlmittel an der Werkstückoberseite allein als nicht ausreichend erweisen, die Wärmeenergie schnell genug abzuführen, da dann die Wärmediffusionszeit zu groß und die dafür notwendige Diffusionsgeschwindigkeit zu gering wird. Dann wird das Kühlmittel auch an der Unterseite des Werkstücks aufgetragen.When processing or cutting thick materials E.g. sheet steel of 2 - 5 mm thickness and more, the Heat dissipation through the coolant on the top of the workpiece alone does not prove to be sufficient, the thermal energy to dissipate quickly enough, because then the heat diffusion time too large and the necessary diffusion speed is too low. Then the coolant is also applied to the underside of the workpiece.

Die entsprechende Unterkühleinrichtung hat zweckmäßigerwelse eine mittige öffnung zum Durchtritt des das Werkstück durchsetzenden Teils des Bearbeitungsstrahls und von Bearbeitungsabfällen.The corresponding subcooling device expediently has a central opening for the workpiece to pass through penetrating part of the machining beam and machining waste.

Schließlich ist es vorteilhaft, daS die Oherkühleinrlohtung mit der Bearbeitungsstrahldüse einen guten Wärmekontakt hat.Finally, it is advantageous that the cooling device has good thermal contact with the processing jet nozzle.

Bei Verwendung von Bearbeitungsetrahldüsen mit kleinem Querschnitt wird nämlich infolge der immer bei Lasern im optischen Nahfeld auftretenden Streustrahlung (Beugungserscheinungen am Austrittsfenster, Linsenfehler der Bündelungs- oder Fokuseierungslinse) ein Teil der Laswenergie am Umfang dieser Düse absorbiert, wodurch eine Aufheizung dieser Düse ebenso wie dure'i die bereite erwähnt« Rückstrahlung vom Werkstück stattfinden kann. Daher besteht an sich die Oefahr, daß die KUhl-BearbeitungsstrahldUse unzulässig hoch aufgeheizt wird, d.h. durch die Aufheizung zerstört wird. Den wirkt aber gerade die Oberkühleinriehtung entgegen, wenn sie in gutem Wärmekontakt mit der Bearbeltungestrahldüee steht.When using machining jet nozzles with a small Because of the scattered radiation that always occurs with lasers in the optical near field (diffraction phenomena at the exit window, lens errors of the focusing or focussing lens) a part of the lasw energy on the circumference absorbed by this nozzle, as a result of which this nozzle can be heated up, just as dure'i the already mentioned “reflection from the workpiece can take place. Therefore there is in itself the danger that the KUhl machining jet nozzle is heated up to an impermissibly high level, i.e. is destroyed by the heating. The but just counteracts the upper cooling device when it is in good thermal contact with the machining jet nozzle.

73278¹W-ι, β. Λ73278 ¹ W-ι, β. Λ

-Ί-Ί

Im einfachsten Fall ist das Kühlmittel einfach V'asser oder eine an sich bekannte Bohremulsion., die dann einen Flüssigkeitsfilm an der Werkstückoberseite bilden.In the simplest case, the coolant is simply V'asser or a drilling emulsion known per se, which then has a Form a liquid film on the top of the workpiece.

Das Kühlmittel kann aber auch sin kaltes inertes Gas sein.The coolant can also be cold, inert gas be.

Die Neuerung wird anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:The innovation is explained in more detail with reference to the drawing. Show it:

Fig. 1 schematisch die bei der Laserstrahlbearbeitung auftretenden Wärmeabfuhrverhältnisse; und1 schematically shows the heat dissipation conditions occurring during laser beam machining; and

Fig. 2 ein Ausführungsbeispiel der neuerungsgemäßen Vorrichtung.Fig. 2 shows an embodiment of the innovation according to the invention Contraption.

-. einem (nicht gezeigten) Laser geht ein Laserstrahl 1 aus, der durch eine Linse 2 gebündelt oder fokussiert wird. Durch ein seitliches Speiserohr 3 wird ein Fluid wie z.B. Sauerstoff dem Laserstrahl 1 überlagert so daß aus einer Bearbeitungsstrahldüse 4 ein Eearbeitungsstrahl 5 austritt, der sich aus dem Laserstrahl 1 und einem nicht gesondert gezeigten Sauerstoffstrahl zusammensetzt.-. a laser (not shown) is a laser beam 1 which is bundled or focused by a lens 2. A fluid such as e.g. Oxygen superimposed on the laser beam 1 so that from a Machining jet nozzle 4 a machining jet 5 exits, which is composed of the laser beam 1 and an oxygen beam not shown separately.

Im Fall von Fig. 2 durchsetzt der Bearbeitungsstrahl 5 vollständig ein Werkstück 6.In the case of FIG. 2, the machining beam 5 completely penetrates a workpiece 6.

Gemäß der Neuerung ist eine Kühleinrichtung vorgesehen, die einerseits aus einer Oberkühleinrichtung 7a mit einer Kühlmittelzufuhr 8a sowie hier konzentrisch zum Bearbeitungsstrahl 5 angeordneten Kühlmitteldüsen 9a und andererseits aus einer Unterkühleinrichtung 7b mit einer Kühlmittelzufuhr 8b sowie Kühlmitteldüsen 9b und schließlich einer mittigen Bohrung 10 besteht.According to the innovation, a cooling device is provided which, on the one hand, consists of an upper cooling device 7a with a Coolant supply 8a as well as coolant nozzles 9a arranged here concentrically to the machining jet 5 and on the other hand from a subcooling device 7b with a coolant supply 8b as well as coolant nozzles 9b and finally a central one Hole 10 exists.

7327111-1.1747327111-1.174

Das Kühlmittel wird gemäß Pfeilrichtungen K auf das Werkstück 6 selbst aufgetragen.The coolant is applied to the workpiece 6 itself in the direction of the arrow K.

Beim Ausführungsbeispiel von Fig. 2 ist insbesondere ersichtlich, (iaß die Ober kühleinrichtung 7a in gutem Wärmekontakt mit der Bearbeitungsstrahldüse 4 steht, was die bereits oben aufgezeigten Vorteile mit sich bringt.In the embodiment of FIG. 2 it can be seen in particular, (generally the upper cooling device 7a is in good thermal contact with the machining jet nozzle 4 is what the already brings advantages outlined above.

Wegen der weiteren Einzelheiten des Ausführungst^ispieIs von Fig. 2 wird ausdrücklich auf die Zeichnung selbst in Verbindung mit der bereits oben gegebenen Erläuterung der durch die Neuerung erzielten Vorteile verwiesen.Because of the further details of the embodiment example of Fig. 2 is expressly related to the drawing itself with the explanation given above of the advantages achieved by the innovation.

7327IM-iλ κ7327IM-iλ κ

Claims

.ti · ■ · * t - 9 claims for protection

1. Device for processing workpieces by means of a laser beam and a fluid beam superimposed on this existing machining beam, g e k e η η draws by a cooling device for applying a coolant to the machining area of the workpiece (6).

2. Apparatus according to claim 1, characterized in that df.e cooling device is an upper cooling device (7a, 8a) on the machining beam (5) facing or top of the workpiece (6).

3. Device according to claim 2, characterized in that let the cooling device have a sub-cooling device (7b, 8b) on the one facing away from the machining beam (5) Side of the workpiece (6).

k. Device according to one of Claims 1-3, characterized in that the cooling device (7a, 8a; 7b, 8b) is arranged essentially coaxially to the machining jet nozzle (4).

5. Device according to one of the preceding claims, characterized in that the cooling device has many fine coolant nozzles (9a, 9b).

6. Device according to one of claims 3-5, characterized in that the subcooling device (7b) a central opening (10) for the workpiece to pass through penetrating part of the machining beam (5) and machining waste.

7127 »M-7127 »M-

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7. Device according to one of claims 1-6, characterized in that the upper cooling device (7a) good thermal contact with the machining jet nozzle (4-) Has.

8. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that the coolant Water is.

9. The method according to any one of claims 1-7, characterized in that the coolant is an well-known drilling emulsion, namely an emulsion of water and corrosion-preventing oils.

10. Device according to one of claims 1-7, characterized in that the coolant is a cold one insrtes gas is.