EP4217141A1 - Verfahren zum laserschneiden - Google Patents

Verfahren zum laserschneiden

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Publication number
EP4217141A1
EP4217141A1 EP21777725.9A EP21777725A EP4217141A1 EP 4217141 A1 EP4217141 A1 EP 4217141A1 EP 21777725 A EP21777725 A EP 21777725A EP 4217141 A1 EP4217141 A1 EP 4217141A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
cutting
nozzle
workpiece
speed
laser
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
EP21777725.9A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Christoph Kraus
Patrick Mach
Michael Krutzke
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Trumpf Werkzeugmaschinen SE and Co KG
Original Assignee
Trumpf Werkzeugmaschinen SE and Co KG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Trumpf Werkzeugmaschinen SE and Co KG filed Critical Trumpf Werkzeugmaschinen SE and Co KG
Publication of EP4217141A1 publication Critical patent/EP4217141A1/de
Pending legal-status Critical Current

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    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K31/00—Processes relevant to this subclass, specially adapted for particular articles or purposes, but not covered by only one of the preceding main groups
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
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    • B23K26/1462—Nozzles; Features related to nozzles
    • B23K26/1464—Supply to, or discharge from, nozzles of media, e.g. gas, powder, wire
    • B23K26/1476—Features inside the nozzle for feeding the fluid stream through the nozzle

Definitions

  • the invention relates to a method for laser fusion cutting of a workpiece, in particular a plate-shaped workpiece, in which a laser beam and a cutting gas, in particular nitrogen, are directed at the workpiece surface at a cutting gas pressure by means of a convergent cutting nozzle, and the laser power is at least 6 kW.
  • a laser beam and a cutting gas in particular nitrogen
  • the laser power is at least 6 kW.
  • the material of the workpiece is melted to form a cutting gap and blown out of the cutting gap in liquid form using a cutting gas.
  • the workpiece can be a sheet metal, in particular a metal and/or electrically conductive sheet metal.
  • the laser beam and the workpiece are moved relative to one another along a (usually variable) cutting direction, with the cutting gap being formed in the workpiece counter to the cutting direction.
  • the properties of the cutting gas jet exiting the nozzle can have an impact on the quality of the cutting gap. It is therefore known that the cutting gas jet can be influenced by the shape of the nozzle and the cutting gas pressure:
  • DE102016215019A1 discloses a method for fusion cutting with a convergent nozzle, in which the cutting gas has a cutting gas pressure of at most 10 bar, the nozzle has an opening diameter of at least 7 mm and the distance between the nozzle end face and the workpiece surface is ⁇ 0.5 mm to minimize cutting gas consumption.
  • the cutting gas has a cutting gas pressure of at most 10 bar
  • the nozzle has an opening diameter of at least 7 mm
  • the distance between the nozzle end face and the workpiece surface is ⁇ 0.5 mm to minimize cutting gas consumption.
  • WO2018068853A1 describes a laser cutting method with a Laval nozzle, in which workpieces with a thickness of 1 to 4 mm are cut with a cutting gas pressure of between 8 and 23 bar and a distance between the nozzle and the workpiece surface of between 3 and 6 mm. This cutting process also has an increased risk of collision due to the large dimensions of the Laval nozzle.
  • the cutting nozzle has a nozzle end face on the workpiece side, the distance A of which is 2 to 8 mm from the workpiece surface during cutting, preferably during the entire cutting process (i.e. also during phases in which the laser is switched off, e.g. during flying piercing). has a value between 4 mm and 8 mm.
  • the distance A of the nozzle end face can also be between 3 mm and 4 mm according to an example.
  • the cutting nozzle has a nozzle channel with a diameter do on the workpiece-side nozzle face of 1.5 to 4 mm, in particular 2 to 3.3 mm, preferably 2 to 2.7 mm or 3 to 3.3 mm. on.
  • the nozzle face is the end surface of the nozzle that is aligned with the workpiece during the cutting process.
  • a cutting gas pressure of 15 to 30 bar is used before it emerges from the cutting nozzle.
  • the cutting gas pressure before exiting the cutting nozzle can be between 22 bar and 24 bar.
  • a convergent nozzle is used, that is to say a nozzle which has a nozzle channel which tapers in the direction of flow.
  • the exit cross-section (nozzle diameter on the nozzle end face on the tool side) is therefore also the smallest cross-section of the nozzle channel. Due to the small nozzle channel cross section and the shape of the nozzle channel, a compact nozzle can be used in the method according to the invention, which in turn results in a small interfering contour and thus a reduced risk of collision.
  • the process distance (distance between the nozzle end face on the workpiece side and the workpiece surface) is selected to be relatively large (2-8 mm). This further reduces the risk of collision. In addition, it is ensured that, despite the small cross section of the nozzle channel, there is sufficient gas coverage of the cutting gap.
  • the process distance according to the invention is compensated for by using a correspondingly large cutting gas pressure (15 to 30 bar).
  • a correspondingly large cutting gas pressure (15 to 30 bar).
  • the method according to the invention results in a very small disruptive contour of the cutting nozzle and a low risk of collision, so that process reliability is increased.
  • the method according to the invention makes it possible to carry out a fusion cutting process with high cutting speeds (advance speed of the cutting nozzle relative to the workpiece during cutting), even with large workpieces.
  • the distance from the nozzle end face to the workpiece surface is maintained throughout the entire cutting process. There is therefore no need to adjust the distance during the cutting process, which further increases the productivity of the overall process.
  • a single-channel nozzle or an annular gap nozzle is used as the cutting nozzle.
  • the cutting gas pressure prior to exiting the cutting nozzle is preferably more than 18 bar, in particular at least 20 bar. In a special variant, the cutting gas pressure is at least 24 bar.
  • the cutting nozzle is moved relative to the workpiece at least temporarily at a cutting speed of at least 60 m/min.
  • the maximum feed rate during cutting i.e. with the laser beam directed onto the workpiece
  • the cutting speed is referred to as the cutting speed.
  • the focus position of the laser is selected so that it is on the workpiece surface or in the workpiece half facing the cutting nozzle, in particular between 0.2 mm and 1.5 mm below the top side of the sheet.
  • the highest cutting speed can be achieved in this focal position range.
  • the laser power is preferably at least 10 kW during cutting. Due to the high used in the method according to the invention laser power, it is possible to process thick workpieces. The method according to the invention can therefore be carried out particularly advantageously on workpieces with a workpiece thickness D of at least 4 mm.
  • a particularly preferred variant of the method according to the invention provides that the laser beam pierces the workpiece surface at at least one piercing point, while the cutting nozzle moves relative to the workpiece (flying piercing).
  • Such a process variant is used above all when many small workpiece parts arranged in a line with straight contour sections are to be cut.
  • a laser cutting head with the cutting nozzle is moved linearly over the workpiece (or vice versa) and the laser beam is switched on and off (with cutting parameters) so that the piercing takes place during the relative movement between the cutting nozzle and the workpiece (i.e. "on the fly").
  • a special variant of the method according to the invention therefore provides that the feed speed at the puncture point is reduced to a puncture speed, preferably by 10%-90% of the cutting speed.
  • the feed rate is reduced to the puncturing speed over a distance of less than 2 mm, preferably less than 0.5 mm, such that the puncturing speed is reached at the puncturing point.
  • the reduction in the feed speed is therefore started max. 2 mm (in the feed direction) before the puncture point. This ensures that, on the one hand, the speed reduction is carried out with a practicable acceleration and, on the other hand, not too much time is lost.
  • the feed speed is reduced when the laser is switched off. After the laser beam has pierced the workpiece surface, the piercing speed is preferably maintained for a few milliseconds and the feed rate is then increased again to the cutting speed.
  • FIG. 1 shows a longitudinal section through a cutting nozzle and through a plate-shaped workpiece during laser fusion cutting.
  • FIG. 2 shows a workpiece machined on the fly with a multiplicity of cut contour sections.
  • FIG. 3 shows the progression over time of the feed rate and the laser power in the vicinity of a puncture point during piercing on the fly.
  • FIG. 4 shows a laser cutting machine for carrying out the method for laser fusion cutting according to the invention.
  • FIG. 1 shows a convergent cutting nozzle 1 for laser cutting a plate-shaped metallic workpiece 2 (a metal sheet) with a thickness D by means of a laser beam 3 and a cutting gas 24 (cf. FIG. 4).
  • the cutting nozzle 1 comprises a nozzle channel 5 which has a relatively small diameter do of 1.5 to 4 mm on a nozzle end face 8 on the workpiece side.
  • the cutting gas 24 and the laser beam 3 both exit the nozzle channel 5 of the cutting nozzle 1 together.
  • the laser beam 3 has a beam direction 6 along the negative Z direction of an XYZ coordinate system.
  • the laser cutting process is a fusion cutting process in which nitrogen is used as the cutting gas 24 .
  • a focus position F of the laser beam 3 is located in the beam direction 6 within the thickness D of the workpiece 2 in the upper half of the workpiece 2 facing the cutting nozzle 1 or (not shown) on the workpiece surface 9.
  • the focus position F is Laser beam 3 in the beam direction 6 in the workpiece 2 at a depth that is less than half D/2 of the thickness D of the workpiece 2.
  • the cutting nozzle 1 is moved at a cutting speed over the workpiece 2 in a cutting direction 7 which corresponds to the X-direction of the XYZ coordinate system in order to produce a kerf 4 in the workpiece 2 .
  • FIG. 2 shows a workpiece 2 with many rectilinear contour sections 11 (square edges) arranged in a line.
  • the laser beam 3 pierces the workpiece surface 9 at a puncture point 10.
  • the laser beam 3 is switched on at the puncture point 10 of the respective contour section 11, moves along the contour section 11 and at the end of the contour section 11 switched off.
  • FIG. 3 shows a possible procedure for setting the feed rate and the corresponding laser power for on-the-fly piercing.
  • the cutting speed vc can be 14.5 m/min, for example, with a laser power of 10 kW and 25 m/min, for example, with a laser power of 20 kW.
  • the cutting speed vc of the cutting nozzle 1 is initially maintained for the subsequent positioning II of the cutting nozzle 1 (time period t1 to t2). Shortly before the next piercing point 10, the feed speed of the cutting nozzle is reduced to a piercing speed vp within a period of time t2 to t3.
  • the piercing speed can be, for example, about 5 m/min, using a laser power of 20 kW, for example, about 10 m/min.
  • the point in time t2 is preferably chosen so that the distance from the point at which the feed rate begins to be reduced (position of the cutting nozzle 1 at point in time t2) to the next piercing point is a maximum of 2 mm, preferably a maximum of 0.5 mm.
  • the cutting nozzle 1 reaches the piercing point at the piercing speed VP and the laser beam is switched on again for piercing the workpiece 2.
  • the piercing process III takes place in the time period t3 to t5.
  • the piercing speed VP should preferably be maintained for as short a time as possible (period t3 to t4).
  • the feed speed of the cutting nozzle 1 is increased again to the cutting speed vc within the period t4 to t6.
  • piercing process III is complete, ie the laser beam has penetrated the workpiece through the entire thickness.
  • the cutting speed vc is reached again and the contour section 11 can be completely cut with the cutting speed vc.
  • the feed rate is preferably reduced and increased linearly.
  • FIG 4 shows a laser cutting machine 20 suitable for carrying out the laser fusion cutting method described above.
  • the laser cutting machine 20 has, for example, a solid-state laser or a diode laser as the laser beam generator 21 .
  • the laser cutting machine 20 also has a movable (laser) cutting head 22, with which the cutting nozzle 1 is moved, and a workpiece support 23 on which the workpiece 2 is arranged.
  • the laser beam 3 is generated in the laser beam generator 21 and is guided from the laser beam generator 21 to the cutting head 22 .
  • the laser beam 3 is directed onto the workpiece 2 by means of focusing optics arranged in the cutting head 22 .
  • the laser cutting machine 20 is also supplied with cutting gas 24, here nitrogen.
  • cutting nozzle 1 of cutting head 22 is supplied with nitrogen as cutting gas 24 at an overpressure of approx. 15-30 bar (before the cutting gas 24 emerges from cutting nozzle 1).
  • the laser cutting machine 20 also includes a machine control 25, which is programmed to move the cutting head 22 together with its cutting nozzle 1 according to a cutting contour relative to the stationary workpiece 2.
  • the machine controller 25 also controls the power of the laser beam generator 21, which is more than 6 kW, in particular more than 10 kW, in the fusion cutting process described above. In this way, for example, with a workpiece thickness of 1.5 mm at 6 kW mm, a cutting speed (feed) of 60 m/min or even higher can be achieved, with the cutting speed increasing as the laser power increases.

Abstract

Ein Verfahren zum Laserschmelzschneiden, eines insbesondere plattenförmigen Werkstücks (2), vorzugsweise mit einer Dicke D von mindestens 1 mm, wobei ein Laserstrahl (3) sowie ein Schneidgas (24), insbesondere Stickstoff, mit einem Schneidgasdruck mittels einer konvergenten Schneiddüse (1) auf die Werkstückoberfläche (9) gerichtet werden, wobei die Laserleistung mindestens 6 kW beträgt ist dadurch gekennzeichnet, dass die Schneiddüse (1) eine werkstückseitige Düsenstirnfläche (8) aufweist, deren Abstand A zur Werkstückoberfläche während des Schneidens 2 bis 8 mm beträgt, dass die Schneiddüse (1) einen Düsenkanal (5) mit einem Durchmesser dD an der werkstückseitigen Düsenstirnfläche (8) von 1,5 bis 4 mm aufweist, und dass der Schneidgasdruck vor dem Austritt aus der Schneiddüse (1) 15 bis 30 bar beträgt. Hierdurch kann eine hohe Produktivität bei gleichzeitig verringertem Kollisionsrisiko, d.h. höherer Prozesssicherheit, erreicht werden.

Description

Verfahren zum Laserschneiden
Hintergrund der Erfindung Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Laserschmelzschneiden eines Werkstücks, eines insbesondere plattenförmigen Werkstücks, wobei ein Laserstrahl sowie ein Schneidgas, insbesondere Stickstoff, mit einem Schneidgasdruck mittels einer konvergenten Schneiddüse auf die Werkstückoberfläche gerichtet werden, und wobei die Laserleistung mindestens 6 kW beträgt. Beim Laserschmelzschneiden wird zur Ausbildung eines Schnittspalts der Werkstoff des Werkstücks aufgeschmolzen und in flüssiger Form mittels eines Schneidgases aus dem Schnittspalt ausgeblasen. Das Werkstück kann ein, insbesondere ein metallisches und/oder elektrisch leitfähiges, Blech sein. Beim Laserschmelzschneiden werden der Laserstrahl und das Werkstück relativ zueinander entlang einer (in der Regel veränderlichen) Schneidrichtung bewegt, wobei sich entgegen der Schneidrichtung der Schnittspalt in dem Werkstück ausbildet.
Die Eigenschaften des aus der Düse austretenden Schneidgasstrahls können einen Einfluss auf die Qualität des Schnittspalts haben. Es ist daher bekannt, den Schneidgasstrahl durch Form der Düse und Schneidgasdruck zu beeinflussen:
Aus DE102016215019A1 ist ein Verfahren zum Schmelzschneiden mit einer konvergenten Düse bekannt, bei dem das Schneidgas einen Schneidgasdruck von höchstens 10 bar, die Düse einen Öffnungsdurchmesser von mindestens 7 mm aufweist und bei dem der Abstand der Düsenstirnfläche zur Werkstückoberfläche < 0,5 mm beträgt, um den Schneidgasverbrauch zu minimieren. Mit diesem Verfahren wird eine hohe Schneidgeschwindigkeit bei gleichzeitig guter Schnittkantenqualität erreicht. Allerdings ist dieser Schneidprozess sehr anfällig für Kollisionen der Düse mit verkippten Werkstückteilen, insbesondere aufgrund des geringen Abstands der Düse zur Werkstückoberfläche.
In WO2018068853A1 wird ein Laserschneidverfahren mit einer Laval-Düse beschrieben, bei dem Werkstücke mit einer Dicke von 1 bis 4 mm mit einem Schneidgasdruck zwischen 8 und 23 bar sowie einem Abstand der Düse von der Werkstückoberfläche zwischen 3 und 6 mm geschnitten werden. Auch dieser Schneidprozess weist aufgrund der großen Abmessungen der Laval-Düse ein erhöhtes Kollisionsrisiko auf.
Es ist Aufgabe der Erfindung, ein Laser-Schmelzschneidverfahren vorzuschlagen, das eine hohe Produktivität bei gleichzeitig verringertem Kollisionsrisiko, d.h. höherer Prozesssicherheit, ermöglicht. Beschreibung der Erfindung
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Verfahren gemäß Patentanspruch 1.
Erfindungsgemäß weist die Schneiddüse eine werkstückseitige Düsenstirnfläche auf, deren Abstand A während des Schneidens, vorzugsweise während des kompletten Schneidprozesses (also auch während Phasen, in denen der Laser ausgeschaltet ist, z.B. im Rahmen eines fliegenden Einstechens) zur Werkstückoberfläche 2 bis 8 mm beträgt, insbesondere einen Wert zwischen 4 mm und 8 mm aufweist. Der Abstand A der Düsenstirnfläche kann ferner gemäß einem Beispiel zwischen 3 mm und 4 mm betragen. Darüber hinaus weist die Schneiddüse erfindungsgemäß einen Düsenkanal mit einem Durchmesser do an der werkstückseitigen Düsenstirnfläche von 1,5 bis 4 mm, insbesondere von 2 bis 3,3 mm, bevorzugt von 2 bis 2,7 mm oder von 3 bis 3,3 mm, auf. Die Düsenstirnfläche ist diejenige Endfläche der Düse, die während des Schneidprozesses zum Werkstück ausgerichtet ist. Erfindungsgemäß wird ein Schneidgasdruck vor dem Austritt aus der Schneiddüse von 15 bis 30 bar verwendet. Beispielsweise kann der Schneidgasdruck vor dem Austritt aus der Schneiddüse zwischen 22 bar und 24 bar betragen.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird eine konvergente Düse verwendet, also eine Düse, die einen sich in Fließrichtung verjüngenden Düsenkanal aufweist. Der Austrittsquerschnitt (Düsendurchmesser an der werkzeugseitigen Düsenstirnfläche) ist daher gleichzeitig auch der kleinste Querschnitt des Düsenkanals. Aufgrund des kleinen Düsenkanalquerschnitts und der Form des Düsenkanals und kann bei dem erfindungsgemäßen Verfahren eine kompakte Düse verwendet werden, was wiederum eine kleine Störkontur und somit ein verringertes Kollisionsrisiko zur Folge hat.
Gleichzeitig wird erfindungsgemäß der Prozessabstand (Abstand der werkstückseitigen Düsenstirnfläche zur Werkstückoberfläche) relativ groß gewählt (2 - 8 mm). Dadurch wird das Kollisionsrisiko weiter verringert. Zudem wird gewährleistet, dass trotz des kleinen Querschnitts des Düsenkanals eine ausreichende Gasüberdeckung des Schnittspalts stattfindet.
Der erfindungsgemäße Prozessabstand wird durch das Verwenden eines entsprechend großen Schneidgasdrucks (15 bis 30 bar) kompensiert. Insgesamt ergibt sich bei dem erfindungsgemäßen Verfahren eine sehr kleine Störkontur der Schneiddüse und ein geringes Kollisionsrisiko, so dass die Prozesssicherheit erhöht wird. Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht die Durchführung eines Schmelzschneidverfahrens mit hohen Schneidgeschwindigkeiten (Vorschubgeschwindigkeit der Schneiddüse relativ zum Werkstück während des Scheidens), auch bei großen Werkstücken.
Bevorzugte Varianten des erfindunosoemäßen Verfahrens
Bei einer bevorzugten Variante wird während des kompletten Schneidprozesses der Abstand von der Düsenstirnfläche zur Werkstückoberfläche beibehalten. Auf eine Abstandsanpassung während des Schneidprozesses kann daher verzichtet werden, was die Produktivität des Gesamtprozesses weiter erhöht.
Bei einer speziellen Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens wird als Schneiddüse eine Einkanaldüse oder eine Ringspaltdüse verwendet. Hierdurch kann die Störkontur und der Gasverbrauch verringert werden.
Vorzugsweise beträgt der Schneidgasdruck vor dem Austritt aus der Schneiddüse mehr als 18 bar, insbesondere mindestens 20 bar. In einer speziellen Variante beträgt der Schneidgasdruck mindestens 24 bar.
Bei einer besonders bevorzugten Variante wird die Schneiddüse relativ zum Werkstück zumindest zeitweise mit einer Schneidgeschwindigkeit von mindestens 60m/min bewegt. Als Schneidgeschwindigkeit wird dabei die maximale Vorschubgeschwindigkeit während des Schneidens (also mit auf das Werkstück gerichteten Laserstrahl) bezeichnet.
Bei einer speziellen Variante wird die Fokuslage des Lasers so gewählt, dass sie auf der Werkstückoberfläche oder in der der Schneiddüse zugewandten Werkstückhälfte, insbesondere zwischen 0,2 mm - 1,5 mm unterhalb der Blechoberseite, liegt. In diesem Fokuslagen-Bereich ist die höchste Schneidgeschwindigkeit erreichbar.
Die Laserleistung beträgt während des Scheidens vorzugsweise mindestens 10 kW. Aufgrund der bei dem erfindungsgemäßen Verfahren verwendeten hohen Laserleistung ist es möglich, dicke Werkstücke zu bearbeiten. Das erfindungsgemäße Verfahren kann also besonders vorteilhaft an Werkstücken mit einer Werkstückdicke D von mindestens 4 mm durchgeführt werden.
Eine besonders bevorzugte Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens sieht vor, dass das Einstechen des Laserstrahls an mindestens einer Einstichstelle in die Werkstückoberfläche erfolgt, während sich die Schneiddüse relativ zum Werkstück bewegt, (fliegendes Einstechen). Eine solche Prozessvariante kommt vor allem dann zur Anwendung, wenn viele kleine, in einer Linie angeordnete Werkstückteile mit geradlinigen Konturabschnitten geschnitten werden sollen. Dabei wird ein Laserschneidkopf mit der Schneiddüse linienförmig über das Werkstück bewegt (oder umgekehrt) und der Laserstrahl wird (mit Schneidparametern) ein- und ausgeschaltet, so dass das Einstechen während der Relativbewegung zwischen Schneiddüse und Werkstück (also „fliegend") erfolgt.
Bei Werkstücken mit einer Dicke von mehr als 4 mm ist das fliegende Einstechen allerdings auch mit einer Laserleistung zwischen 10 und 20 kW nicht mit guter Qualität möglich, da bei den gewünschten Schneidgeschwindigkeiten kein sauberer Durchstich und Schnittbeginn erreicht wird. Dieses Problem kann gelöst werden, indem bei ansonsten unveränderten Prozessparametern die Vorschubgeschwindigkeit an der Einstichstelle reduziert wird. Eine spezielle Variante des erfindungsgemäßen Verfahren sieht daher vor, dass die Vorschubgeschwindigkeit an der Einstichstelle, vorzugsweise um 10% - 90% der Schneidgeschwindigkeit, auf eine Einstechgeschwindigkeit reduziert wird.
Vorzugsweise wird die Verringerung der Vorschubgeschwindigkeit auf die Einstechgeschwindigkeit auf einer Wegstrecke kleiner als 2 mm, vorzugsweise kleiner als 0,5 mm, durchgeführt, derart, dass die Einstechgeschwindigkeit an der Einstichstelle erreicht wird. Das Verringern der Vorschubgeschwindigkeit wird also max. 2 mm (in Vorschubrichtung) vor der Einstichstelle begonnen. Auf diese Weise wird sichergestellt, dass einerseits die Geschwindigkeitsreduzierung mit einer praktikablen Beschleunigung durchgeführt wird und andererseits nicht zu viel Zeitverlust in Kauf genommen werden muss. Die Reduzierung der Vorschubgeschwindigkeit erfolgt bei abgeschaltetem Laser. Vorzugsweise wird nach dem Einstechen des Laserstrahls in die Werkstückoberfläche die Einstechgeschwindigkeit für einige Millisekunden beibehalten und anschließend die Vorschubgeschwindigkeit wieder auf Schneidgeschwindigkeit erhöht.
Weitere Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und der Zeichnung. Ebenso können die vorstehend genannten und die noch weiter ausgeführten Merkmale erfindungsgemäß jeweils einzeln für sich oder zu mehreren in beliebigen Kombinationen Verwendung finden. Die gezeigten und beschriebenen Ausführungsformen sind nicht als abschließende Aufzählung zu verstehen, sondern haben vielmehr beispielhaften Charakter für die Schilderung der Erfindung.
Detaillierte Beschreibung der Erfindung und Zeichnung
Fig. 1 zeigt einen Längsschnitt durch eine Schneiddüse und durch ein plattenförmiges Werkstück beim Laserschmelzschneiden.
Fig. 2 zeigt fliegend bearbeitetes ein Werkstück mit einer Vielzahl an geschnittenen Konturabschnitten.
Fig. 3 zeigt den zeitlichen Verlauf der Vorschubgeschwindigkeit sowie der Laserleistung in der Nähe einer Einstichstelle beim fliegenden Einstechen.
Fig. 4 zeigt eine Laserschneidmaschine zum Durchführen des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Laserschmelzschneiden.
In der folgenden Beschreibung der Figuren werden für gleiche bzw. funktionsgleiche Bauteile identische Bezugszeichen verwendet.
Figur 1 zeigt eine konvergente Schneiddüse 1 zum Laserschneiden eines plattenförmigen metallischen Werkstücks 2 (eines Blechs) mit einer Dicke D mittels eines Laserstrahls 3 und eines Schneidgases 24 (vgl. Figur 4). Die Schneiddüse 1 umfasst einen Düsenkanal 5, der an einer werkstückseitigen Düsenstirnfläche 8 einen relativ kleinen Durchmesser do von 1,5 bis 4 mm aufweist. Das Schneidgas 24 und der Laserstrahl 3 treten beide gemeinsam aus dem Düsenkanal 5 der Schneiddüse 1 aus. Der Laserstrahl 3 weist eine Strahlrichtung 6 auf, die entlang der negativen Z-Richtung eines XYZ-Koordinatensystems verläuft. Bei dem Laserschneidprozess handelt es sich vorliegend um einen Schmelzschneidprozess, bei dem als Schneidgas 24 Stickstoff eingesetzt wird.
Ein Abstand A der werkstückseitigen Düsenstirnfläche 8 zur der der Schneiddüse
1 zugewandten Werkstückoberfläche 9 beträgt erfindungsgemäß mindestens
2 mm, bevorzugt mindestens 4 mm, insbesondere bis zu 8 mm. Eine Fokusposition F des Laserstrahls 3 befindet sich erfindungsgemäß in Strahlrichtung 6 innerhalb der Dicke D des Werkstücks 2 in der oberen, der Schneiddüse 1 zugewandten Hälfte des Werkstücks 2 oder (nicht gezeigt) auf der Werkstückoberfläche 9. Mit anderen Worten befindet sich die Fokusposition F des Laserstrahls 3 in Strahlrichtung 6 in dem Werkstück 2 in einer Tiefe, die kleiner ist als die Hälfte D/2 der Dicke D des Werkstücks 2.
Die Schneiddüse 1 wird mit einer Schneidgeschwindigkeit über das Werkstück 2 in einer Schneidrichtung 7 bewegt, die der X-Richtung des XYZ-Koordinatensystems entspricht, um im Werkstück 2 einen Schnittspalt 4 zu erzeugen.
Figur 2 zeigt ein Werkstück 2 mit vielen in einer Linie angeordneten geradlinigen Konturabschnitten 11 (Quadratkanten). Zum Schmelzschneiden solcher Konturen erfolgt zu Beginn jedes Konturabschnitts 11 an einer Einstichstelle 10 ein Einstechen des Laserstrahls 3 in die Werkstückoberfläche 9. Dazu wird der Laserstrahl 3 an der Einstichstelle 10 des jeweiligen Konturabschnitts 11 eingeschaltet, entlang dem Konturabschnitt 11 bewegt und am Ende des Konturabschnitts 11 ausgeschaltet.
Wenn dieser Vorgang fliegend erfolgen soll, also ohne die Schneiddüse 1 an der Einstichstelle 10 anzuhalten, ist es bei dicken Werkstücken 2 vorteilhaft, die Vorschubgeschwindigkeit der Schneiddüse 1 (in Schneidrichtung) vor der Einstichstelle 10 zu reduzieren. Dazu wird ein Laserschneidkopf mit der Schneiddüse 1 kontinuierlich linienförmig über das Werkstück 2 bewegt, wobei die Vorschubgeschwindigkeit vor den Einstichstellen 10 reduziert und nach den Einstichstellen 10 wieder erhöht wird. In Figur 3 ist ein möglicher Ablauf für die Einstellung der Vorschubgeschwindigkeit sowie die entsprechende Laserleistung beim fliegenden Einstechen dargestellt. Die Schneidgeschwindigkeit vc kann bei einer Laserleistung von 10 kW bspw. 14,5 m/min, bei einer Laserleistung von 20 kW bspw. 25 m/min betragen. Nach dem Schneiden I eines ersten Konturabschnitts 11 im Zeitraum tO bis tl mit angeschaltetem Laserstrahl 3 und Schneidgeschwindigkeit vc als Vorschubgeschwindigkeit wird zum darauffolgenden Positionieren II der Schneiddüse 1 die Schneidgeschwindigkeit vc der Schneiddüse 1 zunächst beibehalten (Zeitraum tl bis t2). Kurz vor der nächsten Einstichstelle 10 wird die Vorschubgeschwindigkeit der Schneiddüse innerhalb eines Zeitraums t2 bis t3 auf eine Einstechgeschwindigkeit vp reduziert. Beim Schneiden von Baustahl mit einer Werkstückdicke von 5 mm unter Verwendung einer Laserleistung von 10 kW kann die Einstechgeschwindigkeit beispielsweise ca. 5 m/min, unter Verwendung einer Laserleistung von 20 kW beispielsweise ca. 10 m/min betragen. Der Zeitpunkt t2 wird dabei vorzugsweise so gewählt, dass der Abstand von der Stelle, an der begonnen wird, die Vorschubgeschwindigkeit zu reduzieren (Position der Schneiddüse 1 zum Zeitpunkt t2), zur nächsten Einstichstelle maximal 2 mm, vorzugsweise maximal 0,5 mm beträgt. Zum Zeitpunkt t3 erreicht die Schneiddüse 1 die Einstichstelle mit der Einstechgeschwindigkeit VP und der Laserstrahl wird zum Einstechen in das Werkstück 2 wieder angeschaltet. Der Einstechvorgang III erfolgt im Zeitraum t3 bis t5. Während des Einstechvorgangs III soll die Einstechgeschwindigkeit VP vorzugsweise so kurz wie möglich (Zeitraum t3 bis t4) beibehalten werden. Danach wird die Vorschubgeschwindigkeit der Schneiddüse 1 innerhalb des Zeitraums t4 bis t6 wieder auf die Schneidgeschwindigkeit vc erhöht. Zum Zeitpunkt t5 ist der Einstechvorgang III beendet, d.h. der Laserstrahl ist durch die komplette Dicke in das Werkstück eingedrungen. Zum Zeitpunkt t6 wird die Schneidgeschwindigkeit vc wieder erreicht und der Konturabschnitt 11 kann mit der Schneidgeschwindigkeit vc fertig geschnitten werden. Die Verringerung und Erhöhung der Vorschubgeschwindigkeit erfolgt vorzugsweise linear.
Figur 4 zeigt eine zum Durchführen des oben beschriebenen Laserschmelzschneidverfahrens geeignete Laserschneidmaschine 20. Die Laserschneidmaschine 20 weist bspw. einen Festkörperlaser oder einen Diodenlaser als Laserstrahlerzeuger 21 auf. Die Laserschneidmaschine 20 weist weiter einen verfahrbaren (Laser-)Schneidkopf 22, mit dem die Schneiddüse 1 verfahren wird, und eine Werkstückauflage 23 auf, auf der das Werkstück 2 angeordnet ist. Im Laserstrahlerzeuger 21 wird der Laserstrahl 3 erzeugt, der vom Laserstrahlerzeuger 21 zum Schneidkopf 22 geführt wird. Der Laserstrahl 3 wird mittels einer im Schneidkopf 22 angeordneten Fokussieroptik auf das Werkstück 2 gerichtet.
Die Laserschneidmaschine 20 wird darüber hinaus mit Schneidgas 24, hier Stickstoff, versorgt. Für die Durchführung des oben beschriebenen erfindungsgemäßen Laserschmelzschneidverfahrens wird der Schneiddüse 1 des Schneidkopfs 22 Stickstoff als Schneidgas 24 zugeführt, und zwar bei einem Überdruck von ca. 15 - 30 bar (vor dem Austritt des Schneidgases 24 aus der Schneiddüse 1).
Die Laserschneidmaschine 20 umfasst ferner eine Maschinensteuerung 25, die programmiert ist, den Schneidkopf 22 samt seiner Schneiddüse 1 entsprechend einer Schneidkontur relativ zum ruhenden Werkstück 2 zu verfahren. Die Maschinensteuerung 25 steuert auch die Leistung des Laserstrahlerzeugers 21, die beim oben beschriebenen Schmelzschneidprozess bei mehr als 6 kW, insbesondere bei mehr als 10 kW liegt. Auf diese Weise kann beispielsweise bei einer Werkstückdicke von 1,5 mm bei 6 kW mm eine Schneidgeschwindigkeit (Vorschub) von 60 m/min oder sogar höher erreicht werden, wobei die Schneidgeschwindigkeit mit zunehmender Laserleistung steigt.
1 Schneiddüse
2 Werkstück
3 Laserstrahl
4 Schnittspalt
5 Düsenkanal
6 Strahlrichtung des Laserstrahls
7 Schneidrichtung
8 Düsenstirnfläche
9 Werkstückoberfläche
10 Einstichstellen
11 Konturabschnitt
20 Laserschneidmaschine
21 Laserstrahlerzeuger
22 Schneidkopf
23 Werkstückauflage
24 Schneidgas
25 Maschinensteuerung
F Fokusposition
D Werkstückdicke
A Abstand dF Durchmesser Laserstrahl D Durchmesser Düsenkanal

Claims

Patentansprüche Verfahren zum Laserschmelzschneiden eines Werkstücks (2), insbesondere eines plattenförmigen Werkstücks (2), wobei ein Laserstrahl (3) sowie ein Schneidgas (24), insbesondere Stickstoff, mit einem Schneidgasdruck mittels einer konvergenten Schneiddüse (1) auf die Werkstückoberfläche (9) gerichtet werden, wobei die Laserleistung mindestens 6 kW beträgt dadurch gekennzeichnet, dass die Schneiddüse (1) eine werkstückseitige Düsenstirnfläche (8) aufweist, deren Abstand A zur Werkstückoberfläche während des Schneidens 2 bis 8 mm, insbesondere 4 bis 8 mm, beträgt, dass die Schneiddüse (1) einen Düsenkanal (5) mit einem Durchmesser do an der werkstückseitigen Düsenstirnfläche (8) von 1,5 bis 4 mm aufweist, und dass ein Schneidgasdruck vor dem Austritt aus der Schneiddüse (1) von 15 bis 30 bar verwendet wird. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass während des kompletten Schneidprozesses der Abstand A von der Düsenstirnfläche (8) zur Werkstückoberfläche (9) beibehalten wird. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Schneiddüse (1) eine Einkanaldüse oder eine Ringspalt- düse verwendet wird. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Schneidgasdruck vor dem Austritt aus der Schneiddüse (1) mehr als 18 bar beträgt.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schneiddüse (1) relativ zum Werkstück (2) zumindest zeitweise mit einer Schneidgeschwindigkeit von mindestens 60 m/min bewegt wird.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Fokuslage F des Laserstrahls (3) auf der Werkstückoberfläche (9) oder in der der Schneiddüse (1) zugewandten Werkstückhälfte, insbesondere zwischen 0,2 mm und 1,5 mm unterhalb der Werkstückoberseite, liegt.
7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Laserleistung während des Scheidens mindestens 10 kW beträgt.
8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren an Werkstücken mit einer Werkstückdicke D mindestens 4 mm durchgeführt wird.
9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Einstechen des Laserstrahls (3) an mindestens einer Einstichstelle (10) in die Werkstückoberfläche (9) erfolgt, während sich die Schneiddüse (1) und das Werkstück (2) relativ zueinander bewegen.
10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorschubgeschwindigkeit an der Einstichstelle (10), vorzugsweise um 10% - 90% der Schneidgeschwindigkeit, auf eine Einstechgeschwindigkeit reduziert wird.
11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Verringerung der Vorschubgeschwindigkeit auf die Einstechgeschwindigkeit auf einer Wegstrecke kleiner als 2 mm, vorzugsweise kleiner als 0,5 mm, durchgeführt wird, sodass die Einstechgeschwindigkeit an der Einstichstelle (10) erreicht wird. Verfahren nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass nach dem Einstechen des Laserstrahls (3) in die Werkstückoberfläche (9) die Einstechgeschwindigkeit für einige Millisekunden beibehalten wird und anschließend die Vorschubgeschwindigkeit wieder auf Schneidgeschwindig- keit erhöht wird.
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