EP4558300A1 - Laserschneidverfahren mit oszillierendem laserstrahl - Google Patents

Laserschneidverfahren mit oszillierendem laserstrahl

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Publication number
EP4558300A1
EP4558300A1 EP23736625.7A EP23736625A EP4558300A1 EP 4558300 A1 EP4558300 A1 EP 4558300A1 EP 23736625 A EP23736625 A EP 23736625A EP 4558300 A1 EP4558300 A1 EP 4558300A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
movement
cutting
pattern
primary feed
laser beam
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
EP23736625.7A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Martin Bea
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 EP4558300A1 publication Critical patent/EP4558300A1/de
Pending legal-status Critical Current

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Classifications

    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • 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
    • B23K26/00—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring
    • B23K26/36—Removing material
    • B23K26/38—Removing material by boring or cutting
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • 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
    • B23K26/00—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring
    • B23K26/08—Devices involving relative movement between laser beam and workpiece
    • B23K26/082—Scanning systems, i.e. devices involving movement of the laser beam relative to the laser head

Definitions

  • the present invention relates to a method for cutting metallic, in particular plate-shaped, workpieces using a laser beam, a cyclically repeated secondary movement being superimposed on a primary feed movement of the laser beam relative to the workpiece surface, the secondary movement generating a two-dimensional movement pattern of the laser beam on the workpiece surface.
  • Such processes are also referred to as “scanner cutting”.
  • the degree of absorption of the laser radiation on the cutting front surface can be increased by a pendulum movement of the laser beam during laser cutting.
  • an increase in the melt film surface temperature and thus better expulsion of the melt from the cutting gap can be achieved.
  • This enables an increase in the maximum possible cutting feed and an improvement in the cutting edge quality by minimizing the number and size of solidified melt drops adhering to the underside of the sheet (reduced burr formation).
  • elliptical or 8-shaped pendulum figures are known from the prior art.
  • the object is thus achieved according to the invention by a laser cutting method of the type mentioned at the outset, wherein the movement pattern in a front region in the direction of the primary feed movement has a greater extent transversely to the primary feed movement than in a rear region of the movement pattern in the direction of the primary feed movement.
  • the primary feed movement typically results from a relative movement between the workpiece and a processing head, while the secondary movement can be generated using scanner optics within the processing head.
  • the primary feed movement runs along the cutting gap to be created or created.
  • the movement pattern of the secondary movement extends longitudinally and transversely to the primary feed movement. In other words, it has a component along the cutting direction and a component transverse to the cutting direction.
  • the movement pattern of the secondary movement results from an isolated consideration of the secondary movement, i.e. H. an observation of the movement of the laser beam in a coordinate system that moves with the primary feed movement of the processing head. It is understood that the shape of a resulting overall movement of the laser beam over the workpiece, which takes into account the underlying of the primary feed movement, changes compared to the movement pattern of the secondary movement (viewed in isolation).
  • the front area of the movement pattern can be the front half, preferably the front third, of the movement pattern.
  • the rear region of the movement pattern may include the remaining portion of the movement pattern in the direction of the primary feed movement, eg the back half or the back two-thirds of the movement pattern.
  • the secondary movement is repeated cyclically (periodically).
  • the secondary movement can preferably comprise a plurality of movement sections which, when put together, result in a movement cycle of the secondary movement.
  • An orientation of the movement pattern of the secondary movement is fundamentally defined relative to the direction of the primary feed movement. In other words, the cycles of the secondary movement are carried out relative to the current feed direction.
  • the process may be a melt cutting process.
  • a cutting gas jet can be directed onto the workpiece together with the laser beam. Nitrogen or a nitrogen-oxygen mixture, in particular compressed air, is preferably used as the cutting gas.
  • the laser beam and the cutting gas jet can emerge from a cutting nozzle.
  • the primary feed movement then corresponds to a movement of the cutting nozzle relative to the workpiece.
  • the secondary movement can be a movement of the laser beam within the cutting nozzle.
  • the degree of heating of the irradiated workpiece surface scales with the product of the local laser beam intensity multiplied by the interaction time.
  • metallic materials typically have two phase transitions from the solid to the liquid and finally to the vapor state, each of which is assigned discrete, material-typical temperatures.
  • the heating of the irradiated component surface has, among other things, the heat dissipation from the component surface into the interior of the component.
  • Laser material processing processes therefore require the most finely tuned process control possible in order to ensure the processed surface to be kept as precisely as possible at the temperature required for the respective process and material over the desired period of time.
  • the highest possible heating power from the laser beam is required in the area of the workpiece surface (in the feed direction) in front of the upper end of the cutting front in order to (at least) keep the workpiece surface there at room temperature to heat melting temperature.
  • This can be done either by using the highest possible laser beam intensity (focus of the laser beam positioned on the sheet metal surface) or by a sufficiently long interaction time between the laser beam and the component surface, since both parameters, multiplicatively linked to one another, determine the resulting heating power at the location in question and thus the achievable temperature of the Determine the workpiece surface.
  • the degree of this increase in the melt film thickness can be favorably influenced by a suitable selection of the cutting speed, the nozzle diameter, the cutting gas pressure and the cutting gap width.
  • the width of the cutting gap is adapted to the requirements of the most efficient possible melt expulsion using the portion of the secondary movement directed transversely to the primary feed movement adjusted by the cutting gas jet. It has already been explained that ideally melt should be generated or at least transported exclusively along the apex of the cutting front, i.e. not at a location further back in the cutting gap on the two cutting edges.
  • the transverse movement component of the secondary movement used to adjust the cutting gap width may only be carried out to a narrow extent in the area of the cutting front apex in order to be able to benefit as much as possible from the positive effect of melt or process heat transport taking place along the cutting front apex.
  • the positive effect of this design of the secondary movement can be understood - in comparison with cut edges, which created an 8-shaped pendulum figure - by means of a significantly reduced burr formation.
  • the transverse movement component of the secondary movement for adjusting the cutting gap width is therefore only carried out in the front area (in the feed direction).
  • no process heat is lost due to a repetition of the transverse movement in the rear area of the movement pattern.
  • this also prevents the surfaces of the two cut edges from melting again in an uncontrolled manner at the end of the interaction zone, which could lead to a significant increase in the formation of burrs.
  • the laser beam which is guided further inward (in the transverse direction) towards the rear, can initially be directed almost along the entire length of the movement pattern without contact with the workpiece surface or the two cutting edges and thereby first immerse it in the cutting gap without any absorption losses. Only when the diameter of the laser beam, which expands again below its focal point (on the workpiece surface), reaches the width of the cutting gap, is energy gradually removed from it as it spreads further through contact with the two cutting edge surfaces. As a result, a larger part of the laser power originally irradiated into the cutting gap actually reaches the cutting front surface, resulting in higher temperatures of the melt film surface and, as a result, also higher feed speeds and cutting edge qualities can be achieved.
  • the movement pattern of the secondary movement preferably has at least one rectilinear movement section, in particular in the rear region of the movement pattern.
  • Such movement patterns allow the secondary movement to be easily adapted to the respective application (e.g. with regard to the thickness or material of the workpiece).
  • the at least one rectilinear movement section can run in the rear region of the movement pattern, in particular along the primary feed movement. This can reliably prevent the cut edges from melting again.
  • the movement pattern has a rear part in the form of a longitudinal bar aligned in the direction of the primary feed movement, and that a front part of the movement pattern is traversed several times during a movement cycle of the secondary movement, while the longitudinal bar pointing in the feed direction is traversed only once becomes.
  • Moving the longitudinal beam once usually involves a back and forth movement in order to achieve a closed movement pattern.
  • the heating output at the front end of the movement pattern i.e. at the upper end of the cutting front, can be increased without having to change the process parameters during the secondary movement.
  • This design of the secondary movement takes advantage of the fact that, even during melt cutting, the highest possible heating power from the laser beam is required in the area of the component surface (in the feed direction) in front of the upper end of the cutting front in order to heat the workpiece surface located there at room temperature (at least) to the melting temperature .
  • an ever lower heating output is required in order to be able to keep the melt film surface at a sufficiently high temperature (low viscosity and surface tension of the melt) for cutting edges that are as smooth as possible and the melt to be expelled as burr-free as possible, since the process heat stored in the melt film Melt extrusion is continuously transported from the upper to the lower end of the cutting front.
  • the movement pattern of the secondary movement can have the shape of a “T” aligned in the direction of the primary feed movement.
  • the crossbar of the “T” is arranged at the front in the feed direction.
  • a movement pattern in the shape of a "T” allows (compared to a conventional pendulum figure such as a lying or standing "8") a much easier to handle and therefore much better optimizable assignment of the shape and execution of the movement pattern of the secondary movement to the Requirements to be met from the cutting process (power shift, cutting front length, cutting gap width).
  • the movement pattern of the secondary movement may have the shape of a "V" or "Y” aligned in the direction of the primary feed movement.
  • the open end is arranged at the front in the feed direction. This allows the cutting front surface to be divided into two parallel semi-cylindrical surfaces. This enables a significant improvement in the resulting cut edge quality in the form of significantly reduced burr adhesion.
  • a horizontal cut through the cut front surface resembles the Greek letter "co".
  • the movement pattern of the secondary movement can have a circular or semicircular movement section at its front end in the direction of the primary feed movement and taper towards its rear end.
  • a circular or semicircular movement section at its front end in the direction of the primary feed movement and taper towards its rear end.
  • an extended V or Y shape is conceivable here, with the forked front end of the “V” or “Y” being spanned by a semicircle.
  • the movement pattern in the front area describes a circle, the shape of an ice cream cone (with an ice ball) can be obtained in cross section.
  • Such movement patterns allow concentrated heat input at the front or upper end of the cutting front (facing the laser beam) in the cutting direction.
  • the movement pattern of the secondary movement can have the shape of an arrow aligned in the direction of the primary feed movement.
  • no process heat is lost due to a repetition of the transverse movement in the rear area of the movement pattern.
  • this also prevents the surfaces of the two cut edges from melting again in an uncontrolled manner at the end of the interaction zone, which could lead to a significant increase in the formation of burrs.
  • the extent of the movement pattern along the primary feed movement can be adjusted independently of the extent of the movement pattern transverse to the primary feed movement and vice versa.
  • At least one movement cycle can therefore be carried out with a first and a deviating second longitudinal extent, with the same transverse extent of the movement pattern of the secondary movement.
  • at least one movement cycle can be carried out with a first and a deviating second transverse extent with the same longitudinal extent of the movement pattern of the secondary movement.
  • the movement pattern can be easily adapted to a wide variety of boundary conditions (laser power, beam quality, imaging ratio, nozzle diameter, sheet thickness, material properties, cutting gas properties) without affecting the mechanism with which the cutting gap width is set as close as possible to the cutting front apex.
  • the secondary movement comprises at least two movement sections, and that a speed of the secondary movement, a laser power and/or a focus position of the laser beam are changed between the movement sections.
  • the heating power can be varied in a targeted manner in the different areas of the workpiece detected by the secondary movement.
  • the path speed can be reduced when moving the crossbar relative to the longitudinal bar and/or the laser power can be increased and/or the focus position can be raised or lowered when moving the longitudinal bar relative to the crossbar in order to defocus the laser beam.
  • the heating output can be specifically increased in the area of the crossbar, i.e. at the upper end of the cutting front, opposite the longitudinal bar, which projects into the cutting gap along the cutting front. This applies accordingly to other designs of the movement pattern.
  • a speed of the secondary movement can be essentially constant within at least a selected movement section of the movement pattern or over the entire movement pattern, in particular fluctuate by a maximum of +/-10%, preferably a maximum of +/-5%. This enables uniform heating of the workpiece over the area covered by the movement section or the entire area covered by the secondary movement.
  • the speed of the secondary movement is the path speed at which the laser beam is moved along the movement pattern over the workpiece surface due to the secondary movement (i.e. subtracting the superimposed primary feed movement).
  • An extension of the movement pattern of a respective cycle of the secondary movement in the direction of the primary feed movement can be at least 0.1 mm, preferably at least 0.5 mm, and/or at most 3 mm, preferably at most 2 mm.
  • An extent of the movement pattern of a respective cycle of the secondary movement in the transverse direction can in principle be of the same or a similar magnitude as the extent in the longitudinal direction.
  • the extent of a Movement pattern in the longitudinal direction be larger, in particular at least 50% larger, than its extent in the transverse direction.
  • the speed of the secondary movement i.e. H. the path speed of the laser beam due to the secondary movement alone can be at least 0.5 m/s, preferably at least 1 m/s, and/or at most 2 m/s, preferably at most 1 m/s.
  • a feed speed of the primary feed movement can be in the range from 0.1 m/min to 80 m/min, for example.
  • a laser power of the laser beam can be at least 0.5 kW, preferably at least 1 kW, and/or at most 16 kW, preferably at most 12 kW.
  • a beam diameter of the laser beam at the point of impact on the surface of the workpiece can be at least 0.05 mm, preferably at least 0.1 mm, and/or at most 2 mm, preferably at most 1 mm.
  • the focus point of the laser beam can, for example, be up to 10x mm, preferably up to 5 mm above, or up to 10 mm, preferably up to 5 mm below the surface of the workpiece on which the laser beam impinges.
  • a laser cutting system which is set up to carry out a method according to the invention described above.
  • the laser cutting system thus enables the method according to the invention to be carried out, so that its advantages are realized.
  • the laser cutting system in particular has a laser processing head with a cutting nozzle that can be moved relative to a workpiece support.
  • the laser cutting system is set up to move the cutting nozzle with a primary feed movement along a cutting contour relative to the workpiece support.
  • the laser cutting system is also set up to direct the laser beam within the cutting nozzle with a To deflect secondary movement so that a two-dimensional movement pattern is generated in a projection plane that is aligned parallel to the workpiece support.
  • a control device can be programmed to control the processing head and a laser beam source accordingly.
  • the laser cutting system preferably has a scanner device in order to move or deflect the laser beam within the cutting nozzle.
  • the scanner device simplifies the generation of the secondary movement.
  • the scanner device can be arranged in the laser processing head.
  • the control device is preferably programmed to control the scanner device so that the laser beam carries out the secondary movement.
  • FIG. 1 shows a workpiece in which a cutting gap is introduced by a laser cutting method according to the invention by means of a laser beam guided over the workpiece with a primary feed movement and a superimposed secondary movement, in a schematic sectional view;
  • FIG. 4 shows a movement pattern for the invention obtained with the movement sections of FIG. 3 at the cutting front of a cutting gap, in a schematic top view;
  • FIG. 6 shows a movement pattern for the invention obtained with the movement sections of FIG. 5 at the cutting front of a cutting gap, in a schematic top view.
  • Figure 1 shows a workpiece 10 during laser cutting.
  • a laser beam 12 and a cutting gas jet 14 are directed onto a workpiece surface 16.
  • the laser beam 12 and the cutting gas jet 14 emerge together from a cutting nozzle 18.
  • the cutting gas jet 14 can have nitrogen as the cutting gas.
  • the cutting nozzle 18 is guided over the workpiece 10 in a primary feed movement 20. This creates a cutting gap 22.
  • a cutting front 24 at the front end of the cutting gap 22 in the feed direction is inclined relative to the direction of propagation of the laser beam 12.
  • a cyclic secondary movement 26 of the laser beam 12 is superimposed on the primary feed movement 20.
  • the laser beam 12 can be moved back and forth in two directions within the cutting nozzle 18 as part of the secondary movement 26.
  • the secondary movement 26 causes a two-dimensional movement of the laser beam 12 on the workpiece surface 16.
  • the secondary movement 26 has components in the direction of the primary feed movement 20 and transversely to it.
  • the movement pattern 28 is a forward-opening “V”.
  • the movement pattern 30 is a forward-opening “Y”.
  • the movement pattern 32 is a “T” with the crossbar at the front.
  • the movement pattern 34 is an arrow pointing forward.
  • a nozzle center 35 of the cutting nozzle 18 is indicated by dashed lines.
  • the front region 38 each comprises almost a third of a total length of the respective movement pattern; the rear area 42 accordingly covers a good two thirds of the total length.
  • the front area 38 is limited to the front end.
  • the movement patterns 28, 30, 32, 34 each include several rectilinear movement sections.
  • a longitudinal bar 44 aligned in the feed direction is formed in the movement patterns 30, 32, 34. It can be provided that in a movement cycle of the secondary movement 26 the longitudinal beam 44 is only moved back and forth once, while the movement sections in the front area 38 are moved several times.
  • Parameters of the laser cutting process for example the speed of the secondary movement, the laser power of the laser beam 12 and/or the position of the focal point of the laser beam 12 relative to the workpiece surface 16, can be changed between the different movement sections.
  • the speed of the secondary movement is kept constant within a respective movement section.
  • the dimensions of the movement patterns 28, 30, 32, 34 can be scaled proportionally to the feed rate.
  • the extent of the respective movement pattern in the feed direction in particular the length of the front and rear regions 28, 42, as well as the respective extent 36, 40 transverse to the feed direction can be adjusted independently of one another.
  • Figure 3 shows individual movement sections A, B, C, D to be carried out one after the other of a movement pattern 46 of the secondary movement 26 shown in Figure 4 (compare Figure 1).
  • the movement sections A and D are straight here and form a narrow, V-shaped region 42 of the movement pattern 46 that tapers towards the rear.
  • the movement sections C and D are circular or semicircular here and form a wide, front region 38 of the movement pattern 46.
  • the movement pattern 46 can be described as the shape of an ice cream cone with an ice ball inserted.
  • the movement sections B and C are carried out in the area of the front end of the cutting front 24 in the direction of the primary feed movement 20 or on the workpiece surface 16, compare Figure 4 and Figure 1.
  • the heat input of the laser beam 24 is thus at the front end of the cutting front 24 or .Concentrated on the workpiece surface 16 facing the cutting nozzle 18.
  • the movement sections A and D extend beyond the cutting front 24 into the cutting gap 22. Due to the smaller width of the movement pattern 44 in the rear area 42, melting of cut edges 48 of the cutting gap 22 is avoided.
  • Figure 5 shows individual movement sections K, L, M, N, 0 to be carried out one after the other of a movement pattern 50 of the secondary movement 26 shown in Figure 6 (compare Figure 1).
  • the movement sections K, L and M of a front, wide area 38 can be traveled several times in a row within one cycle of the secondary movement 26. It can be provided that the movement sections N and 0 of a rear, narrow area 42 are only traveled once per cycle of the secondary movement.
  • the movement sections can be passed through, for example, in the order K, L, M, K, L, M, K, L, M, N, 0.
  • the wide, front region of the movement pattern 50 formed by the movement sections K, L and M can be placed essentially in front of the cutting front 24 on the workpiece surface 16 (see FIG. 1) in order to melt the material of the workpiece 10.
  • the movement sections N and 0 can be carried out over the cutting front 24 in order to support the expulsion of the melt, but without melting the cutting edges 48.
  • the invention relates to laser cutting methods in which a two-dimensional, periodically repeated secondary movement is superimposed on a primary feed movement in the cutting direction.
  • An extent of the secondary movement transverse to the feed direction is greater in a front area than in a rear area.

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
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  • Plasma & Fusion (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Laser Beam Processing (AREA)

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Schneiden von metallischen, insbesondere plattenförmigen, Werkstücken mittels eines Laserstrahls, wobei einer primären Vorschubbewegung (20) des Laserstrahls gegenüber einer Werkstückoberfläche eine zyklisch wiederholte Sekundärbewegung überlagert ist, wobei die Sekundärbewegung ein zweidimensionales Bewegungsmuster (28-34) des Laserstrahls auf der Werkstückoberfläche erzeugt, und wobei das Bewegungsmuster (28-34) in einem in Richtung der primären Vorschubbewegung (20) vorderen Bereich (38) eine größere Ausdehnung (36) quer zur primären Vorschubbewegung (20) aufweist als in einem in Richtung der primären Vorschubbewegung (20) hinteren Bereich (42) des Bewegungsmusters (28-34). Ferner betrifft die Erfindung eine Laserschneidanlage zur Durchführung des Verfahrens.

Description

Laserschneidverfahren mit oszillierendem Laserstrahl
Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Schneiden von metallischen, insbesondere plattenförmigen, Werkstücken mittels eines Laserstrahls, wobei einer primären Vorschubbewegung des Laserstrahls gegenüber der Werkstückoberfläche eine zyklisch wiederholte Sekundärbewegung überlagert ist, wobei die Sekundärbewegung ein zweidimensionales Bewegungsmuster des Laserstrahls auf der Werkstückoberfläche erzeugt.
Stand der Technik
Derartige Verfahren werden auch als „Scannerschneiden" bezeichnet.
Beispielsweise aus der DE 10 2008 053 397 Al ist es bekannt, dass sich durch eine Pendelbewegung des Laserstrahls beim Laserschneiden der Absorptionsgrad der Laserstrahlung auf der Schnittfrontoberfläche steigern lässt. Bei gegebener Laserleistung kann eine Steigerung der Schmelzfilmoberflächentemperatur und dadurch ein besserer Austrieb der Schmelze aus dem Schnittspalt erreicht werden. Dies ermöglicht eine Steigerung des maximal möglichen Schneidvorschubs und eine Verbesserung der Schnittkantenqualität durch Minimierung der Anzahl und Größe der an der Blechunterseite anhaftenden, erstarrten Schmelzetropfen (verringerte Gratbildung). Aus dem Stand der Technik sind beispielsweise elliptische oder 8-förmige Pendelfiguren bekannt.
Bei derartigen Pendelfiguren erfolgt jedoch ein erheblicher Wärmeeintrag in einem hinteren Bereich eines Schnittfrontscheitels. Dies kann sich nachteilig auf den Schmelzetransport auswirken. Auch ein Aufschmelzen der Schnittkanten ist möglich, worunter die Oberflächenqualität leiden kann.
Es ist eine Aufgabe der Erfindung, eine weitere Optimierung der Vorschubgeschwindigkeit und Kantenqualität beim Laserschneiden zu ermöglichen. Die Erfindung
Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Laserschneidverfahren gemäß Anspruch 1. Die Unteransprüche geben vorteilhafte Varianten an.
Die Aufgabe wird somit erfindungsgemäß gelöst durch ein Laserschneidverfahren der eingangs genannten Art, wobei das Bewegungsmuster in einem in Richtung der primären Vorschubbewegung vorderen Bereich eine größere Ausdehnung quer zur primären Vorschubbewegung aufweist als in einem in Richtung der primären Vorschubbewegung hinteren Bereich des Bewegungsmusters.
Die primäre Vorschubbewegung resultiert typischerweise aus einer Relativbewegung zwischen dem Werkstück und einem Bearbeitungskopf, während die Sekundärbewegung mittels einer Scanneroptik innerhalb des Bearbeitungskopfes erzeugt werden kann. Die primäre Vorschubbewegung verläuft entlang des zu erstellenden bzw. erstellten Schnittspalts.
Das Bewegungsmuster der Sekundärbewegung erstreckt sich längs und quer zur primären Vorschubbewegung. Es weist mit anderen Worten eine Komponente entlang der Schnittrichtung und eine Komponente quer zur Schnittrichtung auf.
Das Bewegungsmuster der Sekundärbewegung resultiert aus einer isolierten Betrachtung der Sekundärbewegung, d. h. einer Betrachtung der Bewegung des Laserstrahls in einem mit der primären Vorschubbewegung des Bearbeitungskopfs mitbewegten Koordinatensystem. Es versteht sich, dass sich die Form einer resultierenden Gesamt-Bewegung des Laserstrahls über dem Werkstück, welche die Unterlagerung der primären Vorschubbewegung berücksichtigt, gegenüber dem Bewegungsmuster der (isoliert betrachteten) Sekundärbewegung verändert.
Der vordere Bereich des Bewegungsmusters kann die vordere Hälfte, vorzugsweise das vordere Drittel des Bewegungsmusters sein. Der hintere Bereich des Bewegungsmusters kann den verbleibenden Teil des Bewegungsmusters in Richtung der primären Vorschubbewegung, z.B. die hintere Hälfte oder die hinteren zwei Drittel des Bewegungsmusters, umfassen. Die Sekundärbewegung wird zyklisch (periodisch) wiederholt. Die Sekundärbewegung kann vorzugsweise mehrere Bewegungsabschnitte umfassen, die zusammengesetzt einen Bewegungszyklus der Sekundärbewegung ergeben.
Eine Ausrichtung des Bewegungsmusters der Sekundärbewegung ist grundsätzlich relativ zur Richtung der primären Vorschubbewegung festgelegt. Die Zyklen der Sekundärbewegung werden mit anderen Worten relativ zur jeweils aktuellen Vorschubrichtung durchfahren.
Erfindungsgemäß wurde erkannt, dass ein im vorderen Bereich breiteres Bewegungsmuster eine Erhöhung der möglichen Vorschubgeschwindigkeiten bzw. eine Verbesserung der Kantenqualität am Schnittspalt, insbesondere bezüglich Rauigkeit und Gratbildung, ermöglicht.
Das Verfahren kann ein Schmelzschneidprozess sein. Ein Schneidgasstrahl kann gemeinsam mit dem Laserstrahl auf das Werkstück gerichtet werden. Vorzugsweise wird als Schneidgas Stickstoff oder ein Stickstoff- Sauerstoff- Gemisch, insbesondere Druckluft, eingesetzt. Der Laserstrahl und der Schneidgasstrahl können aus einer Schneiddüse austreten. Die primäre Vorschubbewegung entspricht dann einer Bewegung der Schneiddüse relativ zum Werkstück. Die Sekundärbewegung kann eine Bewegung des Laserstrahls innerhalb der Schneiddüse sein.
Allen Laser-Materialbearbeitungsverfahren ist gemein, dass der Grad der Erwärmung der bestrahlten Werkstückoberfläche mit dem Produkt aus lokaler Laserstrahlintensität multipliziert mit der Wechselwirkungszeit skaliert. Weiterhin weisen metallische Werkstoffe typischerweise zwei Phasenübergänge vom festen zum flüssigen und schließlich zum dampfförmigen Zustand auf, welchen jeweils diskrete, werkstofftypische Temperaturen zugeordnet sind. Der Erwärmung der bestrahlten Bauteiloberfläche wirkt u. a. die Wärmeableitung von der Bauteiloberfläche ins Innere des Bauteils hinein entgegen.
Lasermaterialbearbeitungsprozesse erfordern daher eine möglichst fein abgestimmte Prozessführung, um die bearbeitete Oberfläche über den gewünschten Zeitraum hinweg möglichst exakt auf der für den jeweiligen Prozess und Werkstoff erforderlichen Temperatur zu halten.
Es wurde erkannt, dass auch beim Laserschneiden, insbesondere beim Laser- Schmelzschneiden, im Bereich der Werkstückoberfläche (in Vorschubrichtung) vor dem oberen Ende der Schnittfront eine möglichst hohe Heizleistung durch den Laserstrahl benötigt wird, um die dort auf Raumtemperatur befindliche Werkstückoberfläche (mindestens) auf Schmelztemperatur zu erwärmen. Dies kann entweder durch eine möglichst hohe Laserstrahlintensität (Fokus des Laserstrahls an der Blechoberfläche positioniert) oder durch eine ausreichend lange Wechselwirkungszeit zwischen Laserstrahl und Bauteiloberfläche erfolgen, da beide Kenngrößen, multiplikativ miteinander verknüpft, maßgeblich die resultierende Heizleistung am betrachteten Ort und damit die erreichbare Temperatur der Werkstückoberfläche bestimmen.
Im weiteren Verlauf der Schnittfront ist eine immer geringere Heizleistung erforderlich, um die Schmelzfilmoberfläche auf einer für möglichst glatte Schnittkanten und einen möglichst gratfreien Schmelzaustrieb ausreichend hohen Temperatur (geringe Viskosität und Oberflächenspannung der Schmelze) halten zu können, da die im Schmelzfilm gespeicherte Prozesswärme durch den Schmelzaustrieb kontinuierlich vom oberen zum unteren Ende der Schnittfront transportiert wird. Hierbei nimmt die Schmelzfilmdicke und dadurch auch die darin gespeicherte Prozesswärme zum unteren Schnittfrontende hin (idealerweise kontinuierlich) zu.
Der Grad dieser Zunahme der Schmelzfilmdicke kann durch geeignete Wahl der Schneidgeschwindigkeit, des Düsendurchmessers, des Schneidgasdrucks sowie der Schnittspaltbreite günstig beeinflusst werden. Unter der bereits erläuterten Maßgabe, dass der Fokus des Laserstrahls beim Scanner-Schneiden vorzugsweise an der Blechoberfläche positioniert werden sollte, wird im Rahmen der Erfindung die Breite des Schnittspaltes mit Hilfe des quer zur primären Vorschubbewegung gerichteten Anteils der Sekundärbewegung an die Erfordernisse eines möglichst effizienten Schmelzaustriebs durch den Schneidgasstrahl angepasst. Es wurde bereits erläutert, dass idealerweise ausschließlich entlang des Scheitels der Schnittfront Schmelze erzeugt oder zumindest transportiert werden sollte, also nicht an einem weiter hinten im Schnittspalt gelegenen Ort auf den beiden Schnittkanten. Erfindungsgemäß wurde erkannt, dass der für die Einstellung der Schnittspaltbreite verwendete Querbewegungsanteil der Sekundärbewegung nur eng begrenzt im Bereich des Schnittfrontscheitels ausgeführt werden darf, um bestmöglich vom positiven Effekt eines entlang des Schnittfrontscheitels stattfindenden Schmelze- bzw. Prozesswärmetransports profitieren zu können. Die positive Wirkung dieser Gestaltung der Sekundärbewegung kann - im Vergleich mit Schnittkanten, welche 8-förmigen Pendelfigur erzeugt wurden - anhand einer deutlich reduzierten Gratbildung nachvollzogen werden.
Der Querbewegungsanteil der Sekundärbewegung zum Einstellen der Schnittspaltbreite wird somit lediglich in dem (in Vorschubrichtung) vorderen Bereich ausgeführt. Hierdurch geht (anders als beispielsweise bei 8-förmigen Pendelbewegungen) keine Prozesswärme durch eine Wiederholung der Querbewegung im hinteren Bereich des Bewegungsmusters verloren. Insbesondere wird dadurch auch vermieden, dass am Ende der Wechselwirkungszone die Oberflächen der beiden Schnittkanten nochmals unkontrolliert aufgeschmolzen werden, was zu einer deutlichen Zunahme der Gratbildung führen könnte.
Wird die Öffnung der Werkstückoberfläche (Schnittspaltbreite) möglichst nahe dem vorderen Ende des Bewegungsmusters der Sekundärbewegung generiert, kann der (in Querrichtung) weiter innen nach hinten geführte Laserstrahl nahezu auf der gesamten Länge des Bewegungsmusters zunächst ohne Kontakt mit der Werkstückoberfläche oder den beiden Schnittkanten und hierdurch zunächst ohne Absorptionsverluste in den Schnittspalt eintauchen. Erst wenn der Durchmesser des sich unterhalb seines Fokuspunktes (an der Werkstückoberfläche) wieder aufweitende Laserstrahl die Breite des Schnittspaltes erreicht, wird ihm während seiner weiteren Ausbreitung allmählich Energie durch Kontakt mit den beiden Schnittkantenoberflächen entzogen. Hierdurch erreicht ein größerer Teil der ursprünglich in den Schnittspalt eingestrahlten Laserleistung tatsächlich auch die Schnittfrontoberfläche, wodurch höhere Temperaturen der Schmelzfilmoberfläche und daraus folgend auch höhere Vorschubgeschwindigkeiten und Schnittkantenqualitäten erzielt werden können.
Bevorzugt weist das Bewegungsmuster der Sekundärbewegung wenigstens einen geradlinigen Bewegungsabschnitt, insbesondere im hinteren Bereich des Bewegungsmusters, auf. Solche Bewegungsmuster erlauben eine einfache Anpassung der Sekundärbewegung an den jeweiligen Anwendungsfall (z.B. hinsichtlich Dicke oder Material des Werkstücks). Insbesondere kann der wenigstens eine geradlinige Bewegungsabschnitt im hinteren Bereich des Bewegungsmusters, insbesondere längs zur primären Vorschubbewegung, verlaufen. Dadurch kann ein Wiederaufschmelzen der Schnittkanten zuverlässig vermieden werden.
Bei einer besonders bevorzugten Variante ist vorgesehen, dass das Bewegungsmuster einen hinteren Teil in Form eines in Richtung der primären Vorschubbewegung ausgerichteten Längsbalkens aufweist, und dass ein vorderer Teil des Bewegungsmusters während eines Bewegungszyklus der Sekundärbewegung mehrfach abgefahren wird während der in Vorschubrichtung weisende Längsbalken nur einmal abgefahren wird. Das einmalige Abfahren des Längsbalkens umfasst dabei in der Regel eine Hin- und Herbewegung, um ein geschlossenes Bewegungsmuster zu erreichen. Durch das mehrmalige Abfahren des vorderen Teils kann die Heizleistung am vorderen Ende des Bewegungsmusters, also am oberen Ende der Schnittfront erhöht werden, ohne die Prozessparameter während der Sekundärbewegung ändern zu müssen. Diese Ausführung der Sekundärbewegung macht sich zunutze, dass auch beim Schmelzschneiden im Bereich der Bauteiloberfläche (in Vorschubrichtung) vor dem oberen Ende der Schnittfront eine möglichst hohe Heizleistung durch den Laserstrahl benötigt wird, um die dort auf Raumtemperatur befindliche Werkstückoberfläche (mindestens) auf Schmelztemperatur zu erwärmen. Im weiteren Verlauf der Schnittfront ist eine immer geringere Heizleistung erforderlich, um die Schmelzfilmoberfläche auf einer für möglichst glatte Schnittkanten und einen möglichst gratfreien Schmelzaustrieb ausreichend hohen Temperatur (geringe Viskosität und Oberflächenspannung der Schmelze) halten zu können, da die im Schmelzfilm gespeicherte Prozesswärme durch den Schmelzaustrieb kontinuierlich vom oberen zum unteren Ende der Schnittfront transportiert wird.
Das Bewegungsmuster der Sekundärbewegung kann die Form eines in Richtung der primären Vorschubbewegung ausgerichteten „T" aufweisen. Der Querbalken des „T" ist in Vorschubrichtung vorne angeordnet. Ein Bewegungsmuster in Form eines „T" erlaubt (im Vergleich mit einer herkömmlichen Pendelfigur wie z. B. einer liegenden oder stehenden „8") eine wesentlich einfacher zu handhabende und damit wesentlich besser optimierbare Zuordnung der Gestalt und Ausführung des Bewegungsmusters der Sekundärbewegung zu den zu erfüllenden Anforderungen aus dem Schneidprozess (Leistungsverlagerung, Schnittfront-Länge, Schnittspalt-Breite).
Alternativ kann das Bewegungsmuster der Sekundärbewegung die Form eines in Richtung der primären Vorschubbewegung ausgerichteten „V" oder „Y" aufweisen. Das offene Ende ist dabei in Vorschubrichtung vorne angeordnet. Dadurch kann eine Aufteilung der Schnittfrontoberfläche in zwei parallel verlaufende Halbzylinderflächen erreicht werden. Dies ermöglicht eine signifikante Verbesserung der resultierenden Schnittkantenqualität in Gestalt einer deutlich reduzierten Gratanhaftung. Ein horizontaler Schnitt durch die Schnittfrontoberfläche ähnelt hierbei dem griechischen Buchstaben „co". Aufgrund des in erster Näherung gegenüber einer nicht aufgeteilten Schnittfrontoberfläche halbierten Radius der beiden Halbzylinderflächen wirken deutlich größere, kontrahierende Kapillarkräfte auf den Schmelzfilm, welche einem Zerfall desselben in einzelne Schmelzetropfen entgegenwirken können und gleichzeitig auch ein Abfließen der Schmelze auf die Oberflächen der beiden Schnittkanten verhindern können.
Das Bewegungsmuster der Sekundärbewegung kann an seinem in Richtung der primären Vorschubbewegung vorderen Ende einen kreis- oder halbkreisförmigen Bewegungsabschnitt aufweisen und zu seinem hinteren Ende hin spitz zulaufen. Vorstellbar ist hier beispielsweise eine erweiterte V- oder Y-Form, wobei das aufgegabelte vordere Ende des „V" bzw. „Y" durch einen Halbkreis überspannt ist. Wenn das Bewegungsmuster im vorderen Bereich einen Kreis beschreibt kann die Form einer Eistüte (mit einer Eiskugel) im Querschnitt erhalten werden. Derartige Bewegungsmuster erlauben einen konzentrierten Wärmeeintrag am in Schnittrichtung vorderen bzw. oberen (dem Laserstrahl zugewandten) Ende der Schnittfront.
Weiter alternativ kann das Bewegungsmuster der Sekundärbewegung die Form eines in Richtung der primären Vorschubbewegung ausgerichteten Pfeils aufweisen. Hierdurch geht (anders als beispielsweise bei 8-förmigen Pendelbewegungen) keine Prozesswärme durch eine Wiederholung der Querbewegung im hinteren Bereich des Bewegungsmusters verloren. Insbesondere wird dadurch auch vermieden, dass am Ende der Wechselwirkungszone die Oberflächen der beiden Schnittkanten nochmals unkontrolliert aufgeschmolzen werden, was zu einer deutlichen Zunahme der Gratbildung führen könnte.
Vorzugsweise ist die Ausdehnung des Bewegungsmusters längs zur primären Vorschubbewegung unabhängig von der Ausdehnung des Bewegungsmusters quer zur primären Vorschubbewegung einstellbar ist und umgekehrt. Es kann mithin wenigstens je ein Bewegungszyklus mit einer ersten und einer davon abweichenden zweiten Längsausdehnung bei jeweils gleicher Querausdehnung des Bewegungsmusters der Sekundärbewegung durchgeführt werden. Alternativ oder zusätzlich kann wenigstens je ein Bewegungszyklus mit einer ersten und einer davon abweichenden zweiten Querausdehnung bei gleicher Längsausdehnung des Bewegungsmusters der Sekundärbewegung durchgeführt werden. Dies erhöht die Anpassungsfähigkeit des Verfahrens. Beispielsweise wirkt sich eine Anpassung der Länge des schmalen hinteren Bereichs an die aktuelle Kombination aus Blechdicke und Schnittfrontneigung, um hierdurch z. B. einen höheren Absorptionsgrad auf der Schnittfront und hierdurch deutlich bessere Prozessergebnisse (Steigerung von Schmelzfilmtemperatur, Vorschub, Qualität) erzielen zu können, nicht auf die Gestalt der Sekundärbewegung an ihrem vorderen Ende aus. Das Bewegungsmuster kann in einfacher Weise an unterschiedlichste Randbedingungen (Laserleistung, Strahlqualität, Abbildungsverhältnis, Düsendurchmesser, Blechdicke, Werkstoffeigenschaften, Schneidgaseigenschaften) angepasst werden, ohne hierdurch Einfluss auf den Mechanismus zu nehmen, mit dessen Hilfe möglichst nahe am Schnittfrontscheitel die Schnittspaltbreite eingestellt wird. Es kann vorgesehen sein, dass die Sekundärbewegung wenigstens zwei Bewegungsabschnitte umfasst, und dass eine Geschwindigkeit der Sekundärbewegung, eine Laserleistung und/oder eine Fokuslage des Laserstrahls zwischen den Bewegungsabschnitten geändert werden. Auf diese Weise kann die Heizleistung in den verschiedenen von der Sekundärbewegung erfassten Bereichen des Werkstücks gezielt variiert werden. Beispielsweise können bei einem T-förmigen Bewegungsmuster die Bahngeschwindigkeit beim Abfahren des Querbalkens gegenüber dem Längsbalken reduziert und/oder die Laserleistung erhöht werden und/oder die Fokuslage beim Abfahren des Längsbalkens gegenüber dem Querbalken angehoben oder abgesenkt werden um den Laserstrahl zu defokussieren. Auf diese Weise kann gezielt die Heizleistung in dem Bereich des Querbalkens, also am oberen Ende der Schnittfront, gegenüber dem Längsbalken, der entlang der Schnittfront in den Schnittspalt hineinragt, erhört werden. Für andere Gestaltungen des Bewegungsmusters gilt dies entsprechend.
Eine Geschwindigkeit der Sekundärbewegung kann innerhalb wenigstens eines ausgewählten Bewegungsabschnittes des Bewegungsmusters oder über das gesamte Bewegungsmuster hinweg im Wesentlichen konstant sein, insbesondere um maximal +/-10 %, bevorzugt maximal+/-5 %, schwanken. Dies ermöglicht eine gleichmäßige Aufwärmung des Werkstücks über die von dem Bewegungsabschnitt bzw. der gesamten von der Sekundärbewegung erfasste Fläche. Die Geschwindigkeit der Sekundärbewegung ist die Bahngeschwindigkeit, mit der der Laserstrahl aufgrund der Sekundärbewegung (d. h. unter Abzug der überlagerten primären Vorschubbewegung) entlang des Bewegungsmusters über die Werkstückoberfläche bewegt wird.
Eine Ausdehnung des Bewegungsmusters eines jeweiligen Zyklus der Sekundärbewegung in Richtung der primären Vorschubbewegung kann wenigstens 0,1 mm, bevorzugt wenigstens 0,5 mm, und/oder höchstens 3 mm, bevorzugt höchstens 2 mm, betragen. Eine Ausdehnung des Bewegungsmusters eines jeweiligen Zyklus der Sekundärbewegung in Querrichtung kann sich grundsätzlich in der gleichen oder einer ähnlichen Größenordnung bewegen, wie die Ausdehnung in Längsrichtung. Vorzugsweise kann die Ausdehnung eines Bewegungsmusters in Längsrichtung größer sein, insbesondere um wenigstens 50 % größer sein, als seine Ausdehnung in Querrichtung.
Die Geschwindigkeit der Sekundärbewegung, d. h. die Bahngeschwindigkeit des Laserstrahls alleine aufgrund der Sekundärbewegung, kann wenigstens 0,5 m/s, bevorzugt wenigstens 1 m/s, und/oder höchstens 2 m/s, bevorzugt höchstens 1 m/s, betragen.
Eine Vorschubgeschwindigkeit der primären Vorschubbewegung kann beispielsweise im Bereich von 0,1 m/min bis 80 m/min liegen.
Eine Laserleistung des Laserstrahls kann wenigstens 0,5 kW, bevorzugt wenigstens 1 kW, und/oder höchstens 16 kW, bevorzugt höchstens 12 kW, betragen.
Ein Strahldurchmesser des Laserstrahls am Auftreffpunkt auf die Oberfläche des Werkstücks kann wenigstens 0,05 mm, bevorzugt wenigstens 0,1 mm, und/oder höchstens 2 mm, bevorzugt höchstens 1 mm, betragen.
Der Fokuspunkt des Laserstrahls kann beispielsweise bis zu lOx mm, bevorzugt bis zu 5 mm oberhalb, oder bis zu 10 mm, bevorzugt bis zu 5 mm unterhalb der Oberfläche des Werkstücks liegen, auf welche der Laserstrahl auftrifft.
Ebenfalls in den Rahmen der vorliegenden Erfindung fällt eine Laserschneidanlage, die zur Durchführung eines oben beschriebenen, erfindungsgemäßen Verfahrens eingerichtet ist. Die Laserschneidanlage ermöglicht somit die Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens, sodass dessen Vorteile realisiert werden.
Die Laserschneidanlage weist insbesondere einen relativ zu einer Werkstückauflage bewegbaren Laserbearbeitungskopf mit einer Schneiddüse auf. Die Laserschneidanlage, ist dazu eingerichtet, die Schneiddüse mit einer primären Vorschubbewegung entlang einer Schneidkontur relativ zur Werkstückauflage zu bewegen. Die Laserschneidanlage ist ferner dazu eingerichtet, den Laserstrahl innerhalb der Schneiddüse mit einer Sekundärbewegung abzulenken, sodass ein zweidimensionales Bewegungsmuster in einer Projektionsebene erzeugt wird, die parallel zur Werkstückauflage ausgerichtet ist. Eine Steuereinrichtung kann programmiert sein, den Bearbeitungskopf und eine Laserstrahlquelle entsprechend anzusteuern.
Vorzugsweise weist die Laserschneidanlage eine Scannereinrichtung auf, um den Laserstrahl innerhalb der Schneiddüse zu bewegen bzw. abzulenken. Die Scannereinrichtung vereinfacht das Erzeugen der Sekundärbewegung. Die Scannereinrichtung kann in dem Laserbearbeitungskopf angeordnet sein. Die Steuereinrichtung ist vorzugsweise dazu programmiert, die Scannereinrichtung so anzusteuern, dass der Laserstrahl die Sekundärbewegung ausführt.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung, den Ansprüchen und der Zeichnung. Erfindungsgemäß können die vorstehend genannten und die noch weiter ausgeführten Merkmale jeweils einzeln für sich oder zu mehreren in beliebigen, zweckmäßigen 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.
Ausführungsbeispiele
Die nachfolgende Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele dient im Zusammenhang mit den Zeichnungen der näheren Erläuterung der Erfindung.
Es zeigen:
Fig. 1 ein Werkstück, in welches durch ein erfindungsgemäßes Laserschneidverfahren mittels eines mit einer primären Vorschubbewegung und einer überlagerten Sekundärbewegung über das Werkstück geführten Laserstrahls ein Schnittspalt eingebracht wird, in einer schematischen Schnittansicht;
Fig. 2 verschiedene Bewegungsmuster der zyklischen Sekundärbewegung, die der primären Vorschubbewegung des Laserstrahls beim erfindungsgemäßen Laserschneidverfahren überlagert ist, in schematischen Darstellungen;
Fig. 3 einzelne Bewegungsabschnitte eines Bewegungszyklus einer Sekundärbewegung für die Erfindung, in einer schematischen Darstellung;
Fig. 4 ein mit den Bewegungsabschnitten von Figur 3 erhaltenes Bewegungsmuster für die Erfindung an der Schnittfront eines Schnittspalts, in einer schematischen Aufsicht;
Fig. 5 einzelne Bewegungsabschnitte eines weiteren Bewegungszyklus einer Sekundärbewegung für die Erfindung, in einer schematischen Darstellung;
Fig. 6 ein mit den Bewegungsabschnitten von Figur 5 erhaltenes Bewegungsmuster für die Erfindung an der Schnittfront eines Schnittspalts, in einer schematischen Aufsicht. Figur 1 zeigt ein Werkstück 10 während des Laserschneidens. Ein Laserstrahl 12 und ein Schneidgasstrahl 14 werden auf eine Werkstückoberfläche 16 gerichtet. Der Laserstrahl 12 und der Schneidgasstrahl 14 treten gemeinsam aus einer Schneiddüse 18 aus. Der Schneidgasstrahl 14 kann Stickstoff als Schneidgas aufweisen. Die Schneiddüse 18 wird in einer primären Vorschubbewegung 20 über das Werkstück 10 geführt. Dadurch wird ein Schnittspalt 22 erzeugt. Eine Schnittfront 24 am in Vorschubrichtung vorderen Ende des Schnittspalts 22 verläuft gegenüber der Ausbreitungsrichtung des Laserstrahls 12 geneigt.
Der primären Vorschubbewegung 20 ist eine zyklische Sekundärbewegung 26 des Laserstrahls 12 überlagert. Der Laserstrahl 12 kann im Rahmen der Sekundärbewegung 26 innerhalb der Schneiddüse 18 in zwei Richtungen hin- und hergehend bewegt werden. Die Sekundärbewegung 26 bewirkt eine zweidimensionale Bewegung des Laserstrahls 12 auf der Werkstückoberfläche 16. Die Sekundärbewegung 26 weist mit anderen Worten Anteile in Richtung der primären Vorschubbewegung 20 sowie quer zu dieser auf.
Verschiedene Formen von aus der Sekundärbewegung 26 resultierenden Bewegungsmustern 28, 30, 32, 34 sind in Figur 2 dargestellt. Das Bewegungsmuster 28 ist ein nach vorne offenes „V". Das Bewegungsmuster 30 ist ein nach vorne offenes „Y". Das Bewegungsmuster 32 ist ein „T" mit vorne liegen dem Querbalken. Das Bewegungsmuster 34 ist ein nach vorne weisender Pfeil. Eine Düsenmitte 35 der Schneiddüse 18 ist gestrichelte angedeutet.
Allen Bewegungsmustern 28, 30, 32, 34 ist gemein, dass eine quer zur primären Vorschubbewegung 20 gemessene Ausdehnung 36 in einem in Vorschubrichtung vorderen Bereich 38 größer ist als eine quer zur Vorschubrichtung gemessene Ausdehnung 40 in einem hinteren Bereich 42 des jeweiligen Bewegungsmusters 28, 30, 32, 34.
Bei den Bewegungsmustern 28, 30, 34 umfasst der vordere Bereich 38 jeweils knapp ein Drittel einer Gesamtlänge des jeweiligen Bewegungsmusters; der hintere Bereich 42 umfasst entsprechend gut zwei Drittel der Gesamtlänge. Bei dem Bewegungsmuster 32 ist der vordere Bereich 38 auf das vordere Ende begrenzt.
Die Bewegungsmuster 28, 30, 32, 34 umfassen jeweils mehrere geradlinige Bewegungsabschnitte. Im hinteren Teil ist bei den Bewegungsmustern 30, 32, 34 ein in Vorschubrichtung ausgerichteter Längsbalken 44 gebildet. Es kann vorgesehen sein, dass in einem Bewegungszyklus der Sekundärbewegung 26 der Längsbalken 44 je nur einmal hin- und hergehend abgefahren wird, während die Bewegungsabschnitte im vorderen Bereich 38 mehrfach abgefahren werden.
Zwischen den unterschiedlichen Bewegungsabschnitten können Parameter des Laserschneidvorgangs, beispielsweise die Geschwindigkeit der Sekundärbewegung, die Laserleistung des Laserstrahls 12 und/oder die Position des Fokuspunkts des Laserstrahls 12 relativ zur Werkstückoberfläche 16, verändert werden. Insbesondere kann vorgesehen sein, dass die Geschwindigkeit der Sekundärbewegung innerhalb eines jeweiligen Bewegungsabschnitts konstant gehalten wird.
Die Abmaße der Bewegungsmuster 28, 30, 32, 34 können proportional zur Vorschubgeschwindigkeit skaliert sein. Alternativ kann vorgesehen sein, dass die Ausdehnung des jeweiligen Bewegungsmusters in Vorschubrichtung, insbesondere die Länge des vorderen und hinteren Bereichs 28, 42, sowie die jeweilige Ausdehnung 36, 40 quer zur Vorschubrichtung unabhängig voneinander einstellbar sind.
Figur 3 zeigt einzelne, nacheinander auszuführende Bewegungsabschnitte A, B, C, D eines in Figur 4 dargestellten Bewegungsmusters 46 der Sekundärbewegung 26 (vergleiche Figur 1). Die Bewegungsabschnitte A und D sind hier geradlinig und bilden einen schmalen, nach hinten spitz zulaufenden v- förmigen Bereich 42 des Bewegungsmusters 46. Die Bewegungsabschnitte C, und D sind hier kreisförmig bzw. halbkreisförmig und bilden einen breiten, vorderen Bereich 38 des Bewegungsmusters 46. Insgesamt kann das Bewegungsmuster 46 als Form einer Eistüte mit eingesetzter Eiskugel beschrieben werden. Die Bewegungsabschnitte B und C werden im Bereich des in Richtung der primären Vorschubbewegung 20 vorderen bzw. an der Werkstückoberfläche 16 gelegenen Endes der Schnittfront 24 ausgeführt, vergleiche Figur 4 und Figur 1. Der Wärmeeintrag des Laserstrahls 24 wird somit am vorderen Ende der Schnittfront 24 bzw. an der zur Schneiddüse 18 weisenden Werkstückoberfläche 16 konzentriert. Die Bewegungsabschnitte A und D verlaufen über die Schnittfront 24 hinaus in den Schnittspalt 22 hinein. Durch die geringere Breite des Bewegungsmusters 44 im hinteren Bereich 42 wird ein Aufschmelzen von Schnittkanten 48 des Schnittspalts 22 vermieden.
Figur 5 zeigt einzelne, nacheinander auszuführende Bewegungsabschnitte K, L, M, N, 0 eines in Figur 6 dargestellten Bewegungsmusters 50 der Sekundärbewegung 26 (vergleiche Figur 1). Die Bewegungsabschnitte K, L und M eines vorderen, breiten Bereichs 38 können innerhalb eines Zyklus der Sekundärbewegung 26 mehrfach in Folge abgefahren werden. Es kann vorgesehen sein, dass die Bewegungsabschnitte N und 0 eines hinteren, schmalen Bereichs 42 pro Zyklus der Sekundärbewegung nur einmal abgefahren werden. Innerhalb eines Bewegungszyklus können die Bewegungsabschnitte beispielsweise in der Reihenfolge K, L, M, K, L, M, K, L, M, N, 0 durchfahren werden.
Der durch die Bewegungsabschnitte K, L und M gebildete breite, vordere Bereich des Bewegungsmusters 50 kann im Wesentlichen vor der Schnittfront 24 auf der Werkstückoberfläche 16 (vergleiche Figur 1) plaziert werden, um das Material des Werkstücks 10 aufzuschmelzen. Die Bewegungsabschnitte N und 0 können über der Schnittfront 24 durchgeführt werden, um den Austrieb der Schmelze zu unterstützen, ohne jedoch die Schnittkanten 48 aufzuschmelzen.
Zusammenfassend betrifft die Erfindung Laserschneidverfahren, bei welchem einer primären Vorschubbewegung in Schnittrichtung eine zweidimensionale, periodisch wiederholte Sekundärbewegung überlagert ist. Eine Ausdehnung der Sekundärbewegung quer zur Vorschubrichtung ist in einem vorderen Bereich größer als in einem hinteren Bereich. Bezugszeichenliste
Werkstück 10
Laserstrahl 12
Schneidgasstrahl 14
Werkstückoberfläche 16
Schneiddüse 18
Vorschubbewegung 20
Schnittspalt 22
Schnittfront 24
Sekundärbewegung 26
Bewegungsmuster 28, 30, 32, 34
Düsenmitte 35
Ausdehnung 36 im vorderen Bereich 38 vorderer Bereich 38
Ausdehnung 40 im hinteren Bereich 42 hinterer Bereich 42
Längsbalken 44
Bewegungsmuster 46
Schnittkanten 48
Bewegungsmuster 50
Bewegungsabschnitte A, B, C, D; K, L, M, N, O

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zum Schneiden von metallischen, insbesondere plattenförmigen, Werkstücken (10) mittels eines Laserstrahls (12), wobei einer primären Vorschubbewegung (20) des Laserstrahls (12) gegenüber einer Werkstückoberfläche (16) eine zyklisch wiederholte Sekundärbewegung (26) überlagert ist; wobei die Sekundärbewegung (26) ein zweidimensionales Bewegungsmuster (28-34; 46; 50) des Laserstrahls (12) auf der Werkstückoberfläche (16) erzeugt; und wobei das Bewegungsmuster (28-34; 46; 50) in einem in Richtung der primären Vorschubbewegung (20) vorderen Bereich (38) eine größere Ausdehnung (36) quer zur primären Vorschubbewegung (20) aufweist als in einem in Richtung der primären Vorschubbewegung (20) hinteren Bereich (42) des Bewegungsmusters (28-34; 46; 50).
2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Bewegungsmuster (28-34; 46; 50) wenigstens einen geradlinigen Bewegungsabschnitt (A, D; K, M, N, O) aufweist.
3. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Bewegungsmuster (30-34; 50) einen hinteren Teil in Form eines in Richtung der primären Vorschubbewegung (20) ausgerichteten Längsbalkens (44) aufweist, und wobei ein vorderer Teil des Bewegungsmusters (28-34; 46; 50) während eines Bewegungszyklus der Sekundärbewegung (26) mehrfach abgefahren wird während der in Vorschubrichtung weisende Längsbalken (44) nur einmal abgefahren wird.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei das Bewegungsmuster (32) die Form eines in Richtung der primären Vorschubbewegung (20) ausgerichteten „T" oder „Y" aufweist.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 2, wobei das Bewegungsmuster (28, 30) die Form eines in Richtung der primären Vorschubbewegung (20) ausgerichteten „V" aufweist.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei das Bewegungsmuster (46; 50) an seinem in Richtung der primären Vorschubbewegung (20) vorderen Ende einen kreis- oder halbkreisförmigen Bewegungsabschnitt (B, C; L) aufweist und zu seinem hinteren Ende hin spitz zuläuft.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei das Bewegungsmuster (34) die Form eines in Richtung der primären Vorschubbewegung (20) ausgerichteten Pfeils aufweist.
8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Ausdehnung des Bewegungsmusters (28-34; 46; 50) längs zur primären Vorschubbewegung (20) unabhängig von der Ausdehnung des Bewegungsmusters (28-34; 46; 50) quer zur primären Vorschubbewegung (20) einstellbar ist und umgekehrt.
9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Sekundärbewegung (26) wenigstens zwei Bewegungsabschnitte (A-D; K-O) umfasst; und wobei eine Geschwindigkeit der Sekundärbewegung (26), eine Laserleistung und/oder eine Fokuslage des Laserstrahls (12) zwischen den Bewegungsabschnitten (A-D; K-O) geändert werden.
10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei eine Geschwindigkeit der Sekundärbewegung (26) innerhalb wenigstens eines ausgewählten Bewegungsabschnittes (A-D; K-O) des Bewegungsmusters (28-34; 46; 50) oder über das gesamte Bewegungsmuster (28-34; 46; 50) hinweg im Wesentlichen konstant ist.
11. Laserschneidanlage eingerichtet zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche.
12. Laserschneidanlage nach Anspruch 11, wobei eine Scannereinrichtung vorgesehen ist, um den Laserstrahl innerhalb der Schneiddüse zu bewegen.
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