WO1993009909A1

WO1993009909A1 - Verfahren zum abtragen von werkstoff von relativbewegten metallenen werkstücken

Info

Publication number: WO1993009909A1
Application number: PCT/DE1992/000950
Authority: WO
Inventors: Jörg Franke; Wolfgang Schulz; Gerd Herziger
Original assignee: Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V.
Priority date: 1991-11-19
Filing date: 1992-11-11
Publication date: 1993-05-27
Also published as: US5651904A; JP3083320B2; JPH07501266A; US5847358A

Abstract

Verfahren zum Abtragen von Werkstoff von relativbewegten metallenen Werkstücken (10), insbesondere zum Schneiden von Blechen, bei dem die Oberfäche (11) des Werkstücks (10) ohne zu schmelzen auf eine Temperatur vorgeheizt wird, bei der eine Entzündung durch ein Brenngas (12) erfolgt, das als Strahl mit Druck auf die Vorheizstelle (13) geblasen wird und verbrannten Werkstoff des Werkstücks (10) aus einer durch das Verbrennen gebildeten Abtragsvertiefung (14) wegbläst. Um mit vergleichsweise großer Vorschubgeschwindigkeit bei dicken Werkstücken glatte Wände zu erreichen, wird derart verfahren, daß in die Abtragsvertiefung (14) zusätzlich zum Brenngas (12) Laserstrahlung (15) auf die Abtragsfront (16) eingestrahlt wird.

Description

Verfahren zum Abtragen von Werkstoff von relativbewegten me¬ tallenen Werkstücken

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Abtragen von Werkstoff von relativbewegten metallenen Werkstücken, ins¬ besondere zum Schneiden von Blechen, bei dem die Oberfläche des Werkstücks ohne zu schmelzen auf eine Temperatur vorge¬ heizt wird, bei der eine Entzündung durch ein Brenngas er- folgt, das als Strahl mit Druck auf die Vorheizstelle geblasen wird und verbrannten Werkstoff des Werkstücks aus einer durch das Verbrennen gebildeten AbtragsVertiefung wegbläst.

Ein derartiges Verfahren wird beim autogenen Brennschnei¬ den durchgeführt. Die Vorheizung der Oberfläche des Werkstücks auf dessen Entzündungstemperatur erfolgt mit einem Heizgas, beispielsweise einer Gasmischung aus Acethylen und Sauerstoff. Hierbei wird der Schmelzpunkt nicht erreicht. Es wird als we¬ sentlich erachtet, daß Energie des Heizgases auch in die Schnittfuge gelangt. Als Brenngas wird Sauerstoff verwendet, mit dem der Werkstoff des Werkstücks zu Oxid verbrannt wird. Das Oxid wird durch den Druck des Brenngases weggeblasen. Es entsteht eine glattwandige Schnittfuge bzw. eine glattwandige Abtragsvertiefung.

ERSATZBLATT Bei dem allgemein bekannten Laserstrahl-Brennschneiden wird ein Brenngasstrahl und ein dazu koaxialer Laserstrahl zum Schneiden von Blechen benutzt. Bei diesem Laserstrahl-Brenn¬ schneiden von Blechdicken unter 20 mm kann schneller geschnit- ten werden, als beim herkömmlichen autogenen Brennschneiden. Die Schnittflächen dickerer Bleche weisen jedoch eine gerin¬ gere Qualität auf. Bei Blechdicken ab ca. 10mm nimmt die An¬ zahl der Ausbrennungen zu und die gemittelten Rauhtiefen lie¬ gen häufig oberhalb 100 μ . Ausbrennungen und Rauhigkeiten sind auf Turbulenzen zurückzuführen die sich auf der Schnitt¬ front infolge der einfallenden Laserstrahlung beim Aufschmel¬ zen und Verbrennen ergeben. Mit dem Auftreten von Turbulenzen ist auch eine Verringerung der Schneidgeschwindigkeit verbun¬ den.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren mit den eingangs genannten Merkmalen so zu verbessern, daß auch dicke Werkstücke, z.B. mehr als 30 mm dicke Stahlbleche, einer schnellen Abtragsbearbeitung unterworfen werden können, bei der die Wände der Abtragsvertiefung eine Oberflächenrauh- tiefe von weniger als 50 μ aufweisen.

Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß in die AbtragsVer¬ tiefung zusätzlich zum Brenngas Laserstrahlung auf die Ab- tragsfront eingestrahlt wird.

Der vorgenannte Verfahrensschritt ist beim herkömmlichen Laserstrahl-Brennschneiden bekannt. Er führt dabei jedoch zu den oben beschriebenen Erscheinungen der Erhöhung der Rauhtie- fen und der Herabsetzung der Schnittgeschwindigkeit bei an¬ wachsenden Blechdicken. Für die Erfindung ist demgegenüber die Erkenntnis von Bedeutung, daß die Erhöhung der Rauhtiefe und die Verringerung der Schnittgeschwindigkeit bei dicken Blechen dann vermieden werden kann, wenn vor der Einstrahlung der La- serstrahlung auf die Abtragsfront eine Vorheizung der Oberflä¬ che des Abtragbereichs erfolgt. Nur dann kann beim Beginn der Abtragsbearbeitung von der Werkstückoberfläche aus eine stö¬ rungsfreie Verbrennung erwartet werden, wie sie beim autogenen Brennschneiden bekannt ist. Bei diesem Verfahren dient die auf die Abtragsfront eingestrahlte Laserstrahlung dazu, in die Ab- tragsvertiefung zusätzlich thermische Energie einzukoppeln, um die Schneidgeschwindigkeit zu steigern, ohne bei den Auf¬ schmelzvorgängen Turbulenzen zu erzeugen. Die Laserstrahlung kann infolgedessen insbesondere eine Aufheizung und Begradi- gung der sich an der Abtragsunterkante abflachenden Abtrags¬ front bzw. Schneidfront bewirken. Wird demgegenüber nicht vor¬ geheizt, so ergeben sich vom Anschnitt bzw. von den Anfangs¬ stellen der Abtragsbearbeitung ausgehende Instabilitäten, z.B. bedingt durch dort erfolgende unterschiedliche Einkopplung von Strahlungsenergie infolge sich ändernder Reflexionsverhält¬ nisse.

Im Ergebnis ergibt sich ein abbrandstabilisiertes Laser¬ strahl-Brennschneiden bzw. -abtragen. Bleche von mehr als 30 mm Dicke haben glatte Schnittflächen, vorzugsweise von Rauh¬ tiefen mit R_z<50 μm. Die Schnitte sind bartfrei bzw. ein Bart läßt sich leicht entfernen. Die Schneidgeschwindigkeit ist er¬ höht und es sind auch sehr große Blechdicken schneidbar, z.B. 80 mm. Infolge des abbrandstabilisierten Verbrennens des Werk- Stoffs ergibt sich eine zeitlich stabil ablaufende exotherme Reaktion mit optimaler Energieauswertung des Brenngases und mit optimaler Einkopplung der Energie der Laserstrahlung in die Abtragsfront. Das Verhältnis der Abtragleistung des Brenn¬ gases zur Abtragleistung der Laserstrahlung ist um ein Vielfa- ches größer, als beim bekannten Laserstrahl-Brennschneiden, woraus dessen Verbesserung unmittelbar ersichtlich ist .

Zweckmäßigerweise wird die Vorheizstelle mit Laserstrah¬ lung vorgeheizt. Das Vorheizen mit Laserstrahlung hat den Vor- teil der universellen Einsetzbarkeit und Anpaßbarkeit an den jeweiligen Bearbeitungsfall. Ein derartiges Vorheizen bietet insbesondere die Möglichkeit, daß zum Vorheizen des Werkstücks und zum Einstrahlen in die Abtragsvertiefung Laserstrahlung derselben Laserstrahlungsquelle verwendet wird. Dabei kann vorteilhafterweise ein einziger Laserstrahl verwendet werden. Es können aber auch zwei voneinander getrennt geführte Laser¬ strahlen zur Anwendung kommen. Damit ist, wie beim bekannten Laserstrahl-Brennschneiden, nur ein einziger Laser erforder¬ lich.

ERSATZBLATT Das Verfahren wird vorteilhafterweise so durchgeführt, daß die Temperatur der Vorheizstelle auf mindestens die Ent¬ zündungstemperatur des Werkstoffs geregelt wird. Eine Regelung der Temperatur an der Vorheizstelle kann dazu benutzt werden, daß die Entzündungstemperatur an der Vorheizstelle während der Bearbeitung nicht unterschritten wird, und sie kann dazu be¬ nutzt werden, daß die Schmelztemperatur nicht erreicht wird. Die Regelung ist insbesondere erforderlich, wenn die Werk¬ stückoberfläche z.B. infolge Oxydation von Vorheizstelle zu Vorheizstelle unterschiedliches Entzündungsverhalten zeigt. Die Regelung hat insbesondere beim Vorheizen mit Laserstrah¬ lung Vorteile, wenn die Werkstückoberfläche unterschiedliches Absorptionsverhalten für die Laserstrahlung hat. Wenn die Tem¬ peratur der Vorheizstelle konstant gehalten wird, können ins- besondere solche Werkstücke optimal bearbeitet werden, bei denen der Unterschied zwischen der Entzündungstemperatur und der Schmelztemperatur des Werkstoffs nur gering ist.

Das Verfahren kann auch so durchgeführt werden, daß zum Vorheizen Induktionsspulen und/oder Lichtbogenelektroden und/oder Mikrowellenstrahler und/oder Gasbrenner verwendet werden. ^'In diesem Fall wird auf herkömmliche Heizmittel zu¬ rückgegriffen, deren spezielle Vorteile gezielt eingesetzt werden können. Beispielsweise wird das Verfahren so durchge- führt, daß zum Vorheizen mit Heizgas ein Gasbrenner mit einer Ringdüse verwendet wird, deren Heizabgase koaxial zum Brenngas abströmen. Die koaxial zum Brenngas abströmenden Heizgase stützen den Brenngasstrahl, der infolgedessen mit einem sehr kleinen bzw. nicht aufgeweiteten Durchmesser auf das Werkstück trifft, so daß die Abtrags ertiefung schmal gehalten werden kann, was beim Blechschneiden von Vorteil ist. Wie beim be¬ kannten autogenen Brennschneiden gelangt ein großer Teil der Heizenergie in die Abtragsvertiefung und steht dort zum Auf¬ schmelzen mit zur Verfügung.

Vorteilhafterweise wird das Verfahren so durchgeführt, daß in die Abtragsvertiefung eingestrahlte Laserstrahlung im¬ pulsweise eingestrahlt wird. Mit der Pulsung kann Einfluß auf die eingekoppelte Leistung genommen werden. Eine Beeinflussung der Pulsung erlaubt nicht nur eine Steuerung der Abtragsge- schwindigkeit, sondern auch eine Einflußnahme auf lokale Schmelz- bzw. Verbrennungsvorgänge und damit eine Einflußnahme auf die Oberflächenausbildung der Abtragungswände bzw. deren Rauhtiefe.

Es hat sich als wesentlich erwiesen, die Vorheizstelle gegen vorzeitigen Abbrand zu schützen. Ein solcher Abbrand kann durch seitlich von der Abtragsvertiefung entweichendes Brenngas erfolgen, oder durch Reaktion mit der Umgebungsatmo- Sphäre. Ein solcher Schutz kann dadurch erreicht werden, daß die Vorheizstelle mit einem Gas bespült wird, das sie gegen eine vorzeitige Reaktion mit einem anderen Gas schützt und/oder daß dem Brenngas nichtreaktives Gas beigemischt wird. Die Beimischung des nichtreaktiven Gases muß so erfolgen, daß die notwendige Abtragsleistung trotzdem noch im wesentlichen von der exothermen Reaktion des Werkstoffs des Werkstücks mit dem Brenngas herrührt, wobei seitlich der Abtragsvertiefung eine vorzeitige Reaktion nicht mehr möglich ist. Trotzdem trägt das nichtreaktive Gas zum Austreiben bzw. Wegblasen des verbrannten Werkstoffs des Werkstücks bei. Als nichtreaktives Gas können innerte oder reduzierende kalte oder heiße Gase verwendet werden, z.B. Stickstoff. Die Bespülung der Vorheiz¬ stelle mit einem sie gegen eine vorzeitige Reaktion schützen¬ den Gas kann auch durch ein koaxial zum Brenngas abströmendes Heizgas einer vorheizenden Ringdüse erreicht werden, wobei darauf zu achten ist, daß der Brenngasstrahl vom Schutzgas¬ bzw. Heizabgasstrahl nicht abgelenkt oder verunreinigt wird.

Im Falle sehr großer Blechdicken von z.B. >100 mm kann es vorteilhaft sein, das Verfahren so durchzuführen, daß die in die Abtragsvertiefung zusätzlich zum Brenngas eingestrahlte Laserstrahlung reduzierbar und/oder abschaltbar ist . Zum Vor¬ heizen kann weiterhin vorteilhafterweise Laserstrahlung be¬ nutzt werden.

Die Erfindung bezieht sich des weiteren auf eine Vorrich¬ tung zum Abtragen von Werkstoff von relativbewegten metallenen Werkstücken, insbesondere zum Schneiden von Blechen, mit einer Einrichtung zum Vorheizen der Oberfläche des Werkstücks auf eine unterhalb der Schmelztemperatur liegende Temperatur, bei

ERSATZBLATT der eine Entzündung durch ein Brenngas erfolgt, und mit einer Brenngasdüse zum mit Druck auf die Vorheizstelle erfolgenden Blasen des Brenngases. Um eine derartige Vorrichtung im Sinne der vorgenannten Aufgabenstellung auszugestalten, wird die Vorrichtung so ausgebildet, daß ein Laser vorhanden ist, der zusätzlich zum Brenngas auf die Abtragsfront einer AbtragsVer¬ tiefung einstrahlt.

Die Vorrichtung ist vorteilhafterweise so ausgebildet, daß der Fokus des Laserstrahls oberhalb des Werkstücks ange¬ ordnet ist. Es hat sich erwiesen, daß eine derartige Anordnung des Fokus dazu beiträgt, die Schneidgeschwindigkeit zu stei¬ gern. Darüber hinaus kann der das Werkstück neben der Ab¬ tragsvertiefung seitlich bestrahlende Anteil des Laserstrahls zum Vorheizen benutzt werden. In diesem Fall ist die durch den Laserstrahl erzeugte Vorheizstelle größer, als derjenige Be¬ reich, in dem der Brenngasstrahl auf das Werkstück auftrifft. Es kann mit einem einzigen Laserstrahl erreicht werden, daß der Brenngasstrahl stets auf vorgeheizten Werkstoff trifft, und daß auch die Abtragsgeschwindigkeit durch in die Abtrags¬ vertiefung eingestrahlte Laserstrahlung gesteigert wird.

Die Vorrichtung wird in einem Bereich dicht am Werkstück vereinfacht, wenn der Laserstrahl die Brenngasdüse durchsetzt. Es wird gewährleistet, daß der Laserstrahl infolge seiner ko¬ axialen Anordnung zum Brenngasstrahl stets an der vorbestimm¬ ten Stelle auf die Abtragsfront auftrifft, insbesondere auch bei unterschiedlichen Blechdicken. Die Vorrichtung kann so ausgestaltet werden, daß die Brenngasdüse eine zum Werkstück verjüngt abgestufte Bren schneiddüse ist, und daß der Fokus des Laserstrahls in der engsten Düsenstufe angeordnet ist. Die Abstufung der Brenngasdüse dient außer zur Formung des Brenn¬ gasstrahls auch der Anpassung an die über die Länge des Laser¬ strahls unterschiedlichen Strahlquerschnitte. Insbesondere be- wirkt die Anordnung des Fokus des Laserstrahls in der engsten Düsenstufe, daß die Düsenbohrung so klein wie möglich gehalten werden kann, was für eine große Wurfweite der Düse für den Gasstrahl von Bedeutung ist.

BLATΓ Damit der Durchmesser des Brenngasstrahls möglichst kleingehalten werden kann und dieser ausschließlich die Breite der Abtragsvertiefung bestimmt, ist die Vorrichtung so ausge¬ bildet, daß der kleinste Düsendurchmesser kleiner als die Vor- heizstelle ist .

Eine gute Bündelung des Brenngasstrahls wird erreicht, wenn die Brenngasdüse eine schlanke Bohrung mit einem Verhält¬ nis von Bohrungslänge zu Bohrungsdurchmesser von wenigstens 8:1 besitzt.

Damit die Vorrichtung bezüglich ihrer Abtragwirkung an unterschiedliche Blechdicken angepaßt werden kann, wird sie so ausgebildet, daß der Düsendurchmesser wie folgt bemessen ist:

Sd s log[ ] = 6 ^• + b

[mm] [mm]

S = Düsendurchmesser s = Blechdicke b = empirischer Wert (- 0,4 < b < 0,1) .

Die Vorrichtung kann auch so ausgebildet werden, daß ein Laserstrahl zum Vorheizen der Vorheizstelle in Bezug auf die Düse voreilend und unter einem spitzen Winkel gegen die Düsen¬ längsachse angeordnet ist . Eine solche Ausbildung ist insbe¬ sondere dann vorteilhaft, wenn bei sehr großen Blechdicken nur wenig oder zeitweise überhaupt keine Laserstrahlung auf die Abtragsfront eingestrahlt werden soll, oder wenn zusätzlich zu einem mit dem Brenngas koxialen Laserstrahl eine davon unab¬ hängige Vorheizung erreicht werden soll. Die Schräganordnung des Laserstrahls ist insbesondere an eine sich zum Werkstück verjüngende äußere Ausbildung der Brenngasdüse angepaßt . Der auf der Vorheizstelle des Werkstücks abgebildete Vorheizfleck eines Laserstrahls mit kreisförmigem Querschnitt ist ellip¬ tisch. Infolge dieser Längserstreckung gelangt ein entspre¬ chend großer Anteil in die Abtragsvertiefung und trotz der Schrägstellung auch auf die Abtragsfront, insbesondere wenn diese bei größeren Abtragstiefen zunehmend flacher wird.

E_BSATZ_BLATT Bei einer vorteilhaft ausgestalteten Vorrichtung wird La¬ serstrahlung auf die Abtragsfront gestrahlt und es wird auch mit Laserstrahlung vorgeheizt, und zwar durch zwei voneinander separat geführte Strahlen. Um das zu erreichen, wird die Vor- richtung so ausgebildet, daß eine Laserstrahlungsquelle vor¬ handen ist, deren Laserstrahlung einem Strahlungsteiler zuge¬ führt ist, und daß ein erster Anteil der vom Strahlteiler re¬ flektierten Strahlung koaxial mit dem Brenngas auf die Ab¬ tragsfront und ein zweiter Anteil auf die Vorheizstelle strahlbar ist. Die Lasestrahlungsquelle kann ein für die ge¬ samte Vorrichtung einziger Laser sein.

Um LaserStrahlung in die AbtragsVertiefung und an die ge¬ wünschten Stellen im Bereich um die AbtragsVertiefung herum in flexibler Weise führen zu können, ist die Vorrichtung so ausgebildet, daß die Laserstrahlung mit Lichtleitfasern gelei¬ tet ist. Die flexible Anordnung und Einrichtung der Lichtleit¬ fasern ermöglicht es auch, Nachheizung zu betreiben oder La¬ serstrahlung an individuell bestimmte Stellen der Abtragsfront zu leiten.

Die Erfindung wird anhand von in der Zeichnung darge¬ stellten Ausführungsbeispielen erläutert. Es zeigt:

Fig.l einen Vertikalschnitt durch eine Abtragvorrichtung in schematischer Darstellung, Fig.2 eine der Fig.l ähnliche Darstellung mit voreilend angeordnetem Laserstrahl zur Erzeugung einer große-^' ren Vorheizstelle, Fig.3,4 Vorrichtungen zum Vorheizen mit Laserstrahlung und zum zugleich erfolgenden Einstrahlen von Laser¬ strahlung auf die Arbeitsfront, Fig.5 eine Vorrichtung mit Überwachung einer Vorheizstel¬ le, Fig.6 ein Blockschaltbild zum Regeln der Temperatur der

Vorheizstelle, Fig.7 ein Schnittbild eines Werkstücks bei bekanntem

Laserstrahlbrennschneiden, Fig.8 ein Schnittbild eines Werkstücks bei einem Laser- Strahlbrennschneiden gemäß der Erfindung, T BLAT Fig.9 eine schematische Darstellung der Abhängigkeit der Leistung von der Vorschubgeschwindigkeit zur Erläu terung der jeweils eingekoppelten Leistungsanteile beim herkömmlichen Laserstrahlbrennschneiden und beim Laserstrahlbrennschneiden gemäß der Erfindung,

Fig.10 die schematische Darstellung der Abhängigkeit des kleinsten Durchmessers S der Brenngasdüse von der Blechdicke s, und Fig.11 die Darstellung einer vorteilhaften Intensitäts Verteilung im Querschnitt eines Laserstrahls .

Fig.l zeigt ein Werkstück 10, nämlich ein Blech mit der Dicke s. Zwischen dem Werkstück 10 und einem Laserstrahl 23 erfolgt eine Relativverschiebung in der Richtung 28. Der La- serstrahl 23 ist koaxial zu einer Brenngasdüse 20 angeordnet, mit der Brenngas 12 auf die Oberfläche 11 des Werkstücks 10 geblasen wird. Die Brenngasdüse 20 bzw. deren Bohrung 24 ist zum Werkstück 10 verjüngend abgestuft und hat eine engste Dü¬ senstufe 20', deren Bohrungsdurchmesser S in Fig.2 bezeichnet ist. Dieser Bohrungsdurchmesser S_d ist im Vergleich zur Boh¬ rungslänge 25 sehr klein. Das Verhältnis von Bohrungslänge 25 zum Bohrungsdurchmesser S ist wenigstens 8:1, damit sich eine möglichst große Wurfweite der Düse 20 für das Brenngas 12 er¬ gibt. Bei einer derartigen großen Wurfweite wird das Brenngas 12 über eine vergleichsweise, große Distanz ohne wesentliche Strahlaufweitung ausgeblasen, was im Sinne einer schmalen Ab¬ tragsvertiefung 14 günstig ist. Die beim Schneiden als Schnittfuge ausgebildete Abtragsvertiefung 14 ist in den Fig.l bis 5 vertikal schraffiert dargestellt. Der Übergang von der Abtragsvertiefung 14 zu dem noch nicht bearbeiteten, schräg schraffierten Bereich des Werkstoffs des Werkstücks 10 bildet die Abtragsfront 16. An dieser Abtragsfront 16 findet das Auf¬ schmelzen und Verbrennen des Werkstoffs statt . Der verbrannte Werkstoff bzw. dessen Oxid wird durch den Brenngasstrahl weg- geblasen.

Die Laserstrahlung 15 des Laserstrahls 23 wird mit einer

Fokussierlinse 29 der Brennweite 30 fokussiert. Der Fokus 22 ist in der engsten Düsenstufe 20 angeordnet. Die Fokussierung ist so erfolgt bzw. die Abstufung der Bohrung 24 ist so er- B_LATT folgt, daß die Innenwände der Düse 20 von der Laserstrahlung 15 nicht berührt werden. Infolge der Anordnung des Fokus 22 oberhalb der Werkstückoberfläche 11 ergibt sich aus der Düse 20 heraus eine Aufweitung des Laserstrahls 23, die dazu führt, daß ein entsprechender Anteil der Laserstrahlung nicht in die Abtragsvertiefung 14 auf die Abtragsfront 16 eingestrahlt wird, sondern den Werkstoff im Bereich einer um die Schnitt¬ front herum gelegenen Vorheizstelle 13 vorheizt.

Die Vorheizung des Werkstücks 10 erfolgt so, daß der Werkstoff der Vorheizstelle 13 mit dem Brenngas 12 entzündet werden kann. Er verbrennt dabei unter Oxidation und wird durch den Druck des Strahls des Brenngases 12 weggeblasen. Infolge¬ dessen vertieft sich die Abtragsvertiefung 14 unter Bildung der schematisch dargestellten Abtragsfront 16. Als Brenngas 12 wird beispielsweise Sauerstoff verwendet. Bewährt hat sich für Stahlwerkstoffe und Titan die Verwendung von Sauerstoff mit einer Reinheit von mindestens 99,5%. Das Brenngas oder ein Gasgemisch reagiert mit dem zu schneidenden Werkstoff exo- therm. Die infolgedessen freiwerdende Leistung und die auf die Abtragsfront eingestrahlte Strahlungsleistung bilden gemeinsam die Abtragsleistung. Von dieser Abtragsleistung wird Werkstoff aufgeschmolzen, verbrannt und die Verbrennungsrückstände 31 werden durch den Brenngasstrahl 12 weggeblasen.

Fig.9 zeigt den Verlauf der notwendigen Leistung 32 zum Abtragen für ein 20 mm dickes Stahlblech als Funktion der Vor¬ schubgeschwindigkeit. Kurve 43 zeigt die notwendige Laserlei¬ stung beim herkömmlichen Laserbrennschneiden, wenn also Sauer- stoff auf die Werkstückoberfläche 11 geblasen wird und die La¬ serstrahlung ohne Vorheizung des zu schneidenden Werkstoffs eingekoppelt wird. Bei wachsenden Vorschubgeschwindigkeiten ergibt sich ein sehr steiler Anstieg der Kurve 33 für die not¬ wendige Laserleistung, was gleichbedeutend mit dem Abfall des Verhältnisses der durch den reaktiven Brenngasstrahl einkop- pelbaren Leistung zur Laserleistung ist. Zugleich ergibt sich aus Fig.7 für ein 50 mm starkes Blech beim herkömmlichen La¬ serstrahlbrennschneiden, daß die Oberflächenrauhigkeit erheb¬ lich ist, verbunden mit einer vergleichsweise geringen Schneid- bzw. Vorschubgeschwindigkeit des Werkstücks. Gemäß Fig.l wird die Vorheizstelle 13 auf eine unterhalb der Schmelztemperatur liegende Temperatur vorgeheizt, die je¬ doch gleich oder größer als die Entzündungstemperatur ist. Die Vorheizstelle ist vergleichsweise groß, so daß der Strahl des Brenngases 12 auf eine entzündbare Fläche des Werkstoffs trifft und diesen verbrennt. Infolge der Größe der Vorheiz¬ stelle wird eine vollständige Ausleuchtung des Abtragungsbe¬ reichs mit Laserstrahlung gewährleistet und damit verhindert, daß die Abtragsfront bei zu starker Eisen-Sauerstoff-Reaktion aus dem Bereich des Laserstrahls herausläuft, wobei die Ab¬ tragsreaktion erlischt, was zum Ausbrennen an der Abtragsfront bzw. an den Seitenwänden der Abtragsvertiefung führen könnte. Demgegenüber wird bei einem Abtragen mit Vorheizung bei einer Zündleistung von wenigen 100 W auf der Vorheizstelle an der Blechoberfläche ein Abtragvorgang unterbrechungsfrei aufrecht¬ erhalten und es hat sich erwiesen, vgl. Fig.9, Kurve 44, daß nur eine vergleichsweise geringe Laserleistung über die Ab¬ tragsfront 16 eingekoppelt werden muß, um mit hohen Vorschub- geschwindigkeiten arbeiten zu können. Darüber hinaus zeigt Fig.8, daß die Oberflächenqualität unvergleichlich viel besser ist.

Wird mit einem einzigen Laserstrahl 23 sowohl auf die Ab- tragsfront 16 eingestrahlt, wie auch vorgeheizt, so kann der Anteil der Vorheizleistung infolge der Geometrie des Laser¬ strahls 23 leicht zu groß sein. Es ist daher sehr vorteilhaft, wenn die Intensitätsverteilung im Laserstrahl 23 beeinflußt werden kann. Insbesondere könnte dies gemäß Fig.11 geschehen, wobei der Laserstrahl 23 in seiner Mitte bei r=0 ein Maximum 33 hat, das in einigem Abstand von einem ringförmigen Nebenma¬ ximum 34 umgeben ist, welches den Radius ri aufweist. Gemäß der rechten Darstellung in Fig.11 entspricht der Durchmesser des Maximus 33 etwa der Weite w der Abtragsvertiefung, so daß der Hauptteil der Leistung des Laserstrahls 23 zum Abtragen des Werkstücks 10 eingekoppelt wird, während die Vorheizung der Vorheizstelle 13 mit dem Nebenmaximum 34 erreicht wird. Da die Energieverteilung durch die Beeinflussung des Maximums 33 bzw. des Nebenmaximums 34 problemlos gesteuert werden kann,

ER^SATZBLATT ist eine entsprechende Steuerung in Abhängigkeit von der Vor¬ schubgeschwindigkeit leicht möglich.

Fig.2 zeigt eine Anordnung zum Abtragen von Werkstoff mit einer Brenngasdüse 20, die gemäß Fig.l ausgebildet und ange¬ ordnet ist. Sie dient jedoch nicht dem Durchtritt von Laser¬ strahlung. Vielmehr ist ein Laserstrahl 23 mit seiner Achse 23' um einen Winkel α gegen die Längsachse 20'' der Düse 20 geneigt angeordnet, und zwar in Richtung der relativen Vor- schubrichtung 28 vorlaufend. Die Fokussierung durch die Linse 29 erfolgt so, daß der Fokus 22 oberhalb der Werkstückoberflä¬ che 11 angeordnet ist und Laserstrahlung 17 auf eine in Rela¬ tivvorschubrichtung 28 vor der Abtragsfront 16 gelegene Vor- heizsstelle 13 einstrahlt. Die Vorheizstelle 13 wird auf min- destens die Entzündungstemperatur vorgeheizt. Die Neigung des Laserstrahls 23 bewirkt einen elliptischen Strahlfleck. Dieser ragt über das obere Ende der Abtragsfront 16 hinaus, so daß infolgedessen ein Anteil der Laserstrahlung 15 in die Abtrags¬ vertiefung 14 und bei schräg liegender Abtragsfront 16 auch auf diese eingestrahlt werden kann. Das kann mit Sicherheit dadurch ausgeschlossen werden, wenn sich der Strahlfleck der Strahlung 15 und der Strahlfleck des Brenngases 12 nicht über¬ schneiden. In diesem Fall bewirkt der Laserstrahl 23 lediglich die Vorheizung der Vorheizstelle 13. Auch durch die Rela- tivlage von Laserstrahlfleck und Brenngasstrahlfleck kann Ein¬ fluß auf den Ablauf des Abtragsverfahrens genommen werden. Die Anwendung von Laserstrahlung außerhalb der Bohrung 24 der Brenngasdüse 20 eröffnet die Möglichkeit, sowohl die Düse 20 für sich als auch die Laserstrahlung 15 für sich optimal auf das Abtragsverfahren abzustimmen.

Eine optimale Abstimmung der Brenngasdüse 20 wird dann erreicht, wenn ihr Düsendurchmesser S wie folgt bemessen ist:

S_d s log[ ] = 6 ^' +

[mm] [mm]

S — Düsendurchmesser s = Blechdicke b = empirischer Wert (- 0,4 < b < 0,1) . Eine Veranschaulichung dieser Bemessung ergibt sich in

Fig.10. Die Variationsbreite in dem Parameter b liegt darin begründet, daß der Düsendurchmesser S mit wachsendem Gasdruck abnehmen kann. Die kleinsten Düsendurchmesser lassen sich mit

Überschalldüsen realisieren.

Die Fig.3 bis 5 zeigen, wie eine Vorrichtung zum Abtragen optimal ausgebildet werden kann, wenn die Vorheizstelle 13 mit besonders geführtem Laserstrahl vorgeheizt wird. Gemäß Fig.3 wird die Laserstrahlung 18 ' einer nicht dargestellten Strah¬ lungsquelle 18 einem Strahlungsteiler 26 zugeführt. Dieser ist Bestandteil einer Einrichtung 19 zum Vorheizen der Oberfläche 11 des Werkstücks 10. Der Strahlungsteiler 26 ist ein mit ei- ner Bohrung versehener Umlenkspiegel, von dem ein erster, größter Anteil 26' zu einem Fokussierspiegel 35 reflektiert wird, der diesen Anteil als Laserstrahl 23 durch die Düse 20 in die AbtragsVertiefung 14 fokussiert . Die abgestufte Ausbil¬ dung der Düse 20 ist auch in diesem Fall der Formgebung des Laserstrahls 23 entsprechend günstig, bei der der Fokus des Laserstrahls in der Abtragsvertiefung liegt . Durch die Bohrung des Strahlungsteilers 26 gelangt ein zweiter Strahlungsanteil 26'' auf einen Fokussierspiegel 36, von dem aus die Vorheiz¬ stelle 13 bestrahlt wird.

Fig.4 zeigt die Fokussierung eines Laserstrahls 23 mit einer Fokussierlinse 29 durch eine abgestufte Bohrung 24 einer Brenngasdüse 20 hindurch in die Abtragsvertiefung 14. Der Vor¬ heizung der Vorheizstelle 13 dient ein separater Laserstrahl, der über mehrere Lichtleitfasern 27 einer Einrichtung 19 in die Abtragsumgebung geleitet wird. Die Lichtleitfasern 27 en¬ den in der Nähe der Werkstückoberfläche 11 dort, wo sie vor¬ heizen sollen. Die Lichtleitfasern 27 können den baulichen An¬ forderungen des Laserkopfes entsprechend um die Schneidgasdüse 20 herum angeordnet werden. Die von ihnen erreichte Aufhei- zungsgeometrie entspricht praktisch derjenigen einer Ringdüse, wie sie beim Vorheizen mit Heizgas hier eingesetzt werden könnte.

ERS_ATZBLATT Fig.5 zeigt eine der Fig.3 ähnliche Ausgestaltung mit ei¬ nem Strahlungsdetektor in Gestalt einer Fotodiode 37. Sie ist gemäß Fig.6 über einen Vergleicher 40 an einen Regler 39 ange¬ schlossen. Die Fotodiode 37 nimmt Wärmestrahlung der Vorheiz- stelle 13 auf und erzeugt entsprechend der aufgenommenen Lei¬ stung i eine Spannung Ui derentsprechend der Verstärker 38 eine Ist-Spannung Ui_s dem Vergleicher 40 zuführt. Dieser wird außerdem mit einer Spannung U_grenz beaufschlagt, die auf die mindestens zu erreichende Entzündungstemperatur der Vorheiz- stelle 13 abgestimmt ist. Die Differenz von Ug_renz und Ui_s wird als Differenzspannung U_d dem Regler 39 zugeführt, der den Laser bzw. die Laserstrahlungsquelle 18 entsprechend beauf¬ schlagt. Als Beispiel ist angegeben, daß über die Elektroden¬ spannung des Lasers die Gasentladung beeinflußt wird, so daß das infolgedessen abgegebene Licht bzw. die Laserstrahlung die Temperatur der Vorheizstelle 13 steigert oder absenkt oder konstant hält.

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zum Abtragen von Werkstoff von relativbewegten metallenen Werkstücken (10), insbesondere zum Schneiden von Blechen, bei dem die Oberfläche (11) des Werkstücks

(10) ohne zu schmelzen auf eine Temperatur vorgeheizt wird, bei der eine Entzündung durch ein Brenngas (12) er¬ folgt, das als Strahl mit Druck auf die Vorheizstelle (13) geblasen wird und verbrannten Werkstoff des Werk¬ stücks (10) aus einer durch das Verbrennen gebildeten Ab¬ tragsvertiefung (14) wegbläst, dadurch gekennzeichnet, daß in die AbtragsVertiefung (14) zusätzlich zum Brenngas (12) Laserstrahlung (15) auf die Abtragsfront (16) einge¬ strahlt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorheizstelle (13) mit Laserstrahlung (17) vorgeheizt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß zum Vorheizen des Werkstücks (10) und zum Einstrahlen in die Abtragsvertiefung (14) Laserstrahlung (15,17) dersel¬ ben Laserstrahlungsquelle (18) verwendet wird.

4. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Temperatur der Vor- heizstelle (13) auf mindestens die Entzündungstemperatur des Werkstoffs geregelt wird.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Temperatur der Vorheizstelle (13) konstant gehalten wird.

6. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß zum Vorheizen Induktions¬ spulen und/oder Lichtbogenelektroden und/oder Mikrowel- lenstrahler und/oder Gasbrenner verwendet werden.

ERSATZBL

7. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß zum Vorheizen mit Heizgas ein Gasbrenner mit einer Ringdüse verwendet wird, deren Heizabgase koaxial zum Brenngas (12) abströmen.

8. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß in die Abtragsvertiefung (14) eingestrahlte Laserstrahlung (15) impulsweise einge- strahlt wird.

9. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorheizstelle (13) mit einem Gas bespült wird, das sie gegen eine vorzeitige Re- aktion mit einem anderen Gas schützt und/oder daß dem Brenngas (12) nichtreaktives Gas beigemischt wird.

10. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die in die Abtragsvertie- fuπg (14) zusätzlich zum Brenngas (12) eingestrahlte La¬ serstrahlung (15) reduzierbar und/oder abschaltbar ist.

11. Vorrichtung zum.Abtragen von Werkstoff von relativbeweg¬ ten metallenen Werkstücken (10) , insbesondere zum Schnei- den von Blechen, mit einer Einrichtung (19) zum Vorheizen der Oberfläche (11) des Werkstücks (10) auf eine unter¬ halb der Schmelztemperatur liegende Temperatur, bei der eine Entzündung durch ein Brenngas (12) erfolgt, und mit einer Brenngasdüse (20) zum mit Druck auf die Vorheiz- stelle (13) erfolgenden Blasen des Brenngases (12) , da¬ durch gekennzeichnet, daß ein Laser vorhanden ist, der zusätzlich zum Brenngas (12) auf die Abtragsfront (16) einer Abtragsvertiefung (14) einstrahlt.

12. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Fokus (22) des Laserstrahls (23) oberhalb des Werkstücks (10) angeordnet ist. 13. Vorrichtung nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekenn¬ zeichnet, daß der Laserstrahl (23) die Brenngasdüse (20) durchsetzt .

> 14. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis

13, dadurch gekennzeichnet, daß die Brenngasdüse (20) eine zum Werkstück (10) verjüngt abgestufte Brennschneid¬ düse ist, und daß der Fokus (22) des Laserstrahls (23) in der engsten Düsenstufe (20') angeordnet ist.

15. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 11 bis

14, dadurch gekennzeichnet, daß der kleinste Düsen¬ durchmesser (≤ ) kleiner als die Vorheizstelle (13) ist.

16. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis

15, dadurch gekennzeichnet, daß die Brenngasdüse (20) eine schlanke Bohrung (24) mit einem Verhältnis von Boh¬ rungslänge (25) zu Bohrungsdurchmesser (s ) von wenig¬ stens 8:1 besitzt.

17. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis

16, dadurch gekennzeichnet, daß der Düsendurchmesser (S_d) wie folgt bemessen ist:

S_d s

[mm] [mm]

S_d = Düsendurchmesser s = Blechdicke b = empirischer Wert (- 0, 4 < b < 0, 1) .

18. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 11 bis

17, dadurch gekennzeichnet, daß ein Laserstrahl (17') zum Vorheizen der Vorheizstelle (13) in Bezug auf die

Düse (20) voreilend und unter einem spitzen Winkel (α) gegen die Düsenlängsachse (20'') angeordnet ist.

19. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 11 bis 18, dadurch gekennzeichnet, daß eine Laserstrahlungs¬ quelle (18) vorhanden ist, deren Laserstrahlung (18') ei-

ERSATZBLATT nem Strahlungsteiler (26) zugeführt ist, und daß ein er¬ ster Anteil (26') der vom Strahlteiler (26) reflektierten Strahlung (18') koaxial mit dem Brenngas (12) auf die Ab¬ tragsfront (16) und ein zweiter Anteil (26'') auf die Vorheizstelle (13) geleitet ist.

20. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 11 bis

19, dadurch gekennzeichnet, daß die Laserstrahlung (17) mit Lichtleitfasern (27) strahlbar ist.

21. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 11 bis

20, dadurch gekennzeichnet, daß die Intensitätsvertei¬ lung des Laserstrahls (23) ein Maximum (33) in der Mitte und drum herum ein ringförmiges Nebenmaximum (34) auf- weist.

_ATZB_LAT