WO1994004306A1 - Verfahren zum laserstrahlschneiden von band- oder plattenförmigen werkstücken, insbesondere von elektroblech - Google Patents

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WO1994004306A1
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melt
cutting gas
gas
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PCT/EP1993/002123
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Eckhard Beyer
Kai-Uwe Preissig
Dirk Petring
Dieter Bingener
Hans-Dieter Riehn
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Thyssen Stahl Ag
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Definitions

  • the invention relates to a method for laser beam cutting of strip or plate-shaped workpieces, in particular of electrical sheet with a thickness of ⁇ 1 mm, in particular ⁇ 0.5 mm, in which a laser beam emanating from a laser beam source forms the material with the formation of a vapor capillary Interface melts and the melt is driven out by an inert cutting gas containing hydrogen.
  • the laser beam cutting of metallic workpieces in particular the cutting of stainless steel sheet with a thickness of less than 1 mm, is known from DE 36 19 513 AI.
  • the cutting active gas in the inert cutting gas is oxygen. This oxygen contains 30 to 90 vol. Of the cutting gas. It is intended to serve the chemical exothermic reaction with the steel to generate additional thermal energy in order to accelerate the cutting process.
  • the oxygen, together with the cutting gas should drive out the melt that arises in the cutting area from the kerf of the sheet.
  • the oxidation products are not driven out completely from the kerf, so that no cutting edges substantially free of oxidation products are obtained.
  • due to the chemical exothermic reaction a comparatively large heat-affected zone is created to the side of the cutting area, which leads to damage to the workpiece, in particular to a sheet and to the coating which may be located thereon.
  • a method for laser beam cutting of the type mentioned at the beginning (DVS reports 135, 1991, pages 12 to 15) which has just become known can be used with optimally coordinated parameters such as beam quality index K, focusing index F and focused intensity with a given laser beam type, preferably a C0 laser, achieve cutting speeds of around 100 m / min with a sheet thickness of 0.25 mm and an Fe alloy as the material. It makes no significant difference whether hydrogen is added to the cutting gas or whether the cutting gas consists primarily of oxygen, because only slightly higher cutting speeds were achieved with oxygen.
  • a cutting method is known (DE 39 34 920), in which slots can be cut with a laser beam, the cutting being carried out using an air jet or oxygen jet which is directed at the point of incidence of the laser beam on the pane.
  • an air jet or oxygen jet which is directed at the point of incidence of the laser beam on the pane.
  • Such a jet consisting of reactive gas, wide slits can be produced and the melt can be driven out of the slit by the compressed gas.
  • Such a method differs fundamentally from the method according to the invention that works with an inert cutting gas because of the reactive cutting gas.
  • the central axis of the laser beam lies within an inert cutting gas jet directed towards the workpiece and containing hydrogen.
  • the cutting gas jet leads to the beam axis of the laser beam in the cutting direction and is directed so that the melt is continuously expelled from the kerf.
  • the invention has for its object to improve the method of the type mentioned for given materials and workpiece thicknesses with respect to the maximum achievable cutting speed, without having to accept a reduction in the quality of the cutting edges.
  • This object is achieved in that the hydrogen content of the cutting gas is set so high to maintain the steam capillary and the inert cutting gas enveloping the laser beam is supplied to the surface of the melt at the interface with such a pressure and pressure distribution that the steam capillary is closed at the bottom remains, the temperature on the surface of the melt is kept at the evaporation temperature and the melt is continuously expelled from the kerf on the side of the steam capillary facing away from the cutting direction.
  • Partial evaporation in connection with modified interaction geometry form a plasma, which can shield the laser radiation, and a vapor capillary.
  • the steam capillary is used according to the invention in order to achieve higher cutting speeds. This is because there is a melt flow in the cutting area parallel to the workpiece surface around the steam capillary and a melt discharge behind the steam capillary from the kerf downwards. That alone is enough not enough, because if the process is carried out incorrectly, this can lead to a build-up of the melt, combined with the risk of overheating of the melt and the edge zones of the kerf adjacent to it, and widening of the kerf. These phenomena can lead to the desired increases in speed not being achieved, or at least to a considerable extent not being achieved.
  • burr-free cut edges and the least possible influence on the zones of the material to be separated adjacent to the cut edges are achieved with cutting speeds which are further increased compared to the prior art. which is particularly important for grain-oriented electrical sheet.
  • Suitable pressures for the inert cutting gas in a CO laser are between 3 bar and 8 bar.
  • Nd: YAG laser it is advantageous to use significantly higher pressures, namely up to 50 bar.
  • nitrogen or argon be used as the inert cutting gas. These are industrially available inexpensive gases. While nitrogen is generally particularly suitable for workpieces made of ferrous metals, argon can show advantageous inert behavior, especially in the case of non-ferrous metals.
  • the laser beam is focused on an oval focal spot with the main axis running in the cutting direction. This reduces the intensity of the laser radiation in relation to the cutting front and thus prevents undesired strong evaporation of the material with a correspondingly high level of plasma formation. Furthermore, the high cutting speed is beneficial if the focused focal spot of the laser beam is held halfway up the workpiece, in the middle of the workpiece thickness.
  • the inert is inert
  • Cutting gas is guided eccentrically to the laser beam axis and hits the interface in advance. It is also advantageous if the inert cutting gas hits the interface at an angle ⁇ 90.
  • Embodiments have in common that the pressure center of the inert cutting gas is moved to the uncut workpiece. As a result of this setting, the pressure center of the inert cutting gas is moved to the uncut workpiece.
  • a transverse pressure gradient occurs when the gas jet enters the kerf. This requires one
  • laser radiation of a low mode order is selected, i.e. the largest possible beam quality index K of preferably> 0.5.
  • an additional gaseous, liquid or particle jet can be used.
  • Fig. 1 is a laser beam cutting device in a perspective, schematic representation
  • Fig. 2 shows a longitudinal section through the cutting area of a workpiece of thickness d.
  • Fig. 2 shows a longitudinal section through the cutting area of a workpiece of thickness d.
  • a cutting device 25 with a laser beam 21 is guided over a workpiece 10, the
  • Laser radiation 11 is focused with a focusing optics 12.
  • the focused laser radiation 11 is directed onto the workpiece 10 shown as sheet metal, which has a thickness d.
  • the laser beam 11 creates a kerf 16 in the sheet.
  • the cutting speeds are, for example, for sheets of less than 1 mm up to 250 m / min and more.
  • the cutting device 25 can be used, for example, in longitudinal and / or cross-cutting systems and in trimming systems, where the sheet is unwound from the coil, for example.
  • the focusing optics 12 has a focusing lens with which the laser radiation 11 is focused so that the focus is in the range of half the sheet thickness d, cf. Fig. 2.
  • the focus should be as strong as possible, so the focus should be as small as possible. This can include can be achieved in that the laser radiation has the lowest possible mode order.
  • the laser beam 21 is surrounded by a gas nozzle 13 for the cutting gas 14.
  • the cutting gas 14 strikes the cutting area 20 of the sheet 10 in the direction of the laser radiation 11. It consists of an inert gas, such as nitrogen or argon, which primarily serves to expel the melt 15 which is generated by the laser radiation 11 during cutting. Hydrogen is also added to the cutting gas, the effect of which is described below.
  • FIG. 2 further shows that, in the method according to the invention, the cut front 23 is substantially flatter, namely at an angle
  • Cutting front 23 is explained in the case of thin sheets with the high ratio of focus diameter d and sheet thickness f d, in spite of the greater beam intensity or the stronger focusing.
  • Convention cutting of, for example, 3 mm thick sheets with a focus diameter d 3/10 mm, this results in a relation to the sheet thickness d
  • a higher beam intensity due to a stronger focus on, for example, 6/100 mm this results in a sheet thickness of 0.2 mm
  • Ratio of 3:10 so that the cutting front must be flatter at maximum cutting speed in order to couple the laser beam completely. That means a larger interaction area.
  • there is a comparatively large blockage of the melt since a high volume flow is given due to the high cutting speed and the maximum speed of the
  • Direction of arrows 24 in FIG. 2 is a reinforced one Evaporation of the sheet material.
  • the flow rate of the melt 15 is reduced when it is driven out, and the metal evaporation rate increases, so that a shielding metal vapor plasma can arise at the high laser intensities.
  • Both are avoided by adding hydrogen to the inert cutting gas.
  • the hydrogen causes the surface tension of the melt to be reduced, so that it can be blown out more quickly and thus the melt film thickness, surface temperature and evaporation rate decrease.
  • This circumstance is of considerable importance if it is noted that the kerf 16 is narrow and the sheet metal is thin, but the mass flow to be expelled (mass per unit of time) is overall very large due to the high cutting speed.
  • the light molecules of the hydrogen cool the plasma and thus counteract the formation of a shielding metal vapor plasma. In addition to increasing the maximum cutting speed, this also increases the stability of the cutting process, which has a correspondingly positive effect on the cutting quality.
  • the gas nozzle 13 is also rotationally symmetrical and its axis is designated 17.
  • the axis 17 is here a synonym for the pressure center of the cutting gas 14, which is fed to the cutting area 20 as shown in FIG. 1.
  • the axis 17 of the gas nozzle 13 with respect to the axis 18 of the laser radiation 11 is arranged with an eccentricity e, namely offset in the direction of the uncut sheet 10.
  • e eccentricity
  • the resulting metal vapor is influenced so that a shielding effect of the metal vapor plasma can be avoided.
  • the melt is removed faster in the direction of the comparatively flat cutting front 23.
  • Fig. 2 it can be seen that the achievement of a transverse pressure gradient of the cutting gas can also be achieved in that the gas nozzle 13 is arranged with axes 19 or 19 'inclined to the sheet 10.
  • the cutting gas 14 strikes the cut front 23 and / or the uncut sheet 10. 2 shows the laser radiation 11 with a focus of the diameter d.
  • the beam cross section is therefore circular.
  • the laser radiation 11 can, however, also preferably be focused elliptically or oblong.
  • d is the length of the large semi-axis of the ellipse, which is arranged in the cutting direction.
  • cutting speeds of more than 100 m / min, preferably up to 250 m / min and more, can be achieved with an oxidation-free cutting edge. Due to the high cutting speed, the disadvantageous heat influence on the edge zones of the kerf is low, which is particularly important for grain-oriented electrical sheets.

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Laserstrahlschneiden von band- oder plattenförmigen Werkstücken mit hohen Geschwindigkeiten, insbesondere über 100 m/min. Mit dem Laserstrahl wird das Material des Werkstückes unter Bildung einer Dampfkapillare an der Schnittstelle aufgeschmolzen und dabei die Schmelze mittels eines Schneidgases ausgetrieben, das aus einem Inertgas-Wasserstoff-Gemisch besteht. Zur Aufrechterhaltung der Dampfkapillare wird der Wasserstoffanteil des Schneidgasgemisches derart hoch eingestellt und dieses den Laserstrahl umhüllende Schneidgasgemisch der Oberfläche der Schmelze an der Schnittstelle mit einem solchen Druck und einer solchen Druckverteilung zugeführt, daß einerseits die Temperatur an der Oberfläche der Schmelze auf Verdampfungstemperatur gehalten und andererseits die Schmelze kontinuierlich auf der in Schneidrichtung der Dampfkapillaren abgewandten Seite aus der Schnittfuge ausgetrieben wird.

Description

Verfahren zum Laserstrahlschneiden von band- oder plattenförmigen Werkstücken, insbesondere von Elektroblech
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Laserstrahlschneiden von band- oder plattenförmigen Werkstücken, insbesondere von Elektroblech mit einer Dicke von < 1 mm, insbesondere < 0,5 mm, bei dem ein von einer Laserstrahlquelle ausgehender Laserstrahl den Werkstoff unter Bildung einer Dampfkapillare an der Schnittstelle aufschmilzt und dabei die Schmelze von einem Wasserstoff enthaltenden inerten Schneidgas ausgetrieben wird.
Beim konventionellen Laserstrahlschneiden werden beispielsweise ein 1,5 kW CO -Laser und eine Standard- Fokussiereinrichtung verwendet, die zu Intensitäten des Fokussierbereichs von etwa 10 W/cm führen. Bei diesem Schneiden findet an der Schnittfront des Metalls eine Fresnelabsorption statt, bei der eine Verdampfung des Werkstoffes vernachlässigt werden kann.
Das Laserstrahlschneiden metallischer Werkstücke, insbesondere das Schneiden von rostfreiem Stahlblech mit einer Dicke von unter 1 mm, ist aus der DE 36 19 513 AI bekannt. Das schneidaktive Gas im inerten Schneidgas ist Sauerstoff. Dieser Sauerstoff hat einen Anteil von 30 bis 90 Vol.-- des Schneidgases. Er soll der chemischen exothermen Reaktion mit dem Stahl zur Erzeugung von zusätzlicher Wärmeenergie dienen, um so den Schneidprozeß zu beschleunigen. Außerdem soll der Sauerstoff zusammen mit dem Schneidgas die im Schneidbereich entstehende Schmelze aus der Schnittfuge des Blechs austreiben. Es hat sich jedoch gezeigt, daß die Oxydationsprodukte nicht vollständig aus der Schnittfuge ausgetrieben werden, so daß keine von Oxidationsprodukten im wesentlichen freien Schnittkanten erhalten werden. Außerdem entsteht aufgrund der chemischen exothermen Reaktion eine vergleichsweise große Wärmeeinflußzone seitlich des Schnittbereichs, was zu einer Schädigung des Werkstückes, insbesondere eines Bleches und der sich gegebenenfalls darauf befindlichen Beschichtung führt.
Seit langem wird das Trennen von Elektroblechen als ein interessantes Anwendungsgebiet für das Laserschneiden angesehen. Bei einem bekannten Verfahren dieser Art (DE 27 43 544 AI) wird ein CO -Laser mit einer Leistung von einigen hundert Watt zum Schneiden von Elektroblech einer Dicke von unter 1 mm eingesetzt. Beim Laserstrahlschneiden wird das Werkstück an der Trennstelle aus einer Düse mit einem Sauerstoff enthaltenden Gas beaufschlagt, wobei der Druck vor der Düse über 5 bar beträgt. Bei diesem Schneiden können Schnittgeschwindigkeiten von knapp 10 m/min erreicht werden. Solche Schnittgeschwindigkeiten sind jedoch bei Elektroblech wirtschaftlich uninteressant. Darüber hinaus führen solche geringen Geschwindigkeiten wegen der damit verbundenen Erwärmung der der Schnittfuge benachbarten Zonen eines insbesondere kornorientierten Elektrobleches zu einer nicht gewünschten Beeinflussung seiner magnetischen Eigenschaften. Deshalb hält die Fachwelt den Einsatz von Hochleistungslasern, insbesondere eines CO -Lasers, bei dem das Werkstück vorzugsweise unter Verwendung von Sauerstoff und/oder Stickstoff als Schneidgas geschnitten werden soll, für das Trennen von Elektroblech, insbesondere kornorientiertem Elektroblech, für ungeeignet (Stahl und Eisen 110 (1990) Nr. 12, Seiten 147 - 153).
Anderweitig sind jedoch vielfältige Überlegungen und Experimente angestellt worden, um das Laserstrahlschneiden von Werkstücken mit größerer Geschwindigkeit durchführen zu können. Beispielsweise ist es aus WO 88/01553 bekannt, die Achse der Laserstrahlung, die von einer Düse zur Zuführung von Gas zur Schnittstelle umgeben ist, in bezug auf die Achse des Druckzentrums der Gasdüse zu versetzen, und zwar hin zum ungeschnittenen Blech. Dem liegt die Vorstellung zugrunde, daß das Material erst geschmolzen werden muß, um es dann an einer nachfolgenden Stelle besser aus der Schnittfuge austreiben zu können. Diese Art des Laserstrahlschneidens läßt sich jedoch nicht bei dünnen Blechen erfolgreich anwenden, wenn sie mit hohen Schnittgeschwindigkeiten geschnitten werden sollen.
Bei einem gerade bekannt gewordenen Verfahren zum Laserstrahlschneiden der eingangs genannten Art (DVS-Berichte 135, 1991, Seiten 12 bis 15) lassen sich bei optimal aufeinander abgestimmten Parametern, wie Strahlqualitätskennzahl K, Fokussierkennzahl F und fokussierte Intensität mit einem vorgegebenen Laserstrahltyp, vorzugsweise einem C0 -Laser, Schnittgeschwindigkeiten von etwa 100 m/min bei einer Blechdicke von 0,25 mm und einer Fe-Legierung als Werkstoff erzielen. Dabei macht es keinen wesentlichen Unterschied, ob dem Schneidgas Wasserstoff beigemischt wird oder ob das Schneidgas primär aus Sauerstoff besteht, denn mit Sauerstoff wurden nur geringfügig größere Schnittgeschwindigkeiten erzielt.
Ferner ist ein Schneidverfahren bekannt (DE 39 34 920), bei dem mit einem Laserstrahl Schlitze geschnitten werden können, wobei das Schneiden unter Einsatz eines Luftstrahls oder SauerstoffStrahls erfolgt, der vor dem Auftreffpunkt des Laserstrahls auf die Scheibe gerichtet ist. Mittels eines solchen, aus reaktivem Gas bestehenden Strahls lassen sich breite Schlitze herstellen und durch das Druckgas die Schmelze aus dem Schlitz austreiben. Ein solches Verfahren unterscheidet sich von dem erfindungsgemäßen Verfahren, daß mit einem inerten Schneidgas arbeitet, wegen des reaktiven Schneidgases grundsätzlich.
Bei einem Verfahren der eingangs genannten Art, das Gegenstand einer älteren Patentanmeldung (P 41 23 716.1-34) ist, ist vorgesehen, daß die zentrale Achse des Laserstrahls innerhalb eines auf das Werkstück gerichteten, Wasserstoff enthaltenden inerten Schneidgasstrahls liegt. Der Schneidgasstrahl ist zur Strahlachse des Laserstrahls in Schneidrichtung vorlaufend und so gerichtet, daß die Schmelze kontinuierlich aus der Schnittfuge ausgetrieben wird. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, das Verfahren der eingangs genannten Art für vorgegebene Werkstoffe und Werkstückdicken bezüglich der bisher maximal erzielbaren Schnittgeschwindigkeit zu verbessern, ohne daß eine Verminderung der Qualität der Schnittkanten in Kauf genommen werden muß.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß zur Aufrechterhaltung der Dampfkapillare der Wasserstoffanteil des Schneidgases derart hoch eingestellt wird und das den Laserstrahl umhüllende inerte Schneidgas der Oberfläche der Schmelze an der Schnittstelle mit einem solchen Druck und einer solchen Druckverteilung zugeführt wird, daß die Dampfkapillare unten geschlossen bleibt, die Tempertur an der Oberfläche der Schmelze auf Verdampfungstemperatur gehalten und die Schmelze kontinuierlich auf der der Schneidrichtung abgewandten Seite der Dampfkapillare aus der Schnittfuge ausgetrieben wird.
Für die Erfindung ist die Erkenntnis von Bedeutung, daß die Grenzen der klassischen Fresnelabsorption für die Laserstrahlung durch die notwendige hohe Intensität überschritten werden. Durch partielle Verdampfung in Verbindung mit modifizierter Wechselwirkungsgeometrie bilden sich ein Plasma, das zur Abschirmung der Laserstrahlung führen kann, und eine Dampfkapillare. Die Dampfkapillare wird nach der Erfindung genutzt, um zu höheren Schnittgeschwindigkeiten zu kommen. Es ergibt sich nämlich ein Schmelzfluß im Schnittbereich parallel zur Werkstückoberfläche um die Dampfkapillare herum und ein Schmelzaustrieb hinter der Dampfkapillare aus der Schnittfuge nach unten. Das allein reicht allerdings nicht aus, denn bei falscher Prozeßführung kann dies zu einem Stau der Schmelze führen, verbunden mit der Gefahr der Überhitzung der Schmelze und der dieser benachbarten Randzonen der Schnittfuge sowie einer Verbreiterung der Schnittfuge. Diese Erscheinungen können dazu führen, daß die gewünschten Geschwindigkeitssteigerungen nicht oder jedenfalls zu einem erheblichen Teil nicht erreicht werden.
Da erfindungsgemäß neben der Einstellung des Druckes des Schneidgasgemisches Wasserstoff mit einem möglichst hohen Anteil zum Schneidgas beigemischt wird, können die vorbeschriebenen unerwünschten Erscheinungen begrenzt werden. Es entsteht zwar auch ein durch Verdampfung des Werkstoffes bedingtes Plasma, doch wird eine abschirmende Wirkung des Plasmas in bezug auf die Laserstrahlung praktisch vermieden, und vor allem treten auch keine Behinderungen des Austriebs der Schmelze auf. Wasserstoff hat nämlich eine durch seine leichten Moleküle bedingte kühlende Wirkung, z.B. durch erhöhte Rekombinationsrate per Dreierstoß (Elektron-Ion- Wasserstoff) , so daß die Gefahr der Überhitzung der Schmelze, des verdampften Werkstoffs und des sich ausbildenden Plasmas vermieden werden kann. Ferner ist von Bedeutung, daß die Oberflächenspannung der Schmelze durch den Wasserstoff verringert wird, was dem Aufstauen der Schmelze und einer damit verbundenen Behinderung des Austriebs der Schmelze entgegenwirkt.
Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren werden deshalb bei gegenüber dem Stand der Technik weiter erhöhten Schnittgeschwindigkeiten gratfreie Schnittkanten und eine geringstmögliche Beeinflussung der an den Schnittkanten angrenzenden Zonen des zu trennenden Materials erzielt, was insbesondere für kornorientiertes Elektroblech von Bedeutung ist.
Im vorbeschriebenen Sinne ist es vorteilhaft, wenn Wasserstoff bis zu max. 25 Vol.-J- im Schneidgas enthalten ist. Es konnten Geschwindigkeitssteigerungen von ca. 15# gegenüber dem Stand der Technik gemäß dem genannten DVS-Bericht erreicht werden.
Geeignete Drücke für das inerte Schneidgas bei einem CO -Laser liegen zwischen 3 bar und 8 bar. Bei einem Nd:YAG-Laser ist es vorteilhaft, wesentlich höhere Drücke, und zwar bis zu 50 bar, anzuwenden.
Empfehlenswert ist es, daß als inertes Schneidgas Stickstoff oder Argon verwendet wird. Es sind dies industriell verfügbare preiswerte Gase. Während sich Stickstoff in der Regel besonders für Werkstücke aus Eisenmetallen eignet, kann Argon schwerpunktmäßig bei Nichteisenmetallen vorteilhaftes Inertverhalten zeigen.
Nach einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung, die bei einer großen Wechselwirkungsfläche der Laserstrahlung mit dem Werkstück die Herstellung einer schmalen Schnittfuge erlaubt, ist vorgesehen, daß der Laserstrahl auf einem ovalen Brennfleck mit in Schneidrichtung verlaufender Hauptachse fokussiert ist. Hiermit wird die Intensität der Laserstrahlung bezogen auf die Schnittfront verringert und damit eine unerwünschte starke Verdampfung des Werkstoffes mit entsprechend starker Plasmabildung vermieden. Weiter wirkt sich günstig für die hohe Schnittgeschwindigkeit aus, wenn der fokussierte Brennfleck des Laserstrahls auf halber Höhe des Werkstückes, in der Mitte der Werkstückdicke, gehalten wird.
Nach einer Ausgestaltung der Erfindung wird das inerte
Schneidgas exzentrisch zur Laserstrahlachse geführt und trifft vorlaufend auf die Schnittstelle auf. Weiter ist von Vorteil, wenn das inerte Schneidgas unter einem o Winkel < 90 auf die Schnittstelle auftrifft. Allen
Ausgestaltungen ist gemeinsam, daß das Druckzentrum des inerten Schneidgases zum ungeschnittenen Werkstück hin verlegt ist. Infolge dieser Einstellung entsteht beim
Eintritt des Gasstrahls in die Schnittfuge ein transversaler Druckgradient. Dieser bedingt einen
Strömungsanteil in Richtung der Längserstreckung der offenen Schnittfuge, so daß ein schnellerer Abtransport der Schmelze und des Dampfes aus dem
Wechselwirkungsbereich der Laserstrahlung mit dem
Werkstoff des Blechs, wie auch eine geringere Verdampfung erreicht wird. Beim Austritt der Schmelze wirken die
Verringerung der Oberflächenspannung der Schmelze durch den Wasserstoff des Schneidgases und der transversale Druckgradient des Schneidgases zusammen, um den Austritt der Schmelze zu beschleunigen.
Um die Laserstrahlung möglichst stark fokussieren zu können, wird eine Laserstrahlung niedriger Modenordnung gewählt, d.h. eine möglichst große Strahlqualitätskennzahl K von vorzugsweise > 0,5.
Um das Austreiben der Schmelze aus der Schnittfuge auf der der Schneidrichtung abgewandten Seite der Dampfkapillare zu unterstützen, kann zusätzlich ein gasförmiger, flüssiger oder aus Partikeln bestehender Zusatz-Strahl angewendet werden.
Die Erfindung wird anhand der Zeichnung erläutert. Es zeigt:
Fig. 1 eine Laserstrahlschneidvorrichtung in perspektivischer, schematischer Darstellung und
Fig. 2 einen Längsschnitt durch den Schneidbereich eines Werkstückes der Dicke d .in schematischer Darstellung.
Eine Schneidvorrichtung 25 mit einem Laserstrahl 21 wird über ein Werkstück 10 geführt, wobei die
Laserstrahlung 11 mit einer Fokussieroptik 12 fokussiert ist. Die fokussierte Laserstrahlung 11 ist auf das als Blech dargestellte Werkstück 10 gerichtet, das eine Dicke d hat. Wenn das Blech 10 in Richtung eines Pfeils 22 gegenüber der Schneidvorrichtung 25 bewegt wird, erzeugt der Laserstrahl 11 im Blech eine Schnittfuge 16. Die Schnittgeschwindigkeiten betragen z.B. bei Blechen von unter 1 mm bis zu 250 m/min und mehr. Die Schneidvorrichtung 25 kann beispielsweise in Längs¬ und/oder Querteilanlagen sowie in Besäumanlagen angewendet werden, wo das Blech z.B. vom Coil abgewickelt wird.
Die Fokussieroptik 12 weist eine Fokussierlinse auf, mit der die Laserstrahlung 11 so fokussiert ist, daß der Fokus im Bereich der halben Blechdicke d liegt, vgl. Fig. 2. In Anbetracht der dünnen Bleche, die es zu schneiden gilt, und vor allem wegen der erwünschten schmalen Schnittfuge 16 soll die Fokussierung möglichst stark, der Fokus also möglichst klein sein. Das kann u.a. erreicht werden, indem die Laserstrahlung eine möglichst niedrige Modenordnung aufweist.
Der Laserstrahl 21 ist von einer Gasdüse 13 für das Schneidgas 14 umgeben. Das Schneidgas 14 trifft in Richtung der Laserstrahlung 11 auf den Schneidbereich 20 des Blechs 10. Es besteht aus einem Inertgas, wie Stickstoff oder Argon, welches vornehmlich dem Austrieb der Schmelze 15 dient, die beim Schneiden durch die Laserstrahlung 11 erzeugt wird. Außerdem ist dem Schneidgas Wasserstoff beigemischt, dessen Wirkung weiter unten beschrieben wird.
Beim Schneiden mit Geschwindigkeiten, die dem heutigen Stand der Technik entsprechen, entsteht eine Schnittfront 23 gemäß Fig. 1, von der aus der Austrieb der Schmelze 15 unmittelbar erfolgt. Optimale Bedingungen für hohe Schnittgeschwindigkeiten mit geringstmöglicher Wärmebeanspruchung der an der Schneidfuge 16 angrenzenden Bereiche 26 und oxidationsfreie Schnittkanten 16 lassen sich damit nicht erreichen. Erst durch den Einsatz der erfindungsgemäßen Maßnahmen ist ein Übergang zu höheren
Schnittgeschwindigkeiten möglich, bei der sich dann die
Schnittfuge unten verschließt, d.h. daß die Schmelze zunächst bei Ausbildung einer Dampfkapillare in der Fuge verbleibt, wie in Fig. 2 dargestellt. Die Bildung und
Aufrechterhaltung der Dampfkapillare ermöglicht es, daß die Schmelze vergleichsweise sehr flüssig bleibt. Mit der höheren Energieeinkopplung durch die so gebildete
Dampfkapillare lassen sich höhere
Schnittgeschwindigkeiten erzielen, und dadurch eine geringere Wärmebeanspruchung der Nachbarzonen 26 und der oxidationsfreien Schnittkanten. Figur 2 zeigt weiter, daß bei dem erfindungsgemäßen Verfahren die Schnittfront 23 wesentlich flacher liegt, nämlich mit einem Winkel
- o von beispielsweise 65-75 > im Vergleich zum herkömmlichen
Schneiden mit reiner bzw. praktisch ausschließlicher o Fresnelabsorption, wo der Winkel nahe 90 ist, die
Schnittfront 23 also sehr steil verläuft. Die flache
Schnittfront 23 erklärt sich bei dünnen Blechen mit dem hohen Verhältnis aus Fokusdurchmesser d und Blechdicke f d, und zwar trotz der größeren Strahlintensität bzw. der stärkeren Fokussierung. Bei herkömmlichem Schneiden von zum Beispiel 3 mm dicken Blechen mit Fokusdurchmesser d =3/10 mm ergibt sich ein auf die Blechdicke d bezogenes
Verhältnis von 1:10. Trotz höherer Strahlintensität infolge stärkerer Fokussierung auf zum Beispiel 6/100 mm ergibt sich bei einer Blechdicke von 0,2 mm ein
Verhältnis von 3:10, so daß die Schnittfront bei maximaler Schnittgeschwindigkeit also flacher liegen muß, um den Laserstrahl vollständig einzukoppeln. Das bedeutet eine größere Wechselwirkungsfläche. Außerdem ergibt sich ein vergleichsweise großer Stau der Schmelze, da aufgrund der hohen Schnittgeschwindigkeit ein großer Volumenstrom gegeben ist und die maximale Geschwindigkeit der
Schmelzeströmung begrenzt ist. U.a. deswegen erfolgt in
Richtung der Pfeile 24 der Fig. 2 ein verstärktes Verdampfen des Blechwerkstoffs. Zusammen mit der flacheren Schnittfront 23 verringert sich also die Strömungsgeschwindigkeit der Schmelze 15 bei ihrem Austrieb, und die Metallverdampfungsrate steigt an, so daß bei den hohen Laserintensitäten ein abschirmendes Metalldampfplasma entstehen kann. Beides wird durch die Beimischung von Wasserstoff zum inerten Schneidgas vermieden. Der Wasserstoff bewirkt, daß die Oberflächenspannung der Schmelze verringert wird, so daß diese schneller ausgeblasen werden kann und damit Schmelzfilmdicke, Oberflächentemperatur und Verdampfungsrate sinken. Diesem Umstand kommt erhebliche Bedeutung zu, wenn beachtet wird, daß die Schnittfuge 16 zwar schmal und das Blech dünn ist, der auszutreibende Massenstrom (Masse pro Zeiteinheit) infolge der hohen Schnittgeschwindigkeit insgesamt jedoch sehr groß ist. Außerdem kühlen die leichten Moleküle des Wasserstoffs das Plasma und wirken so der Entstehung eines abschirmenden Metalldampfplasmas entgegen. Dadurch wird neben der Erhöhung der maximalen Schnittgeschwindigkeit auch die Stabilität des Schneidprozesses erhöht, was sich entsprechend positiv auf die Schnittqualität auswirkt.
In Fig. 2 ist die Laserstrahlung 11 mit einem im Bereich der Blechdicke d liegenden Fokus des Durchmessers d dargestellt. Die zugehörige Achse der Laserstrahlung 11 ist mit 18 gekennzeichnet. Die Gasdüse 13 ist ebenfalls rotationssymmetrisch ausgebildet, und ihre Achse ist mit 17 bezeichnet. Die Achse 17 ist hier ein Synonym für das Druckzentrum des Schneidgases 14, welches dem Schneidbereich 20 wie aus Fig. 1 ersichtlich zugeführt wird.
Bei der relativen Zuordnung der Gasdüse 13 und der Laserstrahlung 11 ist beachtenswert, daß die Achse 17 der Gasdüse 13 in bezug auf die Achse 18 der Laserstrahlung 11 mit einer Exzentrizität e angeordnet ist, und zwar in Richtung auf das ungeschnittene Blech 10 versetzt. Als Folge dieser vorlaufenden Düsenjustierung entsteht beim Eintritt des Schneidgases 14 in die Schnittfuge 16 ein transversaler Druckgradient in Längsrichtung der offenen Schnittfuge, also senkrecht zur Achse 18. Infolgedessen wird auf den entstehenden Metalldampf so Einfluß genommen, daß eine abschirmende Wirkung des Metalldampfplasmas vermieden werden kann. Außerdem wird die Schmelze in Richtung der vergleichsweise flachen Schnittfront 23 schneller abtransportiert. Obwohl also der Austriebsweg infolge der flacher liegenden Schnittfront 23 länger ist als bei steilerer Schnittfront, ergibt sich durch die Zusammenwirkung des die Oberflächenspannung der Schmelze verringernden Wasserstoffs mit der verbesserten transversalen Führung des Schneidgases ein verbesserter Austrieb der Schmelze 15-
Aus Fig. 2 ist ersichtlich, daß die Erzielung eines transversalen Druckgradienten des Schneidgases auch dadurch erreicht werden kann, daß die Gasdüse 13 mit zum Blech 10 geneigten Achsen 19 oder 19' angeordnet ist. Die Neigung und Anordnung der Achsen 19, 19' bestimmt in Verbindung mit der Neigung der Schnittfront 23 die Größe des transversalen Druckgradienten. Unterschiedlich ist bei der Anordnung der Achsen 19» 19'» daß die Achse 19 die Schnittfront im Bereich der Achse 18 im Schneidbereich 20 schneidet, während die Achse 19' in Richtung des ungeschnittenen Blechs 10 vor dem vorgenannten Schnittpunkt liegt. Das Schneidgas 14 trifft auf die Schnittfront 23 und/oder auf das ungeschnittene Blech 10. In Fig. 2 ist die Laserstrahlung 11 mit einem Fokus des Durchmessers d dargestellt. Der Strahlquerschnitt ist also kreisförmig. Die Laserstrahlung 11 kann aber auch vorzugsweise elliptisch bzw. länglich fokussiert sein. In diesem Falle ist d die Länge der großen Halbachse der Ellipse, wobei diese in Schneidrichtung angeordnet ist. Infolgedessen wird die Intensität der Laserstrahlung auf der flachen Schnittfront verringert und damit die Wechselwirkungsfläche beim Einkoppeln der Laserstrahlung in das Blech vergrößert. Dadurch kann der Schneidprozeß stabilisiert werden, weil die Plasmabildung und der Schmelzeaustrieb besser kontrolliert werden können. Zugleich kann die Breite des Laserfokus klein gehalten werden und dementsprechend die Breite der Schnittfuge 16.
Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren können Schnittgeschwindigkeiten von mehr als 100 m/min, vorzugsweise bis zu 250 m/min und mehr, bei oxidationsfreier Schnittkante erreicht werden. Aufgrund der hohen Schnittgeschwindigkeit ist die nachteilige Wärmebeeinflussung der Randzonen der Schnittfuge gering, was bei kornorientierten Elektroblechen besonders wichtig ist.

Claims

Ansprüche
1. Verfahren zum Laserstrahlschneiden von band- oder plattenförmigen Werkstücken, insbesondere von Elektroblech mit einer Dicke von < 1 mm, insbesondere < 0,5 mm, bei dem ein von einer Laserstrahlquelle ausgehender Laserstrahl den Werkstoff unter Bildung einer Dampfkapillare an der Schnittstelle aufschmilzt und dabei die Schmelze von einem Wasserstoff enthaltenden inerten Schneidgas ausgetrieben wird, d a d u r c h g e k e n n ¬ z e i c h n e t , daß zur Aufrechterhaltung der Dampfkapillare der Wasserstoffanteil des Schneidgases derart hoch eingestellt wird und das den Laserstrahl umhüllende inerte Schneidgas der Oberfläche der Schmelze an der Schnittstelle mit einem solchen Druck und einer solchen Druckverteilung zugeführt wird, daß die Dampfkapillare unten geschlossen bleibt, die Tempertur an der Oberfläche der Schmelze auf Verdampfungstemperatur gehalten und die Schmelze kontinuierlich auf der der Schneidrichtung abgewandten Seite der Dampfkapillare aus der Schnittfuge ausgetrieben wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß das Schneidgas einen Anteil von bis zu 25 Vol.-# Wasserstoff enthält.
3. Verfahren nach Ansprüche 1 oder 2, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß bei einem CO -Laser als Laserstrahlquelle der Druck des Schneidgasgemisches zwischen 3 bar und 8 bar eingestellt wird.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3» d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß bei einem Nd:YAG-Laser als Laserstrahlquelle der Druck des Schneidgasgemisches auf bis zu 50 bar eingestellt wird.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß das Schneidgas Stickstoff oder Argon ist.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5» d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß das Schneidgas exzentrisch zur Laserstrahlachse geführt wird und vorlaufend auf die Schnittstelle auftrifft.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß das o Schneidgas unter einem Winkel < 90 auf die
Schnittstelle auftrifft.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß der Laserstrahl auf einen ovalen Brennfleck mit in Schneidrichtung verlaufender Hauptachse fokussiert ist.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß der fokussierte Brennfleck des Laserstrahls auf halber Höhe des Werkstückes gehalten wird.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9» d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß der von einer Laserstrahlquelle ausgehende Laserstrahl von niedriger Modenordnung ist.
11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß die Schmelze aus der Schnittfuge hinter der Dampfkapillare zusätzlich mit einem gasförmigen, flüssigen oder aus Partikeln bestehenden Zusatz-Strahl ausgetrieben wird.
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