WO2009156081A1 - Verfahren zum reduzieren der anhaftung von schlacke beim einstechen eines laserstrahls in ein werkstück und laserbearbeitungskopf - Google Patents

Verfahren zum reduzieren der anhaftung von schlacke beim einstechen eines laserstrahls in ein werkstück und laserbearbeitungskopf Download PDF

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WO2009156081A1
WO2009156081A1 PCT/EP2009/004347 EP2009004347W WO2009156081A1 WO 2009156081 A1 WO2009156081 A1 WO 2009156081A1 EP 2009004347 W EP2009004347 W EP 2009004347W WO 2009156081 A1 WO2009156081 A1 WO 2009156081A1
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WO
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additional gas
workpiece
gas stream
nozzle
angle
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PCT/EP2009/004347
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French (fr)
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Arnd Szelagowski
Florian Sepp
Mathias Schlotter
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Trumpf Werkzeugmaschinen Gmbh + Co. Kg
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    • 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
    • B23K26/16—Removal of by-products, e.g. particles or vapours produced during treatment of a workpiece
    • 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
    • B23K26/14—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring using a fluid stream, e.g. a jet of gas, in conjunction with the laser beam; Nozzles therefor
    • B23K26/142—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring using a fluid stream, e.g. a jet of gas, in conjunction with the laser beam; Nozzles therefor for the removal of by-products

Definitions

  • the present invention relates to a method for reducing the adhesion of slag when piercing a laser beam into a workpiece, wherein at least a first additional gas flow is directed to the workpiece at a first angle to the laser beam direction and at a first side of a puncture site and / or at the puncture site itself hits the workpiece to blow slag away from the puncture site, and a laser processing head for performing the method, comprising: a laser cutting nozzle through the nozzle opening during piercing a laser beam and a cutting gas are directed to a puncture site on a workpiece, and at least a first A gas nozzle disposed on a first side of the laser cutting nozzle and aligned at a first angle to the laser beam axis to produce a first makeup gas stream that hits the workpiece on the first side of the piercing site and / or at the piercing site itself; to blow away the slag from the puncture site.
  • JP 8141764 A and JP 2002292484 A disclose the use of a plurality of auxiliary gas nozzles pointing in almost the same direction in laser material processing. However, these arrangements do not differ substantially in their effect from the arrangement described in JP 10225787 A with only one additional gas nozzle.
  • a second additional gas stream is directed onto the workpiece at a second angle to the laser beam direction and at a second side opposite the first side of the puncture site spaced from the puncture site on the workpiece wherein, relative to a plane perpendicular to the laser beam direction, the second additional gas flow is oriented at an angle, ie not parallel or anti-parallel to the first gas flow, to create a gas cushion between the slag blown away from the first gas flow and the workpiece.
  • the second additional gas stream is preferably aligned at an angle between 30 ° and 135 °, more preferably between 45 ° and 100 °, to the first additional gas stream.
  • the second additional gas flow particularly preferably has no or only a small flow component, which points in the direction of the first additional gas flow, so that bulging of the slag in the vicinity of the puncture hole is reliably avoided.
  • the first additional gas flow causes the rapid removal of the melt and slag, thereby facilitating the piercing process.
  • the problem with the use of only one additional gas flow is that the hot melt, which is rinsed out of the puncture hole, subsequently solidifies again directly on the workpiece and connects to it.
  • the transversely, ie obliquely or transversely to the first additional gas flow aligned second additional gas flow the melt is lifted from the workpiece and it is thus prevents the connection between the melt and the workpiece.
  • the slag is cooled and deflected by the second gas flow, with the result that the slag no longer has enough energy to subsequently melt the material and thereby adhere to the workpiece. Therefore, there are only slag bells that do not interfere with the subsequent separating processing.
  • the second additional gas stream has a substantially rectangular cross-sectional shape in order to produce a flat gas cushion on the workpiece.
  • the production of a flat, as wide as possible gas cushion on the workpiece is advantageous in order to prevent the slag is lifted too far from the workpiece and possibly adheres to the underside of a laser beam focusing on the Einstichstelle laser processing head.
  • a cutting gas stream which in particular contains oxygen, is preferably directed onto the puncture site of the laser beam.
  • oxygen for the plunge process, especially at higher sheet thicknesses, it is favorable to use oxygen as a plunging gas (cutting gas), since this supplies additional energy to the piercing process.
  • a third additional gas stream above the second additional gas stream preferably runs perpendicular to the laser beam direction in order to keep the blown slag away from a laser processing head positioned above the third additional gas stream.
  • the third additional gas stream which can be formed, for example, as a flat gas curtain and / or can run around a cutting nozzle provided on the laser processing head around, serves to prevent the accumulation of blown away from the first additional gas flow slag on the underside of the laser processing head.
  • the second additional gas stream contains a non-combustible gas or fluid, preferably compressed air, nitrogen or a gas-water mixture for generating a gas-water mist.
  • the first and / or the third additional gas stream preferably contains nitrogen or compressed air.
  • the additional gas streams are in contrast to the cutting gas stream during piercing no chemical reaction with the
  • a typical pressure range for the second additional gas flow is for the present application when using compressed air at about 4 bar, the cutting gas flow typically has a pressure of about 3 bar when using oxygen as a cutting gas.
  • the first angle is selected between 110 ° and 160 ° and / or the second angle between 110 ° and 150 °, in particular between 115 ° and 130 °.
  • the second angle must be chosen so that the second additional gas flow is not too steep on the
  • a workpiece hits, to prevent that instead of the production of a gas cushion, the opposite effect occurs, namely that the slag is pressed onto the workpiece.
  • a further aspect of the invention is embodied in a laser processing head of the type initially mentioned, which further comprises at least one second gas nozzle, which is arranged on a second side of the laser cutting nozzle opposite the first side and is aligned at a second angle to the laser beam direction, about a second Additional gas flow to produce, which at a second side opposite the first side of the puncture site spaced from the puncture site strikes the workpiece, with respect to a plane perpendicular to the laser beam direction of the second additional gas flow at an angle, ie, clearly not parallel or anti-parallel to the first additional gas flow is aligned to produce a gas cushion between the blown away from the first additional gas flow slag and the workpiece.
  • the second gas nozzle serves to generate a second additional gas flow which is transverse to the second gas flow
  • the first additional gas stream runs to prevent the adhesion of slag on the workpiece.
  • the first gas nozzle and the second gas nozzle are in this case preferably oriented so that the first and the second additional gas flow with respect to a plane perpendicular to the laser beam direction an angle between 30 ° and 135 °, in particular between 45 ° and 100 ° include.
  • the second gas nozzle for generating a second additional gas flow having a substantially rectangular cross-sectional shape has a slot-shaped nozzle opening in order to produce a flat gas cushion on the workpiece.
  • gas nozzles with other exit geometries e.g. round or elliptical geometries can be used, in particular when a plurality of second gas nozzles are used to produce the widest possible gas cushion.
  • the laser processing head has a third gas nozzle for generating a third additional gas flow which is preferably oriented perpendicular to the laser beam direction and which extends above the second additional gas flow in order to keep the blown slag away from the laser processing head.
  • a third additional gas stream e.g. truncated cone-like splash guard be attached to the underside of the laser processing head.
  • the first angle is between 110 ° and 160 ° and / or the second angle is between 110 ° and 150 °, preferably between 115 ° and 130 °. At these angles, a defined and controlled removal of the slag during the piercing process can be ensured.
  • the laser processing head has at least two adjacently arranged, parallel aligned second gas nozzles for producing a wide and flat gas cushion on the workpiece.
  • a nozzle opening of the second gas nozzle is arranged at a distance of between 10 mm and 20 mm away from the nozzle axis of the laser cutting nozzle.
  • the nozzle opening of the second gas nozzle is typically not in the region of the first additional gas stream, but is arranged offset to this, so that the second, transverse additional gas stream can extend over the entire width of the first additional gas stream.
  • FIGS. 1 a, b are two schematic representations of an embodiment of a laser processing head according to the invention with viewing direction in the X or Y direction, and
  • FIGS. 2a-e are schematic illustrations of first and second additional gas streams with associated gas nozzles for piercing a workpiece.
  • FIGS. 1a, b respectively show a laser processing head 1 in a side view along the X-axis and the Y-axis of an XYZ coordinate system.
  • the laser processing head 1 has a laser cutting nozzle 2, through whose nozzle opening 2 a a laser beam 3 passes, which generates a puncture site 4 (puncture hole) on a workpiece 5.
  • the laser cutting nozzle 2 is furthermore connected to a pressure chamber 6 of the laser processing head 1 filled with a cutting gas, in particular oxygen, in order to direct a cutting gas flow 7 through the nozzle opening 2 a to the puncture site 4.
  • a first gas nozzle 8a is located at the laser processing head 1 on a first side A (see Fig. 1 b) of the laser cutting nozzle 2 about 40 mm from the puncture site 4 arranged to produce a first additional gas flow 9a, which meets on the first side A of the puncture site 4 on the workpiece 5 to blow slag 10 away from the puncture site 4.
  • the additional gas stream 9a or the gas nozzle 8a are here aligned at a first angle ⁇ i with respect to the laser beam axis Z, which is typically in an interval between 110 ° and 160 °, to blow the slag 10 as effectively as possible from the puncture site 4.
  • a second gas nozzle 8b is provided on the laser processing head 1 attached, which generates a second additional gas stream 9b, which is approximately 20 mm apart from the puncture site 4 impinges on the workpiece 5.
  • the second additional gas flow 9b is oriented transversely or perpendicular to the first additional gas flow 9a in the projection in the XY plane.
  • the second gas nozzle 8b has a spacing of approximately 15 mm or more from the center of the puncture site 4, which corresponds to the center of the nozzle opening 2a.
  • the second supplementary gas flow 9b extends, as shown in Fig. 1 a can be seen, with respect to the laser beam direction Z at a second angle ⁇ 2 of approximately 120 °.
  • the second angle ⁇ 2 is shallow enough for the second additional gas stream 9 b to produce a gas cushion 11 between the workpiece 5 and the slag 10 blown away by the first additional gas stream 9 a.
  • the angle range, under which the second additional gas stream 9b should extend with respect to the laser beam direction Z, so that the gas cushion 11 forms, is typically between about 110 ° and 150 °, in particular between 115 ° and 130 °.
  • a third gas nozzle 8c is attached to the second side B of the laser cutting nozzle 2 on the laser processing head 1 to generate a third additional gas stream 9c.
  • the third additional gas flow 9c is not directed to the workpiece 5, but runs perpendicular to the laser beam direction Z above the second additional gas flow 9b and around the laser cutting nozzle 2 to the laser processing head 1 before the Slag 10 to protect.
  • the combination of the three additional gas streams 9a-c thus ensures a controlled and defined removal of the slag 10 from the puncture site 5.
  • the first additional gas stream 9a may contain nitrogen and / or compressed air
  • the second and third additional gas stream 9b, 9c typically contain a non-combustible gas, usually also compressed air or nitrogen. When compressed air is used, it typically has a pressure of the order of 4 bar in the present application.
  • the second additional gas stream 9b may also have a fluid portion, e.g. adding water to the non-combustible gas to form a gas-water mist which exerts an additional, cooling effect on the slag 10 to convert it to spherical beads which will not interfere with the later separation process.
  • the gas cushion 11 should be flat and as wide as possible.
  • the second gas nozzle 8b may have a slot-shaped nozzle opening 12, which is shown in Fig. 1 b and which is positioned at a height h of about 10 mm above the workpiece 5.
  • a further second gas nozzle 8b ' can be arranged adjacent to the second gas nozzle 8b, which is aligned parallel to this, in order to produce a further second additional gas flow 9b', as shown in FIG. 2b is shown.
  • the further second additional gas stream 9b ' combines in this case on the workpiece 5 with the first additional gas stream.
  • the orientation has proved to be particularly favorable at an angle of 90 ° or less, ie at angles below which the second additional gas stream 9b, 9b 'has no flow component which is directed toward the first additional gas stream 9a.
  • second additional gas streams 9b, 9b, '9b " which produce a gas cushion 11
  • the slag formation next to the puncture site 4 can be significantly reduced and the cutting process following the puncturing process can after piercing with the help of two or three Additional gas streams 9a, 9b, 9b ', 9b ", 9c are also easily carried out for small component internal geometries.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Reduzieren der Anhaftung von Schlacke (10) beim Einstechen eines Laserstrahls (3) in ein Werkstück (5), bei dem mindestens ein erster Zusatzgasstrom (9a) unter einem ersten Winkel (α1) zur Laserstrahlrichtung (Z) auf das Werkstück (5) gerichtet wird und an einer ersten Seite (A) einer Einstichstelle (4) und/oder an der Einstichstelle (4) selbst auf das Werkstück (5) trifft, um Schlacke (10) von der Einstichstelle (4) wegzublasen. Mindestens ein zweiter Zusatzgasstrom (9b, 9b', 9b") wird unter einem zweiten Winkel (α2) zur Laserstrahlrichtung (Z) auf das Werkstück (5) gerichtet und trifft an einer der ersten Seite (A) gegenüberliegenden zweiten Seite (B) der Einstichstelle (4) von der Einstichstelle (4) beabstandet auf das Werkstück (5), wobei bezogen auf eine Ebene (X, Y) senkrecht zur Laserstrahlrichtung (Z) der zweite Zusatzgasstrom (9b, 9b', 9b") unter einem Winkel zum ersten Zusatzgasstrom (9a) ausgerichtet ist, um ein Gaspolster (11) zwischen der vom ersten Zusatzgasstrom (9a) weggeblasenen Schlacke (10) und dem Werkstück (11) zu erzeugen. Die Erfindung betrifft auch einen Laserbearbeitungskopf (1) zur Durchführung des Verfahrens.

Description

Verfahren zum Reduzieren der Anhaftunα von Schlacke beim Einstechen eines Laserstrahls in ein Werkstück und Laserbearbeitunqskopf
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Reduzieren der Anhaftung von Schlacke beim Einstechen eines Laserstrahls in ein Werkstück, bei dem mindestens ein erster Zusatzgasstrom unter einem ersten Winkel zur Laserstrahlrichtung auf das Werkstück gerichtet wird und an einer ersten Seite einer Einstichstelle und/oder an der Einstichstelle selbst auf das Werkstück trifft, um Schlacke von der Einstichstelle wegzublasen, sowie einen Laserbearbeitungskopf zur Durchführung des Verfahrens, mit: einer Laserschneiddüse, durch deren Düsenöffnung während des Einstechens ein Laserstrahl und ein Schneidgas auf eine Einstichstelle an einem Werkstück gerichtet werden, und mindestens einer ersten Gasdüse, die auf einer ersten Seite der Laserschneiddüse angeordnet und unter einem ersten Winkel zur Laserstrahlachse ausgerichtet ist, um einen ersten Zusatzgasstrom zu erzeugen, der auf der ersten Seite der Einstichstelle und/oder an der Einstichstelle selbst auf das Werkstück trifft, um die Schlacke von der Einstichstelle wegzublasen. Beim Laserschneiden entstehen beim Einstechen in dicke Bleche Schlackeaufwürfe in der Umgebung des Einstichlochs, deren Ausmaße mit größer werdender Blechstärke deutlich zunehmen. Insbesondere bei der Bearbeitung von Blechen mit einer Materialstärke oberhalb von 30 mm entstehen signifikante Schlackeaufwürfe. Diese stören vor allem bei zu schneidenden Innengeometrien und bei kleinen Bauteilen. Außerdem erkennt die Abstandssensorik des Laserbearbeitungskopfs diese Aufwürfe als Störkontur und regelt den Laserbearbeitungskopf weg vom Werkstück, was große prozesstechnische Probleme zur Folge hat. Zur Vermeidung dieser Probleme ist es notwendig, die anhaftenden Schlackeaufwürfe auf dem Werkstück zu reduzieren.
Zu diesem Zweck ist es beispielsweise aus der JP 10225787 A bekannt, zusätzlich zum durch die Laserbearbeitungsdüse ausströmenden Schneidgas einen Zusatzgasstrom schräg auf die Einstichstelle zu richten, um Spritzer und geschmolzenes Metall von der Einstichstelle weg zu blasen. In der Praxis hat sich jedoch gezeigt, dass beim Einstechen in dicke Bleche trotz dieses Zusatzgasstroms signifikante Schlackeaufwürfe auftreten.
Aus der DE 10138867 A1 , der JP 8141764 A und der JP 2002292484 A ist die Ver- wendung von mehreren in nahezu die gleiche Richtung weisenden Zusatzgasdüsen in der Lasermaterialbearbeitung bekannt. Diese Anordnungen unterscheiden sich in ihrer Wirkung jedoch nicht wesentlich von der in der JP 10225787 A beschriebenen Anordnung mit nur einer Zusatzgasdüse.
Aus der EP 0969947 B1 und der US 6494965 B1 ist es bekannt, zusätzlich zu einer ersten, schräg zur Laserstrahlrichtung ausgerichteten Gasdüse eine zweite, ebenfalls schräg zur Laserstrahlrichtung ausgerichtete Gasdüse an gegenüberliegenden Seiten der Einstichstelle anzuordnen. Der zweite schräg auf das Werkstück gerichtete Zusatzgasstrom verläuft dabei im Wesentlichen antiparallel zum ersten Zusatzgasstrom und dient dazu, die durch den ersten Zusatzgasstrom von der Einstichstelle weg geblasenen Stäube oder Spritzer zu bremsen und in ihrer Ausbreitung zu begrenzen, so dass sie von einer Absaugeinrichtung abtransportiert werden können. Diese Anordnungen sind jedoch zur Reduzierung der Schlackeanhaftung beim Einstechen nicht geeignet, da sie ebenfalls zu einer Aufwölbung der Schlacke in der Nähe des Einstichlochs führen.
Aus JP 2001205472 A ist ferner eine Anordnung mit drei Düsen bekannt, von denen eine schräg auf die Bearbeitungsdüse, die zweite schräg auf das Werkstück und die dritte senkrecht auf das Werkstück ausgerichtet ist, und die zum Schutz der Bearbeitungsdüse, zum Ausblasen der Schlacke und zum Herunterdrücken von Spritzern dienen. Eine solche Anordnung verhindert die Anhaftung von Schlacke in der Nähe des Einstichlochs jedoch ebenfalls nicht.
Aufgabe der Erfindung
Demgegenüber ist es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die Schlackean- haftung auf dem Werkstück beim Einstechen mit einem Laserstrahl zu unterdrücken und die Ausdehnung der sich bildenden Aufwürfe zu reduzieren.
Gegenstand der Erfindung
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Verfahren der eingangs ge- nannten Art, bei dem mindestens ein zweiter Zusatzgasstrom unter einem zweiten Winkel zur Laserstrahlrichtung auf das Werkstück gerichtet wird und an einer der ersten Seite gegenüberliegenden zweiten Seite der Einstichstelle von der Einstichstelle beabstandet auf das Werkstück trifft, wobei bezogen auf eine Ebene senkrecht zur Laserstrahlrichtung der zweite Zusatzgasstrom unter einem Winkel, d.h. nicht parallel oder antiparallel zum ersten Gasstrom ausgerichtet wird, um ein Gaspolster zwischen der vom ersten Gasstrom weggeblasenen Schlacke und dem Werkstück zu erzeugen. Der zweite Zusatzgasstrom wird vorzugsweise unter einem Winkel zwischen 30° und 135°, besonders bevorzugt zwischen 45° und 100°, zum ersten Zusatzgasstrom ausgerichtet. Besonders bevorzugt weist der zweite Zusatzgasstrom also keine oder nur eine geringe Strömungskomponente auf, die in Richtung des ersten Zusatzgasstroms zeigt, so dass ein Aufwölben der Schlacke in der Nähe des Einstichlochs sicher vermieden wird. Der erste Zusatzgasstrom bewirkt den schnellen Abtransport der Schmelze und Schlacke und erleichtert dadurch den Einstechvorgang. Problematisch beim Einsatz nur eines Zusatzgasstroms ist es jedoch, dass die heiße Schmelze, welche aus dem Einstichloch gespült wird, anschließend direkt auf dem Werkstück wieder erstarrt und sich mit diesem verbindet. Durch den transversal, d.h. schräg bzw. quer zum ersten Zusatzgasstrom ausgerichteten zweiten Zusatzgasstrom wird die Schmelze vom Werkstück abgehoben und es wird so die Verbindung zwischen der Schmelze und dem Werkstück verhindert. Zusätzlich wird die Schlacke durch den zweiten Gasstrom gekühlt und abgelenkt, was zur Folge hat, dass die Schlacke beim späteren Auftreffen auf das Werkstück nicht mehr genug Energie hat, um den Werkstoff aufzuschmelzen und dadurch auf dem Werkstück anzuhaften. Es entstehen daher lediglich Schlackeperlen, die bei der nachfolgenden trennenden Bearbeitung nicht stören.
In einer vorteilhaften Variante weist der zweite Zusatzgasstrom eine im Wesentlichen rechteckige Querschnittsform auf, um auf dem Werkstück ein flaches Gaspolster zu erzeugen. Die Erzeugung eines flachen, möglichst breiten Gaspolsters auf dem Werkstück ist vorteilhaft, um zu verhindern, dass die Schlacke zu weit vom Werkstück abgehoben wird und ggf. an der Unterseite eines den Laserstrahl auf die Ein- stichstelle fokussierenden Laserbearbeitungskopfs anhaftet.
Bevorzugt wird beim Einstechen ein Schneidgasstrom, der insbesondere Sauerstoff enthält, auf die Einstichstelle des Laserstrahls gerichtet. Für den Einstechvorgang gerade bei höheren Blechstärken ist es günstig, als Einstechgas (Schneidgas) Sauerstoff zu verwenden, da dieser dem Einstechvorgang zusätzliche Energie liefert.
In einer bevorzugten Variante verläuft ein dritter Zusatzgasstrom oberhalb des zweiten Zusatzgasstroms bevorzugt senkrecht zur Laserstrahlrichtung, um die weggeblasene Schlacke von einem oberhalb des dritten Zusatzgasstroms positionierten Laserbearbeitungskopf fernzuhalten. Der dritte Zusatzgasstrom, der z.B. als flächiger Gasvorhang ausgebildet sein kann und/oder um eine am Laserbearbeitungskopf vorgesehene Schneidgasdüse herum verlaufen kann, dient der Verhinderung der Anlagerung der vom ersten Zusatzgasstrom weggeblasenen Schlacke an der Unterseite des Laserbearbeitungskopfs. Durch die Kombination der drei Zusatzgasströme kann somit eine kontrollierte und definierte Abfuhr der Schlacke beim Einstich- prozess gewährleistet werden.
Vorteilhafter Weise enthält der zweite Zusatzgasstrom ein nicht brennbares Gas oder Fluid, bevorzugt Druckluft, Stickstoff oder ein Gas-Wassergemisch zur Erzeugung eines Gas-Wassernebels. Der erste und/oder der dritte Zusatzgasstrom enthält vorzugsweise Stickstoff oder Druckluft. Die Zusatzgasströme sollen im Gegensatz zum Schneidgasstrom beim Einstechvorgang keine chemische Reaktion mit dem
Werkstückmaterial eingehen. Ein typischer Druckbereich für den zweiten Zusatz- gasstrom liegt für die vorliegende Anwendung bei der Verwendung von Druckluft bei ca. 4 bar, der Schneidgasstrom weist bei Verwendung von Sauerstoff als Schneidgas typischerweise einen Druck von ca. 3 bar auf.
Bevorzugt wird der erste Winkel zwischen 110° und 160° und/oder der zweite Winkel zwischen 110° und 150°, insbesondere zwischen 115° und 130° gewählt. Durch eine geeignete Festlegung des ersten Winkels kann ein besonders effektiver Transport der Schlacke weg von der Einstichstelle erzeugt werden. Der zweite Winkel muss hierbei so gewählt werden, dass der zweite Zusatzgasstrom nicht zu steil auf das
Werkstück trifft, um zu verhindern, dass an Stelle der Erzeugung eines Gaspolsters der gegenteilige Effekt auftritt, nämlich dass die Schlacke auf das Werkstück niedergedrückt wird.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung ist verwirklicht in einem Laserbearbeitungskopf der eingangs genannten Art, der weiterhin umfasst: mindestens eine zweite Gasdüse, die an einer der ersten Seite gegenüberliegenden zweiten Seite der Laserschneiddüse angeordnet ist und unter einem zweiten Winkel zur Laserstrahlrichtung ausgerichtet ist, um einen zweiten Zusatzgasstrom zu erzeugen, der an einer der ersten Seite gegenüberliegenden zweiten Seite der Einstichstelle von der Einstichstelle beabstandet auf das Werkstück trifft, wobei bezogen auf eine Ebene senk- recht zur Laserstrahlrichtung der zweite Zusatzgasstrom unter einem Winkel, d.h. deutlich nicht parallel oder antiparallel zum ersten Zusatzgasstrom ausgerichtet ist, um ein Gaspolster zwischen der vom ersten Zusatzgasstrom weggeblasenen Schlacke und dem Werkstück zu erzeugen. Die zweite Gasdüse dient hierbei wie oben dargestellt der Erzeugung eines zweiten Zusatzgasstroms, der transversal zum ersten Zusatzgasstrom verläuft, um die Anhaftung von Schlacke auf dem Werkstück zu verhindern. Die erste Gasdüse und die zweite Gasdüse sind hierbei bevorzugt so ausgerichtet, dass der erste und der zweite Zusatzgasstrom bezogen auf eine Ebene senkrecht zur Laserstrahlrichtung einen Winkel zwischen 30° und 135°, insbesondere zwischen 45° und 100°, einschließen.
In einer vorteilhaften Ausführungsform weist die zweite Gasdüse zur Erzeugung eines zweiten Zusatzgasstroms mit im Wesentlichen rechteckiger Querschnittsform eine schlitzförmige Düsenöffnung auf, um ein flaches Gaspolster auf dem Werkstück zu erzeugen. Es versteht sich, dass auch Gasdüsen mit anderen Austrittsgeometrien, z.B. runden oder ellipsenförmigen Geometrien verwendet werden können, insbesondere wenn mehrere zweite Gasdüsen eingesetzt werden, um ein möglichst breites Gaspolster zu erzeugen.
In einer besonders vorteilhaften Ausführungsform weist der Laserbearbeitungskopf eine dritte Gasdüse zur Erzeugung eines bevorzugt senkrecht zur Laserstrahlrichtung ausgerichteten dritten Zusatzgasstroms auf, der oberhalb des zweiten Zusatzgasstroms verläuft, um die weggeblasene Schlacke vom Laserbearbeitungskopf fernzuhalten. Auf diese Weise kann wirkungsvoll verhindert werden, dass die von dem durch den zweiten Zusatzgasstrom erzeugten Gaspolster angehobene Schlacke sich an der Unterseite des Laserbearbeitungskopfs festsetzen kann. Zusätzlich oder alternativ zum dritten Zusatzgasstrom kann auch ein kragenförmiger, z.B. kegelstumpfartiger Spritzerschutz an der Unterseite des Laserbearbeitungskopfs angebracht sein.
Bei einer vorteilhaften Ausführungsform liegt der erste Winkel zwischen 110° und 160° und/oder der zweite Winkel liegt zwischen 110° und 150°, bevorzugt zwischen 115° und 130°. Bei diesen Winkeln kann eine definierte und kontrollierte Abfuhr der Schlacke während des Einstechprozesses gewährleistet werden.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform weist der Laserbearbeitungskopf mindestens zwei benachbart angeordnete, parallel ausgerichtete zweiten Gasdüsen zur Erzeugung eines breiten und flachen Gaspolsters auf dem Werkstück auf. In einer besonders bevorzugten Ausführungsform ist eine Düsenöffnung der zweiten Gasdüse in einem Abstand zwischen 10 mm und 20 mm von der Düsenachse der Laserschneiddüse entfernt angeordnet. Die Düsenöffnung der zweiten Gasdüse liegt hierbei typischerweise nicht im Bereich des ersten Zusatzgasstroms, sondern ist versetzt zu diesem angeordnet, so dass sich der zweite, quer verlaufende Zusatzgasstrom über die gesamte Breite des ersten Zusatzgasstroms erstrecken kann.
Weitere Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und der Zeichnung. Ebenso können die vorstehend genannten und die noch weiter aufgeführten Merkmale je für sich oder zu mehreren in beliebigen Kombinationen Verwendung finden. Die gezeigten und beschriebenen Ausführungsformen sind nicht als abschließende Aufzählung zu verstehen, sondern haben vielmehr beispielhaften Charakter für die Schilderung der Erfindung.
Es zeigen:
Fign. 1 a,b zwei schematische Darstellungen einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Laserbearbeitungskopfs mit Blickrichtung in X- bzw. Y-Richtung, und
Fign. 2a-e schematische Darstellungen von ersten und zweiten Zusatzgasströmen mit zugehörigen Gasdüsen für das Einstechen in ein Werkstück.
Fign. 1a,b zeigen einen Laserbearbeitungskopf 1 jeweils in einer Seitenansicht ent- lang der X-Achse bzw. der Y-Achse eines XYZ-Koordinatensystems. Der Laserbearbeitungskopf 1 weist eine Laserschneiddüse 2 auf, durch deren Düsenöffnung 2a ein Laserstrahl 3 hindurch tritt, der eine Einstichstelle 4 (Einstichloch) an einem Werkstück 5 erzeugt. Die Laserschneiddüse 2 steht weiterhin mit einem mit einem Schneidgas, insbesondere Sauerstoff, gefüllten Druckraum 6 des Laserbearbeitungs- kopfs 1 in Verbindung, um einen Schneidgasstrom 7 durch die Düsenöffnung 2a auf die Einstichstelle 4 zu richten.
Eine erste Gasdüse 8a ist an dem Laserbearbeitungskopf 1 auf einer ersten Seite A (vgl. Fig. 1 b) der Laserschneiddüse 2 etwa 40 mm von der Einstichstelle 4 entfernt angeordnet, um einen ersten Zusatzgasstrom 9a zu erzeugen, der auf der ersten Seite A der Einstichstelle 4 auf das Werkstück 5 trifft, um Schlacke 10 von der Einstichstelle 4 wegzublasen. Der Zusatzgasstrom 9a bzw. die Gasdüse 8a sind hierbei unter einem ersten Winkel αi bezüglich der Laserstrahlachse Z ausgerichtet, der typischerweise in einem Intervall zwischen 110° und 160° liegt, um die Schlacke 10 möglichst effektiv von der Einstichstelle 4 weg zu blasen.
Um zu verhindern, dass die vom ersten Zusatzgasstrom 9a aus dem Einstichloch bzw. der Einstichstelle 4 gespülte Schlacke 10 an einer gegenüberliegenden Seite B der Laserschneiddüse 2 auf dem Werkstück 5 wieder erstarrt und sich mit diesem verbindet, ist an dem Laserbearbeitungskopf 1 eine zweite Gasdüse 8b angebracht, welche einen zweiten Zusatzgasstrom 9b erzeugt, der ca. 20 mm beabstandet zur Einstichstelle 4 auf das Werkstück 5 auftrifft. Wie in Fig. 2a besser zu erkennen ist, in der die XY-Ebene senkrecht zur Laserstrahlrichtung Z dargestellt ist, ist der zweite Zusatzgasstrom 9b in der Projektion in der XY-Ebene transversal bzw. senkrecht zum ersten Zusatzgasstrom 9a ausgerichtet. Die zweite Gasdüse 8b weist hierbei vom Zentrum der Einstichstelle 4, welche der Mitte der Düsenöffnung 2a entspricht, einen Abstand von ca. 15 mm oder mehr auf. Der zweite Zusatzgasstrom 9b verläuft, wie in Fig. 1 a zu erkennen ist, bezüglich der Laserstrahlrichtung Z unter einem zweiten Winkel α2 von ca. 120°. Der zweite Winkel α2 ist flach genug, damit der zweite Zusatzgasstrom 9b ein Gaspolster 11 zwischen dem Werkstück 5 und der vom ersten Zusatzgasstrom 9a weggeblasenen Schlacke 10 erzeugt. Der Winkelbereich, unter dem der zweite Zusatzgasstrom 9b bezüglich der Laserstrahlrichtung Z verlaufen sollte, damit sich das Gaspolster 11 ausbildet, liegt typischerweise zwischen ca. 110° und 150°, insbesondere zwischen 115° und 130°.
Um zu verhindern, dass die durch den zweiten Zusatzgasstrom 9b vom Werkstück 5 abgehobene Schlacke 10 die Unterseite des Laserbearbeitungskopfs 1 erreicht und sich an dieser festsetzt, ist eine dritte Gasdüse 8c an der zweiten Seite B der Laser- schneiddüse 2 am Laserbearbeitungskopf 1 angebracht, um einen dritten Zusatzgasstrom 9c zu erzeugen. Anders als der erste und zweite Zusatzgasstrom 9a, 9b ist der dritte Zusatzgasstrom 9c nicht auf das Werkstück 5 gerichtet, sondern verläuft senkrecht zur Laserstrahlrichtung Z oberhalb des zweiten Zusatzgasstroms 9b und um die Laserschneiddüse 2 herum, um den Laserbearbeitungskopf 1 vor der Schlacke 10 zu schützen. Durch die Kombination der drei Zusatzgasströme 9a-c kann somit eine kontrollierte und definierte Abfuhr der Schlacke 10 von der Einstichstelle 5 gewährleistet werden.
Der erste Zusatzgasstrom 9a kann Stickstoff und/oder Druckluft enthalten, der zweite und dritte Zusatzgasstrom 9b, 9c enthalten typischerweise ein nicht brennbares Gas, in der Regel ebenfalls Druckluft oder Stickstoff. Wird Druckluft verwendet, so weist diese bei der vorliegenden Anwendung typischerweise einen Druck in der Größenordnung von 4 bar auf. Der zweite Zusatzgasstrom 9b kann auch einen Fluid- Anteil aufweisen, z.B. indem dem nicht brennbaren Gas Wasser beigemischt wird, um einen Gas-Wassernebel auszubilden, der einen zusätzlichen, kühlenden Effekt auf die Schlacke 10 ausübt, um diese in kugelförmige Schmelzperlen umzuwandeln, die beim späteren Trennprozess nicht stören.
Das Gaspolster 11 sollte flach und möglichst breit ausgebildet sein. Zu diesem Zweck kann die zweite Gasdüse 8b eine schlitzförmige Düsenöffnung 12 aufwiesen, die in Fig. 1 b dargestellt ist und die in einer Höhe h von ca. 10 mm über dem Werkstück 5 positioniert ist. Es versteht sich, dass zur Erzeugung eines möglichst breiten Gaspolsters 11 auch eine weitere zweite Gasdüse 8b' benachbart zur zweiten Gasdüse 8b angeordnet werden kann, die parallel zu dieser ausgerichtet ist, um einen weiteren zweiten Zusatzgasstrom 9b' zu erzeugen, wie in Fig. 2b dargestellt ist. Der weitere zweite Zusatzgasstrom 9b' vereinigt sich hierbei auf dem Werkstück 5 mit dem ersten Zusatzgasstrom 9.
Es versteht sich ferner, dass der zweite Zusatzgasstrom 9b bzw. die zweiten Zusatzgasströme 9b, 9b' nicht notwendiger Weise senkrecht zum ersten Zusatzgasstrom 9a ausgerichtet sein müssen, vielmehr können die zweiten Zusatzgasströme 9b, 9b' relativ zum ersten Zusatzgasstrom 9a unter einem Winkel 03 zwischen ca. 30° und ca. 135° ausgerichtet sein, wie in Fign. 2c,d beispielhaft anhand eines Winkels von ca. 80° gezeigt ist. Besonders günstig hat sich die Ausrichtung unter einem Winkel von 90° oder weniger herausgestellt, d.h. unter Winkeln, unter denen der zweite Zusatzgasstrom 9b, 9b' keine Strömungskomponente aufweist, die zum ersten Zusatzgasstrom 9a hin gerichtet ist. Wie in Fig. 2e zu erkennen ist, müssen bei der Verwendung von mehreren zweiten Zusatzgasströmen diese nicht zwingend parallel ausgerichtet sein. Vielmehr ist es auch möglich, eine weitere zweite Gasdüse 8b" an dem Laserbearbeitungskopf 1 anzubringen, die einen weiteren zweiten Zusatzgasstrom 9b" erzeugt, der eine Strö- mungskomponente in positiver Y-Richtung aufweist, die den zweiten Zusatzgasströmen 9b, 9b' von Fig. 2d entgegen gerichtet ist.
Zusammenfassend kann durch den Einsatz von zweiten Zusatzgasströmen 9b, 9b,' 9b", welche ein Gaspolster 11 erzeugen, der Schlackeaufwurf neben der Einstich- stelle 4 deutlich reduziert werden und die auf den Einstechvorgang folgende Schneidbearbeitung kann nach dem Einstechen mit Hilfe der zwei oder drei Zusatzgasströme 9a, 9b, 9b', 9b", 9c problemlos auch für kleine Bauteil- Innengeometrien durchgeführt werden.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zum Reduzieren der Anhaftung von Schlacke (10) beim Einstechen eines Laserstrahls (3) in ein Werkstück (5), bei dem mindestens ein erster Zusatzgasstrom (9a) unter einem ersten Winkel
(αi) zur Laserstrahlrichtung (Z) auf das Werkstück (5) gerichtet wird und an einer ersten Seite (A) einer Einstichstelle (4) und/oder an der Einstichstelle (4) selbst auf das Werkstück (5) trifft, um die Schlacke (10) von der Einstichstelle (4) wegzublasen, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein zweiter Zusatzgasstrom (9b, 9b', 9b") unter einem zweiten
Winkel (α2) zur Laserstrahlrichtung (Z) auf das Werkstück (5) gerichtet wird und an einer der ersten Seite (A) gegenüberliegenden zweiten Seite (B) der Einstichstelle
(4) von der Einstichstelle (4) beabstandet auf das Werkstück (5) trifft, wobei bezogen auf eine Ebene (X, Y) senkrecht zur Laserstrahlrichtung (Z) der zweite Zusatzgasstrom (9b, 9b', 9b") unter einem Winkel (α3) zum ersten Zusatzgasstrom (9a) ausgerichtet wird, um ein Gaspolster (11 ) zwischen der vom ersten Zusatzgasstrom (9a) weggeblasenen Schlacke (10) und dem Werkstück
(5) zu erzeugen.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , bei dem der zweite Zusatzgasstrom (9b, 9b', 9b") unter einem Winkel (α3) zwischen 30° und 135°, insbesondere zwischen 45° und 100°, zum ersten Zusatzgasstrom (9a) ausgerichtet wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei dem der zweite Zusatzgasstrom (9b, 9b', 9b") eine im Wesentlichen rechteckige Querschnittsform aufweist, um auf dem Werkstück (5) ein flaches Gaspolster (11) zu erzeugen.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem ein Schneidgasstrom (7), der bevorzugt Sauerstoff enthält, auf die Einstichstelle (4) des Laserstrahls (3) gerichtet wird.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem ein dritter Zusatzgasstrom (9c) oberhalb des zweiten Zusatzgasstroms (9b, 9b', 9b") bevorzugt senkrecht zur Laserstrahlrichtung (Z) verläuft, um die weggeblasene Schlacke (10) von einem oberhalb des dritten Zusatzgasstroms (9c) positionierten Laserbearbeitungskopf (1 ) fernzuhalten.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem der zweite Zusatzgasstrom (9b, 9b', 9b") ein nicht brennbares Gas oder Fluid enthält, bevorzugt Druckluft, Stickstoff, oder ein Gas-Wassergemisch.
7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem der erste und/oder der dritte Zusatzgasstrom (9a, 9c) Stickstoff oder Druckluft enthält.
8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem der erste Winkel (ch) zwischen 110° und 160° und/oder der zweite Winkel (α2) zwischen 110° und 150°, bevorzugt zwischen 115° und 130° gewählt wird.
9. Laserbearbeitungskopf (1) zur Durchführung des Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche, mit: einer Laserschneiddüse (2), durch deren Düsenöffnung (2a) während des Einstechens ein Laserstrahl (3) und ein Schneidgasstrom (7) auf eine Einstichstelle (4) an einem Werkstück (5) gerichtet werden, mindestens einer ersten Gasdüse (8a), die auf einer ersten Seite (A) der Laserschneiddüse (2) angeordnet und unter einem ersten Winkel (Ci1) zur Laserstrahlachse (Z) ausgerichtet ist, um einen ersten Zusatzgasstrom (9a) zu erzeugen, der auf der ersten Seite (A) der Einstichstelle (4) und/oder an der Einstichstelle (4) selbst auf das Werkstück (5) trifft, um Schlacke (10) von der Einstichstelle (4) wegzublasen, gekennzeichnet durch mindestens eine zweite Gasdüse (8b, 8b', 8b"), die an einer der ersten Seite (A) gegenüberliegenden zweiten Seite (B) der Laserschneiddüse (2) angeordnet und unter einem zweiten Winkel (α2) zur Laserstrahlrichtung (Z) ausgerichtet ist, um einen zweiten Zusatzgasstrom (9b, 9b', 9b") zu erzeugen, der an einer der ersten Seite (A) gegenüberliegenden zweiten Seite (B) der Einstichstelle (4) von der Einstichstelle (4) beabstandet auf das Werkstück (5) trifft, wobei bezogen auf eine Ebene (X, Y) senkrecht zur Laserstrahlrichtung (Z) der zweite Zusatzgasstrom (9b, 9b', 9b") unter einem Winkel (α3) zum ersten Zusatzgasstrom (9a) ausgerichtet ist, um ein Gaspolster (11 ) zwischen der vom ersten Zusatzgasstrom (9a) weggeblasenen Schlacke (10) und dem Werkstück (5) zu erzeugen.
10. Laserbearbeitungskopf nach Anspruch 9, bei dem die erste Gasdüse (8a) und die zweite Gasdüse (8b, 8b', 8b") so ausgerichtet sind, dass der erste (9a) und der zweite Zusatzgasstrom (9b, 9b', 9b") bezogen auf eine Ebene (X, Y) senkrecht zur Laserstrahlrichtung (Z) einen Winkel (α3) zwischen 30° und 135°, bevorzugt zwischen 45° und 100°, einschließen.
11. Laserbearbeitungskopf nach Anspruch 9 oder 10, bei dem die zweite Gasdüse (8b) zur Erzeugung eines zweiten Zusatzgasstroms (9b) mit im Wesentlichen rechteckiger Querschnittsform eine schlitzförmige Düsenöffnung (12) aufweist.
12. Laserbearbeitungskopf nach einem der Ansprüche 9 bis 11 , mit mindestens einer dritten Gasdüse (8c) zur Erzeugung eines bevorzugt senkrecht zur Laserstrahlrichtung (Z) ausgerichteten dritten Zusatzgasstroms (9c), der oberhalb des zweiten Zusatzgasstroms (9b) verläuft, um die weggeblasene Schlacke (10) vom Laserbearbeitungskopf (1) fernzuhalten.
13. Laserbearbeitungskopf nach einem der Ansprüche 9 bis 12, bei dem der erste Winkel (αi) zwischen 110° und 160° und/oder der zweite Winkel (α2) zwischen 110° und 150°, bevorzugt zwischen 115° und 130° beträgt.
14. Laserbearbeitungskopf nach einem der Ansprüche 9 bis 13, mit mindestens zwei benachbart angeordneten, parallel ausgerichteten zweiten Gasdüsen (9b, 9b').
15. Laserbearbeitungskopf nach einem der Ansprüche 9 bis 14, bei dem eine Düsenöffnung (12) der zweiten Gasdüse (9b) in einem Abstand (d) zwischen 10 mm und 20 mm von der Düsenöffnung (2a) der Laserschneiddüse (2) entfernt angeordnet ist.
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