WO2014048539A1 - Verfahren und vorrichtung zum dampfdruck-abtragschneiden eines metallischen werkstücks - Google Patents

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Andreas Popp
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    • B23K2103/50—Inorganic materials other than metals or composite materials

Definitions

  • the present invention relates to a method for vapor pressure cutting of a metallic workpiece by means of a laser beam.
  • the invention also relates to an apparatus for vapor pressure cutting of a metallic workpiece, comprising: a machining head for moving a laser beam relative to the workpiece over the workpiece surface along a cutting contour and for focusing the laser beam at a focus position, and a control unit for controlling repeated movement of the laser beam along the
  • the laser beam is usually moved by moving a laser processing head over the workpiece.
  • the laser beam is focused on the workpiece to be machined, wherein the machining head is usually close to the surface of the workpiece to be machined.
  • the workpiece is melted by the energy or power of the laser radiation.
  • the formed melt is expelled downwards out of the kerf by means of cutting gas emerging from the nozzle of the machining head.
  • This process also referred to as vapor-pressure cutting, is carried out at comparatively high relative speeds between the laser beam and the workpiece to be machined (i.e., high feed rates), since high relative feed rates cause the feed rate to increase
  • the laser beam is typically moved over the workpiece using scanner optics.
  • the processing head or scanner head because of the unnecessary cutting gas in be positioned relatively large distance from the workpiece, which is also referred to as remote cutting.
  • vapor pressure removal cutting is generally not sufficient to drive off a desired cutting contour once and for all to effect complete cutting of the workpiece at the cutting contour. Therefore, the laser beam is repeatedly moved through the scanner optics along the desired cutting contour, so that a successive workpiece removal takes place until the workpiece is severed.
  • the lasers used for the vapor pressure cutting are usually in the
  • Laser radiation required which can be achieved for example by means of a disk laser or a fiber laser.
  • expelled melt typically comes to rest in the immediate vicinity of the cutting edge on top of the workpiece and solidifies there. This causes the formation of a generally undesirable burr on the workpiece surface.
  • the processing parameters of the process for example the
  • Modified processing parameters of the first phase to achieve a remelting and / or a material removal at the edges of the kerf.
  • From DE 101 33 341 A1 is also a method for the automated production of a groove-shaped cut in the surface of a hard material, such as
  • bone tissue known.
  • Cutting depths should be used according to the teaching specified therein, a laser beam, which is automatically refocused to the appropriate depth of cut.
  • Widening of the cut is proposed widen the width of the cut by a movement of the focus vertically to the cutting axis, for example, by the beam is repeatedly adjusted when repeatedly sweeping the cutting contour perpendicular to a cutting axis.
  • EP 1 353 773 B1 is a method for laser milling with pulsed
  • Laser sources have become known. By laser milling holes can be introduced into a workpiece, which may have different shape.
  • the holes are made by repeatedly removing workpiece material in multiple layers or ablation steps.
  • the diameter of the ablation during the removal of a respective layer takes place according to a given specification, which takes into account the outer diameter of the hole and the angle of the inner contour of the hole to the workpiece surface.
  • US 7 194 803 B2 discloses the introduction of a micro-topography into a surface of a sealing ring by means of a pulsed laser without formation of melt.
  • a laser beam is used, which repeatedly removes material along a beam path in order to increasingly increase the depth of the structure to be introduced.
  • vapor pressure erosion cutting is used so far only for relatively thin workpieces.
  • the limit for the use of vapor pressure cutting is currently, for example, when using a 5 kW Grundmode- laser with sheet thicknesses of about 2 mm.
  • a method for vapor pressure cutting of a metallic workpiece comprising: generating a kerf in the workpiece by moving a focused laser beam and the workpiece relative to each other along a cutting contour, wherein
  • Cutting edge edge portions of the cutting surface remain, on which formed workpiece melt is generated when creating the other kerf.
  • a step-shaped or terraced kerf cross-section is achieved.
  • This kerf cross-section has, between two kerfs produced in successive steps, an edge-side section (corresponding to the horizontal section of a (stair) step) on which the workpiece melt can be deposited, ie the cutting base remaining on a respective edge-side section forms a storage place for Workpiece melt, which is formed or expelled during the production of a further kerf in a subsequent step.
  • a further advantage of the method according to the invention is that the melt ejection or the burr formation on the upper side of the workpiece to be separated is comparatively small, since most of the melt ejection is deposited on the marginal sections of a respective cutting substrate and not on the workpiece surface itself.
  • Focus diameter of e.g. 92 pm and a sheet thickness of 2 mm by introducing a first and second kerf already to achieve a separation of the sheet.
  • Focus diameter of e.g. 92 pm and a sheet thickness of 2 mm by introducing a first and second kerf already to achieve a separation of the sheet.
  • the first kerf When cutting a workpiece with a thickness of three or more Cut lines must be introduced, is basically to be considered that the first kerf must have a minimum width, which allows the successive production of further kerfs to form a marginal portion of the respective remaining Thomasgroundes.
  • the minimum width of the first kerf can be selected from machining parameters of the laser and the
  • the processing parameters include, for example, properties of the material to be cut (e.g., properties of the material to be cut (e.g., properties of the material to be cut).
  • Absorptivity, surface condition, thickness, thermal conductivity if appropriate, the laser power, the focus diameter, the feed rate and the resulting penetration depth of the laser beam (with appropriate
  • Workpiece is completely severed, typically has a width, as in the single (or possibly repeated) moving the laser beam and the
  • Workpiece is generated relative to each other along the cutting contour without transverse offset.
  • the width of this kerf is greater than that
  • Workpiece introduced kerfs have a greater width than the last kerf and are generated by the introduction of several parallel staggered cuts or movements between the workpiece and the laser beam.
  • a transverse offset in repeatedly moving the laser beam and the workpiece relative to each other along the sectional contour is smaller than a focus diameter of the laser beam, i. the repeated movement is overlapping.
  • the transverse offset is between one third and two thirds, in particular at about half of the focus diameter of
  • the kerf is produced at a first focus position in the propagation direction of the laser beam and Generating the further kerf takes place at a second, different from the first focus position in the propagation direction of the laser beam.
  • Focusing device e.g. a focusing lens, done to the workpiece. If the tracking of the focus position is carried out at large sheet thicknesses without the introduction of kerf-shaped kerfs, the laser becomes
  • the further kerf is produced centrally in the (previous) kerf.
  • a symmetrical kerf cross-section results with equally large edge-side sections for depositing the workpiece melt on both sides of the plane of symmetry. This leads to a typical identical quality of the cut surfaces on the formed during the cutting of the workpiece workpiece parts.
  • the kerfs have a
  • Laser beam corresponds. With an intersection depth that is on the order of one to three Rayleighinn of the laser beam used, the vapor pressure and the induced by the jet feed melt dynamics is typically able to expel the workpiece melt from the respective kerf.
  • the (radially acting) kinetic energy of the workpiece melt produced by the evaporation is in this case greater than the potential energy which must be applied to overcome this depth of cut, so that the
  • the Rayleigh length is the distance along the optical axis (propagation direction) of the laser beam, after which the cross-sectional area of the laser beam doubles from its focus position.
  • a variant of the method is preferred in which a width of an edge-side section of the remaining cut surface is less than the focus diameter of the laser beam used (see above), for example, if the additional kerf is offset transversely to the preceding kerf by approximately half the focus diameter. At a width of a peripheral portion, which is within this interval, on the one hand, the amount of workpiece melt, the
  • the width of the peripheral portions is so small that usually no reworking of the cut must be made.
  • the focused laser beam with a power density of at least 1 x 10 7 W / cm 2 at the focus position and a feed rate between 150 m / min and 1200 m / min is directed to the surface of the workpiece to be machined.
  • a second aspect of the invention is realized in a device for
  • Control unit is designed or programmed to move the laser beam by means of the machining head during repeated movement along the cutting contour transverse to the cutting contour or transverse to the feed direction so that a transverse offset of the laser beam is smaller than the focus diameter of the laser beam.
  • Control unit uses for this purpose on a stored in the control unit machining program, which is processed during the vapor pressure Abtragbodies. It is favorable if the control unit controls the processing head or the corresponding optics so that the focused laser beam with a power density of at least 1 ⁇ 10 7 W / cm 2 at the Focusing position and a feed rate between 150 m / min and 1200 m / min is directed to the surface of the workpiece to be machined.
  • control unit is designed or programmed to move the laser beam with the aid of the machining head relative to the workpiece surface such that the generation of the kerf at a first focus position in the propagation direction of the.
  • Laser beam takes place and generating the further kerf at a second, different from the first focus position in the propagation direction of the laser beam, wherein the distance of the first focus position to the second focus position in
  • Propagation direction of the laser beam is preferably between 1 times and 6 times the Rayleigh length of the laser beam.
  • the distance between the respective focus positions typically corresponds to the kerf depth (i.e., 1 times to 3 times the Rayleigh length), but may also be twice the amount, i.e., 2 times. between 2 times and 6 times the Rayleigh length.
  • the apparatus additionally comprises a laser for generating the laser beam with a beam parameter product of 0.3 mm mrad to 3 mm mrad.
  • a laser for generating the laser beam with a beam parameter product of 0.3 mm mrad to 3 mm mrad.
  • Fig. 2a, b are schematic representations of two process steps of a
  • FIG. 3 shows a schematic representation of a thick workpiece severed by means of the method described with reference to FIGS. 2a, b, and FIG
  • Fig. 4 is a schematic representation of a scanner device for
  • Fig. 1a shows a cutting treatment with a conventional vapor pressure Abtragschneidmaschine on a comparatively thick to be cut metallic workpiece 1, which has a thickness D of about 2 mm in the present example.
  • a focused laser beam 2 is moved along a feed direction Y of an XYZ coordinate system relative to the workpiece 1, whereby a kerf 4 with a cutting base 5 and lateral flanks 4a, b is produced.
  • the workpiece 1 is to be cut with a straight cut, i. the cutting contour to be formed runs along the feed direction Y (and over a predetermined cutting length).
  • Fig. 1b the workpiece 1 of Fig. 1a is shown at a later time, in which the laser beam 2 has been moved several times along the feed direction to increase the depth of the kerf 4. Since the thickness D of the to be cut
  • Laser beam 2 decreases on the cutting surface 5, whereby the vapor pressure is reduced. This can lead to a complete cessation of the vapor pressure cutting process.
  • the maximum achievable cutting depth T is limited by the effects described above, so that with the conventional vapor pressure cutting only workpieces 1 with a certain maximum thickness (typically 1 mm max) can be severed.
  • FIG. 2a shows a first method step of an improved vapor pressure removal cutting method in which a first, wide (initial) kerf 9 in a workpiece 1 by moving a focused laser beam 2 and the workpiece 1 relative to each other along a sectional contour (corresponding to the feed direction, Y- Direction) is generated.
  • the kerf 9 has a kerf depth T, which is typically between one and three times the Rayleigh length. This ensures that at the feed rates which are generally set during the vapor pressure cutting, the resulting vapor pressure and the melt dynamics induced by the feed are sufficient
  • the total width B1 of the first kerf 9 is wider than a width B3, which is obtained by moving the laser beam 2 one or more times along the
  • Feed direction Y or the sectional contour without lateral offset i.e., at the same position X transverse to the feed direction Y.
  • the laser beam 2 and the workpiece 1 are reciprocated relative to each other not only repeatedly along the feeding direction Y, but moreover, the position of the laser beam 2 in the X direction, i. offset transversely to the feed direction Y.
  • the laser beam 2 is first moved in the feed direction Y relative to the workpiece 1, whereby a kerf of width B3
  • Feed direction 3 (in Fig. 2a in the X direction) offset and again in
  • Feed direction Y parallel to the previous cut process (dashed laser beam 2 right next to it).
  • the kerf 9 has grown to the kerf width B4.
  • the movement of the laser beam 2 along the feed direction Y and the displacement of the laser beam 2 transversely to the feed direction Y or the parallel offset can be repeated until a predetermined total width B1 of the first kerf 9 is reached (see.
  • the transverse offset Q of the laser beam 2 (in the X-direction in FIG. 2a) is smaller than the cutting width B2 (the single-sectional width) generated by the laser beam 2 when moved once and is in particular smaller than a focal diameter dF of the laser beam 2, wherein typical values between about one third and two thirds, preferably at half the focus diameter dF of the laser beam 2 are.
  • Cross-offset Q is an overlap between successive movements of the laser beam 2 in the Y direction generated, which ensures that no protruding Burrs remain at the cutting base 5, so that a more uniform
  • Fig. 2b is a second step of the vapor pressure Abtragschneidmaschines
  • Laser beam 2 along the feed direction Y is generated.
  • the second kerf 10 is arranged centrally in comparison to the first kerf 9, whereby the entire kerf cross-section runs symmetrically to a median plane.
  • lateral flanks 9a, b of the first kerf 9 are offset with respect to lateral flanks 10a, b of the second kerf 10 so that edge-side sections 11a, b remain on a remaining cutting base 5 of the first kerf , which are used for depositing workpiece melt during the
  • the edge-side portions 1 1 a, b of the remaining Thomasgrundes 5 are the same size.
  • the depth of cut T of the second kerf 10 is chosen so that a melt ejection without sticking to the lateral flanks 10a, b is possible.
  • the cut joint depth T of the second kerf 10 can be selected to be slightly larger than the kerf depth T of the first kerf 9 (unlike in FIG. 2b).
  • width B of a peripheral portion 1 1 a, b transverse to the feed direction Y is equal to or less than the focus diameter of the laser beam 2, which is
  • the focus of the laser beam 2 is from a first focus position Fi in the propagation direction (negative Z direction), which is used for the Generating the first kerf 9 is used for generating the second kerf 10 on a second, shifted in the direction of workpiece 1 (deeper) focal position F 2 changed or tracked to ensure a high laser beam intensity at the Abtragsort at both kerfs 9, 10.
  • the distance between the first focus position Fi and the second focus position F 2 may be, for example, between 1 times (or 2 times) and 3 times (or 6 times) the
  • a total kerf or an overall section 9, 10 is introduced into the workpiece 1, wherein two step joints 9, 10 are sufficient to the workpiece 1 with the thickness of approx. 2 mm to cut. If the method steps according to FIG. 2 a and FIG. 2 b are repeated, thicker metal workpieces 1 can be cut through without the vapor pressure removal cutting process coming to a standstill, as shown in FIG. 1 b.
  • b is also the workpiece melt ejection, which occurs in the generation of the first kerf 9 on the top 7 of the workpiece 1, with increasing thickness D of
  • FIG. 3 shows a cross-section of a further workpiece 1 with a comparatively large thickness D of approximately 3 mm, wherein in the workpiece 1 a first, a second and a third kerf 9, 10, 12 according to the embodiment shown in FIG. b illustrated method has been generated.
  • the workpiece 1 from the laser beam 2 in two workpiece part 1 a, b is severed, i. it is just the last remaining remainder of the workpiece material on the underside of the workpiece 1 is removed.
  • FIG. 4 shows a scanner device 13 as part of a laser processing machine, with which the improved method can be carried out.
  • the interaction of the scanner mirrors 20, 21 with a F / theta lens 14 attached to the scanner device 13 makes it possible to adjust the focus of the laser beam 2 in order to produce a sectional contour 3 in two mutually perpendicular directions (X-).
  • X- mutually perpendicular directions
  • Y-direction over the workpiece 1 to move.
  • the workpiece 1 may be stationary or possibly with the aid of a non-illustrated
  • Workpiece support in one or two directions are moved in a plane parallel to the workpiece top 7.
  • the feed direction corresponds to the direction of the cut contour, but it is understood that curved cutting contours 3 with a variable feed direction can also be realized with the method described above , as indicated in Fig. 4, wherein a plurality of parallel offset to produce a wide kerf
  • Scanner device 13, more specifically, the machining head 19, can further be used to change the position of the focus of the laser beam 2 in the propagation direction (Z direction) perpendicular to the workpiece surface 7 and the top of the
  • plate-shaped workpiece to be moved, for example by means of a direction indicated by a double arrow conventional drive 15 or by means of a robot.
  • the scanner device 13 comprises an optical fiber for supplying radiation from a laser source 24, from which a high-energy divergent laser beam 2a
  • Beam output (> 1 kW) and a beam parameter product between about 0.3 mm mrad and about 3.0 mm mrad emerges, which extends in the vertical direction (Z direction) and by means of a collimating lens 17 in a further vertical
  • collimated laser beam 2b is transformed.
  • Laser beam 2b is deflected at a deflection mirror 18 by 90 ° from the vertical direction in the horizontal direction and enters via an entrance aperture in the
  • the collimated laser beam 2b first strikes a planar X-scanner mirror 20, which deflects the beam in the X-direction onto a planar Y-scanner mirror 21, which deflects the beam further in the Y-direction.
  • the X-scanner mirror 20 and the Y-scanner mirror 21 are attached to galvanometers and can be rotated. The position of the axis of rotation of the galvanometer determines the deflection angle of the respective scanner mirror 20, 21 and thus the position of the laser beam 2 on the workpiece 1.
  • the collimated laser beam 2b exits the scanner head 19 through a
  • Control unit 25 also elsewhere in the scanner device 13th
  • the control unit 25 controls the movement of the laser beam 2 over the surface 7 of the workpiece 1 to the desired
  • control unit 25 resorts to a machining program to which the control unit 25, e.g. has access via a data interface (not shown).
  • the control unit 25 is
  • Scanner mirror 20, 21 suitable controls and / or the displacement of the
  • Processing head 19 by means of the drive 15 and a robot causes.
  • the adjustment of the focus position described above can also be done by the
  • Control unit 25 may be made, for example by this a drive 15 controls to reduce the distance between the machining head 19 and the workpiece 1.
  • the focused laser beam 2 should have a power density of at least 1 ⁇ 10 7 W / cm 2 at the focus position.
  • Typical feed rates are between about 150 m / min and about 1200 m / min wherein the feed rate depends inter alia on the type of material to be cut. It is understood that the workpieces to be cut are generally plate-shaped, so that the cut contour (straight or curved) is typically in a plane. In principle, however, it is also possible to use the method described above to cut in curved

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Description

Verfahren und Vorrichtung zum Dampfdruck-Abtragschneiden eines metallischen
Werkstücks
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Dampfdruck-Abtragschneiden eines metallischen Werkstücks mittels eines Laserstrahls. Die Erfindung betrifft auch eine Vorrichtung zum Dampfdruck-Abtragschneiden eines metallischen Werkstücks, umfassend: einen Bearbeitungskopf zum Bewegen eines Laserstrahls relativ zum Werkstück über die Werkstückoberfläche entlang einer Schnittkontur und zum Fokussieren des Laserstrahls an einer Fokusposition, sowie eine Steuerungseinheit zur Steuerung einer wiederholten Bewegung des Laserstrahls entlang der
Schnittkontur zur Ausbildung einer Schnittfuge. Beim Laserschneiden plattenförmiger metallischer Werkstücke in so genannten 2D- Laserschneidmaschinen wird der Laserstrahl üblicher weise durch Verfahren eines Laserbearbeitungskopfs über das Werkstück bewegt. Mit Hilfe einer entsprechend eingerichteten Linsen- oder Spiegeloptik des Bearbeitungskopfs wird der Laserstrahl auf das zu bearbeitende Werkstück fokussiert, wobei sich der Bearbeitungskopf in der Regel nahe oberhalb der Oberfläche des zu bearbeitenden Werkstücks befindet. In der beim Schneiden erzeigten Schnittfuge wird das Werkstück durch die Energie bzw. Leistung der Laserstrahlung aufgeschmolzen. Die gebildete Schmelze wird mit Hilfe von Schneidgas, das aus der Düse des Bearbeitungskopfes austritt, nach unten aus der Schnittfuge ausgetrieben.
Es ist außerdem bekannt, einen Werkstoffabtrag ausschließlich durch Ablation durchzuführen, wie beispielsweise in der DE 10 2008 027 130 A1 und der DE 10 2009 047 995 A1 beschrieben ist. Bei diesen Verfahren werden metallische
Werkstücke, insbesondere plattenförmige Bleche, mit einem fokussierten Laserstrahl hoher Intensität bestrahlt, so dass das metallische Werkstückmaterial im Bereich der Schnittfuge aufgeschmolzen und zum Teil verdampft wird. Der erzeugte Metalldampf und der mit hoher Geschwindigkeit bewegte Laserstrahl beschleunigen die
metallische Schmelze. Die somit auch teilweise radial nach außen beschleunigte Schmelze wird ausgetrieben, ohne dass ein Schneidgas zum Austreiben der
Schmelze erforderlich ist.
Dieses auch als Dampfdruck-Abtragschneiden bezeichnete Verfahren wird mit vergleichsweise hohen Relativgeschwindigkeiten zwischen Laserstrahl und zu bearbeitendem Werkstück (d.h. hohen Vorschubgeschwindigkeiten) durchgeführt, da hohe Relativ- bzw. Vorschubgeschwindigkeiten bewirken, dass der beim
Aufschmelzen des Werkstückmaterials gebildete Metalldampf ebenfalls schnell bewegt wird, wodurch eine zusätzliche Dynamik in die Werkstückschmelze
eingebracht wird, die beim Austreiben der Werkstückschmelze unterstützend wirkt.
Zum Erzeugen von hohen Vorschubgeschwindigkeiten wird der Laserstrahl typischer Weise mit Hilfe einer Scanneroptik über das Werkstück bewegt. Hierbei kann der Bearbeitungskopf bzw. Scannerkopf wegen des nicht benötigten Schneidgases in vergleichsweise großem Abstand zum Werkstück positioniert werden, was auch als Remote-Schneiden bezeichnet wird.
Trotz der Verwendung von vergleichsweise hohen Leistungsdichten beim
Dampfdruck-Abtragschneiden ist bedingt durch die hohe Vorschubgeschwindigkeit des Laserstrahls das einmalige Abfahren einer gewünschten Schnittkontur in der Regel nicht ausreichend, um ein vollständiges Durchtrennen des Werkstücks an der Schnittkontur zu bewirken. Daher wird der Laserstrahl durch die Scanneroptik mehrfach hintereinander entlang der gewünschten Schnittkontur bewegt, sodass ein sukzessiver Werkstückabtrag erfolgt, bis das Werkstück durchtrennt ist. Die für das Dampfdruck-Abtragschneiden verwendeten Laser werden in der Regel im
cw(„continuous wave")-Modus betrieben. Für hohe Leistungsdichten von z.B. 1 x 107 W/cm2 an der Fokusposition ist eine hohe Strahlqualität der verwendeten
Laserstrahlung erforderlich, die beispielsweise mit Hilfe eines Scheibenlasers oder eines Faserlasers erreicht werden kann.
Ein Nachteil des Dampfdruck-Abtragschneidens besteht darin, dass die
ausgetriebene Schmelze typischerweise in unmittelbarer Nähe der Schnittkante auf der Oberseite des Werkstücks zu liegen kommt und dort erstarrt. Dies bewirkt die Bildung eines in der Regel unerwünschten Grates an der Werkstückoberfläche. Um eine Gratbildung an der Schnittfuge zu vermeiden, wird in der oben genannten DE 10 2009 047 995 A1 vorgeschlagen, ein Überfahren der Schneidkontur mittels des Laserstrahls in einer ersten und zweiten Phase vorzunehmen. Bei der zweiten Phase werden die Bearbeitungsparameter des Verfahrens, beispielsweise die
Leistungsdichte oder die Vorschubgeschwindigkeit, gegenüber den
Bearbeitungsparametern der ersten Phase verändert, um ein Umschmelzen und/oder einen Werkstoffabtrag an den Rändern der Schnittfuge zu erreichen.
Aus der DE 101 33 341 A1 ist ferner ein Verfahren zur automatisierten Erzeugung eines nutförmigen Schnittes in die Oberfläche eines harten Materials, wie
beispielsweise Knochengewebe, bekannt geworden. Zur Erzielung größerer
Schnittiefen soll gemäß der dort angegebenen Lehre ein Laserstrahl eingesetzt werden, der automatisch auf die entsprechende Schnitttiefe nachfokussiert wird. Zur Aufweitung des Schnittes wird vorgeschlagen, die Breite des Schnittes durch eine Bewegung des Fokus vertikal zur Schnittachse aufzuweiten, beispielsweise indem der Strahl beim wiederholten Überstreichen der Schnittkontur senkrecht zu einer Schnittachse ieicht verstellt wird.
Aus der EP 1 353 773 B1 ist ein Verfahren zum Laserfräsen mit gepulsten
Laserquellen bekannt geworden. Durch das Laserfräsen können Löcher in ein Werkstück eingebracht werden, die unterschiedliche Gestalt aufweisen können. Die Löcher werden durch wiederholten Abtrag von Werkstückmaterial in mehreren Schichten bzw. Ablations-Stufen hergestellt. Der Durchmesser der Ablationen beim Abtrag einer jeweiligen Schicht erfolgt gemäß einer vorgegebenen Spezifikation, welche den äußeren Durchmesser des Lochs sowie den Winkel der Innenkontur des Lochs zur Werkstückoberfläche berücksichtigt.
Die US 7 194 803 B2 offenbart das Einbringen einer Mikro-Topographie in eine Oberfläche eines Dichtungsrings mittels eines gepulsten Lasers ohne Bildung von Schmelze. Dabei kommt ein Laserstrahl zum Einsatz, der entlang eines Strahlpfads wiederholt Material abträgt, um zunehmend die Tiefe der einzubringenden Struktur zu vergrößern.
Neben der Gratbildung besteht beim Dampfdruck-Abtragschneiden auch ein Problem beim Schneiden von Werkstücken mit vergleichsweise großer Dicke, da bei einer großen Dicke des Werkstücks und entsprechend tiefen Schnittfugen der Dampfdruck und die durch den Strahlvorschub induzierte Schmelzdynamik nicht mehr
ausreichen, um die Schmelze auszutreiben. Aufgrund der vorstehend beschriebenen Effekte wird das Dampfdruck-Abtragschneiden bislang nur bei vergleichsweise dünnen Werkstücken eingesetzt. Die Grenze für den Einsatz des Dampfdruck- Abtragschneidens liegt derzeit beispielsweise beim Einsatz eines 5 kW Grundmode- Lasers bei Blechdicken von ca. 2 mm. Aufgabe der Erfindung
Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Dampfdruck-Abtragschneiden dahingehend zu verbessern, dass auch
Werkstücke mit größerer Dicke durchtrennt werden können.
Gegenstand der Erfindung
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Verfahren zum Dampfdruck- Abtragschneiden eines metallischen Werkstücks, umfassend: Erzeugen einer Schnittfuge in dem Werkstück durch Bewegen eines fokussierten Laserstrahls und des Werkstücks relativ zueinander entlang einer Schnittkontur, wobei zur
Vergrößerung einer Schnittfugenbreite der Schnittfuge ein wiederholtes, quer zur Schnittfugenbahn bzw. zur Schnittkontur versetztes Bewegen des Laserstrahls und des Werkstücks relativ zueinander entlang der Schnittkontur erfolgt, sowie Erzeugen mindestens einer weiteren Schnittfuge mit verringerter Schnittfugenbreite in einem Schnittgrund der Schnittfuge durch Bewegen des fokussierten Laserstrahls und des Werkstücks relativ zueinander entlang der Schnittkontur, wobei zwischen seitlichen Flanken der Schnittfuge und quer versetzten seitlichen Flanken der weiteren
Schnittfuge randseitige Abschnitte des Schnittgrundes verbleiben, auf denen beim Erzeugen der weiteren Schnittfuge gebildete Werkstückschmelze abgelagert wird.
Da die Durchtrennung des Werkstückes beim erfindungsgemäßen Verfahren ausgehend von breiten Schnittfugen hin zu nach und nach schmaler werdenden weiteren Schnittfugen erfolgt, wird ein stufenförmiger bzw. terrassenförmiger Schnittfugenquerschnitt erzielt. Dieser Schnittfugenquerschnitt weist zwischen zwei in aufeinander folgenden Schritten erzeugten Schnittfugen jeweils einen randseitigen Abschnitt (entsprechend dem horizontalen Abschnitt einer (Treppen-)stufe) auf, an dem die Werkstückschmelze abgelagert werden kann, d.h. der an einem jeweiligen randseitigen Abschnitt verbleibende Schnittgrund bildet einen Ablageplatz für Werkstückschmelze, die beim Erzeugen einer weiteren Schnittfuge in einem nachfolgenden Schritt gebildet bzw. ausgetrieben wird. Auf diese Weise kann vermieden werden, dass es zu einer Abschattung der Schnittfuge durch in dieser verbleibenden metallischen Auswurf kommt, der zu einem Erliegen des Dampfdruck- Abtragschneidprozesses führen kann. Bei dicken Werkstücken erfolgt zudem in der Regel eine Fokusnachführung (s.u.), welche ohne die Stufenbildung ebenfalls zu einer Abschattung führen würde. Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens liegt darin, dass der Schmelzauswurf bzw. die Gratbildung an der Oberseite des zu trennenden Werkstückes vergleichsweise gering ausfällt, da der größte Teil des Schmelzauswurfs auf den randseitigen Abschnitten eines jeweiligen Schnittgrundes und nicht auf der Werkstückoberfläche selbst abgelagert wird.
Beim oben beschriebenen Verfahren sollten die nach und nach in das
Werkstückmaterial eingebrachten Schnittfugen jeweils eine Schnittfugentiefe aufweisen, bei welcher der Dampfdruck und die durch den Strahlvorschub induzierte Schmelzdynamik in der Lage sind, die Werkstückschmelze von der weiteren (tiefer liegenden) Schnittfuge auf die oberhalb liegenden randseitigen Abschnitte des verbliebenen Schnittgrundes auszutreiben, d.h. die durch die Verdampfung erzielte kinetische Energie in der Werkstückschmelze ist größer als die potenzielle Energie, die zur Überwindung des Höhenunterschieds aufgebracht werden muss.
Grundsätzlich kann es ausreichend sein, zum Durchtrennen eines Werkstücks lediglich eine erste breite Schnittfuge und genau eine weitere Schnittfuge im
Schnittgrund dieser Schnittfuge zu erzeugen. Beispielsweise ist es möglich, mit einem Laser mit einer maximalen Leistung von 5 kW (Grundmode) bei einem
Fokusdurchmesser von z.B. 92 pm und einer Blechdicke von 2 mm durch Einbringen einer ersten und zweiten Schnittfuge bereits eine Durchtrennung des Bleches zu erzielen. Zum Durchtrennen dickerer Werkstücke kann es erforderlich sein, den Verfahrensschritt der Erzeugung eines weiteren Schnittes mehrfach zu wiederholen, bis das Werkstück vollständig entlang der Schneidkontur durchtrennt wird.
Beispielsweise ist es möglich, unter den oben angegebenen Bedingungen (5 kW Leistung des Lasers, Fokusdurchmesser 92 pm) durch das Erzeugen einer ersten, zweiten und dritten Schnittfuge eine Blechdicke von 3 mm Edelstahl zu
durchtrennen.
Beim Durchtrennen eines Werkstücks mit einer Dicke, bei der drei oder mehr Schnittfugen eingebracht werden müssen, ist grundsätzlich zu berücksichtigen, dass die erste Schnittfuge eine Mindestbreite aufweisen muss, welche das sukzessive Erzeugen weiterer Schnittfugen unter Ausbildung eines randseitigen Abschnitts des jeweils verbleibenden Schnittgrundes ermöglicht. Die Mindestbreite der ersten Schnittfuge lässt sich aus Bearbeitungsparametern des Lasers und des zu
schneidenden Werkstücks ermitteln. Die Bearbeitungsparameter umfassen beispielsweise Eigenschaften des zu schneidenden Materials (z.B.
Absorptionsvermögen, Oberflächenbeschaffenheit, Dicke, Wärmeleitfähigkeit ...), die Laserleistung, den Fokusdurchmesser, die Vorschubgeschwindigkeit sowie die sich daraus ergebende Eindringtiefe des Laserstrahls (bei entsprechender
Vorschubgeschwindigkeit).
Die letzte Schnittfuge, d.h. diejenige Schnittfuge, bei deren Einbringung das
Werkstück vollständig durchtrennt wird, weist typischerweise eine Breite auf, wie sie beim einmaligen (oder ggf. mehrmaligen) Bewegen des Laserstrahls und des
Werkstücks relativ zueinander entlang der Schnittkontur ohne Querversatz erzeugt wird. Typischerweise ist die Breite dieser Schnittfuge größer als der
Fokusdurchmesser des Laserstrahls. Alle vor der letzten Schnittfuge in das
Werkstück eingebrachten Schnittfugen weisen eine größere Breite auf als die letzte Schnittfuge und werden durch das Einbringen von mehreren parallel versetzten Schnitten bzw. Bewegungen zwischen Werkstück und Laserstrahl erzeugt.
Bei einer bevorzugten Variante ist ein Querversatz beim wiederholten Bewegen des Laserstrahls und des Werkstücks relativ zueinander entlang der Schnittkontur kleiner als ein Fokusdurchmesser des Laserstrahls, d.h. die wiederholte Bewegung erfolgt überlappend. Besonders bevorzugt liegt der Querversatz zwischen einem Drittel und zwei Dritteln, insbesondere bei ca. der Hälfte des Fokusdurchmessers des
Laserstrahls. Durch den Überlapp kann bei gaußähnlichem Strahlprofil des
Laserstrahls in vorteilhafter Weise eine hochwertige Schnittfuge mit einem
gleichmäßigen Schnittgrund erzeugt werden.
Bei einer weiteren bevorzugten Variante erfolgt das Erzeugen der Schnittfuge bei einer ersten Fokusposition in Ausbreitungsrichtung des Laserstrahls und das Erzeugen der weiteren Schnittfuge erfolgt bei einer zweiten, von der ersten verschiedenen Fokusposition in Ausbreitungsrichtung des Laserstrahls. Durch das Anpassen bzw. das Nachführen der Fokusposition des Laserstrahls ist es in vorteilhafter Weise möglich, alle Schnittfugen mit einer gleichbleibenden Schnitttiefe zu erzeugen bzw. eine höhere Präzision bei der Erzeugung des
Schnittfugenquerschnitts zu ermöglichen. Ohne eine Anpassung bzw. Nachführung der Fokuslage auf die Tiefenposition der aktuell zu erzeugenden Schnittfuge würde mit zunehmender Tiefe eine Strahlaufweitung des Laserstrahls am Schnittgrund auftreten, die eine Intensitätsverringerung zur Folge hätte. Beim Unterschreiten einer Mindestintensität würde so der Prozess zum Erliegen kommen. Die Anpassung der Fokuslage kann beispielsweise durch eine Veränderung des Abstands einer
Fokussiereinrichtung, z.B. einer Fokussierlinse, zum Werkstück erfolgen. Erfolgt die Nachführung der Fokuslage bei großen Blechdicken ohne das Einbringen von aufeinander treppenförmig aufbauenden Schnittfugen, so wird der Laser
abgeschattet und der Prozess kommt zum Erliegen.
Bei einer weiteren besonders bevorzugten Variante wird die weitere Schnittfuge mittig in der (vorhergehenden) Schnittfuge erzeugt. Auf diese Weise ergibt sich ein symmetrischer Schnittfugenquerschnitt mit gleich großen randseitigen Abschnitten zur Ablagerung der Werkstückschmelze beiderseits der Symmetrieebene. Dies führt zu einer typischer Weise identischen Qualität der Schnittflächen an den bei der Durchtrennung des Werkstückes gebildeten Werkstückteilen.
Bei einer anderen vorteilhaften Variante weisen die Schnittfugen eine
Schnittfugentiefe auf, die dem 1 -Fachen bis 3-Fachen der Rayleighlänge des
Laserstrahls entspricht. Bei einer Schnittfugentiefe, die in der Größenordnung von ein bis drei Rayleighlängen des verwendeten Laserstrahls liegt, ist der Dampfdruck und die durch den Strahlvorschub induzierte Schmelzdynamik typischer Weise in der Lage, die Werkstückschmelze aus der jeweiligen Schnittfuge auszutreiben. Die durch die Verdampfung erzeugte, (in radiale Richtung wirkende) kinetische Energie der Werkstückschmelze ist in diesem Fall größer als die potenzielle Energie, die zur Überwindung dieser Schnittfugentiefe aufgebracht werden muss, so dass die
Schmelze auf die Oberseite der nächst höheren Stufe ausgeworfen und dort abgelagert werden kann. Die Rayleighlänge ist die Distanz entlang der optischen Achse (Ausbreitungsrichtung) des Laserstrahls, nach der sich die Querschnittsfläche des Laserstrahls ausgehend von seiner Fokusposition verdoppelt.
Bevorzugt ist eine Variante des Verfahrens, bei der eine Breite eines randseitigen Abschnitts des verbleibenden Schnittgrundes geringer ist als der Fokusdurchmesser des verwendeten Laserstrahls (s.o.), z.B., wenn die weitere Schnittfuge gegenüber der vorhergehenden Schnittfuge um ca. die Hälfte des Fokusdurchmessers quer versetzt wird. Bei einer Breite eines randseitigen Abschnitts, die innerhalb dieses Intervalls liegt, kann einerseits die Menge an Werkstückschmelze, die beim
Erzeugen der weiteren Schnittfuge typischerweise anfällt, aufgenommen bzw.
abgelagert werden und andererseits ist die Breite der randseitigen Abschnitte so gering, dass in der Regel keine Nachbearbeitung des Schnittes erfolgen muss.
Schließlich ist eine Variante bevorzugt, bei welcher der fokussierte Laserstrahl mit einer Leistungsdichte von mindestens 1 x 107 W/cm2 an der Fokusposition und einer Vorschubgeschwindigkeit zwischen 150 m/min und 1200 m/min auf die Oberfläche des zu bearbeitenden Werkstücks gerichtet wird. Die Einhaltung dieser
Bearbeitungsparameter führt in der Regel zu gleichmäßigen und qualitativ
hochwertigen Schnittergebnissen.
Ein zweiter Aspekt der Erfindung ist verwirklicht in einer Vorrichtung zum
Dampfdruck-Abtragschneiden der eingangs genannten Art, bei der die
Steuerungseinheit ausgebildet bzw. programmiert ist, den Laserstrahl mit Hilfe des Bearbeitungskopfes beim wiederholten Bewegen entlang der Schnittkontur quer zur Schnittkontur bzw. quer zur Vorschubrichtung so zu versetzen, dass ein Querversatz des Laserstrahls kleiner ist als der Fokusdurchmesser des Laserstrahls. Die
Steuerungseinheit greift zu diesem Zweck auf ein in der Steuerungseinheit hinterlegtes Bearbeitungsprogramm zurück, welches während des Dampfdruck- Abtragschneidens abgearbeitet wird. Es ist günstig, wenn die Steuerungseinheit den Bearbeitungskopf bzw. die entsprechende Optik so ansteuert, dass der fokussierte Laserstrahl mit einer Leistungsdichte von mindestens 1 x 107 W/cm2 an der Fokusposition und einer Vorschubgeschwindigkeit zwischen 150 m/min und 1200 m/min auf die Oberfläche des zu bearbeitenden Werkstücks gerichtet wird.
Bei einer Ausführungsform ist die Steuerungseinheit ausgebildet bzw. programmiert, zur Ausbildung einer weiteren Schnittfuge mit verringerter Schnittfugen breite in einem Schnittgrund der Schnittfuge den Laserstrahl mit Hilfe des Bearbeitungskopfes relativ zur Werkstückoberfläche derart zu verschieben, dass das Erzeugen der Schnittfuge bei einer ersten Fokusposition in Ausbreitungsrichtung des Laserstrahls erfolgt und das Erzeugen der weiteren Schnittfuge bei einer zweiten, von der ersten verschiedenen Fokusposition in Ausbreitungsrichtung des Laserstrahls erfolgt, wobei der Abstand der ersten Fokusposition zur zweiten Fokusposition in
Ausbreitungsrichtung des Laserstrahls bevorzugt zwischen dem 1 -Fachen und dem 6-Fachen der Rayleighlänge des Laserstrahls beträgt. Der Abstand zwischen den jeweiligen Fokuspositionen entspricht typischer Weise der Schnittfugentiefe (d.h. dem 1 -Fachen bis 3-Fachen der Rayleighlänge), kann ggf. aber auch den doppelten Betrag haben, d.h. zwischen dem 2-Fachen und dem 6-Fachen der Rayleighlänge liegen.
In einer weiteren Ausführungsform umfasst die Vorrichtung zusätzlich einen Laser zum Erzeugen des Laserstrahls mit einem Strahlparameterprodukt von 0,3 mm mrad bis 3 mm mrad. Die Verwendung eines Lasers mit einer solchen Strahlqualität bzw. mit einem solchen Strahlparameterprodukt hat sich für den oben beschriebenen, gestuften Prozess des Dampfdruck-Abtragschneidens als günstig erwiesen.
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: Fig. 1 a,b schematische Darstellungen eines herkömmlichen Verfahrens zum Dampfdruck-Abtragschneiden eines Werkstücks,
Fig. 2a, b schematische Darstellungen von zwei Verfahrensschritten eines
Verfahrens zum Dampfdruck-Abtragschneiden eines dicken Werkstücks,
Fig. 3 eine schematische Darstellung eines mittels des anhand von Fig. 2a, b beschriebenen Verfahrens durchtrennten dicken Werkstücks, und
Fig. 4 eine schematische Darstellung einer Scannervorrichtung zur
Durchführung des Verfahrens zum Dampfdruck-Abtragschneiden.
In der folgenden Beschreibung der Zeichnungen werden für gleiche bzw.
funktionsgleiche Bauteile identische Bezugszeichen verwendet.
Fig. 1a zeigt eine trennende Bearbeitung mit einem herkömmlichen Dampfdruck- Abtragschneidverfahren an einem vergleichsweise dicken zu zertrennenden metallischen Werkstück 1 , welches im vorliegenden Beispiel eine Dicke D von ca. 2 mm aufweist. Bei dem Verfahren wird ein fokussierter Laserstrahl 2 entlang einer Vorschubrichtung Y eines XYZ-Koordinatensystems relativ zu dem Werkstück 1 bewegt, wodurch eine Schnittfuge 4 mit einem Schnittgrund 5 und mit seitlichen Flanken 4a, b erzeugt wird. Im vorliegenden Beispiel soll das Werkstück 1 mit einem geraden Schnitt durchtrennt werden, d.h. die zu bildende Schnittkontur verläuft entlang der Vorschubrichtung Y (und zwar über eine vorgegebene Schnittlänge).
Bei der Ausbildung der Schnittfuge 4 wird Werkstückmaterial durch den Laserstrahl 2 aufgeschmolzen und ein Teil der Schmelze am Schnittgrund 5 der Schnittfuge 4 verdampft. Der hierbei erzeugte Dampfdruck sowie die hochdynamische Bewegung des Laserstrahls bewirken eine radiale Beschleunigung der gebildeten Schmelze von der Mitte des Schnittgrundes 5 hin nach außen in Richtung der seitlichen Flanken 4a, b der Schnittfuge 4, die durch eine entsprechende Umlenkung zu einem Auswurf der Werkstückschmelze auf eine Oberseite 7 des Werkstücks 1 führt. Ein solcher Auswurf von Werkstückschmelze 8 erfolgt nur für den Fall, dass die Werkstückschmelze ausreichend beschleunigt wurde und hat die Ausbildung eines Grates am Rand der Schnittfuge 4 zur Folge.
In Fig. 1b ist das Werkstück 1 von Fig. 1a zu einem späteren Zeitpunkt dargestellt, bei dem der Laserstrahl 2 mehrfach entlang der Vorschubrichtung bewegt wurde, um die Tiefe der Schnittfuge 4 zu erhöhen. Da die Dicke D des zu schneidenden
Werkstücks 1 bzw. die Tiefe T der Schnittfuge 4 zu diesem Zeitpunkt schon vergleichsweise groß ist, reicht die durch die Verdampfung erzielte kinetische
Energie der Werkstückschmelze nicht mehr aus, um den Höhenunterschied zwischen dem Schnittgrund 5 und der Oberseite 7 des Werkstückes 1 zu
überwinden, so dass sich Werkstückschmelze zunehmend an den seitlichen Flanken 4a, b der Schnittfuge 4 ablagert und an diesen anhaftet.
Wie in Fig. 1 zu erkennen ist, hat das Anhaften (und ggf. Erstarren) der
Werkstückschmelze an den seitlichen Flanken 4a, b eine Abschattung des
Laserstrahls 2 zur Folge. Die Abschattung bewirkt, dass die Intensität des
Laserstrahls 2 am Schnittgrund 5 abnimmt, wodurch der Dampfdruck reduziert wird. Dies kann zu einem vollständigen Erliegen des Dampfdruck-Abtragschneidprozesses führen. Die maximal erzielbare Schnitttiefe T ist durch die oben beschriebenen Effekte begrenzt, so dass mit dem herkömmlichen Dampfdruck-Abtragschneiden nur Werkstücke 1 mit einer gewissen Maximaldicke (von typischer Weise max. 1 mm) durchtrennt werden können.
Fig. 2a zeigt einen ersten Verfahrensschritt eines verbesserten Dampfdruck- Abtragschneidverfahrens bei dem eine erste, breite (Anfangs-)Schnittfuge 9 in einem Werkstück 1 durch Bewegen eines fokussierten Laserstrahls 2 und des Werkstücks 1 relativ zueinander entlang einer Schnittkontur (entsprechend der Vorschubrichtung, Y-Richtung) erzeugt wird. Die Schnittfuge 9 weist dabei eine Schnittfugentiefe T auf, die typischer Weise zwischen dem ein-fachen und drei-fachen der Rayleighlänge liegt. Dies stellt sicher, dass bei den beim Dampfdruck-Abtragschneiden in der Regel eingestellten Vorschubgeschwindigkeiten der sich einstellende Dampfdruck sowie die durch den Vorschub induzierte Schmelzdynamik ausreichen, die
Werkstückschmelze vollständig aus der Schnittfuge 9 auszutreiben, ohne dass sich Anhaftungen, die den Laserstrahl 2 gegebenenfalls abschatten, an den seitlichen Flanken 9a, b der Schnittfuge 9 anlagern.
Die Gesamt-Breite B1 des ersten Schnittfuge 9 ist breiter als eine Breite B3, die sich durch das ein- oder mehrmalige Bewegen des Laserstrahls 2 entlang der
Vorschubrichtung Y bzw. der Schnittkontur ohne lateralen Versatz (d.h. an derselben Position X quer zur Vorschubrichtung Y) einstellt. Zur Verbreiterung der Schnittfuge 9 auf die Gesamtbreite B1 werden der Laserstrahl 2 und das Werkstück 1 nicht nur wiederholt entlang der Vorschubrichtung Y relativ zueinander hin- und herbewegt, sondern darüber hinaus wird die Position des Laserstrahls 2 in X-Richtung, d.h. quer zur Vorschubrichtung Y versetzt.
Wie in Fig. 2a gezeigt ist, wird der Laserstrahl 2 zunächst in Vorschubrichtung Y relativ zum Werkstück 1 bewegt, wodurch eine Schnittfuge der Breite B3
(Einzelschnittfugenbreite) im Werkstück 1 entsteht (gestrichelt dargestellter
Laserstrahl 2 links außen). Anschließend wird der Laserstrahl 2 quer zur
Vorschubrichtung 3 (in Fig. 2a in X-Richtung) versetzt und erneut in
Vorschubrichtung Y parallel zum vorhergehenden Schnitt verfahren (gestrichelt dargestellter Laserstrahl 2 rechts daneben). In diesem Stadium ist die Schnittfuge 9 auf die Schnittfugenbreite B4 angewachsen. Das Bewegen des Laserstrahls 2 entlang der Vorschubrichtung Y und das Versetzen des Laserstrahls 2 quer zur Vorschubrichtung Y bzw. der Parallelversatz kann so oft wiederholt werden, bis eine vorgegebene Gesamtbreite B1 der ersten Schnittfuge 9 erreicht ist (vgl.
durchgezogen dargestellten Laserstrahl 2 rechts außen).
Zur Erzeugung eines hochwertigen Schnittgrundes 5 ist der Querversatz Q des Laserstrahls 2 (in Fig. 2a in X-Richtung) geringer als die durch den Laserstrahl 2 bei einmaligem Bewegen erzeugte Schnittbreite B2 (die Einzelschnittbreite) und ist insbesondere kleiner als ein Fokusdurchmesser dF des Laserstrahls 2, wobei typische Werte zwischen ca. einem Drittel und zwei Dritteln, bevorzugt bei der Hälfte des Fokusdurchmessers dF des Laserstrahls 2 liegen. Durch einen solchen
Querversatz Q wird ein Überlapp zwischen aufeinander folgenden Bewegungen des Laserstrahls 2 in Y-Richtung erzeugt, der sicherstellt, dass keine hervorstehende Grate an dem Schnittgrund 5 zurückbleiben, so dass sich ein gleichmäßiger
Schnittgrund 5 einstellt.
In Fig. 2b ist ein zweiter Schritt des Dampfdruck-Abtragschneidverfahrens
dargestellt, bei dem eine weitere (zweite) Schnittfuge 10 im Schnittgrund 5 der vorhergehenden (ersten) Schnittfuge 9 erzeugt wurde. Die zweite Schnittfuge 10 weist im Vergleich zur ersten Schnittfuge 9 eine verringerte Schnittbreite B2 auf, wie sie bei einer einzigen oder mehrfach unversetzt überlagerten Bewegung des
Laserstrahls 2 entlang der Vorschubrichtung Y erzeugt wird. Die zweite Schnittfuge 10 ist im Vergleich zur ersten Schnittfuge 9 mittig angeordnet, wodurch der gesamte Schnittfugenquerschnitt symmetrisch zu einer Mittelebene verläuft.
Wie in Fig. 2b zu erkennen ist, sind seitliche Flanken 9a, b der ersten Schnittfuge 9 bezüglich seitlicher Flanken 10a, b der zweiten Schnittfuge 10 versetzt, so dass an einem verbleibenden Schnittgrund 5 der ersten Schnittfuge 9 randseitige Abschnitte 1 1 a,b verbleiben, die zum Ablagern von Werkstückschmelze dienen, die beim
Erzeugen der zweiten Schnittfuge 10 ausgeworfen wird. Durch die mittige Anordnung der zweiten Schnittfuge 10 sind die randseitigen Abschnitte 1 1 a,b des verbleibenden Schnittgrundes 5 gleich groß. Die Schnittfugentiefe T der zweiten Schnittfuge 10 ist so gewählt, dass ein Schmelzauswurf ohne ein Anhaften an den seitlichen Flanken 10a, b möglich ist. Um das Werkstück 1 vollständig zu durchtrennen, kann (anders als in Fig. 2b gezeigt) die Schnittfugentiefe T der zweiten Schnittfuge 10 ggf. geringfügig größer als die Schnittfugentiefe T der ersten Schnittfuge 9 gewählt werden.
Wenn die Breite B eines randseitigen Abschnitts 1 1 a,b quer zur Vorschubrichtung Y gleich oder geringer ist als der Fokusdurchmesser des Laserstrahls 2, ist die
Oberfläche der randseitigen Abschnitte 1 1 a,b zum einen groß genug, um den
Schmelzauswurf der weiteren Schnittfuge 10 aufzunehmen und zum anderen klein genug, um bei der Erzeugung der Schnittfugen 9, 10 nicht unnötigerweise zu viel Werkstückmaterial abzutragen.
Wie in Fig. 2a, b ebenfalls zu erkennen ist, wird der Fokus des Laserstrahls 2 von einer ersten Fokuslage Fi in Ausbreitungsrichtung (negative Z-Richtung), die zum Erzeugen der ersten Schnittfuge 9 verwendet wird, für das Erzeugen der zweiten Schnittfuge 10 auf eine zweite, in Richtung Werkstück 1 verschobene (tiefere) Fokuslage F2 geändert bzw. nachgeführt, um bei beiden Schnittfugen 9, 10 eine hohe Laserstrahlintensität am Abtragsort sicherzustellen. Der Abstand zwischen der ersten Fokuslage Fi und der zweiten Fokuslage F2 kann beispielsweise zwischen dem 1 - Fachen (oder dem 2-Fachen) und dem 3-Fachen (oder dem 6-Fachen) der
Rayleighlänge betragen.
Durch das Dampfdruck-Abtragschneidverfahren gemäß Fig. 2a, b wird eine Gesamt- Schnittfuge bzw. ein Gesamt-Schnitt 9, 10 in das Werkstück 1 eingebracht, wobei zwei Schrittfugen 9, 10 ausreichend sind, um das Werkstück 1 mit der Dicke von ca. 2 mm zu durchtrennen. Werden die Verfahrensschritte gemäß Fig. 2a und Fig. 2b wiederholt durchgeführt, so können noch dickere metallische Werkstücke 1 durchtrennt werden, ohne dass der Dampfdruck-Abtragschneidprozess zum Erliegen kommt, wie dies in Fig. 1 b gezeigt ist. Bei dem Verfahren von Fig. 2a, b wird zudem der Werkstückschmelze-Auswurf, der bei der Erzeugung der ersten Schnittfuge 9 auf der Oberseite 7 des Werkstückes 1 auftritt, bei zunehmender Dicke D des
Werkstücks nicht erhöht, da die Schmelze bei der Erzeugung von nachfolgenden Schnittfugen 10 an den randseitigen Abschnitten 1 1 a,b abgelagert werden kann.
In Fig. 3 ist ein Querschnitt eines weiteren Werkstücks 1 mit einer vergleichsweise großen Dicke D von ca. 3 mm dargestellt, wobei in dem Werkstück 1 eine erste, eine zweite und eine dritte Schnittfuge 9, 10, 12 gemäß dem in Fig. 2a, b dargestellten Verfahren erzeugt worden ist. In der Darstellung von Fig. 3 wird das Werkstück 1 vom Laserstrahl 2 in zwei Werkstückteils 1 a,b zertrennt, d.h. es wird gerade der letzte verbleibende Rest des Werkstückmaterials an der Unterseite des Werkstücks 1 entfernt.
In Fig. 4 ist eine Scannervorrichtung 13 als Teil einer Laserbearbeitungsmaschine dargestellt, mit der das verbesserte Verfahren durchgeführt werden kann. Das Zusammenwirken der Scannerspiegel 20, 21 mit einem an der Scannervorrichtung 13 angebrachten F/theta-Objektiv 14 ermöglicht es, den Fokus des Laserstrahls 2 zur Erzeugung einer Schnittkontur 3 in zwei zueinander senkrechten Richtungen (X- Richtung bzw. Y-Richtung) über das Werkstück 1 zu bewegen. Das Werkstück 1 kann ortsfest sein oder ggf. mit Hilfe einer nicht bildlich dargestellten
Werkstückauflage in einer oder zwei Richtungen (X- bzw. Y-Richtung) in einer Ebene parallel zur Werkstückoberseite 7 verschoben werden.
Bei den in Zusammenhang mit Fig. 2a, b und Fig. 3 gezeigten Beispielen entsprach die Vorschubrichtung (Y-Richtung) der Richtung der Schnittkontur, es versteht sich aber, dass mit dem oben beschriebenen Verfahren auch gekrümmte Schnittkonturen 3 mit variabler Vorschubrichtung realisiert werden können, wie in Fig. 4 angedeutet ist, wobei zur Erzeugung einer breiten Schnittfuge mehrere parallel versetzte
(gekrümmte) Schnittlinien in das Werkstück 1 eingebracht werden. Die
Scannervorrichtung 13, genauer gesagt der Bearbeitungskopf 19, kann ferner zur Veränderung der Position des Fokus des Laserstrahls 2 in Ausbreitungsrichtung (Z- Richtung) senkrecht zur Werkstückoberfläche 7 bzw. zur Oberseite des
plattenförmigen Werkstücks bewegt werden, beispielsweise mittels eines durch einen Doppelpfeil angedeuteten herkömmlichen Antriebs 15 oder mit Hilfe eines Roboters.
Die Scannervorrichtung 13 weist eine Lichtleitfaser zur Zuführung von Strahlung aus einer Laserquelle 24 auf, aus der ein divergenter Laserstrahl 2a mit hoher
Strahlleistung (> 1 kW) und einem Strahlparameterprodukt zwischen ca. 0,3 mm mrad und ca. 3,0 mm mrad austritt, welcher in vertikaler Richtung (Z-Richtung) verläuft und mittels einer Kollimationslinse 17 in einen weiterhin vertikal
verlaufenden, kollimierten Laserstrahl 2b transformiert wird. Der kollimierte
Laserstrahl 2b wird an einem Umlenkspiegel 18 um 90° aus der vertikalen Richtung in die horizontale Richtung abgelenkt und tritt über eine Eintrittsapertur in den
Scannerkopf 19 ein. Im Scannerkopf 19 trifft der kollimierte Laserstrahl 2b zuerst auf einen planaren X-Scannerspiegel 20, welcher den Strahl in X-Richtung auf einen planaren Y-Scannerspiegel 21 ablenkt, der den Strahl weiter in Y-Richtung ablenkt. Der X-Scannerspiegel 20 und der Y-Scannerspiegel 21 sind an Galvanometern befestigt und können gedreht werden. Die Position der Drehachse der Galvanometer bestimmt den Ablenkwinkel des jeweiligen Scannerspiegels 20, 21 und somit die Position des Laserstrahls 2 auf dem Werkstück 1. Der kollimierte Laserstrahl 2b verlässt den Scannerkopf 19 durch eine
Austrittsöffnung, an welcher das F/Theta-Objektiv 14 angebracht ist. Dieses bewirkt mittels einer Meniskuslinse 22 eine Aufweitung des Laserstrahls 2 sowie mittels einer nachfolgenden Fokussierlinse 23 die Erzeugung eines konvergenten Laserstrahls 2, der auf das Werkstück 1 fokussiert wird. Durch das telezentrische F/Theta-Objektiv 14 kann erreicht werden, dass der Laserstrahl 2 unabhängig von der Position auf dem Werkstück 1 senkrecht zur Oberseite 7 des Werkstücks 1 auftrifft. Es versteht sich aber, dass für die Durchführung des oben beschriebenen Verfahrens auch auf die Verwendung eines F/Theta-Objektivs verzichtet werden, kann.
Der oben beschriebene Verfahrensablauf beim Dampfdruck-Abtragschneiden wird von einer Steuerungseinheit 25 koordiniert, die in Fig. 3 zur Vereinfachung der Darstellung im Bearbeitungskopf 19 gezeigt ist. Es versteht sich, dass die
Steuerungseinheit 25 auch an anderer Stelle in der Scannervorrichtung 13
angeordnet werden kann. Die Steuerungseinheit 25 steuert die Bewegung des Laserstrahls 2 über die Oberfläche 7 des Werkstücks 1 , um die gewünschte
Schnittkontur 3 zu erzeugen. Zu diesem Zweck greift die Steuerungseinheit 25 auf ein Bearbeitungsprogramm zurück, auf das die Steuerungseinheit 25 z.B. über eine (nicht gezeigte) Datenschnittstelle Zugriff hat. Die Steuerungseinheit 25 ist
programmiert, bei den aufeinander folgenden Bewegungen entlang der Schnittkontur 3 den Laserstrahl 2 so zu versetzen, dass der Querversatz Q des Laserstrahls 2 beim wiederholten Bewegen entlang der Schnittkontur 3 kleiner ist als der
Fokusdurchmesser dF des Laserstrahls 2, wozu die Steuerungseinheit 25 die
Scannerspiegel 20, 21 geeignet ansteuert und/oder die Verschiebung des
Bearbeitungskopfes 19 mittels des Antriebs 15 bzw. eines Roboters bewirkt. Auch die weiter oben beschriebene Anpassung der Fokuslage kann von der
Steuerungseinheit 25 vorgenommen werden, beispielsweise indem diese einen Antrieb 15 ansteuert, um den Abstand zwischen dem Bearbeitungskopf 19 und dem Werkstück 1 zu verringern.
In der Regel sollte für die Durchführung des Verfahrens der fokussierte Laserstrahl 2 eine Leistungsdichte von mindestens 1 x 107 W/cm2 an der Fokusposition aufweisen. Typische Vorschubgeschwindigkeiten liegen zwischen ca. 150 m/min und ca. 1200 m/min wobei die Vorschubgeschwindigkeit u.a. von der Art des zu schneidenden Materials abhängig ist. Es versteht sich, dass die zu zertrennenden Werkstücke zwar in der Regel plattenförmig ausgebildet sind, so dass die Schnittkontur (gerade oder gekrümmt) typischerweise in einer Ebene liegt. Grundsätzlich ist es jedoch auch möglich, mit dem oben beschriebenen Verfahren Schnitte in gekrümmten
Werkstücken, z.B. in Rohren zu erzeugen.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zum Dampfdruck-Abtragschneiden eines metallischen Werkstücks (1 ), umfassend:
Erzeugen einer Schnittfuge (9) in dem Werkstück (1 ) durch Bewegen eines fokussierten Laserstrahls (2) und des Werkstücks (1 ) relativ zueinander entlang einer Schnittkontur (3), wobei zur Vergrößerung einer Schnittfugenbreite (B1 ) der Schnittfuge (9) ein wiederholtes, quer zur Schnittkontur (3) versetztes Bewegen des Laserstrahls (2) und des Werkstücks (1 ) relativ zueinander entlang der Schnittkontur (3) erfolgt, sowie
Erzeugen mindestens einer weiteren Schnittfuge (10) mit verringerter
Schnittfugenbreite (B2) in einem Schnittgrund (5) der Schnittfuge (9) durch
Bewegen des fokussierten Laserstrahls (2) und des Werkstücks (1 ) relativ zueinander entlang der Schnittkontur (3), wobei zwischen seitlichen Flanken (9a, 9b) der Schnittfuge (9) und quer versetzten seitlichen Flanken (10a, 10b) der weiteren Schnittfuge (10) randseitige Abschnitte (11a, 11 b) des Schnittgrundes (5) verbleiben, auf denen beim Erzeugen der weiteren Schnittfuge (10) gebildete Werkstückschmelze (8) abgelagert wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , bei dem ein Querversatz (Q) beim wiederholten
Bewegen des Laserstrahls (2) und des Werkstücks (1 ) relativ zueinander entlang der Schnittkontur (3) kleiner ist als ein Fokusdurchmesser (dp) des Laserstrahls (2).
3. Verfahren nach Anspruch 2, bei dem der Querversatz (Q) zwischen einem Drittel und zwei Dritteln, bevorzugt bei der Hälfte des Fokusdurchmessers (dp) des Laserstrahls (2) liegt.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem das Erzeugen der Schnittfuge (9) bei einer ersten Fokusposition (Fi) in Ausbreitungsrichtung des Laserstrahls (2) erfolgt und bei dem das Erzeugen der weiteren Schnittfuge (10) bei einer zweiten, von der ersten verschiedenen Fokusposition (F2) in
Ausbreitungsrichtung des Laserstrahls (2) erfolgt.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die weitere
Schnittfuge (10) mittig im Schnittgrund (5) der Schnittfuge (9) erzeugt wird.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Schnittfugen (9, 10, 12) eine Schnittfugentiefe (T) aufweisen, die dem 1 -Fachen bis 3-Fachen der Rayleighlänge des Laserstrahls (2) entspricht.
7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem eine Breite (B) eines randseitigen Abschnitts (11a, 11b) des verbleibenden Schnittfugengrundes (5) geringer ist als der Durchmesser (dF) des Laserstrahls (2) im Fokuspunkt (F-i ).
8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem der fokussierte Laserstrahl (2) mit einer Leistungsdichte von mindestens 1 x 107 W/cm2 an der Fokusposition (Fi, F2) und einer Vorschubgeschwindigkeit zwischen 150 m/min und 1200 m/min auf die Oberfläche (7) des zu bearbeitenden Werkstücks (1 ) gerichtet wird.
9. Vorrichtung (13) zum Dampfdruck-Abtragschneiden eines metallischen
Werkstücks (1 ), umfassend:
einen Bearbeitungskopf (19) zum Bewegen eines Laserstrahls (2) relativ zum Werkstück (1) über die Werkstückoberfläche (7) entlang einer Schnittkontur (3) und zum Fokussieren des Laserstrahls (2) an einer Fokusposition (Fi, F2), sowie eine Steuerungseinheit (25) zur Steuerung einer wiederholten Bewegung des Laserstrahls (2) entlang der Schnittkontur (3) zur Ausbildung einer Schnittfuge (10),
dadurch gekennzeichnet,
dass die Steuerungseinheit (25) ausgebildet ist, den Laserstrahl (2) mit Hilfe des Bearbeitungskopfes (19) beim wiederholten Bewegen entlang der Schnittkontur (3) quer zur Schnittkontur (3) so zu versetzen, dass ein Querversatz (Q) des Laserstrahls (2) kleiner ist als der Fokusdurchmesser (dF) des Laserstrahls (2). orrichtung nach Anspruch 9, bei der die Steuerungseinheit (25) ausgebildet ist, zur Ausbildung einer weiteren Schnittfuge (10) mit verringerter Schnittfugenbreite (B2) in einem Schnittgrund (5) der Schnittfuge (9) den Laserstrahl (2) mit Hilfe des Bearbeitungskopfes (19) relativ zur Werkstückoberfläche (7) derart zu verschieben, dass das Erzeugen der Schnittfuge (9) bei einer ersten
Fokusposition (Fi) in Ausbreitungsrichtung des Laserstrahls (2) erfolgt und das Erzeugen der weiteren Schnittfuge (10) bei einer zweiten, von der ersten verschiedenen Fokusposition (F2) in Ausbreitungsrichtung des Laserstrahls (2) erfolgt, wobei der Abstand der ersten Fokusposition (F1 ) zur zweiten
Fokusposition (F2) bevorzugt zwischen dem 2-Fachen und dem 6-Fachen der Rayleighlänge des Laserstrahls (2) beträgt. orrichtung nach Anspruch 9 oder 10, weiter umfassend: einen Laser (24) zum Erzeugen des Laserstrahls (2) mit einem Strahlparameterprodukt von 0,3 mm mrad bis 3 mm mrad.
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