WO2024017574A1 - Laserschneidverfahren mit periodisch wiederkehrender überlagerter strahlablenkung - Google Patents

Laserschneidverfahren mit periodisch wiederkehrender überlagerter strahlablenkung Download PDF

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WO2024017574A1
WO2024017574A1 PCT/EP2023/067328 EP2023067328W WO2024017574A1 WO 2024017574 A1 WO2024017574 A1 WO 2024017574A1 EP 2023067328 W EP2023067328 W EP 2023067328W WO 2024017574 A1 WO2024017574 A1 WO 2024017574A1
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movement
laser beam
path
speed
secondary movement
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PCT/EP2023/067328
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Inventor
Martin Bea
Original Assignee
TRUMPF Werkzeugmaschinen SE + 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
    • B23K26/08—Devices involving relative movement between laser beam and workpiece
    • B23K26/082—Scanning systems, i.e. devices involving movement of the laser beam relative to the laser head
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K26/00—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring
    • B23K26/36—Removing material
    • B23K26/38—Removing material by boring or cutting

Definitions

  • the present invention relates to the field of laser cutting.
  • the invention relates to a method for cutting a workpiece using a laser beam, wherein a periodically (or cyclically) repeating secondary movement of the laser beam is superimposed on a primary feed movement of the laser beam.
  • scanner cutting Laser cutting processes in which the feed movement of the cutting head is superimposed by a periodically repeating secondary movement in the form of an oscillatory movement or pendulum movement of the laser beam through scanner optics (hereinafter “scanner cutting”) have been known for a long time.
  • scanner cutting offers various advantages.
  • the cutting gap can be widened by the superimposed cyclic deflection of the laser beam transversely to the primary feed movement, without the focus diameter or focus position of the laser beam having to be changed.
  • jet oscillation lengthwise to the primary feed movement such as in the
  • the oscillatory movements of the laser beam are generated by a corresponding oscillation of at least one optical element (classically one or more mirrors or lenses or the end of a beam-guiding fiber) in the cutting head of a laser cutting system.
  • optical element classically one or more mirrors or lenses or the end of a beam-guiding fiber
  • a variety of options for the design of scanner optics are described, for example, in the following publications: JPS63177991A, US5303081A1, JP1999156579 or WO2019145536A1.
  • any one-, two- or three-dimensional oscillation patterns can be generated. Possible oscillation patterns are described, for example, in the following publications: JPS60210384A, JPS63177991A, JP07185856A or JP1999156579.
  • cold spots can arise in the center of the oscillation pattern (e.g. straight line or Lissajous figure), i.e. areas in which insufficient energy is introduced into the workpiece.
  • Cold spots can, for example, result in a cutting front (or cutting front) that is curved into the cutting gap because the workpiece in the middle of the cutting front is not sufficiently melted.
  • the course of the heating power of the laser beam from the upper to the lower end of the cutting front is not only determined by the decrease in the laser beam intensity due to its natural divergence, but is also superimposed by the systematically fluctuating speed profile of the harmonic pendulum movement.
  • the convex shape of the cutting front surface results in several systematic disadvantages.
  • the thickening rises below the apex of the melt film, the angle of incidence of the beam increases increasingly, which, due to the angle-dependent absorption properties of metallic materials (cf. Fresnel absorption), leads to an increasingly lower degree of absorption and thus also to an increasingly lower heating power of the laser beam towards the lower end of the cutting front.
  • the resulting cooling of the melt leads to a strengthening of the dune-like accumulation of cooling melt in the area above. Due to its mass inertia, the convex shape of the cutting front surface makes it more difficult for the cutting gas jet to remain in continuous contact with it up to its lower end.
  • the present invention is based on the object of improving the prior art.
  • the cutting edge quality should be improved when laser cutting, especially when laser melt cutting, of metallic workpieces.
  • thicker workpieces should be able to be cut compared to the prior art with the same laser power.
  • a method for cutting workpieces using a laser beam in which a periodically repeating secondary movement of the laser beam is superimposed on a primary feed movement of the laser beam projected onto the workpiece surface.
  • the primary feed movement of the laser beam can be equated with the feed movement of a laser cutting head, with which the laser beam is projected onto the workpiece surface. It is understood that every feed movement of the laser beam is to be understood as a relative movement between the laser beam and the workpiece surface.
  • the secondary movement comprises at least two, in particular straight, path sections that point in different directions.
  • the secondary movement can describe a straight line.
  • the secondary movement is composed of two straight path sections that point in opposite directions.
  • the secondary movement can also have further straight and/or curved path sections.
  • a constant path speed is specified for the secondary movement over the entire route of the secondary movement or over at least one of the path sections.
  • the path speed of the secondary movement is predetermined to be throttled in such a way that an actual path speed of the secondary movement essentially corresponds to the predetermined path speed, so that the energy input from the laser beam into the workpiece is essentially constant over the entire path of the secondary movement or over at least one of the path sections.
  • the predetermined movement is throttled
  • Path speed positive and negative acceleration sections reduced to a minimum of the path. If the specified movement speed of the secondary movement were to be continuously increased, the movement function of the secondary movement would approach a harmonic oscillation between two changes of direction due to the inertia of the oscillating optical elements. An essentially constant actual path speed would then no longer be possible.
  • the formulation according to which the actual web speed “essentially corresponds” to the predetermined constant web speed is to be understood in the context of the present invention as meaning that actual path speed of the laser beam projected onto the workpiece surface (i.e. the speed at which the laser beam is moved over the workpiece surface) to at least 60%, more preferably to at least 80%, even more preferably to at least 90% of the distance under consideration (entire secondary movement or selected path sections) corresponds to the specified constant path speed.
  • the workpiece surface means the surface of the workpiece in its initial state.
  • the term “workpiece surface” is also to be understood as a projection plane for the incident laser beam spanning the cutting gap.
  • the method according to the invention can be implemented using a laser cutting system, in which the laser beam is radiated onto the workpiece to be cut via a cutting head.
  • the secondary movement of the laser beam can preferably be generated using appropriate scanner optics within the cutting head.
  • the laser beam is deflected in the beam path of the laser beam by a corresponding movement of at least one optical element (e.g. a fiber end, a mirror or a lens).
  • uniform heating of the workpiece by the laser beam can be achieved over the entire path of the secondary movement or over the path of at least one of the path sections.
  • the homogeneity or uniformity of the energy input into the workpiece can thus be improved.
  • the training can a cutting front that is curved into the interior of the cutting gap is counteracted and thus, among other things, flow disruptions of the cutting gas jet at the cutting front are prevented.
  • the decrease in the heating power of the laser beam from the upper to the lower end of the cutting front results only from the decrease in the laser beam intensity at its point of impact on the cutting front due to the natural divergence of the laser beam, which is increasingly expanding in the cutting gap below the focus point located on the workpiece surface.
  • This essentially linear decrease in the heating power of the laser beam as the depth of the cutting gap increases can be largely compensated for by the process heat that also accumulates in the melt film towards the lower end of the cutting front.
  • the secondary movement can be based on a non-harmonic movement function.
  • a non-harmonic motion function includes, for example, a zigzag-shaped motion function.
  • a zigzag-shaped movement function in the sense of the present invention also includes a movement function in which the spikes are flattened, such as when generating a rectangular secondary movement.
  • the secondary movement can also be based on several zigzag-shaped movement functions, in particular a zigzag-shaped movement function in the x direction (or along the primary feed movement) and a zigzag-shaped movement function in the y direction (or transverse to the primary feed movement), which can be superimposed on one another.
  • a non-harmonic motion function in the sense of the present invention can further include zigzag-shaped sections and sinusoidal (harmonic oscillating) sections.
  • a “non-harmonic motion function” in the sense of the present invention can also be called a “not exclusively harmonic motion function”. be referred to.
  • sinusoidal sections are present in the non-harmonic motion function, a sinusoidal (or cosinusoidal) section in the y-direction can preferably be superimposed on a sinusoidal section in the x direction in such a way that a constant path speed results in the relevant path section.
  • the method according to the invention differs from most scanner cutting methods in which pendulum patterns are generated in the form of Lissajous figures.
  • the highest possible movement speed can be specified for the secondary movement, at which the actual path speed still essentially corresponds to the specified path speed.
  • a value can be set that determines when the actual web speed is to be viewed as essentially corresponding to the predetermined web speed. For example, it can be determined over what percentage of the secondary movement route under consideration the actual path speed should correspond to the specified path speed.
  • the actual path speed should correspond to the constant predetermined path speed to at least 60%, preferably at least 80%, even more preferably at least 90% of the length of the linear secondary movement to correspond "essentially" to it.
  • the maximum predetermined path speed of the secondary movement depends largely on the drive of the scanner optics (e.g. piezo drive or galvo drive), as well as on the mass of the optical system(s) to be moved back and forth elements depends.
  • the predetermined path speed of the secondary movement can be greater than a speed of the primary feed movement (primary feed speed).
  • the relationship between the path speed of the secondary movement and the primary feed speed has an influence on the degree of overlap Projection trajectories (of the laser beam) of two consecutive movement cycles of the secondary movement during cutting.
  • the speed of the primary feed movement can be in the range from 0.1 m/min to 80 m/min, particularly depending on the thickness of the workpiece to be cut.
  • the degree of overlap can be at least 50%, preferably at least 70%, even more preferably at least 80%.
  • a higher degree of overlap can improve the cooling behavior of the workpiece material melted by the laser beam. In particular, the local cooling of the workpiece can be slowed down.
  • the predetermined path speed of the secondary movement can be between 0.25 m/s and 2 m/s, more preferably between 0.5 m/s and 1.5 m/s, even more preferably about 1 m/s.
  • a particularly good relationship between repetition rate and constancy of local workpiece heating over the entire distance (or area) of the secondary movement of the laser beam was found at a path speed of 1 m/s.
  • At least one of the path sections of the secondary movement can have a length between 100 pm and 1200 pm, preferably between 400 pm and 1000 pm, even more preferably between 600 pm and 800 pm.
  • a path length between 600 pm and 800 pm may be preferred, particularly if the workpiece is approximately 15 mm thick.
  • an optimal length of the path sections of the secondary movement can vary depending on the thickness of the workpiece.
  • the secondary movement can comprise at least one one-dimensional path section which is aligned longitudinally or transversely to the primary feed movement.
  • the workpiece to be processed using the method according to the invention can be a, preferably metallic, plate-shaped workpiece.
  • the alignment of the secondary movement of the laser beam can be adapted to the course of the primary feed movement. This means that the secondary movement can be aligned with the primary feed movement, for example by rotating the cutting optics.
  • a fiber, disk, CO2 or diode laser can be used, which in particular has a laser power of several kW.
  • a laser cutting system which is set up to carry out a method according to the invention described above.
  • the laser cutting system thus enables the method according to the invention to be carried out, so that its advantages are realized.
  • the laser cutting system in particular has a laser processing head with a cutting nozzle that can be moved relative to a workpiece support.
  • the laser cutting system is set up to move the cutting nozzle with a primary feed movement along a cutting contour relative to the workpiece support.
  • the laser cutting system is further set up to move the laser beam within the cutting nozzle with a secondary movement, which has a movement component longitudinally and/or a movement component transversely to the primary feed movement, the secondary movement being over the entire distance of the secondary movement or over at least one of the A constant path speed is specified for path sections.
  • the laser cutting system is set up to carry out the secondary movement of the laser beam in such a way that an actual path speed of the secondary movement essentially corresponds to the predetermined path speed, so that the energy input from the laser beam into the workpiece over the entire path of the secondary movement or over at least one of the path sections in is essentially constant.
  • a control device can be programmed to correspondingly control the processing head and a laser beam source.
  • the laser cutting system preferably has a scanner device in order to move the laser beam within the cutting nozzle.
  • the scanner device simplifies the generation of the secondary movement.
  • the scanner device can be arranged in the laser processing head.
  • the control device is preferably programmed to control the scanner device so that the laser beam carries out the secondary movement.
  • Fig. la schematically shows the top view of a workpiece that is cut using a method according to the invention
  • Fig. lb A detail from the illustration according to Figure la, in which the secondary movement of the laser beam on the workpiece surface is shown in isolation;
  • 2a A zigzag motion function of the periodically repeating secondary motion of a laser beam according to the present invention
  • 2b A harmonic (sinusoidal) motion function of the secondary motion of a laser beam according to the prior art
  • Fig. 3b A representation of the actual path speed on a rectilinear path section of the secondary movement according to the prior art.
  • Fig. 4b A representation of the intensity distribution integrated over a period of several movement cycles over a path section of the secondary movement at a non-constant path speed
  • Figure la shows the section of a workpiece 10 in a top view during processing by a cutting method according to the invention.
  • a laser beam is focused onto the workpiece surface 12 by means of a laser cutting head of a laser cutting system (not shown) (cf. circular projection(s) 30 of the laser beam on the workpiece surface 12) and melts the workpiece 10 locally.
  • the melted material of the workpiece 10 is blown out from the underside of the workpiece 10 using a process gas jet.
  • the primary feed movement 20 is superimposed on a periodically repeating secondary movement 22 of the laser beam, which is represented by the superimposed projections 30 of the laser beam according to Figures la and lb.
  • the secondary movement 22 of the laser beam is as a uniform back and forth To understand the movement of the laser beam, by means of which the width of the cutting gap 14 (for example by a deflection transverse to the primary feed movement 20) or the cutting front geometry (in particular by a deflection along the primary feed movement 20) can be influenced.
  • a movement cycle of the secondary movement 22 is composed of two superimposed rectilinear path sections 40, each of which is traversed in different directions by the laser beam using scanner optics.
  • the track sections 40 each have a length 42.
  • FIG. 2a and 2b each show the (actual) movement function of a rectilinear oscillating secondary movement 22 according to the example in Figures la and lb (without the influence of the primary feed movement 20). Both representations are based on the same programmed movement pattern, namely a straight back and forth movement in the x direction, i.e. in the direction of the primary feed movement 20.
  • the programmed path length 40 of the secondary movement 22 is 800 pm.
  • both functions shown are each based on a programmed zigzag-shaped movement function, which specifies a constant path speed between two turning points of the secondary movement 22.
  • the difference between the movement functions of Figures 2a and 2b lies in the different predetermined path speed. While the movement function shown in FIG. 2a is based on a predetermined path speed of 0.25 m/s, the predetermined path speed according to FIG. 2b is 4 m/s.
  • the high specified path speed according to Figure 2b means that the programmed zigzag movement function cannot be maintained.
  • the resulting motion function according to Figure 2b is more like a sinusoidal (harmonic) oscillation. This is due to the insufficient performance of the scanner drives for the mass of the oscillating optical elements. These must be braked to a complete standstill with each change of direction and then accelerated again to the specified speed.
  • the process of braking which necessarily begins at a much earlier point in time, before each change of direction and the subsequent "sluggish" acceleration process lead not only to an inconsistent path speed, but also to a significant reduction in the actual length 42a, 42b of the path sections 40 of the secondary movement to only approximately 550
  • the predetermined zigzag-shaped movement function and thus also the predetermined length 42 of the web sections 40 can essentially be maintained.
  • the horizontal line in the middle of the respective representation indicates the movement in the y-direction. Since the secondary movement 22 according to the present example does not include a movement component in the y-direction, the line shows no deflection.
  • FIGS. 3a and 3b The actual path speed during a movement cycle of the secondary movement 22 according to FIGS. 2a and 2b is shown in FIGS. 3a and 3b.
  • the speed profile according to Figure 3a corresponds to the movement function according to Figure 2a. It can be seen that the predetermined constant path speed of 0.25 m/s is quickly reached and is kept constant essentially over the entire length of the straight path sections 40 (see Fig. lb). At the turning points of the secondary movement 22, the path speed is abruptly reduced to "0" and accelerated in the opposite direction to the specified path speed (0.25 m/s) (cf. the spikes in the movement function. Fig. 2a).
  • the predetermined path speed of 4 m/s is only achieved in the center of a path section along a section with a minimum length.
  • the speed curve according to FIG. 3b is composed of an acceleration and an immediately subsequent deceleration of the actual path speed.
  • the predetermined A path speed of 4 m/s is actually only achieved along the above-mentioned section of minimum length on the respective path section.
  • the middle horizontal line in Fig. 3a with corresponding measurement noise indicates that there is no movement in y -direction takes place.
  • FIG 4a shows one over the entire path length 42 of the secondary movement 22 uniform intensity distribution, which is based on a throttled predetermined path speed according to Figures 2a and 3a. This means that energy is introduced evenly into the workpiece by the laser beam over the entire length of 800 ⁇ m. In contrast, with the excessive specified path speed (see also Figures 2b and 3b), there is a concentration of energy input at the turning points of the secondary movement (see Figure 4b). If the path speed is excessive, not only the actual path length 42 of the secondary movement 22 is reduced. The uneven energy input through the laser beam into the workpiece leads to a non-uniform melting behavior of the workpiece over the path length of the secondary movement.

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Abstract

Bereitgestellt wird ein Verfahren zum Schneiden von Werkstücken (10) mittels eines Laserstrahls, bei dem einer primären Vorschubbewegung (20) des auf die Werkstückoberfläche (12) projizierten Laserstrahls eine sich periodisch wiederholende Sekundärbewegung (22) des Laserstrahls überlagert ist; wobei die Sekundärbewegung (22) wenigstens zwei, insbesondere geradlinige, Bahnabschnitte (40) umfasst, die in unterschiedliche Richtungen weisen; wobei ferner für die Sekundärbewegung (22) eine über die gesamte Strecke der Sekundärbewegung (22) oder über wenigstens einen der Bahnabschnitte (40) konstante Bahngeschwindigkeit vorgegeben wird; und wobei die Bahngeschwindigkeit derart gedrosselt vorgegeben wird, dass eine tatsächliche Bahngeschwindigkeit der Sekundärbewegung der vorgegebenen Bahngeschwindigkeit im Wesentlichen entspricht, sodass der Energieeintrag aus dem Laserstrahl in das Werkstück (20) über die gesamte Strecke der Sekundärbewegung (22) oder über wenigstens einen der Bahnabschnitte (40) im Wesentlichen konstant ist.

Description

Laserschneidverfahren mit periodisch wiederkehrender überlagerter Strahlablenkung
Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft das Gebiet des Laserschneidens. Insbesondere betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Schneiden eines Werkstücks mittels eines Laserstrahls, wobei einer primären Vorschubbewegung des Laserstrahls eine sich periodisch (bzw. zyklisch) wiederholende Sekundärbewegung des Laserstrahls überlagert ist.
Stand der Technik
Laserschneidverfahren, bei denen der Vorschubbewegung des Schneidkopfes eine sich periodisch wiederholende Sekundärbewegung in Form einer Oszillationsbewegung oder Pendelbewegung des Laserstrahls durch eine Scanner-Optik überlagert ist (im Folgenden „Scanner-Schneiden") sind seit längerem bekannt.
Gegenüber herkömmlichen Laserschneidverfahren, bei denen sich die Bewegung des Laserstrahls auf die Vorschubbewegung des Schneidkopfes gegenüber dem Werkstück beschränkt (primäre Vorschubbewegung), bietet das Scanner- Schneiden diverse Vorteile. Beispielsweise kann durch die überlagerte zyklische Auslenkung des Laserstrahls quer zur primären Vorschubbewegung der Schnittspalt verbreitert werden, ohne, dass dabei z.B. Fokusdurchmesser oder Fokuslage des Laserstrahls verändert werden müssen. Durch ein Strahlpendeln längs zur primären Vorschubbewegung, wie beispielsweise in der
DE 10 2008 053 397 B4 oder der WO 2020/008827 Al beschrieben, kann ferner die Energieeinkopplung des Laserstrahls an der (leicht geneigten) Schneidfront verbessert werden.
Mit dem Scanner-Schneiden können bei vergleichbarer Laserleistung dickere Werkstücke geschnitten werden als mit herkömmlichen Laserschneidverfahren. Gleichzeitig kann durch eine verbesserte Einkopplung des Prozessgasstrahls in den (breiteren) Schnittspalt die Qualität der Schnittkanten verbessert und die Ausbildung von Schmelzeanhaftungen an der Unterseite des geschnittenen Bauteils reduziert werden.
Die Oszillationsbewegungen des Laserstrahls werden durch eine entsprechende Oszillation wenigstens eines optischen Elements (klassischer Weise eines oder mehrerer Spiegel oder Linsen oder dem Ende einer strahlführenden Faser) im Schneidkopf einer Laserschneidanlage erzeugt. Vielfältige Möglichkeiten für die Ausführung von Scanner-Optiken werden beispielsweise in den folgenden Druckschriften beschrieben: JPS63177991A, US5303081A1, JP1999156579 oder auch WO2019145536A1.
Grundsätzlich können beliebige ein-, zwei-, oder dreidimensionale Oszillationsmuster erzeugt werden. Mögliche Oszillationsmuster sind beispielsweise in den folgenden Druckschriften beschrieben : JPS60210384A, JPS63177991A, JP07185856A oder auch JP1999156579.
Beim Scanner-Schneiden gilt es als erstrebenswert, mit einer möglichst hohen Oszillationsfrequenz des Laserstrahls zu schneiden. Durch eine hohe Oszillationsfrequenz kann bei vorgegebener Vorschubgeschwindigkeit eine über einen vorgegebenen Betrachtungszeitraum hinweg vergleichsweise große Fläche durch den Laserstrahl erfasst werden.
Hohe Pendelgeschwindigkeiten werden mit Oszillations- bzw. Pendelfiguren erreicht, die auf harmonischen Pendelbewegungen des Laserstrahls basieren. Durch die Überlagerung harmonischer Schwingungen in x-Richtung und y- Richtung können diverse Pendelfiguren, sogenannte Lissajous-Figuren, erzeugt werden. Nachteilig an Oszillationsfiguren, denen eine harmonische Bewegungsfunktion zugrunde liegt, ist eine über den Verlauf der Figur ungleichmäßige Wärmeeinbringung in das Werkstück. Die Bahngeschwindigkeit, also die Geschwindigkeit, mit der der Laserstrahl aufgrund der Pendelbewegung über die Werkstückoberfläche bewegt wird, nimmt mit steigender Entfernung vom Zentrum der jeweiligen Pendelfigur ab. Zu einem maximalen Geschwindigkeitsgefälle kommt es bei geradlinigen Oszillationsmustern (z.B. Oszillation längs oder quer zur primären Vorschubbewegung, vgl. Fign. 2b, 3b und 4b). Aufgrund der vergleichsweise geringen Bahngeschwindigkeit in den peripheren Bereichen des Oszillationsmusters (z.B. Enden einer linienförmigen Oszillationsbahn), wird das Werkstück an diesen Stellen vergleichsweise lange mit Laserstrahlung beaufschlagt. In den zentrumsnahen Bereichen der Oszillationsbahn ist die Bahngeschwindigkeit dagegen vergleichsweise hoch. In diesen Bereichen wird das Werkstück entsprechend kürzer mit Laserstrahlung beaufschlagt. Die Wärmeeinbringung in das Werkstück ist also in den Randbereichen eines auf einer oder mehreren harmonischen Schwingungen beruhenden Oszillationsmusters ungleich höher als in dessen Zentrum.
Bei einer Oszillation des Laserstrahls, die auf einer harmonischen Bewegungsfunktion beruht, können im Zentrum des Oszillationsmusters (z.B. gerade Linie oder Lissajous-Figur) sogenannte Cold-Spots entstehen, also Bereiche, in denen nicht ausreichend Energie in das Werkstück eingebracht wird. Durch Cold-Spots kann beispielsweise eine in den Schnittspalt hinein gewölbte Schneidfront (bzw. Schnittfront) resultieren, da das Werkstück in der Mitte der Schneidfront nicht ausreichend aufgeschmolzen wird. Genauer gesagt wird der Verlauf der Heizleistung des Laserstrahls vom oberen zum unteren Ende der Schneidfront hin nicht nur durch die Abnahme der Laserstrahlintensität aufgrund seiner natürlichen Divergenz bestimmt, sondern zusätzlich auch durch das systematisch schwankende Geschwindigkeitsprofil der harmonischen Pendelbewegung überlagert. Hieraus resultiert im Bereich der Mitte der Pendelfigur ein relatives Minimum der auf die Schmelzfilmoberfläche einwirkenden Heizleistung des dort auftreffenden Laserstrahls. Die aus dem lokalen Minimum der Heizleistung resultierende, geringere Oberflächentemperatur des Schmelzfilms führt aufgrund der lokalen Zunahme der Viskosität sowie der Oberflächenspannung des Schmelzfilms zu einem lokalen Absinken der Fließgeschwindigkeit der Schmelze und somit zu einer lokalen Ansammlung („Aufdickung") derselben, welche der Schneidfrontoberfläche in diesem Bereich eine konvex in den Schnittspalt hinein gewölbte, bauchige Gestalt verleiht.
Aus dem konvexen Verlauf der Schneidfrontoberfläche resultieren mehrere, systematische Nachteile. Einerseits steigt unterhalb des Scheitels der Aufdickung des Schmelzfilms der Strahleinfallswinkel zunehmend an, was aufgrund der winkelabhängigen Absorptionseigenschaften metallischer Werkstoffe (vgl. Fresnel-Absorption) zu einem zunehmend geringeren Absorptionsgrad und somit auch zu einer zunehmend geringeren Heizleistung des Laserstrahls zum unteren Ende der Schneidfront hin führt. Die hieraus resultierende Abkühlung der Schmelze mündet in einer Verstärkung der dünenartigen Ansammlung sich abkühlender Schmelze im darüberliegenden Bereich. Aufgrund seiner Massenträgheit erschwert es der konvexe Verlauf der Schneidfrontoberfläche dem Schneidgasstrahl weiterhin, mit dieser bis zu deren unterem Ende durchgängig in Kontakt zu bleiben. Falls sich der Schneidgasstrahl im Bereich des Scheitels der Aufdickung des Schmelzfilms von dessen Oberfläche ablöst, sinken die Reibungskräfte zwischen Schneidgasstrahl und Schmelzfilmoberfläche unterhalb des Ablösungspunktes deutlich ab, woraus ein ebenfalls deutlich reduzierter Schmelzaustrieb mit deutlich verstärkter Gratanhaftung an der Blechunterseite resultiert. Zusätzlich birgt eine Ablösung des Schneidgasstrahls von der Schneidfrontoberfläche immer auch die Gefahr in sich, im Bereich der Schneidfrontoberfläche unterhalb des Ablösungspunktes von der Schneidfront eine Unterdruckzone im Schnittspalt zu generieren, in welche dann sauerstoffreiche Umgebungsatmosphäre eingesaugt werden kann. Diese würde die resultierende Schnittkantenqualität durch eine dann einsetzende Oxidation der erzeugten Schnittkantenoberflächen - über eine verstärkte Gratanhaftung hinaus - noch weiter verschlechtern.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, den Stand der Technik zu verbessern. Insbesondere soll die Schnittkantenqualität beim Laserschneiden, insbesondere beim Laserschmelzschneiden, metallischer Werkstücke verbessert werden. Zusätzlich sollen gegenüber dem Stand der Technik bei gleicher Laserleistung dickere Werkstücke geschnitten werden können.
Die Erfindung
Zur Lösung der der Erfindung zugrunde liegenden Aufgabe wird ein Verfahren zum Schneiden von Werkstücken mittels eines Laserstrahls bereitgestellt, bei dem einer primären Vorschubbewegung des auf die Werkstückoberfläche projizierten Laserstrahls eine sich periodisch wiederholende Sekundärbewegung des Laserstrahls überlagert ist. Die primäre Vorschubbewegung des Laserstrahls ist dabei mit der Vorschubbewegung eines Laserschneidkopfes gleichzusetzen, mit dem der Laserstrahl auf die Werkstückoberfläche projiziert wird. Es versteht sich, dass jede Vorschubbewegung des Laserstrahls als Relativbewegung zwischen Laserstrahl und Werkstückoberfläche zu verstehen ist.
Die Sekundärbewegung umfasst wenigstens zwei, insbesondere geradlinige, Bahnabschnitte, die in unterschiedliche Richtungen weisen. Beispielsweise kann die Sekundärbewegung eine gerade Linie beschreiben. In diesem Fall setzt sich die Sekundärbewegung aus zwei geradlinigen Bahnabschnitten zusammen, die in entgegengesetzte Richtungen weisen. Die Sekundärbewegung kann allerdings auch weitere geradlinige und/oder gekrümmte Bahnabschnitte aufweisen.
Erfindungsgemäß wird für die Sekundärbewegung eine über die gesamte Strecke der Sekundärbewegung oder über wenigstens einen der Bahnabschnitte konstante Bahngeschwindigkeit vorgegeben. Ferner wird die Bahngeschwindigkeit der Sekundärbewegung derart gedrosselt vorgegeben, dass eine tatsächliche Bahngeschwindigkeit der Sekundärbewegung der vorgegebenen Bahngeschwindigkeit im Wesentlichen entspricht, sodass der Energieeintrag aus dem Laserstrahl in das Werkstück über die gesamte Strecke der Sekundärbewegung oder über wenigstens einen der Bahnabschnitte im Wesentlichen konstant ist. Bei einem Richtungswechsel (z.B. Umkehrpunkt) zwischen benachbarten Bahnabschnitten der Sekundärbewegung des Laserstrahls werden durch die Drosselung der vorgegebenen
Bahngeschwindigkeit (positive und negative) Beschleunigungsabschnitte auf ein Minimum der Bahnstrecke reduziert. Würde die vorgegebene Bewegungsgeschwindigkeit der Sekundärbewegung kontinuierlich gesteigert werden, so würde sich die Bewegungsfunktion der Sekundärbewegung aufgrund der Massenträgheit der oszillierenden optischen Elemente zwischen zwei Richtungswechseln an eine harmonische Schwingung annähern. Eine im Wesentlichen konstante tatsächliche Bahngeschwindigkeit wäre dann nicht mehr möglich.
Die Formulierung, wonach die tatsächliche Bahngeschwindigkeit der vorgegebenen konstanten Bahngeschwindigkeit „im Wesentlichen entspricht", ist im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung so zu verstehen, dass die tatsächliche Bahngeschwindigkeit des auf die Werkstückoberfläche projizierten Laserstrahls (also die Geschwindigkeit, mit der der Laserstrahl über die Werkstückoberfläche bewegt wird) auf mindestens 60 %, bevorzugter auf mindestens 80 %, noch bevorzugter auf mindestens 90 % der betrachteten Strecke (gesamte Sekundärbewegung oder ausgewählte Bahnabschnitte) der vorgegebenen konstanten Bahngeschwindigkeit entspricht. Dabei ist mit der Werkstückoberfläche die Oberfläche des Werkstücks im Ausgangszustand gemeint. Der Einfachheit halber ist der Begriff „Werkstückoberfläche" insoweit auch als den Schnittspalt überspannende Projektionsebene für den einfallenden Laserstrahl zu verstehen.
Bei den aus dem Stand der Technik bekannten Pendelbewegungen des Laserstrahls, die auf harmonischen Oszillationsbewegungen beruhen, kommt es (mit Ausnahme einer exakt kreisförmigen Pendelbewegung) zwangsläufig zu einer ungleichmäßigen Erwärmung des Werkstücks entlang der Pendelbewegung. Zur Mitte einer auf einer harmonischen Bewegungsfunktion basierenden Oszillations- bzw. Pendelfigur hin ist die Bahngeschwindigkeit am größten und der Energieeintrag des Laserstrahls in das Werkstück und damit die Erwärmung des Werkstücks in diesem Bereich am geringsten.
Das erfindungsgemäße Verfahren kann mittels einer Laserschneidanlage implementiert werden, bei der der Laserstrahl über einen Schneidkopf auf das zu schneidende Werkstück gestrahlt wird. Die Sekundärbewegung des Laserstrahls kann vorzugsweise mittels einer entsprechenden Scanneroptik innerhalb des Schneidkopfes erzeugt werden. Dazu wird der Laserstrahl durch eine entsprechende Bewegung wenigstens eines optischen Elements (z.B. eines Faserendes, eines Spiegels oder einer Linse) im Strahlengang des Laserstrahls abgelenkt.
Durch die erfindungsgemäße Drosselung der vorgegebenen Bahngeschwindigkeit der Sekundärbewegung kann eine über die gesamte Strecke der Sekundärbewegung oder über die Strecke wenigstens eines der Bahnabschnitte gleichmäßige Erwärmung des Werkstücks durch den Laserstrahl erreicht werden. Die Homogenität bzw. die Gleichmäßigkeit der Energieeinkopplung in das Werkstück kann somit verbessert werden. Insbesondere kann der Ausbildung einer ins Schnittspaltinnere gewölbten Schneidfront entgegengewirkt und somit unter anderem Strömungsabrissen des Schneidgasstrahls an der Schneidfront vorgebeugt werden. Genauer gesagt: Wird der Schmelzfilm auf der Schneidfrontoberfläche mit Hilfe einer linearen Pendelbewegung des Laserstrahls erwärmt, welche mit einer erfindungsgemäß reduzierten, konstanten Bahngeschwindigkeit ausgeführt wird, resultiert die Abnahme der Heizleistung des Laserstrahls vom oberen zum unteren Ende der Schneidfront hin lediglich aus der Abnahme der Laserstrahlintensität an dessen Auftreffpunkt auf der Schneidfront aufgrund der natürlichen Divergenz des sich unterhalb des an der Werkstückoberfläche befindlichen Fokuspunktes im Schnittspalt zunehmend aufweitenden Laserstrahls. Diese im Wesentlichen lineare Abnahme der Heizleistung des Laserstrahls in zunehmender Tiefe des Schnittspaltes kann weitgehend durch die im Schmelzfilm ebenfalls zum unteren Ende der Schneidfront hin akkumulierte Prozesswärme kompensiert werden. Hieraus resultiert in guter Näherung ein linearer, konstant geneigter Verlauf der Schneidfrontoberfläche, welcher der Schneidgasstrahl einfach folgen und somit die Schmelze entlang der gesamten Schneidfront - und insbesondere auch an deren unterem Ende - effektiv und mit minimaler Gratanhaftung austreiben kann.
Erfindungsgemäß kann der Sekundärbewegung eine nicht-harmonische Bewegungsfunktion zugrunde liegen. Eine nicht-harmonische Bewegungsfunktion umfasst beispielsweise eine zickzack-förmige Bewegungsfunktion. Eine zickzackförmige Bewegungsfunktion im Sinne der vorliegenden Erfindung umfasst auch eine Bewegungsfunktion, bei der die Zacken abgeflacht sind, wie z.B. bei der Erzeugung einer rechteckförmigen Sekundärbewegung. Der Sekundärbewegung können auch mehrere zickzackförmige Bewegungsfunktionen zugrunde liegen, insbesondere eine zickzackförmige Bewegungsfunktion in x- Richtung (bzw. längs zur primären Vorschubbewegung) und eine zickzackförmige Bewegungsfunktion in y-Richtung (bzw. quer zur primären Vorschubbewegung), die einander überlagert sein können. Eine nicht-harmonische Bewegungsfunktion im Sinne der vorliegenden Erfindung kann ferner zickzack-förmige Abschnitte und sinusförmige (harmonisch schwingende) Abschnitte umfassen. Insoweit ist kann eine „nicht-harmonische Bewegungsfunktion" im Sinne der vorliegenden Erfindung auch als „nicht ausschließlich harmonische Bewegungsfunktion" bezeichnet werden. Bei dem Vorliegen sinusförmiger Abschnitte in der nichtharmonischen Bewegungsfunktion kann vorzugsweise einem sinusförmigen Abschnitt in x-Richtung ein ebenfalls sinusförmiger (bzw. cosinusförmiger) Abschnitt in y-Richtung derart überlagert sein, dass eine in dem betreffenden Bahnabschnitt konstante Bahngeschwindigkeit resultiert. Insoweit unterscheidet sich das erfindungsgemäße Verfahren von den meisten Scanner- Schneidverfahren, bei denen Pendelmuster in Form von Lissajous-Figuren erzeugt werden..
Für die Sekundärbewegung kann die höchstmögliche Bewegungsgeschwindigkeit vorgegeben werden, bei der die tatsächliche Bahngeschwindigkeit noch im Wesentlichen der vorgegebenen Bahngeschwindigkeit entspricht. Es kann ein Wert festgelegt werden, der bestimmt, wann die tatsächliche Bahngeschwindigkeit als im Wesentlichen der vorgegebenen Bahngeschwindigkeit entsprechend anzusehen ist. Beispielsweise kann dazu bestimmt werden, auf wieviel Prozent der betrachteten Strecke der Sekundärbewegung die tatsächliche Bahngeschwindigkeit der vorgegebenen Bahngeschwindigkeit entsprechen soll. Bei einer geradlinigen Sekundärbewegung (z.B. längs oder quer der primären Vorschubbewegung) kann beispielsweise bestimmt werden, dass die tatsächliche Bahngeschwindigkeit auf wenigstens 60 %, bevorzugt wenigstens 80 %, noch bevorzugter wenigstens 90 % der Länge der linienförmigen Sekundärbewegung der konstanten vorgegebenen Bahngeschwindigkeit entsprechen soll, um ihr „im Wesentlichen" zu entsprechen.
Es versteht sich, dass die maximale vorgegebene Bahngeschwindigkeit der Sekundärbewegung, bei der die tatsächliche Bahngeschwindigkeit nicht wesentlich abweicht, stark von dem Antrieb der Scanneroptik (z.B. Piezo-Antrieb oder Galvo-Antrieb), sowie von der Masse des oder der hin- und herzubewegenden optischen Elemente abhängt.
Vorzugsweise kann die vorgegebene Bahngeschwindigkeit der Sekundärbewegung größer sein als eine Geschwindigkeit der primären Vorschubbewegung (primäre Vorschubgeschwindigkeit). Das Verhältnis zwischen der Bahngeschwindigkeit der Sekundärbewegung und der primären Vorschubgeschwindigkeit hat einen Einfluss auf den Überlappungsgrad der Projektionsbahnen (des Laserstrahls) zweier aufeinanderfolgender Bewegungszyklen der Sekundärbewegung während des Schneidens. Die Geschwindigkeit der primären Vorschubbewegung kann, insbesondere in Abhängigkeit von der Dicke des zu schneidenden Werkstücks, im Bereich von 0,1 m/min bis 80 m/min liegen.
Der Überlappungsgrad kann bei gegebenem Fokusdurchmesser des Laserstrahls und bei gegebener Geschwindigkeit der primären Vorschubbewegung wenigstens 50 %, bevorzugt wenigstens 70 %, noch bevorzugter wenigstens 80 % betragen. Je höher die Wiederholrate der Sekundärbewegung ist (bei gleichbleibendem Fokusdurchmesser und gleichbleibender primärer Vorschubgeschwindigkeit), desto höher ist auch der Überlappungsgrad. Eine höherer Überlappungsgrad kann das Abkühlverhalten des vom Laserstrahl aufgeschmolzenen Materials des Werkstücks verbessern. Insbesondere kann die lokale Abkühlung des Werkstücks verlangsamt werden.
Gemäß einer Variante kann die vorgegebene Bahngeschwindigkeit der Sekundärbewegung zwischen 0,25 m/s und 2 m/s, bevorzugter zwischen 0,5 m/s und 1,5 m/s, noch bevorzugter etwa 1 m/s betragen. In Versuchen wurde bei einer Bahngeschwindigkeit von 1 m/s ein besonders gutes Verhältnis zwischen Wiederholrate und Konstanz der lokalen Werkstückerwärmung über die gesamte Strecke (bzw. Fläche) der Sekundärbewegung des Laserstrahls festgestellt.
Erfindungsgemäß kann wenigstens einer der Bahnabschnitte der Sekundärbewegung eine Länge zwischen 100 pm und 1200 pm, bevorzugt zwischen 400 pm und 1000 pm, noch bevorzugter zwischen 600 pm und 800 pm aufweisen. Eine Bahnlänge zwischen 600 pm und 800 pm kann insbesondere bei einer Dicke des Werkstücks von etwa 15 mm bevorzugt sein. Grundsätzlich kann eine optimale Länge der Bahnabschnitte der Sekundärbewegung in Abhängigkeit von der Dicke des Werkstücks variieren.
Die Sekundärbewegung kann gemäß einer Variante wenigstens einen eindimensionalen Bahnabschnitt umfassen, der längs oder quer zur primären Vorschubbewegung ausgerichtet ist. Gemäß einer bevorzugten Variante kann das mit dem erfindungsgemäßen Verfahren zu bearbeitende Werkstück ein, vorzugsweise metallisches, plattenförmiges Werkstück sein.
Ferner kann die Ausrichtung der Sekundärbewegung des Laserstrahls an den Verlauf der primären Vorschubbewegung angepasst sein. Das heißt, die Sekundärbewegung kann, zum Beispiel durch Drehen der Schneidoptik, der primären Vorschubbewegung nachorientiert werden.
Schließlich kann zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens ein Faser- , Scheiben-, CO2- oder Diodenlaser eingesetzt werden, der insbesondere eine Laserleistung von mehreren kW aufweist.
Ebenfalls in den Rahmen der vorliegenden Erfindung fällt eine Laserschneidanlage, die zur Durchführung eines oben beschriebenen, erfindungsgemäßen Verfahrens eingerichtet ist. Die Laserschneidanlage ermöglicht somit die Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens, sodass dessen Vorteile realisiert werden.
Die Laserschneidanlage weist insbesondere einen relativ zu einer Werkstückauflage bewegbaren Laserbearbeitungskopf mit einer Schneiddüse auf. Die Laserschneidanlage ist dazu eingerichtet, die Schneiddüse mit einer primären Vorschubbewegung entlang einer Schneidkontur relativ zur Werkstückauflage zu bewegen. Die Laserschneidanlage ist ferner dazu eingerichtet, den Laserstrahl innerhalb der Schneiddüse mit einer Sekundärbewegung, welche eine Bewegungskomponente längs und/oder eine Bewegungskomponente quer zur primären Vorschubbewegung aufweist, zu bewegen, wobei für die Sekundärbewegung eine über die gesamte Strecke der Sekundärbewegung oder über wenigstens einen der Bahnabschnitte konstante Bahngeschwindigkeit vorgegeben wird. Insbesondere ist die Laserschneidanlage dazu eingerichtet, die Sekundärbewegung des Laserstrahls derart auszuführen, dass eine tatsächliche Bahngeschwindigkeit der Sekundärbewegung der vorgegebenen Bahngeschwindigkeit im Wesentlichen entspricht, sodass der Energieeintrag aus dem Laserstrahl in das Werkstück über die gesamte Strecke der Sekundärbewegung oder über wenigstens einen der Bahnabschnitte im Wesentlichen konstant ist. Eine Steuereinrichtung kann programmiert sein, den Bearbeitungskopf, eine Laserstrahlquelle entsprechend anzusteuern.
Vorzugsweise weist die Laserschneidanlage eine Scannereinrichtung auf, um den Laserstrahl innerhalb der Schneiddüse zu bewegen. Die Scannereinrichtung vereinfacht das Erzeugen der Sekundärbewegung. Die Scannereinrichtung kann in dem Laserbearbeitungskopf angeordnet sein. Die Steuereinrichtung ist vorzugsweise dazu programmiert, die Scannereinrichtung so anzusteuern, dass der Laserstrahl die Sekundärbewegung ausführt.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung, den Ansprüchen und der Zeichnung. Erfindungsgemäß können die vorstehend genannten und die noch weiter ausgeführten Merkmale jeweils einzeln für sich oder zu mehreren in beliebigen, zweckmäßigen Kombinationen Verwendung finden. Die gezeigten und beschriebenen Ausführungsformen sind nicht als abschließende Aufzählung zu verstehen, sondern haben vielmehr beispielhaften Charakter für die Schilderung der Erfindung.
Ausführungsbeispiele
Die nachfolgende Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele dient im Zusammenhang mit den Zeichnungen der näheren Erläuterung der Erfindung.
Es zeigen:
Fig. la Schematisch die Draufsicht auf ein Werkstück, das mit einem erfindungsgemäßen Verfahren geschnitten wird;
Fig. lb Einen Ausschnitt aus der Darstellung gemäß Figur la, in dem die Sekundärbewegung des Laserstrahls auf der Werkstückoberfläche isoliert dargestellt ist;
Fig. 2a Eine zickzackförmige Bewegungsfunktion der sich periodisch wiederholenden Sekundärbewegung eines Laserstrahls gemäß der vorliegenden Erfindung; Fig. 2b Eine harmonische (sinusförmige) Bewegungsfunktion der Sekundärbewegung eines Laserstrahls gemäß dem Stand der Technik;
Fig. 3a Eine Darstellung der tatsächlichen Bahngeschwindigkeit auf einem geradlinigen Bahnabschnitt der Sekundärbewegung gemäß der vorliegenden Erfindung;
Fig. 3b Eine Darstellung der tatsächlichen Bahngeschwindigkeit auf einem geradlinigen Bahnabschnitt der Sekundärbewegung gemäß dem Stand der Technik.
Fig. 4a Eine Darstellung der über einen Zeitraum mehrerer Bewegungszyklen integrierten Intensitätsverteilung über einen Bahnabschnitt der Sekundärbewegung bei im Wesentlichen konstanter Bahngeschwindigkeit; und
Fig. 4b Eine Darstellung der über einen Zeitraum mehrerer Bewegungszyklen integrierten Intensitätsverteilung über einen Bahnabschnitt der Sekundärbewegung bei nicht konstanter Bahngeschwindigkeit;
Figur la zeigt den Ausschnitt eines Werkstücks 10 in der Draufsicht während der Bearbeitung durch ein erfindungsgemäßes Schneidverfahren. Ein Laserstrahl wird mittels eines Laserschneidkopfes einer Laserschneidanlage (nicht dargestellt) auf die Werkstückoberfläche 12 fokussiert (vgl. kreisförmige Projektion(en) 30 des Laserstrahls auf der Werkstückoberfläche 12) und schmilzt das Werkstück 10 lokal auf. Das aufgeschmolzene Material des Werkstücks 10 wird mittels eines Prozessgasstrahls an der Unterseite des Werkstücks 10 ausgeblasen. Durch eine Relativbewegung des Laserschneidkopfes gegenüber der Werkstückoberfläche 12, der einer primären Vorschubbewegung 20 des Laserstrahls entspricht, entsteht auf diese Weise ein Schnittspalt 14 im Werkstück 10.
Der primären Vorschubbewegung 20 ist eine sich periodisch wiederholende Sekundärbewegung 22 des Laserstrahls überlagert, die gemäß den Figuren la und lb durch die überlagerten Projektionen 30 des Laserstrahls dargestellt ist. Die Sekundärbewegung 22 des Laserstrahls ist als gleichmäßige Hin- und Herbewegung des Laserstrahls zu verstehen, mittels derer sich etwa die Breite des Schnittspalts 14 (z.B. durch eine Auslenkung quer zur primären Vorschubbewegung 20) oder die Schneidfrontgeometrie (insbesondere durch eine Auslenkung längs zur primären Vorschubbewegung 20) beeinflussen lässt. Im Falle des in den Figuren la und lb dargestellten Beispiels setzt sich ein Bewegungszyklus der Sekundärbewegung 22 aus zwei übereinanderliegenden geradlinigen Bahnabschnitten 40 zusammen, die in jeweils unterschiedlicher Richtung mittels einer Scanner-Optik vom Laserstrahl abgefahren werden. Die Bahnabschnitte 40 weisen jeweils eine Länge 42 auf.
In den Figuren 2a und 2b ist jeweils die (tatsächliche) Bewegungsfunktion einer geradlinigen oszillierenden Sekundärbewegung 22 gemäß dem Beispiel in den Figuren la und lb dargestellt (ohne Einfluss der primären Vorschubbewegung 20). Beiden Darstellungen liegt das gleiche programmierte Bewegungsmuster zugrunde, nämlich eine geradlinige Hin- und Herbewegung in x-Richtung, also in Richtung der primären Vorschubbewegung 20. Die programmierte Bahnlänge 40 der Sekundärbewegung 22 beträgt 800 pm. Ferner liegt beiden dargestellten Funktionen jeweils eine programmierte zickzackförmige Bewegungsfunktion zugrunde, die eine konstante Bahngeschwindigkeit zwischen zwei Wendepunkten der Sekundärbewegung 22 vorgibt. Der Unterschied zwischen den Bewegungsfunktionen der Figuren 2a und 2b liegt in der unterschiedlichen vorgegebenen Bahngeschwindigkeit. Während die in Figur 2a dargestellte Bewegungsfunktion auf einer vorgegebenen Bahngeschwindigkeit von 0,25 m/s beruht, beträgt die vorgegebene Bahngeschwindigkeit gemäß Figur 2b 4 m/s.
Die hohe vorgegebene Bahngeschwindigkeit gemäß Figur 2b führt dazu, dass die programmierte zickzackförmige Bewegungsfunktion nicht eingehalten werden kann. Die resultierende Bewegungsfunktion gemäß Figur 2b gleicht eher einer sinusförmigen (harmonischen) Schwingung. Das liegt an der für die Masse der der oszillierenden optischen Elemente unzureichenden Leistungsfähigkeit der Scannerantriebe. Diese müssen bei jedem Richtungswechsel bis zum vollständigen Stillstand abgebremst und anschließend wieder auf die vorgegebene Geschwindigkeit beschleunigt werden. Der zu einem wesentlich früheren Zeitpunkt notwendigerweise einsetzende Prozess des Abbremsens vor jedem Richtungswechsel und der anschließende „träge" Beschleunigungsprozess führen nicht nur zu einer inkonstanten Bahngeschwindigkeit, sondern auch zu einer erheblichen Verringerung der tatsächlichen Länge 42a, 42b der Bahnabschnitte 40 der Sekundärbewegung auf nur noch etwa 550 |jm (statt 800 |jm). Bei einer gedrosselten Bahngeschwindigkeit gemäß Figur 2a hingegen kann die vorgegebene zickzackförmige Bewegungsfunktion und somit auch die vorgegebene Länge 42 der Bahnabschnitte 40 im Wesentlichen eingehalten werden. Die waagerechte Linie in der Mitte der jeweiligen Darstellung gibt die Bewegung in y-Richtung an. Da die Sekundärbewegung 22 gemäß dem vorliegenden Beispiel keine Bewegungskomponente in y-Richtung umfasst, zeigt die Linie keinen Ausschlag.
In den Figuren 3a und 3b ist jeweils die tatsächliche Bahngeschwindigkeit während eines Bewegungszyklus der Sekundärbewegung 22 gemäß den Figuren 2a und 2b dargestellt. Das Geschwindigkeitsprofil gemäß Figur 3a stimmt mit der Bewegungsfunktion gemäß Figur 2a überein. Es ist zu sehen, dass die vorgegebene konstante Bahngeschwindigkeit von 0,25 m/s schnell erreicht und im Wesentlichen über die gesamte Länge der geradlinigen Bahnabschnitte 40 (vgl. Fig. lb) konstant gehalten wird. An den Wendepunkten der Sekundärbewegung 22 wird die Bahngeschwindigkeit abrupt auf „0" reduziert und in die Gegenrichtung auf die vorgegebene Bahngeschwindigkeit (0,25 m/s) beschleunigt (vgl. die Zacken in der Bewegungsfunktion gern. Fig. 2a). Im Gegensatz dazu wird gemäß Figur 3b die vorgegebene Bahngeschwindigkeit von 4 m/s nur noch im Zentrum eines Bahnabschnitts entlang eines Abschnitts mit minimaler Länge erreicht. Im Wesentlichen setzt sich der Geschwindigkeitsverlauf gemäß Figur 3b aus einer Beschleunigung und sich unmittelbar anschließenden Verzögerung der tatsächlichen Bahngeschwindigkeit zusammen. Die vorgegebene Bahngeschwindigkeit von 4 m/s wird tatsächlich nur entlang des oben erwähnten Abschnitts minimaler Länge auf dem jeweiligen Bahnabschnitt erreicht. Auch in den Figuren 3a und 3b gibt die mittlere horizontale Linie (in Fig. 3a mit entsprechendem Messrauschen) an, dass keine Bewegung in y-Richtung stattfindet.
Die unterschiedliche vorgegebene Bahngeschwindigkeit der Sekundärbewegung resultiert in einer entsprechend unterschiedlichen Erwärmung des Werkstücks über die Bahnlänge 42 der Sekundärbewegung 22. Figur 4a zeigt eine über die gesamte Bahnlänge 42 der Sekundärbewegung 22 gleichmäßige Intensitätsverteilung, der eine gedrosselte vorgegebene Bahngeschwindigkeit gemäß den Figuren 2a und 3a zugrunde liegt. Das heißt über die gesamte Länge von 800 |jm wird gleichmäßig Energie durch den Laserstrahl in das Werkstück eingebracht. Im Gegensatz hierzu kommt es bei der überhöhten vorgegebenen Bahngeschwindigkeit (vgl. auch Figuren 2b und 3b) zu einer Konzentration des Energieeintrags an den Wendepunkten der Sekundärbewegung (s. Fig. 4b). Bei überhöhter Bahngeschwindigkeit reduziert sich also nicht nur die tatsächliche Bahnlänge 42 der Sekundärbewegung 22. Der ungleiche Energieeintrag durch den Laserstrahl in das Werkstück führt zu einem ungleichförmigen Schmelzverhalten des Werkstücks über die Bahnlänge der Sekundärbewegung.
Bezugszeichenliste
10 Werkstück
12 Werkstückoberfläche
14 Schnittspalt
20 Primäre Vorschubbewegung des Laserstrahls
22 Sich periodisch wiederholende Sekundärbewegung des Laserstrahls
30 Projektion des Laserstrahls auf der Werkstückoberfläche (zu diskreten, aufeinanderfolgenden Zeitpunkten („Stroboskop-Darstellung"))
40 Geradliniger Bahnabschnitt der Sekundärbewegung
42 Bahnlänge der Sekundärbewegung
42a Tatsächliche Bahnlänge der Sekundärbewegung bei gedrosselter vorgegebener Bahngeschwindigkeit
42b Tatsächliche Bahnlänge der Sekundärbewegung bei überhöhter vorgegebener Bahngeschwindigkeit
44a Bewegungsfunktion der Sekundärbewegung bei gedrosselter vorgegebener Bahngeschwindigkeit
44b Bewegungsfunktion der Sekundärbewegung bei überhöhter vorgegebener Bahngeschwindigkeit

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zum Schneiden von Werkstücken (10) mittels eines Laserstrahls, bei dem einer primären Vorschubbewegung (20) des auf die Werkstückoberfläche (12) projizierten Laserstrahls eine sich periodisch wiederholende Sekundärbewegung (22) des Laserstrahls überlagert ist; wobei die Sekundärbewegung (22) wenigstens zwei, insbesondere geradlinige, Bahnabschnitte (40) umfasst, die in unterschiedliche Richtungen weisen; wobei ferner für die Sekundärbewegung (22) eine über die gesamte Strecke der Sekundärbewegung (22) oder über wenigstens einen der Bahnabschnitte (40) konstante Bahngeschwindigkeit vorgegeben wird; und wobei die Bahngeschwindigkeit derart gedrosselt vorgegeben wird, dass eine tatsächliche Bahngeschwindigkeit der Sekundärbewegung der vorgegebenen Bahngeschwindigkeit im Wesentlichen entspricht, sodass der Energieeintrag aus dem Laserstrahl in das Werkstück (20) über die gesamte Strecke der Sekundärbewegung (22) oder über wenigstens einen der Bahnabschnitte (40) im Wesentlichen konstant ist.
2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Sekundärbewegung eine nichtharmonische Bewegungsfunktion zugrunde liegt.
3. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei zum Schneiden die höchstmögliche Bahngeschwindigkeit für die Sekundärbewegung (22) vorgegeben wird, bei der die tatsächliche Bahngeschwindigkeit noch im Wesentlichen der vorgegebenen Bahngeschwindigkeit entspricht.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die vorgegebene Bahngeschwindigkeit des Laserstrahls größer ist als eine Geschwindigkeit der primären Vorschubbewegung (20).
5. Verfahren nach Anspruch 4, wobei ein Überlappungsgrad der Projektionsbahnen zweier aufeinanderfolgender Bewegungszyklen der Sekundärbewegung bei gegebenem Fokusdurchmesser des Laserstrahls und bei gegebener Geschwindigkeit der primären Vorschubbewegung wenigstens 50 %, bevorzugt wenigstens 70 %, noch bevorzugter wenigstens 80 % beträgt.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die vorgegebene Bahngeschwindigkeit zwischen 0,25 m/s und 2 m/s, bevorzugter zwischen 0,5 m/s und 1,5 m/s, noch bevorzugter 1 m/s beträgt.
7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei wenigstens einer der Bahnabschnitte der Sekundärbewegung (22) eine Länge zwischen 100 pm und 1200 pm, bevorzugt zwischen 400 pm und 1000 pm, noch bevorzugter zwischen 600 pm und 800 pm aufweist.
8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Sekundärbewegung (22) wenigstens einen eindimensionalen Bahnabschnitt (40) umfasst, der längs oder quer zur primären Vorschubbewegung (20) des Laserstrahls ausgerichtet ist.
9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Werkstück (10) ein, vorzugsweise metallisches, plattenförmiges Werkstück (10) ist.
10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Ausrichtung der Sekundärbewegung (22) an den Verlauf der primären Vorschubbewegung (20) angepasst wird.
11. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei ein Faser-, Scheiben-, CO2- oder Diodenlaser eingesetzt wird.
12. Laserschneidanlage eingerichtet zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche.
13. Laserschneidanlage nach Anspruch 12, wobei eine Scannereinrichtung vorgesehen ist, um den Laserstrahl innerhalb der Schneiddüse zu bewegen.
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