WO2024088851A1 - Technique for rounding workpiece edges - Google Patents

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WO2024088851A1
WO2024088851A1 PCT/EP2023/079000 EP2023079000W WO2024088851A1 WO 2024088851 A1 WO2024088851 A1 WO 2024088851A1 EP 2023079000 W EP2023079000 W EP 2023079000W WO 2024088851 A1 WO2024088851 A1 WO 2024088851A1
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Patrick Mach
Christian Keller
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TRUMPF Werkzeugmaschinen SE + Co. KG
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    • B23K2103/02Iron or ferrous alloys
    • B23K2103/04Steel or steel alloys

Definitions

  • the present invention relates to the field of laser (fusion) cutting.
  • the invention relates to a method, a device and a computer program product for laser cutting a workpiece while simultaneously forming a rounding at the upper end of the cutting edge.
  • the invention also relates to a workpiece that can be produced using the method.
  • a laser beam is usually directed together with a cutting gas jet as a processing beam onto a workpiece to be cut, in particular a metallic workpiece.
  • the processing beam is moved along a predeterminable cutting contour relative to the workpiece, whereby the workpiece is melted along the cutting contour by the laser beam and the melt is expelled downwards by the cutting gas jet, forming a cutting gap.
  • the laser beam has at least two intensity ranges, with a core region of the laser beam providing the energy to generate the cutting gap and an edge region of the laser beam surrounding the core region generating a rounding or a bevel at the upper end of the cutting gap. This can improve the coupling of the cutting gas into the cutting gap (see.
  • the transition between the cutting edge and the workpiece surface can be haptically enhanced by creating a rounding (see e.g. DE 10 2019 125 103 Al).
  • An object of the present invention is therefore to further increase the quality of the cutting edge.
  • a method for cutting a metallic workpiece using a laser beam is specified.
  • the laser beam is provided with a total laser power Ptotai.
  • the laser beam has a first partial laser beam with a first laser power Pi, a second partial laser beam adjacent to the first partial laser beam with a second laser power P2, and a third partial laser beam adjacent to the second partial laser beam with a third laser power P3.
  • Pi 0.33*Ptotai ⁇ Pi ⁇ 0.85*Ptotai.
  • P 2 0.06*Ptotai ⁇ P2 ⁇ 0.48*Ptotai.
  • P 3 0.01*Ptotai ⁇ P3 ⁇ 0.30*Ptotai.
  • the laser beam is usually directed at the workpiece along a predefined contour together with a process gas jet or a cutting gas jet.
  • the workpiece is melted and blown downwards out of the resulting cutting gap by the process gas jet.
  • the total laser power Ptotai results from the addition of the laser powers Pi, P2, P3 of the partial laser beams.
  • Pi 0.45* Ptotai ⁇ Pi ⁇ 0.85*Ptotai, more preferably 0.48* Ptotai ⁇ Pi ⁇ 0.63* Ptotai.
  • P2 0.09* Ptotai ⁇ P2 ⁇ 0.23* Ptotai.
  • P3 0.18* Ptotal ⁇ P3 ⁇ 0.30* Ptotal.
  • the first laser beam provides the energy to generate the cutting gap, while the second and third laser beams each round the edges at the upper end of the cutting gap.
  • the higher the power in the first laser beam Pi the higher the cutting speed can be selected, i.e. the feed rate of the processing beam consisting of the laser beam and the process gas jet/cutting gas jet relative to the workpiece surface. If the first laser power Pi is reduced by 20%, for example, a reduction in the cutting speed of between 10% and 20% may be necessary to ensure a good cutting result, in particular a high cutting edge quality.
  • the laser beam can be provided by means of a multi-core fiber of a laser cutting system.
  • the multi-core fiber comprises a first fiber core for providing the first partial laser beam, wherein the first fiber core has a circular cross-section, preferably with an outer diameter of 100 pm.
  • the multi-core fiber further comprises a second fiber core for providing the second partial laser beam, wherein the second fiber core has an annular cross-section, preferably with an outer diameter of 400 pm, and wherein the second fiber core is arranged concentrically around the first fiber core.
  • the multi-core fiber further comprises a third fiber core for providing the third partial laser beam, wherein the third fiber core has an annular cross-section, preferably with an outer diameter of 700 pm, and wherein the third fiber core is arranged concentrically around the second fiber core.
  • the fiber cores can each be spaced apart from one another by an intermediate cladding.
  • the intermediate cladding can have a thickness of at least 5 ⁇ m and/or at most 20 ⁇ m, preferably at most 10 ⁇ m.
  • Additional fiber cores can also be provided to provide additional partial beams. In this way, the intensity distribution on the workpiece can be adjusted even more precisely. In principle, it can be provided that the laser power in the first partial laser beam is greater than the laser power in each of the other partial laser beams.
  • the beam profile of the laser beam in the beam focus essentially corresponds to the cross-section of the fiber cores of the optical fiber multiplied by an imaging ratio that can be specified by a focus optics.
  • the partial laser beams can be provided by splitting a common raw laser beam.
  • the raw laser beam can be provided by a laser beam source or a combination of several laser beam sources.
  • the raw laser beam in the free beam can be split into two partial beams by appropriate optical elements (e.g. wedge-shaped optical elements or birefringent elements).
  • One of the partial beams can then be split again by appropriate optical elements. In this way, the raw laser beam can be split into three partial laser beams, which are focused on the fiber end for coupling into the corresponding fiber core of the multicore or multi-core fiber.
  • the partial laser beams can also be provided from separately guided raw laser beams.
  • the raw laser beams can each be guided from a laser beam source or a combination of several laser beam sources (in particular from several laser modules of a fiber laser) to the multi-core fiber by means of optical fibers and each coupled into the corresponding fiber core, in particular by means of splicing.
  • the workpiece to be machined can preferably be a plate-shaped or tubular workpiece.
  • the workpiece can preferably have a workpiece thickness or a wall thickness of at least 5 mm, more preferably of at least 10 mm.
  • the workpiece can preferably consist of structural steel.
  • a laser cutting machine for cutting a workpiece.
  • the laser cutting machine comprises at least one laser beam source, a process gas supply and a multi-core fiber.
  • the multi-core fiber has a central, first fiber core and at least two further fiber cores surrounding the first fiber core in a ring shape for providing a central, first laser partial beam, a second laser partial beam surrounding the first laser partial beam in a ring shape and a third laser partial beam surrounding the second laser partial beam in a ring shape.
  • the laser cutting machine also comprises a focusing device which is set up to focus the laser partial beams in the direction of a workpiece to be processed, and a cutting nozzle which is designed to direct the process gas or the cutting gas together with the laser partial beams onto the workpiece.
  • the laser cutting machine also comprises a control device which is designed to control the laser cutting machine to carry out the method according to one of the variants described above.
  • Nitrogen or another inert gas can be used as the process gas.
  • Oxygen can also be used to carry out a flame cutting process or compressed air can be used as the process gas.
  • the laser beam source can comprise several laser modules, in particular fiber laser modules.
  • the laser beam source can basically comprise one or more solid-state lasers (eg fiber lasers and/or disk lasers) and/or diode lasers.
  • solid-state lasers eg fiber lasers and/or disk lasers
  • diode lasers The structure of the multiple core fiber has already been described above in connection with the method according to the invention. Reference is made to the description there.
  • the laser cutting machine can further comprise a beam splitting device which is designed to split a raw laser beam provided by the laser beam source into the first, second and third partial laser beams and to couple the partial laser beams into the respective fiber cores of the multi-core fiber.
  • the laser beam source can accordingly be designed to provide a single raw laser beam.
  • the beam splitting device can, for example, have two optical elements, e.g. wedge-shaped or birefringent elements, arranged one behind the other in the beam propagation direction, which are designed to first split the raw laser beam into the first partial beam and a further partial beam, which is in turn split by the second optical element into the second and third partial beams.
  • the power distribution between the laser beams can in this case be controlled by changing the position, in particular by pivoting or rotating, of the optical elements relative to the respective incident laser beam.
  • the laser beam source can be designed to provide a plurality of raw laser beams, each of which is coupled to a corresponding fiber core of the multiple core fiber by means of optical fibers, in particular welded by means of splicing. According to this configuration, the laser powers of the partial laser beams can be adjusted by providing a corresponding laser power at the laser beam source.
  • a computer program product which contains program information for reading out by the control unit of a laser cutting machine in order to carry out a method according to one of the variants described above by means of the laser cutting machine.
  • a plate-shaped or tubular metallic workpiece with at least one workpiece edge provided.
  • the workpiece has a rounding along at least a portion of the workpiece edge at the transition between the workpiece edge and a workpiece surface.
  • the rounding has a rounding radius of between 0.1 mm and 2 mm, preferably between 0.2 mm and 1.25 mm.
  • the workpiece has a first roughness in a first, upper edge region of the workpiece edge, immediately below the rounding.
  • the workpiece In a second, middle edge region of the workpiece edge, immediately below the upper edge region, the workpiece has a second roughness that is less than the first roughness.
  • the workpiece In a third, lower edge region, immediately below the middle edge region, the workpiece has a third roughness that is greater than the second roughness.
  • the first, second and third edge regions extend parallel to the workpiece surface or to the rounding.
  • the upper edge region, immediately below the rounding, is characterized by melt adhesions, so-called threads, which essentially determine the first roughness.
  • the upper edge region can have an average width that is at most 2 times as large, preferably at most 1.5 times as large, even more preferably at most as large as the radius of the fillet.
  • the quality of the workpiece edge is increased by minimizing the upper edge region below the fillet.
  • FIG. la Schematic of a laser cutting machine according to the invention
  • Fig. lb Schematically the cross-section of a multi-core fiber of a laser cutting machine according to the invention
  • FIG. 2 A schematic flow diagram of a laser cutting method according to the invention
  • FIG. 3 A workpiece during the introduction of a cutting gap in the context of a laser cutting method according to the invention, wherein the partial laser beams and a process gas jet emerging from the cutting nozzle are directed onto a surface of the workpiece, in a schematic perspective view;
  • FIG. 4a Schematically a workpiece according to the invention in a perspective view
  • FIG. 4b Schematic view of a cutting edge of a workpiece according to the invention.
  • FIG la shows a laser cutting machine 10 during the execution of a laser cutting process.
  • the laser cutting machine 10 here is a laser melting cutting machine.
  • a cutting gap 12 (see Figure 3, to which reference is made below) is introduced into a workpiece 14.
  • the workpiece 14 is plate-shaped and has a thickness 16 of, for example, 10 mm.
  • a laser beam comprising a first partial laser beam 18, a second partial laser beam 20 and a third partial laser beam 22, together with a process gas jet (not shown in Figure 1a) is directed onto a workpiece surface 24 of the workpiece 14.
  • the partial laser beams 18, 20, 22 and the process gas jet overlap one another in a cutting zone 26.
  • the material of the workpiece 14 is liquefied in the cutting zone 26 and expelled by the process gas jet to form the cutting gap 12.
  • the basic procedure for the laser cutting method is shown in the flow chart in Figure 2.
  • the first laser beam 18 is generated and directed onto the workpiece surface 24 of the workpiece 14.
  • a step 104 the second laser beam 20 is generated and directed onto the workpiece surface 24.
  • the third laser beam 22 is generated and directed onto the workpiece surface 24.
  • Steps 102, 104, 106 are generally carried out simultaneously and result in a common step 108 in which the laser beams 18, 20, 22 are directed onto the workpiece surface 24 together with the process gas beam along a predeterminable cutting contour.
  • the process gas beam and the three laser beams 18, 20, 22 can exit together from a nozzle 27.
  • a distance 70 of the nozzle 27 to the workpiece surface 24 of the workpiece 14 can be, for example, 2 mm (see Figure 3), but the distance can also be larger or smaller.
  • a dynamic gas pressure of the cutting gas emerging from the nozzle 27 can be, for example, 20 bar.
  • the arrow 50 indicates a feed direction in which the laser cutting head 27 is moved relative to the workpiece surface 24. In other words, the feed direction corresponds to a cutting direction.
  • the partial laser beams 18, 20, 22 can be provided from one or more raw laser beams 32 that are generated in one or more laser beam sources 30.
  • Each laser beam source can be a solid-state laser (in particular a fiber laser or a disk laser) or a diode laser.
  • the raw laser beam 32 can be split into the first partial laser beam 18, the second partial laser beam 20, and the third partial laser beam 22, for example by means of one or more beam splitters.
  • the partial laser beams 18, 20, 22 can also be provided by separate laser beam sources.
  • the partial laser beams 18, 20, 22 are coupled into a multiple-core fiber 36 and guided by means of the multiple-core fiber 36 to an optics 38 of a cutting head (not shown in more detail) of the laser cutting machine 10.
  • the multiple core fiber 36 has a first fiber core 40 for the first laser beam 18, a second fiber core 42 for the second laser beam 20, and a third fiber core 44 for the third laser beam 22 (see
  • the second fiber core 42 and the third fiber core 44 are each designed as a ring fiber.
  • the fiber cores 40, 42, 44 can be arranged concentrically to one another.
  • a diameter of the first fiber core 40 can be 100 ⁇ m.
  • An outer diameter of the second fiber core 42 can be 400 ⁇ m.
  • An outer diameter of the third fiber core 44 can be 700 ⁇ m.
  • the fiber cores 40, 42, 44 can each be spaced apart from one another by an intermediate cladding with a lower refractive index than the fiber cores.
  • Such a cladding can each have a thickness of, for example, at least 5 ⁇ m. The thickness of the respective cladding also determines the inner diameter of the second fiber core 42 and the third fiber core 44.
  • the laser beam is provided with a total power Ptotai.
  • a particularly preferred power distribution can therefore be specified with the following ranges: 0.49*Ptotai ⁇ Pi ⁇ 0.63*Ptotai, 0.1*Ptotai ⁇ P2 ⁇ 0.21*Ptotal, 0.2*Ptotal ⁇ P3 ⁇ 0.3*Ptotal.
  • a rounding can be produced at the same time at the upper end of the cutting edge.
  • the rounding can, for example, have a rounding radius of 1 mm.
  • a solid-state laser eg a disk laser or a fiber laser
  • a laser power of 12 kW can be used for cutting.
  • Two motor-operated wedge switches can be provided one behind the other in the beam path of the raw laser beam 32.
  • the power distribution between the first, second and third laser beams can be controlled by controlled displacement of the wedge switches in the beam path.
  • the raw laser beam 32 with 7.44 kW laser power can be coupled into the first fiber core 40 of the multi-core fiber 36 to form the first laser beam 18.
  • 18.4% of the raw laser beam 32 with 2.208 kW laser power can be coupled into the second fiber core 42 to form the second laser beam 20, and 19.6% of the raw laser beam 32 with 2.352 kW laser power can be coupled into the third fiber core 44 to form the third laser beam 22.
  • the feed rate is preferably set according to the power and diameter of the first laser beam. Therefore, it may also be preferable to select the first laser power Pi of the first laser partial beam 18 as high as possible within the specified range in order to increase the efficiency of the cutting process.
  • Figures 4a and 4b schematically shows a plate-shaped workpiece 14 according to the invention with a cutting edge 15.
  • the workpiece 14 is preferably made of structural steel.
  • the workpiece 14 has a rounding 17.
  • the rounding 17 can have a rounding radius of between 0.1 mm and 2 mm, for example 0.5 mm.
  • Figure 4b shows a schematic side view of the workpiece 14 looking at the cutting edge 15.
  • the cutting edge 15 can be divided into three areas below the rounding 17, a first, upper edge area 152, a second, middle edge area 154 and a third, lower edge area 156.
  • the cutting edge 15 has melt adhesions that are unavoidable when remelting by the second and third partial laser beams 20, 22. Due to the power distribution of the laser beam according to the invention, the upper edge region 152 can be kept particularly narrow.
  • the adjoining middle edge region 154 is characterized by a particularly low roughness. According to the present invention, the middle edge region 154 can be advantageously maximized by the special power distribution and thus the edge quality of the workpiece 14 can be improved.
  • the roughness increases again slightly compared to the middle edge region due to the formation of grooves 157 during the laser melting cutting process.
  • a workpiece 14 can be provided with a particularly smooth edge surface compared to the prior art, which can be manufactured particularly efficiently in one work step.
  • the roughness value in the upper edge region 152 only increases over a short width and then decreases again in the middle edge region 14, before increasing slightly again in the lower edge region.
  • an average value can be formed from the length of the individual melt threads 153.
  • the upper edge region 152 can preferably be at most 1.5 times as large, even more preferably at most as large as the rounding radius.

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Abstract

The invention relates to a method for cutting a metal workpiece (14) using a laser beam, said laser beam being provided with a total laser output power Ptotal. The laser beam has a first laser partial beam 18) which has a first laser output power P1, a second laser partial beam (20) which adjoins the first laser partial beam (18) and has a second laser output power P2, and a third laser partial beam (22) which adjoins the second laser partial beam (20) and has a third laser output power P3. For P1, the following applies: 0.33*Ptotal ≤ P1 ≤ 0.85*Ptotal. For P2, the following applies: 0.06*Ptotal ≤ P2 ≤ 0.48*Ptotal. For P3, the following applies: 0.01*Ptotal ≤ P3 ≤ 0.30*Ptotal. The invention additionally relates to a laser cutting machine (10), to a computer program for the computer-aided implementation of the method, and to a workpiece (14) with special edge properties.

Description

Technik zum Verrunden einer Werkstückkante Technique for rounding a workpiece edge
Gebiet der Erfindung Field of the invention
Die vorliegende Erfindung betrifft das Gebiet des Laser(schmelz)schneidens. Insbesondere betrifft die Erfindung ein Verfahren, eine Vorrichtung und ein Computerprogrammprodukt zum Laserschneiden eines Werkstücks unter gleichzeitiger Ausbildung einer Verrundung am oberen Ende der Schnittkante. Ferner betrifft die Erfindung ein mittels des Verfahrens herstellbares Werkstück. The present invention relates to the field of laser (fusion) cutting. In particular, the invention relates to a method, a device and a computer program product for laser cutting a workpiece while simultaneously forming a rounding at the upper end of the cutting edge. The invention also relates to a workpiece that can be produced using the method.
Stand der Technik State of the art
Verfahren zum Laserschmelzschneiden sind aus dem Stand der Technik bekannt. Beim Laserschmelzschneiden wird in der Regel ein Laserstrahl gemeinsam mit einem Schneidgasstrahl als Bearbeitungsstrahl auf ein zu schneidendes, insbesondere metallisches Werkstück gerichtet. Der Bearbeitungsstrahl wird entlang einer vorgebbaren Schneidkontur relativ über das Werkstück bewegt, wobei das Werkstück entlang der Schneidkontur durch den Laserstrahl aufgeschmolzen und die Schmelze durch den Schneidgasstrahl nach unten unter Ausbildung eines Schnittspalt ausgetrieben wird. Methods for laser fusion cutting are known from the prior art. In laser fusion cutting, a laser beam is usually directed together with a cutting gas jet as a processing beam onto a workpiece to be cut, in particular a metallic workpiece. The processing beam is moved along a predeterminable cutting contour relative to the workpiece, whereby the workpiece is melted along the cutting contour by the laser beam and the melt is expelled downwards by the cutting gas jet, forming a cutting gap.
Aus dem Stand der Technik sind ferner Verfahren bekannt, bei denen der Laserstrahl wenigstens zwei Intensitätsbereiche aufweist, wobei ein Kernbereich des Laserstrahls die Energie zur Erzeugung des Schnittspalts bereitstellt und ein den Kernbereich umgebender Randbereich des Laserstrahls eine Verrundung oder eine Fase am oberen Ende des Schnittspalts erzeugt. Dadurch kann die Einkopplung des Schneidgases in den Schnittspalt verbessert werden (vgl. Methods are also known from the prior art in which the laser beam has at least two intensity ranges, with a core region of the laser beam providing the energy to generate the cutting gap and an edge region of the laser beam surrounding the core region generating a rounding or a bevel at the upper end of the cutting gap. This can improve the coupling of the cutting gas into the cutting gap (see.
DE 10 2020 205 948 Al). Andererseits kann durch das Erzeugen einer Verrundung (vgl. z.B. DE 10 2019 125 103 Al) der Übergang zwischen Schnittkante und Werkstückoberfläche haptisch aufgewertet werden. On the other hand, the transition between the cutting edge and the workpiece surface can be haptically enhanced by creating a rounding (see e.g. DE 10 2019 125 103 Al).
Durch den Materialabtrag beim Erzeugen einer Verrundung am oberen Ende der Schnittkante kommt es bei den bekannten Verfahren an der Schnittkante unterhalb der Verrundung in der Regel zur Ausbildung von unregelmäßigen Schmelzeanhaftungen, sogenannten „Fäden", da das Material der Verrundung nicht mehr vollständig aus dem Schnittspalt ausgetrieben werden kann. Due to the material removal when creating a rounding at the upper end of the cutting edge, the known processes usually result in the formation of irregular Melt adhesions, so-called "threads", because the rounding material can no longer be completely expelled from the cutting gap.
Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht deshalb darin, die Qualität der Schnittkante weiter zu erhöhen. An object of the present invention is therefore to further increase the quality of the cutting edge.
Die Erfindung The invention
Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe wird durch die Gegenstände der unabhängigen Ansprüche gelöst. Weitere mögliche Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen, der Beschreibung und den Zeichnungen angegeben. Merkmale, Vorteile und mögliche Ausgestaltungen, die im Rahmen der Beschreibung für einen der Gegenstände der unabhängigen Ansprüche dargelegt sind, sind zumindest analog als Merkmale, Vorteile und mögliche Ausgestaltungen des jeweiligen Gegenstands der anderen unabhängigen Ansprüche sowie jeder möglichen Kombination der Gegenstände der unabhängigen Ansprüche, gegebenenfalls in Verbindung mit einem oder mehr der Unteransprüche, anzusehen. The problem underlying the invention is solved by the subject matter of the independent claims. Further possible embodiments of the invention are specified in the subclaims, the description and the drawings. Features, advantages and possible embodiments that are set out in the description for one of the subject matter of the independent claims are to be regarded at least analogously as features, advantages and possible embodiments of the respective subject matter of the other independent claims and of any possible combination of the subject matter of the independent claims, if appropriate in conjunction with one or more of the subclaims.
Erfindungsgemäß wird gemäß einem ersten Aspekt ein Verfahren zum Schneiden eines metallischen Werkstücks mittels eines Laserstrahls angegeben. Bei dem Verfahren wird der Laserstrahl mit einer Gesamtlaserleistung Ptotai bereitgestellt. Der Laserstrahl weist einen ersten Laserteilstrahl mit einer ersten Laserleistung Pi, einen zweiten, an den ersten Laserteilstrahl angrenzenden Laserteilstrahl mit einer zweiten Laserleistung P2, und einen dritten, an den zweiten Laserteilstrahl angrenzenden Laserteilstrahl mit einer dritten Laserleistung P3, auf. Dabei gilt für Pi: 0,33*Ptotai < Pi < 0,85*Ptotai. Für P2 gilt: 0,06*Ptotai < P2 < 0,48*Ptotai. Für P3 gilt: 0,01*Ptotai < P3 < 0,30*Ptotai. According to a first aspect of the invention, a method for cutting a metallic workpiece using a laser beam is specified. In the method, the laser beam is provided with a total laser power Ptotai. The laser beam has a first partial laser beam with a first laser power Pi, a second partial laser beam adjacent to the first partial laser beam with a second laser power P2, and a third partial laser beam adjacent to the second partial laser beam with a third laser power P3. The following applies for Pi: 0.33*Ptotai < Pi < 0.85*Ptotai. The following applies for P 2 : 0.06*Ptotai < P2 < 0.48*Ptotai. The following applies for P 3 : 0.01*Ptotai < P3 < 0.30*Ptotai.
Der Laserstrahl wird gewöhnlicherweise gemeinsam mit einem Prozessgasstrahl bzw. einem Schneidgasstrahl entlang einer vorgebbaren Kontur auf das Werkstück gerichtet. Dabei wird das Werkstück aufgeschmolzen und durch den Prozessgasstrahl nach unten aus dem entstehenden Schnittspalt ausgeblasen. Die Gesamtlaserleistung Ptotai ergibt sich aus einer Addition der Laserleistungen Pi, P2, P3 der Laserteilstrahlen. The laser beam is usually directed at the workpiece along a predefined contour together with a process gas jet or a cutting gas jet. The workpiece is melted and blown downwards out of the resulting cutting gap by the process gas jet. The total laser power Ptotai results from the addition of the laser powers Pi, P2, P3 of the partial laser beams.
Vorzugsweise kann für Pi gelten: 0,45* Ptotai < Pi < 0,85*Ptotai, noch bevorzugter 0,48* Ptotai < Pi < 0,63* Ptotai. Für P2 kann vorzugsweise gelten: 0,09* Ptotai < P2 < 0,23* Ptotai. Für P3 kann vorzugsweise gelten: 0, 18* Ptotal < P3 < 0,30* Ptotal. Preferably, the following applies to Pi: 0.45* Ptotai < Pi < 0.85*Ptotai, more preferably 0.48* Ptotai < Pi < 0.63* Ptotai. Preferably, the following applies to P2: 0.09* Ptotai < P2 < 0.23* Ptotai. Preferably, the following applies to P3: 0.18* Ptotal < P3 < 0.30* Ptotal.
Der erste Laserteilstrahl stellt die Energie zur Erzeugung des Schnittspalts bereit, während der zweite und der dritte Laserteilstrahl jeweils eine Kantenverrundung am oberen Ende des Schnittspalts bewirken. Je höher die Leistung im ersten Laserteilstrahl Pi ist, desto größer kann die Schneidgeschwindigkeit gewählt werden, also die Vorschubgeschwindigkeit des Bearbeitungsstrahls aus Laserstrahl und Prozessgasstrahl / Schneidgasstrahl gegenüber der Werkstückoberfläche. Bei einer Absenkung der ersten Laserleistung Pi um 20 % kann beispielsweise eine Reduktion der Schneidgeschwindigkeit zwischen 10 % und 20 % erforderlich sein, um ein gutes Schneidergebnis, insbesondere eine hohe Schnittkantenqualität zu gewährleisten. The first laser beam provides the energy to generate the cutting gap, while the second and third laser beams each round the edges at the upper end of the cutting gap. The higher the power in the first laser beam Pi, the higher the cutting speed can be selected, i.e. the feed rate of the processing beam consisting of the laser beam and the process gas jet/cutting gas jet relative to the workpiece surface. If the first laser power Pi is reduced by 20%, for example, a reduction in the cutting speed of between 10% and 20% may be necessary to ensure a good cutting result, in particular a high cutting edge quality.
Gemäß einer bevorzugten Variante kann der Laserstrahl mittels einer Mehrfachkernfaser einer Laserschneidanlage bereitgestellt werden. Die Mehrfachkernfaser umfasst einen ersten Faserkern zur Bereitstellung des ersten Laserteilstrahls, wobei der erste Faserkern einen kreisförmigen Querschnitt, vorzugsweise mit einem Außendurchmesser von 100 pm, aufweist. Ferner umfasst die Mehrfachkernfaser einen zweiten Faserkern zur Bereitstellung des zweiten Laserteilstrahls, wobei der zweite Faserkern einen ringförmigen Querschnitt, vorzugsweise mit einem Außendurchmesser von 400 pm, aufweist und wobei der zweite Faserkern konzentrisch um den ersten Faserkern angeordnet ist. Die Mehrfachkernfaser umfasst ferner einen dritten Faserkern zur Bereitstellung des dritten Laserteilstrahls, wobei der dritte Faserkern einen ringförmigen Querschnitt, vorzugsweise mit einem Außendurchmesser von 700 pm, aufweist und wobei der dritte Faserkern konzentrisch um den zweiten Faserkern angeordnet ist. Die Faserkerne können jeweils durch ein Zwischencladding voneinander beabstandet sein. Das Zwischencladding kann eine Dicke von wenigstens 5 |jm und/oder höchstens 20 |jm, vorzugsweise höchstens 10 |jm, aufweisen. According to a preferred variant, the laser beam can be provided by means of a multi-core fiber of a laser cutting system. The multi-core fiber comprises a first fiber core for providing the first partial laser beam, wherein the first fiber core has a circular cross-section, preferably with an outer diameter of 100 pm. The multi-core fiber further comprises a second fiber core for providing the second partial laser beam, wherein the second fiber core has an annular cross-section, preferably with an outer diameter of 400 pm, and wherein the second fiber core is arranged concentrically around the first fiber core. The multi-core fiber further comprises a third fiber core for providing the third partial laser beam, wherein the third fiber core has an annular cross-section, preferably with an outer diameter of 700 pm, and wherein the third fiber core is arranged concentrically around the second fiber core. The fiber cores can each be spaced apart from one another by an intermediate cladding. The intermediate cladding can have a thickness of at least 5 μm and/or at most 20 μm, preferably at most 10 μm.
Es können auch weitere Faserkerne zur Bereitstellung weiterer Teilstrahlen vorgesehen sein. Auf diese Weise kann die Intensitätsverteilung am Werkstück noch feiner eingestellt werden. Grundsätzlich kann vorgesehen sein, dass die Laserleistung in dem ersten Laserteilstrahl größer ist als die Laserleistung in jedem der weiteren Laserteilstrahlen. Additional fiber cores can also be provided to provide additional partial beams. In this way, the intensity distribution on the workpiece can be adjusted even more precisely. In principle, it can be provided that the laser power in the first partial laser beam is greater than the laser power in each of the other partial laser beams.
Das Strahlprofil des Laserstrahls im Strahlfokus (d.h. in einer Fokusebene des Laserstrahls) entspricht im Wesentlichen dem Querschnitt der Faserkerne der Lichtleitfaser multipliziert mit einem durch eine Fokusoptik vorgebbaren Abbildungsverhältnis. The beam profile of the laser beam in the beam focus (i.e. in a focal plane of the laser beam) essentially corresponds to the cross-section of the fiber cores of the optical fiber multiplied by an imaging ratio that can be specified by a focus optics.
Die Laserteilstrahlen können durch Aufteilen eines gemeinsamen Laserrohstrahls bereitgestellt werden. Der Laserrohstrahl kann von einer Laserstrahlquelle oder einer Kombination von mehreren Laserstrahlquellen bereitgestellt werden. Beispielsweise kann der Laserrohstrahl im Freistrahl durch entsprechende optische Elemente (z.B. keilförmige optische Elemente oder doppelbrechende Elemente) in zwei Teilstrahlen aufgeteilt werden. Einer der Teilstrahlen kann dann nochmals durch entsprechende optische Elemente aufgeteilt werden. Auf diese Weise kann der Laserrohstrahl in drei Laserteilstrahlen aufgeteilt werden, die zur Einkopplung in den entsprechenden Faserkern der Merhfachker- bzw. Multikernfaser auf das Faserende fokussiert werden. The partial laser beams can be provided by splitting a common raw laser beam. The raw laser beam can be provided by a laser beam source or a combination of several laser beam sources. For example, the raw laser beam in the free beam can be split into two partial beams by appropriate optical elements (e.g. wedge-shaped optical elements or birefringent elements). One of the partial beams can then be split again by appropriate optical elements. In this way, the raw laser beam can be split into three partial laser beams, which are focused on the fiber end for coupling into the corresponding fiber core of the multicore or multi-core fiber.
Gemäß einer alternativen Variante können die Laserteilstrahlen auch aus separat geführten Laserrohstrahlen bereitgestellt werden. Die Laserrohstrahlen können jeweils aus einer Laserstrahlquelle oder einer Kombination aus mehreren Laserstrahlquellen (insbesondere aus mehreren Lasermodule eines Faserlasers), mittels Lichtleitfasern zu der Mehrfachkernfaser geleitet und jeweils in den entsprechenden Faserkern, insbesondere mittels splicing, eingekoppelt werden. Das zu bearbeitende Werkstück kann vorzugsweise ein plattenförmiges oder rohrförmiges Werkstück sein. Vorzugsweise kann das Werkstück eine Werkstückdicke oder einer Wandstärke von wenigstens 5 mm, noch bevorzugter von wenigstens 10 mm aufweisen. Ferner kann das Werkstück vorzugsweise aus Baustahl bestehen. According to an alternative variant, the partial laser beams can also be provided from separately guided raw laser beams. The raw laser beams can each be guided from a laser beam source or a combination of several laser beam sources (in particular from several laser modules of a fiber laser) to the multi-core fiber by means of optical fibers and each coupled into the corresponding fiber core, in particular by means of splicing. The workpiece to be machined can preferably be a plate-shaped or tubular workpiece. The workpiece can preferably have a workpiece thickness or a wall thickness of at least 5 mm, more preferably of at least 10 mm. Furthermore, the workpiece can preferably consist of structural steel.
Gemäß einem zweiten Aspekt der Erfindung wird eine Laserschneidmaschine zum Schneiden eines Werkstücks bereitgestellt. Die Laserschneidmaschine umfasst zumindest eine Laserstrahlquelle, eine Prozessgaszufuhr und eine Mehrfachkernfaser. Die Mehrfachkernfaser weist einen zentralen, ersten Faserkern und wenigstens zwei den ersten Faserkern ringförmig umgebende weitere Faserkerne zur Bereitstellung eines zentralen, ersten Laserteilstrahls, eines zweiten, den ersten Laserteilstrahl ringförmig umgebenden Laserteilstrahls und eines dritten, den zweiten Laserteilstrahl ringförmig umgebenden, Laserteilstrahls auf. Ferner umfasst die Laserschneidmaschine eine Fokussiereinrichtung, die zur Fokussierung der Laserteilstrahlen in Richtung eines zu bearbeitenden Werkstücks eingerichtet ist, sowie eine Schneiddüse, die dazu ausgebildet ist, das Prozessgas bzw. das Schneidgas gemeinsam mit den Laserteilstrahlen auf das Werkstück zu richten. Die Laserschneidmaschine umfasst auch eine Steuerungseinrichtung, die dazu ausgebildet ist, die Laserschneidmaschine zur Durchführung des Verfahrens gemäß einer der oben beschriebenen Varianten anzusteuern. According to a second aspect of the invention, a laser cutting machine for cutting a workpiece is provided. The laser cutting machine comprises at least one laser beam source, a process gas supply and a multi-core fiber. The multi-core fiber has a central, first fiber core and at least two further fiber cores surrounding the first fiber core in a ring shape for providing a central, first laser partial beam, a second laser partial beam surrounding the first laser partial beam in a ring shape and a third laser partial beam surrounding the second laser partial beam in a ring shape. The laser cutting machine also comprises a focusing device which is set up to focus the laser partial beams in the direction of a workpiece to be processed, and a cutting nozzle which is designed to direct the process gas or the cutting gas together with the laser partial beams onto the workpiece. The laser cutting machine also comprises a control device which is designed to control the laser cutting machine to carry out the method according to one of the variants described above.
Als Prozessgas kann insbesondere Stickstoff oder ein anderes inertes Gas verwendet werden. Ebenso können Sauerstoff zur Durchführung eines Brennschneidprozesses oder Druckluft als Prozessgas verwendet werden. Nitrogen or another inert gas can be used as the process gas. Oxygen can also be used to carry out a flame cutting process or compressed air can be used as the process gas.
Die Laserstrahlquelle kann mehre Lasermodule, insbesondere Faserlasermodule, umfassen. Die Laserstrahlquelle kann grundsätzlich einen oder mehrere Festkörperlaser (z.B. Faserlaser und/oder Scheibenlaser) und/oder Diodenlaser umfassen. Der Aufbau der Mehrfachkernfaser wurde bereits weiter oben im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren beschrieben. Es sei auf die dortige Beschreibung verwiesen. The laser beam source can comprise several laser modules, in particular fiber laser modules. The laser beam source can basically comprise one or more solid-state lasers (eg fiber lasers and/or disk lasers) and/or diode lasers. The structure of the multiple core fiber has already been described above in connection with the method according to the invention. Reference is made to the description there.
Die Laserschneidmaschine kann ferner eine Strahlaufteilungseinrichtung umfassen, die dazu ausgebildet ist, einen von der Laserstrahlquelle bereitgestellten Laserrohstrahl in den ersten, den zweiten und den dritten Laserteilstrahl aufzuteilen und die Laserteilstrahlen in die jeweiligen Faserkerne der Mehrfachkernfaser einzukoppeln. Die Laserstrahlquelle kann entsprechend dazu ausgebildet sein einen einzigen Laserrohstrahl bereitzustellen. Die Strahlaufteilungseinrichtung kann beispielsweise zwei in Strahlausbreitungsrichtung hintereinander angeordnete optische, z.B. keilförmige oder doppelbrechende Elemente aufweisen, die dazu ausgebildet sind, den Laserrohstrahl zunächst in den ersten Teilstrahl und einen weiteren Teilstrahl aufzuteilen, welcher von dem zweiten optischen Element wiederum in den zweiten und den dritten Teilstrahl aufgeteilt wird. Die Leistungsverteilung zwischen den Laserstrahlen kann in diesem Fall über eine Änderung der Stellung, insbesondere durch ein Schwenken oder durch eine Rotation, der optischen Elemente relativ zu dem jeweils einfallenden Laserstrahl gesteuert werden. Alternativ kann die Laserstrahlquelle dazu ausgebildet sein, mehrere Laserrohstrahlen bereitzustellen, die jeweils mittels Lichtleitfasern mit einem entsprechenden Faserkern der Merhfachkernfaser gekoppelt, insbesondere mittels splicing verschweißt sind. Gemäß dieser Konfiguration können die Laserleistungen der Laserteilstrahlen durch Bereitstellen einer entsprechenden Laserleistung an der Laserstrahlquelle eingestellt werden. The laser cutting machine can further comprise a beam splitting device which is designed to split a raw laser beam provided by the laser beam source into the first, second and third partial laser beams and to couple the partial laser beams into the respective fiber cores of the multi-core fiber. The laser beam source can accordingly be designed to provide a single raw laser beam. The beam splitting device can, for example, have two optical elements, e.g. wedge-shaped or birefringent elements, arranged one behind the other in the beam propagation direction, which are designed to first split the raw laser beam into the first partial beam and a further partial beam, which is in turn split by the second optical element into the second and third partial beams. The power distribution between the laser beams can in this case be controlled by changing the position, in particular by pivoting or rotating, of the optical elements relative to the respective incident laser beam. Alternatively, the laser beam source can be designed to provide a plurality of raw laser beams, each of which is coupled to a corresponding fiber core of the multiple core fiber by means of optical fibers, in particular welded by means of splicing. According to this configuration, the laser powers of the partial laser beams can be adjusted by providing a corresponding laser power at the laser beam source.
Gemäß einem dritten Aspekt der Erfindung wird ein Computerprogrammprodukt bereitgestellt, das Programminformationen zum Auslesen durch die Steuerungseinheit einer Laserschneidmaschine enthält, um ein Verfahren nach einem der oben beschriebenen Varianten mittels der Laserschneidmaschine durchzuführen. According to a third aspect of the invention, a computer program product is provided which contains program information for reading out by the control unit of a laser cutting machine in order to carry out a method according to one of the variants described above by means of the laser cutting machine.
Gemäß einem vierten Aspekt der Erfindung wird ein plattenförmiges oder rohrförmiges, metallisches Werkstück mit wenigstens einer Werkstückkante bereitgestellt. Das Werkstück weist entlang wenigstens eines Abschnitts der Werkstückkante eine Verrundung am Übergang zwischen der Werkstückkante und einer Werkstückoberfläche auf. Die Verrundung weist einen Verrundungsradius zwischen 0,1 mm und 2 mm, vorzugsweise zwischen 0,2 mm und 1,25 mm, auf. Ferner weist das Werkstück in einem ersten, oberen Kantenbereich der Werkstückkante, unmittelbar unterhalb der Verrundung, eine erste Rauheit auf. In einem zweiten, mittleren Kantenbereich der Werkstückkante, unmittelbar unterhalb des oberen Kantenbereichs, weist das Werkstück eine zweite Rauheit auf, die geringer ist als die erste Rauheit. In einem dritten, unteren Kantenbereich, unmittelbar unterhalb des mittleren Kantenbereichs, weist das Werkstück eine dritte Rauheit auf, die größer ist als die zweite Rauheit. According to a fourth aspect of the invention, a plate-shaped or tubular metallic workpiece with at least one workpiece edge provided. The workpiece has a rounding along at least a portion of the workpiece edge at the transition between the workpiece edge and a workpiece surface. The rounding has a rounding radius of between 0.1 mm and 2 mm, preferably between 0.2 mm and 1.25 mm. Furthermore, the workpiece has a first roughness in a first, upper edge region of the workpiece edge, immediately below the rounding. In a second, middle edge region of the workpiece edge, immediately below the upper edge region, the workpiece has a second roughness that is less than the first roughness. In a third, lower edge region, immediately below the middle edge region, the workpiece has a third roughness that is greater than the second roughness.
Vorzugsweise erstrecken sich der erste, der zweite und der dritte Kantenbereich parallel zur Werkstückoberfläche bzw. zur Verrundung. Der obere Kantenbereich, unmittelbar unterhalb der Verrundung, ist durch Schmelzeanhaftungen, sogenannte Fäden, gekennzeichnet, welche die erste Rauheit im Wesentlichen bestimmen. Preferably, the first, second and third edge regions extend parallel to the workpiece surface or to the rounding. The upper edge region, immediately below the rounding, is characterized by melt adhesions, so-called threads, which essentially determine the first roughness.
Der obere Kantenbereich kann eine mittlere Breite aufweisen, die höchstens 2 Mal so groß, bevorzugt höchstens 1,5 Mal so groß, noch bevorzugter höchstens genauso groß ist wie der Radius der Verrundung. Die Qualität der Werkstückkante wird durch eine Minimierung des oberen Kantenbereichs unterhalb von der Verrundung gesteigert. The upper edge region can have an average width that is at most 2 times as large, preferably at most 1.5 times as large, even more preferably at most as large as the radius of the fillet. The quality of the workpiece edge is increased by minimizing the upper edge region below the fillet.
Ausführungsbeispiele Examples of implementation
Die nachfolgende Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele dient im Zusammenhang mit den Zeichnungen der näheren Erläuterung der Erfindung. The following description of preferred embodiments serves in conjunction with the drawings to explain the invention in more detail.
Es zeigen: Show it:
Fig. la Schematisch eine erfindungsgemäße Laserschneidmaschine; Fig. lb Schematisch den Querschnitt einer Mehrfachkernfaser einer erfindungsgemäßen Laserschneidmaschine; Fig. la Schematic of a laser cutting machine according to the invention; Fig. lb Schematically the cross-section of a multi-core fiber of a laser cutting machine according to the invention;
Fig. 2 Ein schematisches Ablaufdiagramm eines erfindungsgemäßen Laserschneidverfahrens; Fig. 2 A schematic flow diagram of a laser cutting method according to the invention;
Fig. 3 Ein Werkstück während des Einbringens eines Schnittspalts im Rahmen eines erfindungsgemäßen Laserschneidverfahrens, wobei die Laserteilstrahlen und ein aus der Schneiddüse austretender Prozessgasstrahl auf eine Oberfläche des Werkstücks gerichtet sind, in einer schematischen Perspektivansicht; Fig. 3 A workpiece during the introduction of a cutting gap in the context of a laser cutting method according to the invention, wherein the partial laser beams and a process gas jet emerging from the cutting nozzle are directed onto a surface of the workpiece, in a schematic perspective view;
Fig. 4a Schematisch ein erfindungsgemäßes Werkstück in einer Perspektivansicht; und Fig. 4a Schematically a workpiece according to the invention in a perspective view; and
Fig. 4b Schematisch die Ansicht einer Schnittkante eines erfindungsgemäßen Werkstücks. Fig. 4b Schematic view of a cutting edge of a workpiece according to the invention.
Figur la zeigt eine Laserschneidmaschine 10 während der Durchführung eines Laserschneidverfahrens. Die Laserschneidmaschine 10 ist hier eine Laserschmelzschneidmaschine. Bei dem Laserschneidverfahren wird ein Schnittspalt 12 (vergleiche Figur 3, auf welche nachfolgend ergänzend Bezug genommen wird) in ein Werkstück 14 eingebracht. Das Werkstück 14 ist plattenförmig ausgebildet und weist eine Dicke 16 von beispielhaft 10 mm auf. Figure la shows a laser cutting machine 10 during the execution of a laser cutting process. The laser cutting machine 10 here is a laser melting cutting machine. In the laser cutting process, a cutting gap 12 (see Figure 3, to which reference is made below) is introduced into a workpiece 14. The workpiece 14 is plate-shaped and has a thickness 16 of, for example, 10 mm.
Um den Schnittspalt 12 in dem Werkstück 14 zu erzeugen, wird ein Laserstrahl umfassend einen ersten Laserteilstrahl 18, einen zweiten Laserteilstrahl 20 und einen dritten Laserteilstrahl 22, gemeinsam mit einem Prozessgasstrahl (in Figur la nicht dargestellt) auf eine Werkstückoberfläche 24 des Werkstücks 14 gerichtet. Die Laserteilstrahlen 18, 20, 22 und der Prozessgasstrahl überlappen einander dabei in einer Schneidzone 26. Beim Laserschmelzschneiden wird das Material des Werkstücks 14 in der Schneidzone 26 verflüssigt und unter Ausbildung des Schnittspalts 12 von dem Prozessgasstrahl ausgetrieben. Das grundsätzliche Vorgehen bei dem Laserschneidverfahren ist in dem Ablaufdiagramm von Figur 2 dargestellt. In einem Schritt 102 wird der erste Laserteilstrahl 18 erzeugt und auf die Werkstückoberfläche 24 des Werkstücks 14 gerichtet. In einem Schritt 104 wird der zweite Laserteilstrahl 20 erzeugt und auf die Werkstückoberfläche 24 gerichtet. In einem Schnitt 106 wird der dritte Laserteilstrahl 22 erzeugt und auf die Werkstückoberfläche 24 gerichtet. Die Schritte 102, 104, 106 werden grundsätzlich gleichzeitig durchgeführt und ergeben einen gemeinsamen Schritt 108, in dem die Laserteilstrahlen 18, 20, 22 gemeinsam mit dem Prozessgasstrahl entlang einer vorgebbaren Schneidkontur auf die Werkstückoberfläche 24 gerichtet werden. Der Prozessgasstrahl sowie die drei Laserteilstrahlen 18, 20, 22 können dabei gemeinsam aus einer Düse 27 austreten. Ein Abstand 70 der Düse 27 zur Werkstückoberfläche 24 des Werkstücks 14 kann beispielsweise 2 mm betragen (vergleiche Figur 3), der Abstand kann aber auch größer oder kleiner sein. Ein dynamischer Gasdruck des aus der Düse 27 austretenden Schneidgases kann beispielsweise 20 bar betragen. Der Pfeil 50 (vergleiche Figuren la und 4b) gibt eine Vorschubrichtung an, in der der Laserschneidkopf 27 relativ zu der Werkstückoberfläche 24 bewegt wird. Die Vorschubrichtung entspricht mit anderen Worten einer Schneidrichtung. In order to produce the cutting gap 12 in the workpiece 14, a laser beam comprising a first partial laser beam 18, a second partial laser beam 20 and a third partial laser beam 22, together with a process gas jet (not shown in Figure 1a) is directed onto a workpiece surface 24 of the workpiece 14. The partial laser beams 18, 20, 22 and the process gas jet overlap one another in a cutting zone 26. During laser fusion cutting, the material of the workpiece 14 is liquefied in the cutting zone 26 and expelled by the process gas jet to form the cutting gap 12. The basic procedure for the laser cutting method is shown in the flow chart in Figure 2. In a step 102, the first laser beam 18 is generated and directed onto the workpiece surface 24 of the workpiece 14. In a step 104, the second laser beam 20 is generated and directed onto the workpiece surface 24. In a cut 106, the third laser beam 22 is generated and directed onto the workpiece surface 24. Steps 102, 104, 106 are generally carried out simultaneously and result in a common step 108 in which the laser beams 18, 20, 22 are directed onto the workpiece surface 24 together with the process gas beam along a predeterminable cutting contour. The process gas beam and the three laser beams 18, 20, 22 can exit together from a nozzle 27. A distance 70 of the nozzle 27 to the workpiece surface 24 of the workpiece 14 can be, for example, 2 mm (see Figure 3), but the distance can also be larger or smaller. A dynamic gas pressure of the cutting gas emerging from the nozzle 27 can be, for example, 20 bar. The arrow 50 (see Figures 1a and 4b) indicates a feed direction in which the laser cutting head 27 is moved relative to the workpiece surface 24. In other words, the feed direction corresponds to a cutting direction.
Die Laserteilstrahlen 18, 20, 22 können aus einem oder mehreren Laserrohstrahlen 32 bereitgestellt werden, die in einer oder mehreren Laserstrahlquellen 30 erzeugt werden. Jede Laserstrahlquelle kann ein Festkörperlaser (insbesondere ein Faserlaser oder ein Scheibenlaser) oder ein Diodenlaser sein. Der Laserrohstrahl 32 kann beispielsweise mittels eines oder mehrerer Strahlteiler in den ersten Laserteilstrahl 18, den zweiten Laserteilstrahl 20 und den dritten Laserteilstrahl 22 aufgeteilt werden. Alternativ können die Laserteilstrahlen 18, 20, 22 auch durch separate Laserstrahlquellen bereitgestellt werden. Die Laserteilstrahlen 18, 20, 22 werden in eine Mehrfachkernfaser 36 eingekoppelt und mittels der Mehrfachkernfaser 36 zu einer Optik 38 eines nicht näher dargestellten Schneidkopfs der Laserschneidmaschine 10 geführt. The partial laser beams 18, 20, 22 can be provided from one or more raw laser beams 32 that are generated in one or more laser beam sources 30. Each laser beam source can be a solid-state laser (in particular a fiber laser or a disk laser) or a diode laser. The raw laser beam 32 can be split into the first partial laser beam 18, the second partial laser beam 20, and the third partial laser beam 22, for example by means of one or more beam splitters. Alternatively, the partial laser beams 18, 20, 22 can also be provided by separate laser beam sources. The partial laser beams 18, 20, 22 are coupled into a multiple-core fiber 36 and guided by means of the multiple-core fiber 36 to an optics 38 of a cutting head (not shown in more detail) of the laser cutting machine 10.
Die Mehrfachkernfaser 36 weist einen ersten Faserkern 40 für den ersten Laserteilstrahl 18, einen zweiten Faserkern 42 für den zweiten Laserteilstrahl 20, und einen dritten Faserkern 44 für den dritten Laserteilstrahl 22 auf (vergleiche auch Figur lb). Der zweite Faserkern 42 und der dritte Faserkern 44 sind hier jeweils als eine Ringfaser ausgebildet. Die Faserkerne 40, 42, 44 können konzentrisch zueinander angeordnet sein. Ein Durchmesser des ersten Faserkerns 40 kann 100 |jm betragen. Ein Außendurchmesser des zweiten Faserkerns 42 kann 400 |jm betragen. Ein Außendurchmesser des dritten Faserkerns 44 kann 700 |jm betragen. Die Faserkerne 40, 42, 44 können jeweils durch ein Zwischencladding mit einem geringeren Brechungsindex als die Faserkerne voneinander beabstandet sein. Ein solches Cladding kann jeweils eine Dicke von beispielsweise wenigstens 5 pm aufweisen. Durch die Dicke des jeweiligen Claddings ergibt sich auch der Innendurchmesser des zweiten Faserkerns 42 und des dritten Faserkerns 44. The multiple core fiber 36 has a first fiber core 40 for the first laser beam 18, a second fiber core 42 for the second laser beam 20, and a third fiber core 44 for the third laser beam 22 (see The second fiber core 42 and the third fiber core 44 are each designed as a ring fiber. The fiber cores 40, 42, 44 can be arranged concentrically to one another. A diameter of the first fiber core 40 can be 100 μm. An outer diameter of the second fiber core 42 can be 400 μm. An outer diameter of the third fiber core 44 can be 700 μm. The fiber cores 40, 42, 44 can each be spaced apart from one another by an intermediate cladding with a lower refractive index than the fiber cores. Such a cladding can each have a thickness of, for example, at least 5 μm. The thickness of the respective cladding also determines the inner diameter of the second fiber core 42 and the third fiber core 44.
Zum Erzeugen einer Schnittkante mit einer Verrundung am Übergang zur Werkstückoberfläche 24 wird der Laserstrahl mit einer Gesamtleistung Ptotai bereitgestellt. Für die Leserleistung Pi des ersten Laserteilstrahls gilt dabei : 0,33* Ptotai < Pi < 0,85* Ptotai. Für die Laserleistung P2 des zweiten Laserteilstrahls gilt: 0,06* Ptotai < P2 < 0,48* Ptotai und für die Laserleistung P3 des dritten Laserteilstrahls gilt: 0,01*Ptotai < P3 < 0,30*Ptotai. Mit einer Leistungsverteilung im Rahmen der angegebenen Bereiche haben sich - insbesondere in Kombination mit den gegebenen Durchmessern der Faserkerne 40, 42, 44 - besonders hochqualitative Schnittkanten erzeugen lassen. Als besonders geeignete Leistungsverteilungen haben sich beispielsweise die folgenden Kombinationen herausgestellt: Pi = 0,62*Ptotai, P2 = 0, 18*Ptotai, P3 = 0,20* Ptotai; Pi = 0,63*Ptotai, P2 = 0, l*Ptotal, P3 = 0,27*Ptotai; Pl = 0,49*Ptotal, P2 = 0,21*Ptotal, P3 = 0,30* Ptotal. Eine besonders bevorzugte Leistungsverteilung kann also mit den folgenden Bereichen angegeben werden: 0,49* Ptotai < Pi < 0,63*Ptotai, 0, l*Ptotai < P2 < 0,21*Ptotal, 0,2* Ptotal < P3 < 0,3* Ptotal. To produce a cutting edge with a rounding at the transition to the workpiece surface 24, the laser beam is provided with a total power Ptotai. The following applies to the laser power Pi of the first partial laser beam: 0.33* Ptotai < Pi < 0.85* Ptotai. The following applies to the laser power P2 of the second partial laser beam: 0.06* Ptotai < P2 < 0.48* Ptotai and the following applies to the laser power P3 of the third partial laser beam: 0.01*Ptotai < P3 < 0.30*Ptotai. With a power distribution within the specified ranges - particularly in combination with the given diameters of the fiber cores 40, 42, 44 - particularly high-quality cutting edges can be produced. The following combinations, for example, have proven to be particularly suitable power distributions: Pi = 0.62*Ptotai, P2 = 0.18*Ptotai, P3 = 0.20* Ptotai; Pi = 0.63*Ptotai, P2 = 0.1*Ptotal, P3 = 0.27*Ptotai; Pl = 0.49*Ptotal, P2 = 0.21*Ptotal, P3 = 0.30*Ptotal. A particularly preferred power distribution can therefore be specified with the following ranges: 0.49*Ptotai < Pi < 0.63*Ptotai, 0.1*Ptotai < P2 < 0.21*Ptotal, 0.2*Ptotal < P3 < 0.3*Ptotal.
Beispielsweise kann beim Schneiden eines 10 mm dicken, plattenförmigen Werkstücks 14 aus Baustahl gemäß der vorliegenden Erfindung gleichzeitig eine Verrundung am oberen Ende der Schnittkante erzeugt werden. Die Verrundung kann beispielsweise einen Verrundungsradius von 1 mm aufweisen. Zum Schneiden kann ein Festkörperlaser (z.B. ein Scheibenlaser oder ein Faserlaser) mit einer Laserleistung von 12 kW verwendet werden. Zur Aufteilung des Laserrohstrahls 32 können zwei motorisch verschwenkbare Keilweichen (keilförmige transparente optische Elemente) hintereinander im Strahlengang des Laserrohstrahls 32 vorgesehen sein. Durch kontrollierte Verschiebung der Keilweichen im Strahlengang kann die Leistungsaufteilung auf den ersten, den zweiten und den dritten Laserteilstrahl gesteuert werden. Beispielsweise können 62 % des Laserrohstrahls 32 mit 7,44 kW Laserleistung zur Formung des ersten Laserteilstrahls 18 in den ersten Faserkern 40 der Mehrfachkernfaser 36 eingekoppelt werden. In den zweiten Faserkern 42 können zur Formung des zweiten Laserteilstrahls 20 18,4 % des Laserrohstrahls 32 mit 2,208 kW Laserleistung eingekoppelt werden und in den dritten Faserkern 44 zur Formung des dritten Laserteilstrahls 22 können 19,6 % des Laserrohstrahls 32 mit 2,352 kW Laserleistung eingekoppelt werden. Die Vorschubgeschwindigkeit wird vorzugsweise entsprechend der Leistung und des Durchmessers des ersten Laserteilstrahls eingestellt. Daher kann es auch bevorzugt sein, die erste Laserleistung Pi des ersten Laserteilstrahls 18 innerhalb des angegebenen Bereichs möglichst hoch zu wählen, um die Effizienz des Schneidverfahrens zu erhöhen. For example, when cutting a 10 mm thick, plate-shaped workpiece 14 made of structural steel according to the present invention, a rounding can be produced at the same time at the upper end of the cutting edge. The rounding can, for example, have a rounding radius of 1 mm. A solid-state laser (eg a disk laser or a fiber laser) with a laser power of 12 kW can be used for cutting. To divide the Two motor-operated wedge switches (wedge-shaped transparent optical elements) can be provided one behind the other in the beam path of the raw laser beam 32. The power distribution between the first, second and third laser beams can be controlled by controlled displacement of the wedge switches in the beam path. For example, 62% of the raw laser beam 32 with 7.44 kW laser power can be coupled into the first fiber core 40 of the multi-core fiber 36 to form the first laser beam 18. 18.4% of the raw laser beam 32 with 2.208 kW laser power can be coupled into the second fiber core 42 to form the second laser beam 20, and 19.6% of the raw laser beam 32 with 2.352 kW laser power can be coupled into the third fiber core 44 to form the third laser beam 22. The feed rate is preferably set according to the power and diameter of the first laser beam. Therefore, it may also be preferable to select the first laser power Pi of the first laser partial beam 18 as high as possible within the specified range in order to increase the efficiency of the cutting process.
In den Figuren 4a und 4b Figur 4b ist schematisch ein erfindungsgemäßes plattenförmiges Werkstück 14 mit einer Schnittkante 15 dargestellt. Das Werkstück 14 besteht vorzugsweise aus Baustahl. Am Übergang zwischen der Schnittkante 15 und der Werkstückoberfläche 24 weist das Werkstück 14 eine Verrundung 17 auf. Die Verrundung 17 kann einen Verrundungsradius zwischen 0,1 mm und 2 mm aufweisen, beispielsweise von 0,5 mm. In Figur 4b ist das Werkstück 14 schematisch in einer Seitenansicht mit Blick auf die Schnittkante 15 dargestellt. Die Schnittkante 15 lässt sich unterhalb der Verrundung 17 in drei Bereiche unterteilen, einen ersten, oberen Kantenbereich 152, einen zweiten, mittleren Kantenbereich 154 und einen dritten, unteren Kantenbereich 156. In dem oberen Kantenbereich weist die Schnittkante 15 Schmelzeanhaftungen auf, die beim Umschmelzen durch den zweiten und dritten Laserteilstrahl 20, 22 unvermeidbar sind. Durch die erfindungsgemäße Leistungsaufteilung des Laserstrahls kann der obere Kantenbereich 152 besonders schmal gehalten werden. Der sich anschließende mittlere Kantenbereich 154 zeichnet sich durch eine besonders geringe Rauheit aus. Gemäß der vorliegenden Erfindung kann der mittlere Kantenbereich 154 durch die spezielle Leistungsverteilung vorteilhafterweise maximiert und somit die Kantenqualität des Werkstücks 14 verbessert werden. Im unteren Kantenbereich 156 steigt die Rauheit aufgrund der Ausbildung von Riefen 157 beim Laserschmelzschneidprozess gegenüber dem mittleren Kantenbereich wieder leicht an. Aufgrund der vorliegenden Erfindung lässt sich ein Werkstück 14 mit einer im Vergleich zum Stand der Technik besonders glatten Kantenoberfläche bereitstellen, das besonders effizient in einem Arbeitsschritt herstellbar ist. Ausgehend von der Verrundung 17, die einen geringen Rauheitswert aufweist, steigt der Rauheitswert im oberen Kantenbereich 152 nur über eine kurze Breite an und verringert sich dann bereits im mittleren Kantenbereich 14 wieder, bevor er im unteren Kantenbereich nochmals leicht ansteigt. Zur Bestimmung der Breite des oberen Kantenbereichs 152 kann ein Mittewert aus der Länge der einzelnen Schmelzfäden 153 gebildet werden. Der obere Kantenbereich 152 kann vorzugsweise höchstens 1,5 Mal so groß, noch bevorzugter höchstens genauso groß sein wie der Verrundungsradius. Figures 4a and 4b Figure 4b schematically shows a plate-shaped workpiece 14 according to the invention with a cutting edge 15. The workpiece 14 is preferably made of structural steel. At the transition between the cutting edge 15 and the workpiece surface 24, the workpiece 14 has a rounding 17. The rounding 17 can have a rounding radius of between 0.1 mm and 2 mm, for example 0.5 mm. Figure 4b shows a schematic side view of the workpiece 14 looking at the cutting edge 15. The cutting edge 15 can be divided into three areas below the rounding 17, a first, upper edge area 152, a second, middle edge area 154 and a third, lower edge area 156. In the upper edge area, the cutting edge 15 has melt adhesions that are unavoidable when remelting by the second and third partial laser beams 20, 22. Due to the power distribution of the laser beam according to the invention, the upper edge region 152 can be kept particularly narrow. The adjoining middle edge region 154 is characterized by a particularly low roughness. According to the present invention, the middle edge region 154 can be advantageously maximized by the special power distribution and thus the edge quality of the workpiece 14 can be improved. In the lower edge region 156, the roughness increases again slightly compared to the middle edge region due to the formation of grooves 157 during the laser melting cutting process. Due to the present invention, a workpiece 14 can be provided with a particularly smooth edge surface compared to the prior art, which can be manufactured particularly efficiently in one work step. Starting from the rounding 17, which has a low roughness value, the roughness value in the upper edge region 152 only increases over a short width and then decreases again in the middle edge region 14, before increasing slightly again in the lower edge region. To determine the width of the upper edge region 152, an average value can be formed from the length of the individual melt threads 153. The upper edge region 152 can preferably be at most 1.5 times as large, even more preferably at most as large as the rounding radius.

Claims

Patentansprüche Patent claims
1. Verfahren zum Schneiden eines metallischen Werkstücks (14) mittels eines Laserstrahls, wobei der Laserstrahl mit einer Gesamtlaserleistung Ptotai bereitgestellt wird; wobei der Laserstrahl einen ersten Laserteilstrahl (18) mit einer ersten Laserleistung Pi, einen zweiten, an den ersten Laserteilstrahl (18) angrenzenden Laserteilstrahl (20) mit einer zweiten Laserleistung P2, und einen dritten, an den zweiten Laserteilstrahl (20) angrenzenden Laserteilstrahl (22) mit einer dritten Laserleistung P3, aufweist; wobei für Pi gilt: 0,33*Ptotai < Pi < 0,85*Ptotai; wobei für P2 gilt: 0,06*Ptotai < P2 < 0,48*Ptotai; und wobei für P3 gilt: 0,01*Ptotai < P3 < 0,30*Ptotai. 1. Method for cutting a metallic workpiece (14) by means of a laser beam, wherein the laser beam is provided with a total laser power Ptotai; wherein the laser beam has a first laser sub-beam (18) with a first laser power Pi, a second laser sub-beam (20) adjacent to the first laser sub-beam (18) with a second laser power P2, and a third laser sub-beam (22) adjacent to the second laser sub-beam (20) with a third laser power P3; wherein the following applies for Pi: 0.33*Ptotai < Pi < 0.85*Ptotai; wherein the following applies for P2: 0.06*Ptotai < P2 < 0.48*Ptotai; and wherein the following applies for P3: 0.01*Ptotai < P3 < 0.30*Ptotai.
2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Laserstrahl mittels einer Mehrfachkernfaser (36) einer Laserschneidmaschine bereitgestellt wird und wobei die Mehrfachkernfaser (36) umfasst: einen ersten Faserkern (40) zur Bereitstellung des ersten Laserteilstrahls (18), wobei der erste Faserkern (40) einen kreisförmigen Querschnitt, vorzugsweise mit einem Außendurchmesser von 100 pm, aufweist; einen zweiten Faserkern (42) zur Bereitstellung des zweiten Laserteilstrahls (20), wobei der zweite Faserkern (42) einen ringförmigen Querschnitt, vorzugsweise mit einem Außendurchmesser von 400 pm, aufweist und wobei der zweite Faserkern (42) konzentrisch um den ersten Faserkern (40) angeordnet ist; und einen dritten Faserkern (44) zur Bereitstellung des dritten Laserteilstrahls (22), wobei der dritte Faserkern (44) einen ringförmigen Querschnitt, vorzugsweise mit einem Außendurchmesser von 700 pm, aufweist und wobei der dritte Faserkern (44) konzentrisch um den zweiten Faserkern (42) angeordnet ist. 2. The method according to claim 1, wherein the laser beam is provided by means of a multi-core fiber (36) of a laser cutting machine, and wherein the multi-core fiber (36) comprises: a first fiber core (40) for providing the first laser partial beam (18), wherein the first fiber core (40) has a circular cross-section, preferably with an outer diameter of 100 pm; a second fiber core (42) for providing the second laser partial beam (20), wherein the second fiber core (42) has an annular cross-section, preferably with an outer diameter of 400 pm, and wherein the second fiber core (42) is arranged concentrically around the first fiber core (40); and a third fiber core (44) for providing the third laser partial beam (22), wherein the third fiber core (44) has an annular cross-section, preferably with an outer diameter of 700 pm, and wherein the third fiber core (44) is arranged concentrically around the second fiber core (42).
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei Laserteilstrahlen (18, 20, 22) durch Aufteilen eines gemeinsamen Laserrohstrahls (32) bereitgestellt werden. 3. Method according to claim 1 or 2, wherein partial laser beams (18, 20, 22) are provided by splitting a common raw laser beam (32).
4. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Laserteilstrahlen (18, 20, 22) aus separat geführten Laserrohstrahlen bereitgestellt werden. 4. Method according to claim 1 or 2, wherein the partial laser beams (18, 20, 22) are provided from separately guided raw laser beams.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Werkstück (14) ein plattenförmiges oder rohrförmiges Werkstück, vorzugsweise mit einer Werkstückdicke (16) oder einer Wandstärke von wenigstens 5 mm, noch bevorzugter von wenigstens 10 mm, ist; und/oder wobei das Werkstück (14) aus Baustahl besteht. 5. Method according to one of the preceding claims, wherein the workpiece (14) is a plate-shaped or tubular workpiece, preferably with a workpiece thickness (16) or a wall thickness of at least 5 mm, more preferably of at least 10 mm; and/or wherein the workpiece (14) consists of structural steel.
6. Laserschneidmaschine (10) zum Schneiden eines Werkstücks (14), die Laserschneidmaschine umfassend: 6. Laser cutting machine (10) for cutting a workpiece (14), the laser cutting machine comprising:
Eine Laserstrahlquelle (30); A laser beam source (30);
Eine Prozessgaszufuhr; A process gas supply;
Eine Mehrfachkernfaser (36) mit einem zentralen, ersten Faserkern (40) und wenigstens zwei den ersten Faserkern (40) ringförmig umgebende Faserkerne (42, 44) zur Bereitstellung eines ersten, zentralen Laserteilstrahls (18), eines zweiten, den ersten Laserteilstrahl (18) ringförmig umgebenden Laserteilstrahls (20) und eines dritten, den zweiten Laserteilstrahl (20) ringförmig umgebenden, Laserteilstrahls (22); A multiple core fiber (36) having a central, first fiber core (40) and at least two fiber cores (42, 44) surrounding the first fiber core (40) in a ring shape for providing a first, central laser beam (18), a second laser beam (20) surrounding the first laser beam (18) in a ring shape, and a third laser beam (22) surrounding the second laser beam (20) in a ring shape;
Eine Fokussiereinrichtung, die zur Fokussierung der Laserteilstrahlen (18, 20, 22) in Richtung des Werkstücks (14); A focusing device for focusing the laser beams (18, 20, 22) in the direction of the workpiece (14);
Eine Schneiddüse (27), die dazu ausgebildet ist, das Prozessgas gemeinsam mit den Laserteilstrahlen (18, 20, 22) auf das Werkstück (14) zu richten; undA cutting nozzle (27) designed to direct the process gas together with the partial laser beams (18, 20, 22) onto the workpiece (14); and
Eine Steuerungseinrichtung, die dazu ausgebildet ist, die Laserschneidmaschine (10) zur Durchführung des Verfahrens gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5 anzusteuern. A control device which is designed to control the laser cutting machine (10) for carrying out the method according to one of claims 1 to 5.
7. Laserschneidmaschine (10) nach Anspruch 6, ferner umfassend: Eine Strahlaufteilungseinrichtung, die dazu ausgebildet ist, einen von der Laserstrahlquelle (30) bereitgestellten Laserrohstrahl (32) in den ersten, den zweiten und den dritten Laserteilstrahl (18, 20, 22) aufzuteilen und die Laserteilstrahlen (18, 20, 22) in die jeweiligen Faserkerne (40, 42, 44) der Mehrfachkernfaser (36) einzukoppeln. 7. Laser cutting machine (10) according to claim 6, further comprising: A beam splitting device which is designed to split a raw laser beam (32) provided by the laser beam source (30) into the first, the second and the third laser partial beams (18, 20, 22) and to couple the laser partial beams (18, 20, 22) into the respective fiber cores (40, 42, 44) of the multi-core fiber (36).
8. Computerprogrammprodukt das Programminformationen zum Auslesen durch die Steuerungseinheit einer Laserschneidmaschine (10) enthält, um ein Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5 mittels der Laserschneidmaschine (10) durchzuführen. 8. Computer program product containing program information for reading by the control unit of a laser cutting machine (10) in order to carry out a method according to one of claims 1 to 5 by means of the laser cutting machine (10).
9. Plattenförmiges oder rohrförmiges, metallisches Werkstück (14) mit wenigstens einer Werkstückkante (15), wobei das Werkstück (14) entlang wenigstens eines Abschnitts der Werkstückkante (15) eine Verrundung (17) am Übergang zwischen der Werkstückkante (15) und einer Werkstückoberfläche (24) des Werkstücks (14) aufweist, wobei die Verrundung (17) einen Verrundungsradius zwischen 0,1 mm und 2 mm, vorzugsweise zwischen 0,2 mm und 1,25 mm, aufweist, und wobei das Werkstück (14) in einem ersten, oberen Kantenbereich (152) der Werkstückkante (15), unmittelbar unterhalb der Verrundung (17), eine erste Rauheit aufweist, wobei das Werkstück (14) in einem zweiten, mittleren Kantenbereich (154) der Werkstückkante (15), unmittelbar unterhalb des oberen Kantenbereichs (152), eine zweite Rauheit aufweist, die geringer ist als die erste Rauheit, und wobei das Werkstück (15) in einem dritten, unteren Kantenbereich (156), unmittelbar unterhalb des mittleren Kantenbereichs (154) eine dritte Rauheit aufweist, die größer ist als die zweite Rauheit. 9. Plate-shaped or tubular, metallic workpiece (14) with at least one workpiece edge (15), wherein the workpiece (14) has a rounding (17) along at least a portion of the workpiece edge (15) at the transition between the workpiece edge (15) and a workpiece surface (24) of the workpiece (14), wherein the rounding (17) has a rounding radius between 0.1 mm and 2 mm, preferably between 0.2 mm and 1.25 mm, and wherein the workpiece (14) has a first roughness in a first, upper edge region (152) of the workpiece edge (15), immediately below the rounding (17), wherein the workpiece (14) has a second roughness in a second, middle edge region (154) of the workpiece edge (15), immediately below the upper edge region (152), which is less than the first roughness, and wherein the workpiece (15) has a third, lower edge region (156), immediately below the middle edge region (154) has a third roughness which is greater than the second roughness.
10. Werkstück (14) nach Anspruch 9, wobei der obere Kantenbereich (152) eine mittlere Breite aufweist, die höchstens 2 Mal so groß, bevorzugt höchstens 1,5 Mal so groß, noch bevorzugter höchstens genauso groß ist wie der Verrundungsradius. 10. Workpiece (14) according to claim 9, wherein the upper edge region (152) has an average width that is at most 2 times as large, preferably at most 1.5 times as large, even more preferably at most the same size as the rounding radius.
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