DE102008053397A1

DE102008053397A1 - Verfahren zum Schmelzschneiden von Werkstücken mit Laserstrahlung

Info

Publication number: DE102008053397A1
Application number: DE102008053397A
Authority: DE
Inventors: Eckhard Prof. Dr. Beyer; Achim Dr. Mahrle
Original assignee: Technische Universitaet Dresden; Fraunhofer Gesellschaft zur Foerderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Technische Universitaet Dresden; Fraunhofer Gesellschaft zur Foerderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 2008-05-20
Filing date: 2008-10-16
Publication date: 2009-12-03
Anticipated expiration: 2028-10-17
Also published as: DE102008053397B4

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Schmelzschneiden von Werkstücken mit Laserstrahlung. Es sollen dabei der Wirkungsgrad und der Absorptionsgrad gegenüber den bekannten Verfahren erhöht werden. Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird bei vorgegebener Werkstückdicke eine maximale Absorption der Laserstrahlung erreicht, indem der Neigungswinkel phic der Schneidfront durch eine Anpassung der Gund/oder eine der Vorschubbewegung überlagerte Bewegung des Brennpunktes des Laserstrahls verändert wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum thermischen Trennen von Werkstoffen mittels Laserstrahlung, bei dem der Schneidprozess modifiziert wird.
Das Laserstrahlschneiden ist ein etabliertes und industriell eingeführtes Verfahren zum thermischen Trennen von Werkstücken entlang einer vorgegebenen Schnittkontur. In Abhängigkeit vom wirksamen Trennmechanismus werden grundsätzlich das Laserstrahl-Schmelzschneiden und das Laserstrahl-Verdampfungsschneiden unterschieden. Das Laserstrahl-Schmelzschneiden ist die bevorzugte Technologie zum Trennen metallischer Werkstoffe in einem großen Blechdickenbereich.
Die Materialtrennung erfolgt beim Laserstrahl-Schmelzschneiden durch den kombinierten Einsatz eines fokussierten Laserstrahls und eines Schneidgasstrahls, die in der Regel koaxial auf das bearbeitete Werkstück einwirken. Das Verfahrensprinzip beruht darauf, dass der Grundwerkstoff im Bereich der Schnittfuge aufgeschmolzen und durch den simultan realisierten Impulsübertrag des Schneidgasstrahls aus der Schnittfuge ausgetrieben wird, wodurch ein Schnittspalt entlang der Schnittkontur entsteht (s. 1).
Der Mindestwert E_MIN der zuzuführenden Prozessenergie resultiert beim Laserstrahl-Schmelzschneiden aus dem Erfordernis, das aus dem Schnittspalt auszutreibende Materialvolumen aufzuschmelzen: EMIN = ρ·lK·bK·dK·[cP·(ϑm.p. – ϑ0) + Δhm]
Der Energiebedarf E_MIN ist eine Funktion der thermischen Werkstoffkennwerte Dichte ρ, spezifische Wärmekapazität c_P, Schmelztemperatur ϑ_m.p., und spezifische Schmelzenthalpie Δh_m sowie der Temperatur ϑ₀ des Grundwerkstoffes und der Schnittspaltabmessungen Breite b_K, Tiefe d_K und Länge l_K.
Der Mindestwert P_MIN der zuzuführenden Prozessleistung resultiert beim Laserstrahl-Schmelzschneiden aus dem Erfordernis, das aus dem Schnittspalt auszutreibende Materialvolumen innerhalb eines vorgegebenen Zeitintervalls, der Prozessdauer t_C, bzw. mit der in der Regel konstanten Prozessgeschwindigkeit v_C aufzuschmelzen:
Für eine konkrete Schneidaufgabe sind die Werkstoffkennwerte über die Vorgabe des Werkstoffes als auch die Schnittspalttiefe d_K über die Vorgabe der zu schneidenden Materialdicken feste Größen. Dagegen ist die Schnittspaltbreite b_K eine Funktion der Prozessparameter. Der inhärente Materialverlust m_V ergibt sich zu mV = ρ·lk·bk·dK
Effizient ausgeführte Schneidprozesse in Hinblick auf Energiebedarf P_MIN und Materialverlust m_V sind darauf ausgerichtet, die Schnittspaltbreite b_K möglichst klein zu halten.
Aus Energiebilanzgründen ist ein Schmelzschneidprozess nur dann durchführbar, wenn die während des Schneidprozesses übertragene Leistung P_DISS, d. h. die dissipierte Leistung, im Bereich der Wechselwirkungszone von Laserstrahl, Schneidgasstrahl und Werkstoff größer ist als die erforderliche Leistung P_MIN zum Aufschmelzen des Schnittspaltvolumens.
Die während des Schneidprozesses dissipierte Leistung P_DISS muss größer als die Leistung P_MIN zum Aufschmelzen des Schnittspaltvolumens sein aufgrund unvermeidlicher Energieverluste während des Schneidprozesses. Diese sind insbesondere durch die Wärmeleitung in den an die Schnittfront angrenzenden Grundwerkstoff sowie durch die notwendige Überhitzung der Schmelzfilmoberfläche an der Schnittfront auf Temperaturen oberhalb der Schmelztemperatur bedingt. Letzteres ist erforderlich, um einen Schmelzfilm bestimmter Dicke zu erzielen, der dann in Wechselwirkung mit dem Schneidgasstrahl aus der Schnittfuge ausgetrieben wird.
Das Verhältnis des Mindestwertes P_MIN der notwendigerweise zuzuführenden Leistung zur dissipierten Leis tung P_DISS wird als Schmelzwirkungsgrad η_S bezeichnet:
Der Schmelzwirkungsgrad η_S ist insbesondere eine Funktion der thermischen Materialkennwerte und kann durch prozesstechnische Maßnahmen nicht unmittelbar beeinflusst werden. Allerdings kann aufgrund der Tatsache, dass der Werkstoff aus der Schnittfuge simultan zum Aufschmelzvorgang ausgetrieben wird, davon ausgegangen werden, dass Energieverluste bezüglich der dissipierten Leistung beim Laserstrahl-Schmelzschneiden klein bleiben und keinen dominierenden Einfluss auf die Gesamteffizienz des Verfahrens haben.
Das Verhältnis von dissipierter Leistung P_DISS zu insgesamt zugeführter Leistung P_ZU wird als Energieübertragungswirkungsgrad η_T bezeichnet:
Aufgrund der Tatsache, dass der Schmelzwirkungsgrad η_S in der Regel hoch ist, wird der Gesamtwirkungsgrad η_C eines Laserstrahlschneidprozesses entsprechend
maßgeblich durch den Energieübertragungswirkungsgrad η_T bestimmt.
Effizient ausgeführte Schneidprozesse im Hinblick auf den Energie- bzw. Leistungsbedarf müssen darauf ausgerichtet sein, einen möglichst hohen Energieübertragungswirkungsgrad η_T zu gewährleisten.
Die Variante des Laserstrahl-Inertgasschweißens ermöglicht ein oxidfreies Schneiden von Metallen und ist daher die bevorzugte Variante zum Trennen von qualitativ hochwertigen Materialien wie rostfreien und anderen hochlegierten Stählen, sowie von Aluminium- und Titanlegierungen. Als Schneidgas kommen vorwiegend Stickstoff und Argon zum Einsatz. Der Energiebedarf des Schneidprozesses zum Aufschmelzen des Materials wird allein aus der einfallenden Laserstrahlung gedeckt: PDISS = ηT,L·PZU = ηT,L·PL
Der Energieübertragungswirkungsgrad η_T,L beim Laserstrahl-Inertgasschneiden wird maßgeblich durch das Absorptionsvermögen A metallischer Werkstoffe bezüglich der eingestrahlten Laserleistung bestimmt.
Trifft ein Laserstrahl mit der Leistung P_L auf die Oberfläche eines Werkstoffes auf, dringt nur ein Teil der Laserstrahlung P_L,T in den Werkstoff ein, während der andere Teil P_L,R reflektiert wird.
Im Falle metallischer Werkstoffe wird der transmittierte Leistungsanteil P_L,T bei den üblicherweise verwendeten Laserstrahlquellen innerhalb einer sehr dünnen oberflächennahen Schicht absorbiert. Es ist zulässig, den transmittierten Leistungsanteil P_L,T als an der Oberfläche des Werkstoffes absorbiert zu betrachten, d. h. der absorbierte Leistungsanteil P_L,A entspricht dem Leistungsanteil P_L,T und es gilt allgemein die Leistungsbilanz PL = PL,R + PL,A = R·PL + A·PL = (R + A)·PL mit R + A = 1wobei R als Verhältnis von reflektierter Leistung P_L,R zur insgesamt eingestrahlten Leistung P_L den Reflektionsgrad und A als Verhältnis von absorbierter Leistung P_L,A zur eingestrahlten Leistung P_L den Absorptionsgrad bezeichnet.
Unter Voraussetzung der plausiblen Annahme, dass Mehrfachreflexionen an der Schneidfront keinen merklichen Beitrag zum Gesamtenergieeintrag liefern, entspricht der Energieübertragungswirkungsgrad η_T,L dem Absorptionsgrad A: ηT,L ≡ A = 1 – R
Folglich ist die Prozesseffizienz des Inertgas-Laserstrahlschneidens maßgeblich vom Absorptionsgrad A bzw. Reflexionsgrad R abhängig.
Der Reflexionsgrad R bzw. Absorptionsgrad A eines metallischen Werkstoffes für Strahlung der üblicherweise in der Lasermaterialbearbeitung eingesetzten Strahlquellen ist allgemein eine Funktion des Polarisationszustandes, des Einfallswinkels φ_In, sowie der optischen Materialkennwerte Brechungsindex n und Extinktionskoeffizient k, die wiederum abhängig von der Temperatur T und insbesondere abhängig von der Wellenlänge λ der einfallenden Laserstrahlung sind. Eine theoretische Berechnung des Reflexionsgrades ist über die fresnelschen Gleichungen möglich. Für metallische Werkstoffe ergeben sich folgende Näherungen
in denen R_P den Reflexionsgrad parallel polarisierter Strahlung und R_S den Reflexionsgrad senkrecht polarisierter Strahlung bezeichnet.
Der Reflexionsgrad R_UP zirkular polarisierter bzw. unpolarisierter Strahlung ergibt sich als arithmetisches Mittel der Reflexionsgrade R_P und R_S von parallel und senkrecht polarisierter Strahlung. Für den Absorptionsgrad A_UP folgt
Berechnete Abhängigkeiten des Absorptionsgrades A von Eisen bei Schmelztemperatur zeigt 2 als Funktion des Einfallswinkels φ_IN für verschiedene Wellenlängen und Polarisationszustände. Für parallel und zirkular polarisierte Laserstrahlung existiert ein ausgeprägtes Maximum im Absorptionsgrad A_P und A_UP für einen bestimmten Wert des Einfallswinkels, der dem Brewster-Winkel φ_Br entspricht. Der konkrete Wert des Brewster-Winkels φ_Br ist von den optischen Eigenschaften des bestrahlten Werkstoffes, von der Laserwellenlänge und der Oberflächentemperatur des bestrahlten Werkstoffes abhängig.
Für das Laserstrahl-Inertgasschneiden von Konturschnitten ist die Verwendung zirkular polarisierter oder unpolarisierter Strahlung üblich, um eine Richtungsabhängigkeit im Absorptionsverhalten zu vermeiden.
Effizient ausgeführte Schneidprozesse im Hinblick auf den Energie- bzw. Leistungsbedarf müssen darauf ausgerichtet sein, die Laserleistung unter einem Winkel φ_IN ≈ φ_Br auf den zu bearbeitenden Werkstoff einzustrahlen.
Das Laserstrahl-Schmelzschneiden wird unter Einsatz verschiedener Hochleistungslaser ausgeführt. Hierzu zählen insbesondere CO₂-, Faser-, Scheiben- und Diodenlasersysteme. Unterschiede bezüglich der erreichbaren Effizienz des Schneidprozesses und der Qualität der Schneidergebnisse resultieren aus Unterschieden in den jeweils verfügbaren Ausgangsleistungen, der Laserwellenlänge und der Strahlqualität.
Die emittierte Laserstrahlung wird in der Regel als Strahl mit kreisförmigen Strahlquerschnitt emittiert. Für das Schmelzschneiden wird dieser Strahl auf kleine Fokusradien r₀ fokussiert, um die für das lokale Aufschmelzen metallischer Werkstoffe erforderlichen Intensitäten zu erzielen.
Der unter Verwendung optischer Komponenten erreichbare Fokusradius kann unter den für die Lasermaterialbearbeitung charakteristischen Fokussierbedingungen über die Beziehung
abgeschätzt werden. In dieser Gleichung bezeichnet f die Brennweite der Fokussieroptik, D den Strahldurchmesser vor der Fokussierung und λ die Laserwellenlänge. M² ist ein Maß für die Strahlqualität. Für einen idealen, d. h. beugungsbegrenzten, Strahl ist M² = 1. Der erreichbare Strahlradius ist dem Produkt aus Laserwellenlänge λ und Strahlqualitätszahl M² direkt proportional.
Der Strahlradius r₀ wird nur im Brennpunkt der verwendeten Fokussieroptik mit der Brennweite f erreicht. Ausgehend von der Position z = 0 des Brennpunktes divergiert der Strahl als Funktion der Ortskoordinate z in Strahlausbreitungsrichtung entsprechend der Beziehung
Die Rayleighlänge z_R bezeichnet den Abstand zwischen dem Brennpunkt mit z = 0 und jenem Punkt in Strahlausbreitungsrichtung, an dem der Strahlradius r₀ auf den Wert r(z_R) = 1.41 r·₀ angewachsen ist. Die Rayleighlänge kann über die Beziehung
bestimmt werden. Die Rayleighlänge z_R ist dem Produkt aus Strahlqualitätszahl M² und Laserwellenlänge λ indirekt proportional.
Die Strahlgeometrie, i. e. die radiale Ausdehnung r(z) des Laserstrahls in Strahlausbreitungsrichtung z, hat entscheidenden Einfluss auf die Breite b_K des generierten Schnittspaltes. Die Breite b_K des Schnittspaltes ist proportional dem mittleren Radius r_m des Laserstrahls über die zu schneidende Blechdicke d_K.
Effizient ausgeführte Schneidprozesse in Hinblick auf Energiebedarf und Materialverlust müssen darauf ausgerichtet sein, einen Strahl mit möglichst kleinem mittleren Strahlradius r_m über die zu schneidende Blechdicke d_K zu generieren.
Kleine mittlere Strahlradien r_m lassen sich unter Verwendung von Laserstrahlquellen realisieren, die eine kurze Wellenlänge λ bei gleichzeitig hoher Strahlqualität M² ≈ 1 aufweisen.
Die Kriterien einer kurzen Emissionswellenlänge bei gleichzeitig hoher Strahlqualität werden insbesondere von Faser- und Scheibenlasern erfüllt, die erst seit wenigen Jahren als Hochleistungslaser im kW-Bereich zur Verfügung stehen. Beide Systeme emittieren Laserstrahlung bei einer Wellenlänge von λ ≈ 1 μm. Die Ausgangsleistung P_L beugungsbegrenzter Laseraggregate mit M² ≈ 1 ist zunehmend steigend.
CO₂-Laser stehen bereits seit geraumer Zeit als Hochleistungssysteme zur Verfügung und sind die dominierende Laserstrahlquelle zum Schneiden metallischer Werkstoffe. CO₂-Laser emittieren Laserstrahlung mit einer Wellenlänge von λ = 10.6 μm bei gleichzeitig hoher Strahlqualität mit M² ≈ 1 in einem großen Leistungsbereich.
Das Laserstrahl-Schmelzschneiden wird konventionell mit konstanten Laser-, Schneidgas-, und Prozessparametern durchgeführt. Zu den Laserparametern gehören die Laserleistung, die realisierte Strahlgeometrie sowie die Laserwellenlänge. Die Schneidgasparameter betreffen insbesondere die Schneidgaszusammensetzung, den Schneidgasdruck sowie die Geometrie der Schneidgasdüse. Zu den Prozessparametern zählen die Art des Werkstoffes, die zu schneidende Blechdicke sowie die Prozessgeschwindigkeit.
Bei konstant eingestellten Laser-, Schneidgas- und Prozessparametern bildet sich in der Wechselwirkungszone von Laserstrahl, Schneidgasstrahl und Werkstoff eine in der Regel quasistationäre Schneidfront unter einem bestimmten Neigungswinkel φ_C aus. In der Folge trifft die Laserstrahlung nicht senkrecht, sondern unter einem bestimmten Einfallswinkel φ_IN auf die Schnittfrontfläche auf (s. 3).
Dementsprechend bilden der Einfallwinkel φ_IN und der Neigungswinkel φ_C bei Wahl eines gemeinsames Bezugssystems ein Komplementärwinkelpaar, d. h. es ist φIN + φC = 90° bzw. φIN = 90° – φC
Der sich in Abhängigkeit von den Prozessparametern einstellende Neigungswinkel φ_C hat folglich einen maßgeblichen Einfluss auf die Absorption der eingestrahlten Laserleistung und damit auf den Gesamtwirkungsgrad η_C.
Der sich in Abhängigkeit von den Prozessparametern einstellende Neigungswinkel φ_C der Schneidfront ist eine Funktion der Strahlgeometrie bzw. der Strahlkaustik r(z). Näherungsweise lässt sich der mittlere Neigungswinkel der Schneidfront über die Beziehung
abschätzen, in der d_K die zu schneidende Werkstoffdicke (Blechdicke), und r₀ den Fokusradius bedeutet. Für die Abschätzung ist angenommen, dass die Fokussierung auf die Werkstückoberseite erfolgt (s. 3).
Für manche Schneidanwendungen erfolgt eine Strahlfokussierung in das zu schneidende Material, d. h. die Fokuslage liegt im Werkstück. Eine derartige Verschiebung der Fokuslage wirkt sich nur geringfügig auf den Wert des Neigungswinkels φ_C der Schneidfront aus (s. 4). Bei einer Strahlfokussierung in die Werkstückmitte berechnet sich der mittlere Neigungswinkel zu
Der sich einstellende Wert des Neigungswinkels φ_C wird durch den erzielten Fokusradius r₀ und die Strahlkaustik r(z), insbesondere jedoch durch die Dicke des zu schneidenden Werkstoffes bestimmt (s. 5). Insbesondere bei Verwendung von Laserstrahlquel len mit kurzer Wellenlänge λ ≈ 1 μm wird die Neigung der Schneidfront keinen bezüglich der Absorption optimalen Neigungswinkel aufweisen.
Bei konventioneller Prozessführung des Laserstrahlschneidens mit gleichförmiger Relativbewegung zwischen Laserstrahl und zu schneidendem Werkstück stellt sich der Neigungswinkel entsprechend der Prozess- und Materialparameter ein.
Es besteht bei gegebener Strahlkaustik r(z) keine unmittelbare Möglichkeit der gezielten Einflussnahme auf die Größe des Neigungswinkels φ_C der Schneidfront. Insbesondere bei Verwendung von Laserstrahlquellen mit kurzer Wellenlänge und gleichzeitig hoher Strahlqualität können sich Neigungswinkel φ_C einstellen, deren Betrag deutlich größer als der Brewster-Winkel φ_Br ist. Dies führt zu einer unkontrollierten Reduzierung des absorbierten Leistungsanteils P_L,A und kann die Prozesseffizienz des Laserstrahlschneidens deutlich verschlechtern.
Die mit der Erfindung zu lösende Aufgabe besteht darin, beim Schmelzschneiden von Werkstücken mit Laserstrahlung den Wirkungsgrad und den Absorptionsgrad gegenüber den bekannten Verfahren zu erhöhen.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe mit einem Verfahren, das die Merkmale des Anspruchs 1 aufweist, gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung können mit in untergeordneten Ansprüchen bezeichneten Merkmalen erreicht werden.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren soll so vorgegangen werden, dass eine maximale Absorption der Laserstrahlung bei vorgegebener Werkstückdicke erreicht wird, indem der Neigungswinkel φ_C der Schneidfront durch eine Anpassung der Geometrie eines Laserstrahls mittels Strahlformung und/oder eine der Vorschubbewegung überlagerte Bewegung des Brennpunktes des Laserstrahls verändert wird.
Zur Erzielung einer hohen Prozesseffizienz η_C ist es erforderlich, dass die Laserstrahlung so auf die Schneidfront auftrifft, dass der Einfallswinkel φ_IN des Laserstrahls auf die Schneidfront im Bereich des Brewster-Winkels φ_Br liegt und ein Absorptionsgrad nahe dem Optimum gewährleistet wird. Dabei kann so vorgegangen werden, dass der Neigungswinkel φ_C der Schneidfront permanent so verändert wird, dass der Einfallswinkel φ_IN innerhalb eines Intervalls um den Brewster-Winkel φ_Br liegt. Der Brewster-Winkel soll dabei innerhalb des Intervalls liegen. Er muss nicht zwingend in dessen Mitte liegen.
Eine Verringerung des Neigungswinkels der Schneidfront lässt sich auch durch eine Vergrößerung des Fokusradius r₀ erreichen. Allerdings führt eine solche Vorgehensweise ebenfalls zu einer Reduzierung der Intensität und Energiedichte. Gleichzeitig steigt der Leistungsbedarf P_MIN insgesamt, da sich bei größerem Strahlradius die Schnittfugenbreite erhöht und folglich mehr Werkstoff aufgeschmolzen werden muss.
Bei der erfindungsgemäß ebenfalls vorgesehene Möglichkeit, eine Einflussnahme auf die Geometrie durch Strahlformung des Laserstrahls zu erreichen, sollte beachtet werden, dass der zusätzliche Leistungsbedarf in Folge einer verbreiterten Schnittfuge sich vermeiden lässt, sofern eine Strahlaufweitung lediglich in Vorschubachsrichtung realisiert wird, siehe 6. Hierfür bieten sich Laserstrahlen mit rechteckigem oder elliptischen Strahlquerschnitten an. Als charakteristische Strahlabmessungen gehen in diesem Fall die Ausdehnungen b_oben = b₀ auf der Blechoberseite und die Ausdehnung b_unten = b₀ + b_(z) des Strahls in Vorschubrichtung ein.
Eine gezielte Einflussnahme auf die Größe des Neigungswinkels bei gleich bleibender Intensität lässt sich ebenfalls durch eine der gleichförmigen Relativbewegung zwischen Laserstrahl und Werkstück überlagerte nichtlineare oszillierende Auslenkung des Laserstrahls und eine damit verbundene Bewegung des Brennpunktes erreichen, siehe 7. Die der Vorschubbewegung überlagerte oszillierende Auslenkung sollte bevorzugt in Vorschubachsrichtung erfolgen. Sie kann beispielsweise sinus- (harmonisch) oder dreieckförmig erfolgen.
Durch die oszillierende Strahlbewegung ist der Neigungswinkel φ_C der Schneidfront durch Wahl der Oszillationsform, der Oszillationsamplitude a und der Oszillationsfrequenz f beeinflussbar. Dadurch kann die Neigung für eine jeweils gegebene Werkstückdicke d_K, und den weiteren Prozessgrößen wie Strahlkaustik r(z), Laserleistung P_L und Schneidgeschwindigkeit v_C so eingestellt werden, dass eine maximale Absorption der Laserstrahlung am Werkstoff bzw. Werkstück erreicht wird.
Die überlagerte oszillierende Auslenkung zwischen den beiden Umkehrpunkten dieser Bewegung sollte einen Mindestweg erreichen, der größer als der mittlere Durchmesser des Querschnitts des Laserstrahls in seinem Brennpunkt ist. Dabei sollte dieser Weg (Amplitude) mit steigender Dicke d_K des Werkstücks größer werden. Es können dabei Wege des Brennpunkts zwischen den Umkehrpunkten zurückgelegt werden, die einige Millimeter betragen können. Dabei kann, wie bereits angedeutet auch eine Frequenz für die Oszillationsbewegung eingehalten werden, die im Bereich zwischen 10 Hz und 1000 Hz liegen sollte.
Die oszillierende Auslenkung des Laserstrahls bei resultierender Bewegung des Brennpunktes kann in unterschiedlicher Form erfolgen. Bei einer longitudinalen Oszillation in Vorschubachsrichtung können unterschiedliche Ablenkfunktionen, wie z. B. harmonische, dreieckförmige und sägezahnförmige genutzt werden. Neben eindimensionalen Oszillationsformen können auch elliptische und achtförmige Laserstrahlbewegungen durchgeführt werden.
Sowohl der Strahlformung in Vorschubachsrichtung, als auch der oszillierenden Auslenkung des Laserstrahls sind bei Einsatz konventioneller Schneiddüsen mit kreisförmigen Durchlassöffnungen für Laserstrahl und Schneidgas Grenzen gesetzt. Eine einfache Vergrößerung des freien Querschnitts der Austrittsöffnung reduziert die Schneidgaswirkung und erhöht dessen Verbrauch, was daher zu vermeiden, zumindestens aber in Grenzen zu halten ist.
Vorteilhaft können Schneidgasdüsen eingesetzt werden, die an die jeweilige der beiden erfindungsgemäß aufgezeigten Alternativen, nämlich der Formung des Laserstrahlquerschnitts und der oszillierenden Auslenkung des Laserstrahls angepasst sind. Die Querschnitte der Austrittsöffnung können so eine rechteckige oder elliptische Gestalt aufweisen, siehe 8.
Bei wechselnden Vorschubachsrichtungen kann die Schneiddüse synchron gedreht und deren Ausrichtung mit der geometrischen Gestalt der Austrittsöffnung an die jeweilige momentane Vorschubachsrichtung angepasst werden.
Die erzielbare Verbesserung des Prozesswirkungsgrades ist von den jeweiligen Strahl- und Prozessparametern abhängig.
Nachfolgend soll die Erfindung beispielhaft auch mit den teilweise selbsterklärenden Figuren näher erläutert werden.
Dabei zeigen:
1 in schematischer Form das Verfahrensprinzip des Laserstrahl-Schmelzschneidens;
2 ein Diagramm des Absorptionsgrades von Eisen bei Schmelztemperatur als Funktion des Einfallswinkels des Laserstrahls für verschiedene Wellenlängen und Polarisationszustände;
3 in schematischer Form die Ausbildung einer quasistationären Schneidfront beim Laserstrahl-Schmelzschneiden mit konstant eingestellten Laser-, Schneidgas- und Prozessparametern, mit Fokuslage auf der Werkstückoberseite;
4 in schematischer Form die Ausbildung einer quasistationären Schneidfront beim Laserstrahl-Schmelzschneiden mit konstant eingestellten Laser-, Schneidgas- und Prozessparametern, mit Fokuslage in der Werkstückmitte;
5 Ein Diagram mittlerer Neigungswinkel der Schneidfront als Funktion der Blechdicke und der La serwellenlänge. Der Fokusradius r₀ beträgt jeweils 50 μm;
6 in schematischer Form einen mittleren Neigungswinkel der Schneidfront beim Laserstrahl-Schmelzschneiden mit in Schneidrichtung aufgeweitetem Strahlquerschnitt;
7 in schematischer Form mittlere Neigungswinkel der Schneidfront beim Laserstrahl-Schmelzschneiden unter Verwendung eines oszillierenden Strahls;
8 konventionelle und angepasste Düsengeometrien für Schneidprozesse mit Strahloszillation bzw. Strahlformung;
9 ein Diagramm der Abhängigkeit der Oszillationsamplitude auf den Neigungswinkel φ_C der Schneidfront und
10 ein Diagramm der Abhängigkeit der Oszillationsfrequenz auf den Neigungswinkel φ_C der Schneidfront.
Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren wurden Untersuchungen an einem Werkstück aus rostfreiem Edelstahl mit einer Werkstückdicke von 8 mm durchgeführt. Es wurde mit einem Faserlaser gearbeitet, der Laserstrahlung mit einer Wellenlänge von 1,07 μm bei einer Laserleistung von 2,5 kW emittierte. Der Laserstrahl wurde so fokussiert, dass der Durchmesser im Brennpunkt 110 μm aufwies. Die Brennpunktebene lag dabei 6 mm tief im zu trennenden Werkstück. Der Durchmesser des Laserstrahls an der Werkstückoberfläche konnte mit 400 μm berechnet werden. Die normale Vorschubb geschwindigkeit, ohne Berücksichtigung der überlagerten oszillierenden Auslenkung, lag bei 0,6 m/min. Es wurde mit Stickstoff als Schneidgas, das über die Schneiddüse in die Schnittfuge gerichtet worden ist, gearbeitet.
Mit den in den 9 und 10 gezeigten Diagrammen kann verdeutlicht werden, wie durch Veränderung von Parametern einer longitudinalen harmonischen oszillierenden Auslenkung Einfluss auf den Neigungswinkel genommen werden kann.
So wurde einmal bei konstanter Oszillationsfrequenz von 200 Hz ausgelenkt und lediglich der vom Brennfleck zwischen den Umkehrpunkten zurückgelegte Weg (Oszillationsamplitude 2a) variiert (s. 9). Es wird deutlich, dass bei größeren Wegen der Neigungswinkel φ_C der Schneidfront ebenfalls größer wird. In diesem Diagramm sind die bestimmten Werte mit Kreisen gekennzeichnet. Für einen zurückgelegten Weg von 2 mm ist auch der Vergleich bei einer Frequenz von 800 Hz in das Diagram eingezeichnet worden.
Mit dem in 10 gezeigten Diagramm wird der Zusammenhang einer veränderten Oszillationsfrequenz bei konstant gehaltenem Weg von 2 mm, der vom Brennfleck zwischen den Umkehrpunkten zurückgelegt worden ist, deutlich. Auch hier kann der Neigungswinkel φ_C der Schneidfront durch eine Erhöhung der Oszillationsfrequenz vergrößert werden.
Wie im allgemeinen Teil der Beschreibung zum Ausdruck gebracht, kann so auch der Einfallswinkel φ_IN beeinflusst werden.

Claims

Verfahren zum Schmelzschneiden von Werkstücken mit Laserstrahlung, bei dem bei vorgegebener Werkstückdicke eine maximale Absorption der Laserstrahlung erreichbar ist, indem der Neigungswinkel φ_C der Schneidfront durch eine Anpassung der Geometrie eines Laserstrahls mittels Strahlformung und/oder eine der Vorschubbewegung überlagerte Bewegung des Brennpunktes des Laserstrahls verändert wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass einer gleichförmigen Vorschubbewegung eine oszillierende Auslenkung des Laserstrahls überlagert wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die oszillierende Auslenkung in Vorschubachsrichtung sinusförmig durchgeführt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass die Bewegung des Brennpunktes so durchgeführt wird, dass der Neigungswinkel φ_C der Schneidfront permanent so verändert wird, dass der Einfallswinkel des Laserstrahls φ_IN innerhalb eines Intervalls um den Brewster-Winkel φ_Br gehalten wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei der oszillierenden Auslenkung der Brennpunkt zwischen den beiden Umkehrpunkten einen Weg zurücklegt, der größer als der mittlere Durchmesser des Querschnitts des Laserstrahls im Brennpunkt ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die oszillierende Auslenkung mit einer Frequenz im Bereich 10 Hz bis 1000 Hz durchgeführt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die oszillierende Auslenkung in Vorschubachsrichtung eine Sägezahnfunktion berücksichtigend durchgeführt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die oszillierende Auslenkung in Vorschubachsrichtung eine Dreiecksfunktion berücksichtigend durchgeführt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine elliptische oder achtförmige oszillierende Auslenkung durchgeführt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Laserstrahl mit rechteckigem Laserstrahlquerschnitt eingesetzt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Laserstrahl mit ellipsenförmigen Laserstrahlquerschnitt eingesetzt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Laser strahlquerschnitt und/oder die Oszillationsrichtung an die jeweilige Vorschubachsrichtung angepasst wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Schneiddüse, die an den jeweiligen Laserstrahlquerschnitt und/oder die oszillierende Auslenkung des Laserstrahls angepasst ist, eingesetzt wird.
Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass eine Schneiddüse mit einer Durchlassöffnung für einen Laserstrahl mit rechteckigem Querschnitt eingesetzt wird.
Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass eine Schneiddüse mit einer Durchlassöffnung für einen Laserstrahl mit elliptischem Querschnitt eingesetzt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Schneiddüse die jeweilige Vorschubachsrichtung berücksichtigend gedreht wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Hochleistungs-, Faser-, Scheiben-, CO₂- oder Diodenlaser eingesetzt wird.