DE102024111675A1 - METHOD FOR LASER CUTTING A COMPONENT AND LASER CUTTING DEVICE - Google Patents
METHOD FOR LASER CUTTING A COMPONENT AND LASER CUTTING DEVICEInfo
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Laserschneiden eines Bauteils (16), bei welchem ein Laserstrahl (12) auf eine Bauteiloberfläche (14) des Bauteils (16) ausgerichtet wird, wobei der Laserstrahl (12) in oder entgegen einer Vorschubrichtung mit einer vorgegebenen Neigung geneigt auf die Bauteiloberfläche (14) ausgerichtet ist, wodurch mittels des geneigten Laserstrahls (12) das Bauteil (16) in Vorschubrichtung (18) entlang einer Schneidkontur geschnitten wird.The invention relates to a method for laser cutting a component (16) in which a laser beam (12) is directed onto a component surface (14) of the component (16), wherein the laser beam (12) is directed at the component surface (14) at a predetermined inclination in or against a feed direction, whereby the component (16) is cut along a cutting contour in the feed direction (18) by means of the inclined laser beam (12).
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Laserschneiden eines Bauteils sowie eine Laserschneidvorrichtung.The invention relates to a method for laser cutting a component and a laser cutting device.
Beim Schneiden von Blechen mit großen Blechdicken kann es zu erheblichen Gratanhaftungen in Bereichen jeweiliger Schnittkanten der geschnittenen Bleche kommen.When cutting sheets with large sheet thicknesses, significant burr adhesion can occur in the areas of the respective cut edges of the cut sheets.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Lösung zu schaffen, mittels welcher Gratanhaftungen an Schnittkanten besonders gut vermieden werden können.The object of the present invention is to provide a solution by which burr adhesion to cut edges can be avoided particularly well.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Gegenstände der unabhängigen Ansprüche gelöst. Weitere mögliche Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen, der Beschreibung und der Zeichnung 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 object of the invention is achieved according to the invention by the subject matter of the independent claims. Further possible embodiments of the invention are specified in the dependent claims, the description, and the drawings. Features, advantages, and possible embodiments set forth 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, as well as of any possible combination of the subject matter of the independent claims, optionally in conjunction with one or more of the dependent claims.
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Laserschneiden eines Bauteils, bei welchem ein Laserstrahl auf eine Bauteiloberfläche des Bauteils ausgerichtet wird. Insbesondere wird der Laserstrahl mittels einer Laserschneidvorrichtung bereitgestellt und auf die Bauteiloberfläche ausgerichtet. Bei dieser Laserschneidvorrichtung kann es sich beispielsweise um eine 2D-Laserflachbettmaschine handeln, welche eine Auflage für das Bauteil bereitstellt. Auf diese Auflage kann das Bauteil aufgelegt werden, während das Bauteil mittels des Laserstrahls geschnitten wird. Aus dem Ausrichten des Laserstrahls auf die Bauteiloberfläche des Bauteils resultiert, dass der Laserstrahl auf die Bauteiloberfläche auftrifft. Infolgedessen wird Laserleistung des Laserstrahls in das Bauteil eingebracht, wodurch eine Schnittfuge im Bauteil entsteht und hierdurch das Bauteil geschnitten wird. Durch das Ausrichten des Laserstrahls auf die Bauteiloberfläche des Bauteils wird mittels des Laserstrahls das Bauteil in Vorschubrichtung entlang einer Schneidkontur geschnitten. Die Schneidkontur gibt eine Linie vor, entlang welcher das Bauteil zu schneiden ist. Mittels der Laserschneidvorrichtung wird der Laserstrahl auf die Schneidkontur ausgerichtet, wodurch das Bauteil entlang der Schneidkontur geschnitten wird. Die Vorschubrichtung charakterisiert die Richtung, in welcher der Laserstrahl über die Bauteiloberfläche des Bauteils beim Schneiden bewegt wird. Der Laserstrahl wird somit mit einer vorgegebenen Vorschubgeschwindigkeit in Vorschubrichtung über die Bauteiloberfläche des Bauteils bewegt. Bei dem Verfahren ist es vorgesehen, dass der Laserstrahl in oder entgegen einer Vorschubrichtung mit einer vorgegebenen Neigung geneigt auf die Bauteiloberfläche ausgerichtet ist. Das bedeutet, dass für das Schneiden des Bauteils eine definierte Neigung für den Laserstrahl vorgegeben ist, in welcher der Laserstrahl in oder entgegen der Vorschubrichtung geneigt auf die Bauteiloberfläche während des Schneidens auszurichten ist. Durch die Neigung des Laserstrahls kann bei einer stechenden Ausrichtung des Laserstrahls - und somit einer Neigung des Laserstrahls in Vorschubrichtung - das Bilden von Gratanhaftungen an Schnittkanten des Bauteils besonders gut reduziert werden. Durch Wechsel der Neigung des Laserstrahls zwischen schleppender Ausrichtung des Laserstrahls - und somit Neigung des Laserstrahls entgegen der Vorschubrichtung - und stechender Ausrichtung des Laserstrahls können Nanojoints besonders einfach erzeugt werden. Je nachdem, ob ein Wechsel der Neigung des Laserstrahls von schleppend zu stechend oder von stechend zu schleppend erfolgt, können Nanojoints an einer Oberseite des Bauteils oder an einer Unterseite des Bauteils erzeugt werden. Bei dem Verfahren ist es vorgesehen, dass das Bauteil zumindest in einem Längenabschnitt der Schneidkontur mit dem geneigten Laserstrahl geschnitten wird, wobei der Laserstrahl in dem Längenabschnitt eine gleich bleibende Neigung in oder entgegen der Vorschubrichtung aufweist.The invention relates to a method for laser cutting a component, in which a laser beam is directed onto a component surface. In particular, the laser beam is provided by means of a laser cutting device and directed onto the component surface. This laser cutting device can, for example, be a 2D laser flatbed machine which provides a support for the component. The component can be placed on this support while it is cut by means of the laser beam. The alignment of the laser beam onto the component surface results in the laser beam striking the component surface. Consequently, laser power from the laser beam is introduced into the component, creating a kerf in the component and thereby cutting the component. By aligning the laser beam onto the component surface, the component is cut in the feed direction along a cutting contour. The cutting contour defines a line along which the component is to be cut. By means of the laser cutting device, the laser beam is aligned onto the cutting contour, thereby cutting the component along the cutting contour. The feed direction characterizes the direction in which the laser beam moves across the component surface during cutting. The laser beam is thus moved across the component surface at a predetermined feed rate in the feed direction. In this process, the laser beam is directed at the component surface at a predetermined angle, either in or against the feed direction. This means that a defined angle is specified for the laser beam during cutting, at which the laser beam must be directed at the component surface, either in or against the feed direction. By tilting the laser beam, the formation of burrs on the cut edges of the component can be significantly reduced, especially when the laser beam is tilted in the feed direction. Nanojoints can be created particularly easily by alternating the laser beam's angle between a trailing angle (tilting the laser beam against the feed direction) and a penetrating angle. Depending on whether the laser beam's inclination changes from trailing to piercing or vice versa, nanojoints can be created on either the top or bottom of the component. The process involves cutting the component with the inclined laser beam along at least one longitudinal section of the cutting contour, where the laser beam maintains a constant inclination in or against the feed direction within that section.
In einer möglichen Weiterbildung der Erfindung ist es vorgesehen, dass der Laserstrahl in Vorschubrichtung geneigt auf die Bauteiloberfläche ausgerichtet ist, wodurch eine Strahlposition des Laserstrahls an einer Bauteilunterseite des Bauteils einer Strahlposition des Laserstrahls an einer Bauteiloberseite des Bauteils vorauseilt. Es wird somit mittels des Laserstrahls stechend geschnitten. Durch die in Vorschubrichtung stehende Orientierung des Laserstrahls kann eine Entstehung von Grat an resultierenden Schnittkanten des Bauteils besonders stark reduziert werden. Infolgedessen können im Rahmen des Verfahrens besonders dicke Bauteile mit besonders hoher Schnittqualität geschnitten werden, insbesondere Bauteile mit einer Dicke von bis zu 20 Millimetern bei Einsatz eines Schmelzschnitts, insbesondere eines Festkörperlaser-Schmelzschnitts, mit einer Nennleistung von zwölf Kilowatt.In a possible further development of the invention, the laser beam is inclined towards the component surface in the feed direction, whereby a beam position of the laser beam on the underside of the component leads a beam position of the laser beam on the top side of the component. Thus, a piercing cut is achieved using the laser beam. Due to the orientation of the laser beam in the feed direction, the formation of burrs on the resulting cut edges of the component can be significantly reduced. Consequently, particularly thick components can be cut with exceptionally high cut quality using this method, especially components with a thickness of up to 20 millimeters when using a fusion cutting process, particularly a solid-state laser fusion cutting process, with a nominal power of twelve kilowatts.
In einer weiteren möglichen Ausgestaltung der Erfindung ist es vorgesehen, dass der Laserstrahl ausgehend von einer senkrechten Ausrichtung auf die Bauteiloberfläche um einen Winkel von 4 Grad bis 20 Grad, insbesondere um einen Winkel von 15 Grad, in oder entgegen der Vorschubrichtung geneigt auf die Bauteiloberfläche ausgerichtet ist. Insbesondere ist es vorgesehen, dass der Laserstrahl in einem Winkel von 4 Grad bis 20 Grad, insbesondere in einem Winkel von 15 Grad, stechend in Vorschubrichtung geneigt auf die Bauteiloberfläche ausgerichtet ist. Hierdurch kann eine entstehende Schmelze überwiegend im Vorlauf des Schnitts aus einem resultierenden Schnittspalt austreten und weniger an Seiten einer Schneidfront. Das hat zur Folge, dass besonders wenig Schmelze an einer Unterseite der Schnittkante anhaftet, wodurch besonders wenig Grat entsteht.In another possible embodiment of the invention, it is provided that the laser beam, starting from a perpendicular orientation to the component surface, is inclined at an angle of 4 degrees to 20 degrees, in particular at an angle of 15 degrees, in or against the feed direction to the component surface. In particular, the laser beam is designed to be directed at the component surface at an angle of 4 to 20 degrees, especially at an angle of 15 degrees, with a piercing angle in the feed direction. This allows the molten material to escape predominantly from the resulting kerf in the lead-up to the cut, and less so from the sides of the cutting edge. Consequently, very little molten material adheres to the underside of the cut edge, resulting in minimal burr formation.
In einer weiteren möglichen Ausgestaltung der Erfindung ist es vorgesehen, dass an Richtungswechseln der Schneidkontur der Laserstrahl senkrecht zur Vorschubrichtung auf die Bauteiloberfläche ausgerichtet wird. Für Richtungswechsel kann somit eine Umorientierung programmiert werden, welche dazu führt, dass eine Änderung der Neigung des Laserstrahls kurz vor und kurz nach dem Richtungswechsel ausgeführt wird. An einem Richtungswechsel, welcher durch einen Punkt oder durch einen kleinen Radius definiert sein kann, kann das Bauteil mittels des Laserstrahls geschnitten werden, welcher weder in Vorschubrichtung noch entgegen der Vorschubrichtung geneigt auf die Bauteiloberfläche ausgerichtet ist. Hierdurch kann das Bauteil insbesondere im Bereich jeweiliger Richtungswechsel der Schneidkontur besonders präzise mittels des Laserstrahls geschnitten werden.In a further possible embodiment of the invention, the laser beam is aligned perpendicular to the feed direction onto the component surface at changes in the cutting contour's direction. A reorientation can thus be programmed for these changes in direction, resulting in a change in the laser beam's inclination shortly before and shortly after the change. At a change in direction, which can be defined by a point or a small radius, the component can be cut using the laser beam, which is neither inclined in nor against the feed direction. This allows the component to be cut with particular precision using the laser beam, especially in the area of each change in the cutting contour's direction.
In einer weiteren möglichen Ausgestaltung der Erfindung ist es vorgesehen, dass der Laserstrahl zusätzlich für ein Schrägschneiden um die Vorschubrichtung geneigt auf die Bauteiloberfläche ausgerichtet ist. Das Bauteil kann somit im Rahmen des Verfahrens besonders einfach schräg geschnitten werden. Dieses Schrägschneiden ist bei einer Neigung des Laserstrahls in Vorschubrichtung und somit bei einem stechenden Schneiden des Bauteils über besonders große Blechdicken mit lediglich besonders geringer Gratbildung möglich. Es kann somit im Rahmen des Verfahrens besonders einfach schräg geschnitten werden. Hierdurch kann besonders einfach aus dem Bauteil ein eine Fase aufweisendes Werkstück ausgeschnitten werden, welches aufgrund der besonders geringen Gratbildung besonders wenig, insbesondere gar keiner, Nachbearbeitung bedarf.In a further possible embodiment of the invention, the laser beam is additionally directed at the component surface at an angle around the feed direction for angled cutting. This allows the component to be cut at an angle particularly easily within the process. This angled cutting is possible with particularly large sheet thicknesses and minimal burr formation when the laser beam is inclined in the feed direction, thus enabling a shear cut of the component. This allows for particularly easy angled cutting within the process. As a result, a workpiece with a chamfer can be easily cut from the component, requiring very little, and in particular no, post-processing due to the minimal burr formation.
In diesem Zusammenhang ist es insbesondere vorgesehen, dass der Laserstrahl für das Schrägschneiden um mehr als 20 Grad, insbesondere um einen Winkel von 30 Grad, um die Vorschubrichtung geneigt auf die Bauteiloberfläche ausgerichtet ist. Es kann somit bei dem Verfahren besonders einfach bei einem Ausschneiden eines Werkstücks aus dem Bauteil eine Fase am Werkstück erzeugt werden. Das Verfahren ermöglicht, dass ein derartiges Schrägschneiden bei besonders hohen Vorschubgeschwindigkeiten mit einer besonders geringen Gratbildung bei besonders großen Blechdicken umgesetzt werden kann.In this context, it is particularly important that the laser beam for bevel cutting is inclined at more than 20 degrees, especially at an angle of 30 degrees, around the feed direction and directed towards the component surface. This makes it particularly easy to create a chamfer on the workpiece when cutting it out of the component. The process enables such bevel cutting to be carried out at particularly high feed rates with minimal burr formation, even with very thick sheets.
In einer weiteren möglichen Ausgestaltung der Erfindung ist es vorgesehen, dass das Bauteil mittels des Laserstrahls im Rahmen eines Schmelzschnitts, insbesondere eines Festkörperlaser-Schmelzschnitts, geschnitten wird. Mit anderen Worten wird mittels eines Lasers, insbesondere mittels eines Festkörperlasers, als Laserstrahlquelle der Laserschneidvorrichtung der Laserstrahl auf die Bauteiloberfläche ausgerichtet. Als Festkörperlaser werden optisch angeregte Laser bezeichnet, deren verstärkendes und somit aktives Medium aus einem kristallinen oder glasartigen und somit amorphen Festkörper besteht. In diesem sogenannten Wirtsmaterial oder Wirtskristall sind in bestimmter Konzentration und somit Dotierung laseraktive Ionen enthalten. Festkörperlaser werden üblicherweise mit sichtbarem Licht oder Infrarotstrahlung gepumpt. Alternativ zur Verwendung eines Festkörperlasers können jedoch auch andere Laserstrahlquellen, beispielsweise ein CO2-Laser oder ein Diodenlaser oder Kombinationen gleichartiger oder verschiedenartiger Laserstrahlquellen zur Implementierung der vorliegenden Erfindung verwendet werden. Laserschmelzschneiden trennt alle schmelzbaren Werkstoffe wie beispielsweise Metall. Beim Laserschmelzschneiden werden hochlegierte Stähle und Nichteisenmetalle bis auf Schmelztemperatur erhitzt. Die Schmelze wird mit der Bewegungsenergie eines reaktionsträgen oder inerten Gases wie Stickstoff oder Argon aus einer beim Schneiden entstehenden Schnittfuge ausgetrieben. Das Bauteil kann somit ohne Ausbilden einer Oxidschicht in jeweiligen beim Schneiden entstehenden Schnittfugen geschnitten werden.In another possible embodiment of the invention, the component is cut using a laser beam in a fusion cutting process, particularly a solid-state laser fusion cutting process. In other words, the laser beam is directed onto the component surface by means of a laser, especially a solid-state laser, as the laser beam source of the laser cutting device. Solid-state lasers are optically excited lasers whose amplifying and thus active medium consists of a crystalline or glassy, and therefore amorphous, solid. This so-called host material or host crystal contains laser-active ions in a specific concentration and thus doping. Solid-state lasers are typically pumped with visible light or infrared radiation. However, as an alternative to using a solid-state laser, other laser beam sources, for example a CO₂ laser or a diode laser, or combinations of similar or different laser beam sources, can also be used to implement the present invention. Laser fusion cutting separates all fusible materials, such as metals. In laser melt cutting, high-alloy steels and non-ferrous metals are heated to their melting temperature. The molten material is then expelled from the kerf created during cutting using the kinetic energy of an inert gas such as nitrogen or argon. This allows the component to be cut without the formation of an oxide layer in the kerf.
In einer weiteren möglichen Ausgestaltung der Erfindung ist es vorgesehen, dass eine ein Schneidgas bereitstellende Schneidgasdüse mit einer gleichen Orientierung wie der Laserstrahl auf die Bauteiloberfläche ausgerichtet wird. Es kann somit das Austreiben der Schmelze aus der Schnittfuge in einer durch die Neigung des Laserstrahls vorgegebenen Richtung durch das Schneidgas unterstützt werden. Das Schneidgas und der Laserstrahl werden somit mit einer zueinander parallelen Ausrichtung auf die Bauteiloberfläche des Bauteils ausgerichtet. Vorzugsweise wird der Laserstrahl dabei koaxial mit dem Schneidgas durch die Öffnung der Schneidgasdüse auf die Bauteiloberfläche ausgerichtet.In a further possible embodiment of the invention, a cutting gas nozzle supplying a cutting gas is aligned with the same orientation as the laser beam on the component surface. This allows the cutting gas to assist the ejection of the melt from the kerf in a direction determined by the inclination of the laser beam. The cutting gas and the laser beam are thus aligned parallel to each other on the component surface. Preferably, the laser beam is aligned coaxially with the cutting gas through the opening of the cutting gas nozzle onto the component surface.
In einer alternativen möglichen Ausgestaltung der Erfindung ist es vorgesehen, dass die das Schneidgas bereitstellende Schneidgasdüse senkrecht auf die Bauteiloberfläche ausgerichtet wird. Das bedeutet, dass die Ausrichtung der Schneidgasdüse unabhängig von der Ausrichtung des Laserstrahls gewählt werden kann. Durch das senkrechte Ausrichten eines von der Schneidgasdüse bereitgestellten Schneidgasstrahls auf die Bauteiloberfläche kann ein zuverlässiges Austreiben der beim Schneiden entstehenden Schmelze an einer Bauteilunterseite des Bauteils gewährleistet werden. Auch bei der hier beschriebenen Konfiguration können der Laserstrahl und das Schneidgas vorzugsweise durch dieselbe Schneidgasdüse auf die Bauteiloberfläche ausgerichtet werden. Eine bauteilseitige Düsenöffnung kann jedoch in diesem Fall besonders groß ausgeführt sein, sodass der Laserstrahl unabhängig von dem senkrecht zur Bauteiloberfläche ausgerichteten Schneidgasstrahl in einem Winkel durch die Düsenöffnung auf die Bauteiloberfläche ausgerichtet werden kann. Ein (maximaler) Durchmesser der Düsenöffnung der Schneidgasdüse kann in diesem Fall beispielsweise wenigstens 7 mm betragen. Eine geeignete Schneidgasdüse wird beispielsweise in der
Die Erfindung betrifft des Weiteren eine Laserschneidvorrichtung, mit einem Laserschneidkopf, welcher dazu eingerichtet ist, für ein Schneiden eines Bauteils einen Laserstrahl in oder entgegen einer Vorschubrichtung geneigt auf eine Bauteiloberfläche des Bauteils auszurichten, wodurch mittels des Laserstrahls das Bauteil in Vorschubrichtung entlang einer Schneidkontur geschnitten wird. Insbesondere ist die Laserschneidvorrichtung dazu eingerichtet, ein Verfahren, wie es bereits im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren beschrieben worden ist, durchzuführen. Die Laserschneidvorrichtung umfasst insbesondere einen Festkörperlaser als Laserstrahlquelle, welcher dazu eingerichtet ist, den Laserstrahl bereitzustellen.The invention further relates to a laser cutting device with a laser cutting head configured to direct a laser beam inclined in or against a feed direction onto a component surface for cutting a component, whereby the component is cut along a cutting contour in the feed direction by means of the laser beam. In particular, the laser cutting device is configured to carry out a method as already described in connection with the method according to the invention. The laser cutting device specifically comprises a solid-state laser as a laser beam source, which is configured to provide the laser beam.
Weitere Merkmale der Erfindung können sich aus der nachfolgenden Figurenbeschreibung sowie anhand der Zeichnung ergeben. Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung und/oder in den Figuren allein gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.Further features of the invention may become apparent from the following description of the figures and from the drawings. The features and combinations of features mentioned above in the description, as well as the features and combinations of features shown below in the description of the figures and/or in the figures themselves, can be used not only in the combinations specified, but also in other combinations or individually, without departing from the scope of the invention.
Die Zeichnung zeigt in:
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1 eine schematische Schnittansicht einer Laserschneidvorrichtung sowie eines mittels der Laserschneidvorrichtung geschnittenen Bauteils; und -
2 eine schematische Perspektivansicht eines aus dem Bauteil mittels der Laserschneidvorrichtung ausgeschnittenen Werkstücks.
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1 a schematic sectional view of a laser cutting device and of a component cut by means of the laser cutting device; and -
2 A schematic perspective view of a workpiece cut from the component using the laser cutting device.
Gleiche oder funktionsgleiche Elemente sind in den Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen.Identical or functionally equivalent elements are marked with the same reference symbols in the figures.
In
Für das Schneiden des Bauteils 16 entlang einer vorgegebenen Schneidkontur ist es vorgesehen, dass der Laserstrahl 12 in einer Vorschubrichtung 18 relativ zu dem Bauteil 16 bewegt wird. Dabei ist der Laserstrahl 12 in Vorschubrichtung 18 oder entgegen der Vorschubrichtung 18 geneigt auf die Bauteiloberfläche 14 ausgerichtet. Vorliegend ist es vorgesehen, dass das Bauteil 16 mittels des Laserstrahls 12 stechend geschnitten wird. For cutting component 16 along a predefined cutting contour, the laser beam 12 is moved in a feed direction 18 relative to the component 16. The laser beam 12 is directed towards the component surface 14 at an angle in the feed direction 18 or opposite to the feed direction 18. In this case, the component 16 is cut by means of the laser beam 12 using a piercing cut.
Hierunter ist zu verstehen, dass der Laserstrahl 12 in Vorschubrichtung 18 geneigt auf die Bauteiloberfläche 14 des Bauteils 16 ausgerichtet ist, wie in
Wie in
Es ist möglich, dass mittels des Laserstrahls 12 das Bauteil 16 schräg geschnitten wird. Hierdurch kann aus dem Bauteil 16 ein Werkstück 32 ausgeschnitten werden, wie es in
Dem beschriebenen Verfahren liegt die Erkenntnis zugrunde, dass erhebliche Gratanhaftung einen Einsatz von Schmelzschnitten, beispielsweise mit Stickstoff oder Mischgas aus Stickstoff und Sauerstoff als Schneidgas, bei größeren Blechdicken verhindert. Eine maximale Blechdicke, bei deren Schneiden eine resultierende Gratbildung noch akzeptabel ist, hängt von einer Nennleistung, Fokussierbedingungen und einer Schneiddüse ab. Für eine Nennleistung von zwölf Kilowatt und bei Verwendung von einfachen Einlochdüsen liegt die maximale Blechdicke in Baustahl und Chrom-Nickel-Stahl bei acht Millimetern bei einer senkrechten Ausrichtung des Laserstrahls 12 in Bezug auf die Vorschubrichtung 18. Dieses genannte Problem der Gratbildung soll durch den in Vorschubrichtung 18 schräg gestellten Laserstrahl 12 gelöst werden. Durch den in Vorschubrichtung 18 stechend orientierten Laserstrahl 12, bei welchem die Strahlposition des Laserstrahls 12 an der Bauteilunterseite 24 der Strahlposition des Laserstrahls 12 an der Bauteiloberseite 26 vorauseilt, kann die Entstehung von Grat besonders stark reduziert werden, sodass bis zu einer Dicke von 20 Millimetern akzeptable Schnittqualitäten erreicht werden können.The described method is based on the understanding that significant burr formation prevents the use of fusion cutting, for example with nitrogen or a mixed gas of nitrogen and oxygen as the cutting gas, for larger sheet thicknesses. The maximum sheet thickness at which the resulting burr formation is still acceptable depends on the rated power, focusing conditions, and cutting nozzle. For a rated power of twelve kilowatts and when using simple single-hole nozzles, the maximum sheet thickness in structural steel and chromium-nickel steel is eight millimeters with a perpendicular orientation of the laser beam 12 with respect to the feed direction 18. This problem of burr formation is to be solved by tilting the laser beam 12 in the feed direction 18. Due to the laser beam 12 being oriented in the feed direction 18 with a piercing direction, in which the beam position of the laser beam 12 on the underside 24 of the component leads the beam position of the laser beam 12 on the top side 26 of the component, the formation of burrs can be reduced particularly strongly, so that acceptable cutting qualities can be achieved up to a thickness of 20 millimeters.
Zur Verbesserung der Schnittkantenqualität, speziell einer Grathöhe, beim Schmelzschnitt, insbesondere beim Festkörperlaser-Schmelzschnitt, auf einer 2D-Laserflachbettmaschine sowie bei Hybridmaschinen wird der Laserstrahl 12 mittels einer Schrägschnittkinematik am Laserschneidkopf 10 schräg gestellt. Hierbei wird vorliegend der Laserschneidkopf 10 schräg gestellt. Die Schrägstellung des Laserschneidkopfs 10 wird vorliegend mit 4 Grad bis 20 Grad stechend in Vorschubrichtung 18 durchgeführt. Schmelze kann dadurch überwiegend im Vorlauf des Schnitts aus einem resultierenden Schnittspalt austreten und weniger an den Seiten einer Schneidfront. Dies hat zur Folge, dass erheblich weniger Schmelze an einer Unterseite der Schnittkante anhaftet, wodurch weniger Grat entsteht.To improve the cut edge quality, specifically burr height, during fusion cutting, particularly solid-state laser fusion cutting, on a 2D laser flatbed machine as well as on hybrid machines, the laser beam 12 is inclined at the laser cutting head 10 by means of an inclined cutting kinematic. In this case, the laser cutting head 10 is inclined. The inclination of the laser cutting head 10 is performed at an angle of 4 degrees to 20 degrees in the feed direction 18. This allows the molten material to escape predominantly from the resulting kerf in the lead-up to the cut and less so from the sides of the cutting front. Consequently, significantly less molten material adheres to the underside of the cut edge, resulting in less burr formation.
Die Schneidgasdüse 28 kann dieselbe Orientierung haben wie der Laserstrahl 12. Alternativ kann die Schneidgasdüse 28 senkrecht zur Bauteiloberseite 26 orientiert sein und lediglich der Laserstrahl 12 schräg gestellt sein. Als Schneidgasdüse 28 wird insbesondere eine Einlochdüse verwendet. Andere Düsengeometrien sind alternativ möglich, wodurch sich Rautiefen der Schnittkante, Anmutung der Schnittkante und Grathöhe einstellen lassen. Es ist beispielsweise möglich, dass im Rahmen des Verfahrens als Bauteil 16 ein 15 Millimeter dicker Baustahl auf einer zwölf Kilowatt Flachbettlaserschneidmaschine mit kinematischem Schrägschneidkopf geschnitten wird. Hierbei wird mit senkrechter Orientierung des Laserschneidkopfs 10 zur Bauteiloberfläche 14 eingestochen. Auf einer Anfahrstrecke an die Schneidkontur wird die stechende Orientierung des Laserstrahls 12 eingestellt, insbesondere zeitlich parallel zum Anfahrprozess an die Schneidkontur. Die stechende Orientierung des Laserstrahls 12 wird beim Schneiden der gesamten linearen Abschnitte der Schneidkontur aufrecht erhalten. An Richtungswechseln der Schneidkontur kann eine Umorientierung programmiert sein, welche im Bereich kurz vor und kurz nach dem Richtungswechsel auszuführen ist. Beim Richtungswechsel, bei welchem es sich um einen Punkt oder um einen kleinen Radius handeln kann, wird mit senkrechter Orientierung und angepassten, insbesondere gepulsten, Schneidparametern gearbeitet. Das Verfahren ermöglicht, dass besonders hohe Nennleistungen eingesetzt werden können. Beispielsweise kann mit einer Nennleistung von zwölf Kilowatt und stechend orientiertem Laserstrahl 12 ein Baustahl bis zu einer Dicke von 20 Millimetern in vergleichbarer Qualität geschnitten werden wie bei einer Nennleistung von 24 Kilowatt mit senkrecht orientiertem Laserstrahl 12.The cutting gas nozzle 28 can have the same orientation as the laser beam 12. Alternatively, the cutting gas nozzle 28 can be oriented perpendicular to the top surface 26 of the component, with only the laser beam 12 being angled. A single-hole nozzle is typically used as the cutting gas nozzle 28. Other nozzle geometries are also possible, allowing adjustment of the roughness depth, appearance of the cut edge, and burr height. For example, a 15-millimeter-thick structural steel component 16 can be cut on a twelve-kilowatt flatbed laser cutting machine with a kinematic angled cutting head. The laser cutting head 10 is oriented perpendicular to the component surface 14 for the piercing process. The piercing orientation of the laser beam 12 is adjusted during the approach to the cutting contour, specifically in parallel with the approach process to the cutting contour. The piercing orientation of the laser beam 12 is maintained during the cutting of all linear sections of the cutting contour. A reorientation can be programmed at changes in the direction of the cutting contour, which is to be executed in the area immediately before and immediately after the change in direction. At the change in direction, which can be a point or a small radius, the process uses a perpendicular orientation and adapted, in particular pulsed, cutting parameters. This method allows for the use of particularly high nominal powers. For example, with a nominal power of twelve kilowatts and a piercingly oriented laser beam 12, structural steel up to a thickness of 20 millimeters can be cut with comparable quality. cut as with a nominal power of 24 kilowatts with a vertically oriented laser beam 12.
Das Verfahren ermöglicht darüber hinaus beim Schrägschneiden eine Blechdickenerweiterung bei besonders guter Schneidqualität. Beim Schrägschneiden mit Stickstoff kann bei Grenzblechdicken ein Grat an einer unteren Blechkante entstehen. Diesem Problem kann mittels Schräg-Schrägschnitt begegnet werden. Hierbei wird der Laserstrahl 12 zusätzlich zur Schrägstellung um die Vorschubrichtung 18 in Vorschubrichtung 18 um 4 Grad bis 20 Grad, insbesondere um 4 Grad bis 15 Grad, geneigt. Hierdurch ist es möglich, einen Schneidfrontnachlauf zu verringern und die Schmelze besonders gut auszutreiben. Das Verfahren ermöglicht, dass beim Schrägschneiden eine Blechdickenerweiterung oder Winkelvergrößerung bei guter Schneidqualität umgesetzt werden kann. In Summe nimmt der Laserstrahl 12 beim Schräg-Schrägschnitt zwei Schrägstellpositionen ein. Eine Schrägstellposition zur Erzeugung der Fase am Bauteil 16 und eine Schrägstellposition stechend in Vorschubrichtung 18. Ein Schneidvorschub kann auf dem Niveau eines Standardvorschubs zum Schneiden einer Kantenschräge liegen oder bis zu 20 Prozent darüber liegen. Für den Schneidprozess können Standardlochdüsen verwendet werden. Hierbei können die Düsenabstände drei Millimeter bis fünf Millimeter betragen und Gasdrücke von 15 bar bis 24 bar des Schneidgases betragen. Beispielsweise kann im Rahmen des Verfahrens eine Schweißkantenvorbereitung von 30 Grad in einem zwölf Millimeter Baustahl bei zwölf Kilowatt Leistung umgesetzt werden. Der Schnitt beginnt dabei mit dem Einstechen in das Bauteil 16. Danach wird der Laserschneidkopf 10 auf einer Anfahrstrecke umorientiert. Das bedeutet, dass der Laserschneidkopf 10 zur Erzeugung der Fase um 30 Grad geneigt wird und 15 Grad stechend in Vorschubrichtung 18 angestellt wird. Nach Erreichen der Schneidkontur wird mit diesen Winkeln die Fase geschnitten. Der Düsenabstand für diesen Prozess beträgt insbesondere vier Millimeter und der Gasdruck 24 bar. Der zum Schneiden verwendete Fokusdurchmesser beträgt vorliegend 210 Mikrometer.Furthermore, the process enables sheet thickness expansion during bevel cutting with particularly good cutting quality. When bevel cutting with nitrogen, a burr can form on the lower edge of a sheet at the limit of sheet thickness. This problem can be addressed by bevel cutting. Here, in addition to being inclined around the feed direction 18, the laser beam 12 is tilted in the feed direction 18 by 4 to 20 degrees, particularly by 4 to 15 degrees. This makes it possible to reduce cutting front lag and expel the molten metal particularly well. The process allows sheet thickness expansion or angle enlargement to be achieved during bevel cutting with good cutting quality. In total, the laser beam 12 assumes two tilt positions during bevel cutting: one tilt position to create the chamfer on the component 16 and one tilt position cutting directly in the feed direction 18. The cutting feed rate can be at the level of a standard feed rate for cutting an edge chamfer or up to 20 percent higher. Standard nozzles can be used for the cutting process. Nozzle spacing can range from three to five millimeters, and cutting gas pressures from 15 to 24 bar. For example, a 30-degree weld edge preparation can be achieved in 12-millimeter structural steel using this process at 12 kilowatts of power. The cut begins with piercing the component 16. The laser cutting head 10 is then reoriented along a short approach path. This means that the laser cutting head 10 is tilted by 30 degrees to generate the bevel and is set at a 15-degree angle in the feed direction 18. Once the cutting contour is reached, the bevel is cut at these angles. The nozzle spacing for this process is, in particular, four millimeters, and the gas pressure is 24 bar. The focus diameter used for cutting is 210 micrometers.
BEZUGSZEICHENLISTEREFERENCE MARK LIST
- 1010
- Laserschneidkopflaser cutting head
- 1212
- Laserstrahllaser beam
- 1414
- BauteiloberflächeComponent surface
- 1616
- Bauteilcomponent
- 1818
- VorschubrichtungFeed direction
- 2020
- senkrechte Ausrichtungvertical alignment
- 2222
- Winkelangle
- 2424
- BauteilunterseiteComponent underside
- 2626
- BauteiloberseiteComponent top
- 2828
- SchneidgasdüseCutting gas nozzle
- 3030
- SchneidgasstrahlCutting gas jet
- 3232
- Werkstückworkpiece
- 3434
- SchnittflächeCut surface
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES CONTAINED IN THE DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturCited patent literature
- EP 3 315 243 A1 [0013]EP 3 315 243 A1 [0013]
- WO 2016/177595 A1 [0013]WO 2016/177595 A1 [0013]
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- 2025-04-15 WO PCT/EP2025/060324 patent/WO2025223928A1/en active Pending
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|---|---|
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