DE2338514A1

DE2338514A1 - Verfahren und vorrichtung zur laserstrahl-bearbeitung von werkstuecken

Info

Publication number: DE2338514A1
Application number: DE19732338514
Authority: DE
Inventors: Walter Dr Ing Ulmer
Original assignee: LKS LASER KOMBINATIONSSYSTEME
Current assignee: LKS LASER KOMBINATIONSSYSTEME
Priority date: 1973-07-30
Filing date: 1973-07-30
Publication date: 1975-02-20

Description

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Verfahren und Vorrichtung zur Laserstrahl-Bearbeitung von Werkstücken

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Laserstrahl-Bearbeitung von Werkstücken, insbesondere ein Verfahren zur Bearbeitung von Werkstücken mittels eines aus einem Laserstrahl und einem diesen überlagerten Fluidstrahl bestehenden Bearbeitungsstrahls und eine Vorrichtung zu dessen Durchführung.

Bekanntlich sind die gebündelten oder fokussierten Strahlen von Lasern, insbesondere Kohlendioxid-Lasern, geeignet, metallische und nichtmetallische Werkstoffe bzw. Werkstücke zu bearbeiten, insbesondere zu schneiden, zu bohren, zu profilieren, zu ritzen oder dergleichen.

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In diesem Zusammenhang ist es insbesondere für COp-Laser bei der Metallverarbeitung bereits seit längerer Zeit bekannt (vgl. Sullivan, Α., u. Houldcroft, P.T.: Gas-jet laser cutting, British Welding J. 14 £967) S. 445 - 445), koaxial mit dem fokussierten Laserstrahl dem zu bearbeitenden Werkstück durch eine enge Düse ein Fluid in Form von Sauerstoff zuzuführen, damit an der durch den Laserstrahl aufgeheizten Oberfläche des Werkstücks eine exotherme Reaktion beginnt, deren Ausbeute ein Vielfaches der absorbierten Laserenergie sein kann.

Zwar kann auf diese Weise eine erheblich größere Bearbeitungsgeschwindigkeit erzielt werden, als sie ohne den Sauerstoffstrahl möglich wäre, doch ist als Nachteil festgestellt worden, daß die exotherme chemische Reaktion an der Bearbeitungsstelle nur sehr schwer gesteuert werden kann, insbesondere dann, wenn es sich um Werkstoffe großer Sauerstoffaffinität (z.B. Titan) handelt. Aber selbst beim Bearbeiten von nicht so reaktiven Werkstoffen (z.B. normalem Stahl, V2A-Stahl usw.) führt die exotherme Reaktion, insbesondere beim Schneiden mit kleinen Vorschüben, wie sie bei komplexer Form der herzustellenden Werkstücke auftreten, zu Schnittkanten nur geringer Qualität, die dann eine Nachbearbeitung erfordern.

Es ist ferner bekannt geworden (vgl. John E. Harry und Frank W. Lunau, Electrothermal Cutting Processes Using a CO₂ Laser, IEEE Transactions on industry applications, Vol. IA-8, No. 4, JuIi/August 1972, S. 4l8 - 424), zum Schneiden sowohl von Metallen als auch Nichtmetallen ganz allgemein einen Gasstrahl als Fluidstrahl koaxial zum fokussierten Laserstrahl auf das Werkstück einwirken zu lassen.

Was das Schneiden von Nichtmetallen betrifft, so bewirkt

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der Gasstrahl eine Kühlung der Schnittkanten, was zu einer geraderen Schnittkante an der Werkstückoberseite führt, weiter eine Entfernung von geschmolzenen und verdampften Materialien des Werkstücks aus dem Schneidbereich, und schließlich eine Verringerung oder Vermeidung von Abbrand, selbst wenn Luft als das Gas verwendet wird, und zwar infolge der Kühlung des Werkstücks durch den Gasstrahl in der Nähe des fokussierten Laserstrahls.

Sofern ein Strahl eines inerten Gases-zum Schneiden von Metall verwendet wird, unterstützt er die Entfernung von Schlacke. Als nachteilig ist jedoch ermittelt worden, daß sich an der vom fokussierten Laserstrahl abgewandten Seite des Werkstücks Metalltröpfehen aus fast reinem Metall bilden, die nicht verschlackt sind, und daher kaum bzw. nur durch eine Nachbehandlung entfernt werden können, wobei die Nachbehandlung mittels einer Säuberungstrommel oder Abklopfen mit einem Hammer erfolgt, was beträchtliche Spuren an der Unterseite des Werkstücks infolge der Abrisse hinterläßt.

Ferner haben sich beim Bearbeiten, insbesondere Schneiden, von kleinen, komplizierten Teilen, wie sie insbesondere in der Feinwerktechnik benötigt werden (z.B. Typenhebeln, Steuerkurven), mittels eines aus einem Laser- und einem Fluidstrahl zusammengesetzten Bearbeitungsstrahlε weitere Probleme ergeben. Wie Fig. 1 zu erkennen gibt, die schematisch das Ausschneiden eines Innenteils A aus einem Außenteil B mittels eines Bearbeitungsstrahls C zeigt, wird mit zunehmendem Ausschneiden des Innenteils A und damit Verlängerung einer Schnittlinie D die Wärmeableitung vom Innenteil A zum Außenteil B, das normalerweise wegen der größeren Masse eine größere Wärmekapazität besitzt, erschwert. Dadurch findet eine Überhitzung des Innenteils A statt, was Ausbrennungen und GefügeVeränderungen des Innenteils zur Folge

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hat. Diese Effekte sind umso störender, je kleiner die zu fertigenden Innenteile sind, d.h. je kleiner deren Wärmekapazität ist, so daß es bislang praktisch unmöglich ist, Peinwerkteile mit weniger als 1 cm Durchmesser oder mit schmalen Brücken, wie sie in der Feinwerktechnik sehr häufig vorkommen, in der notwendigen Qualität aus Blechen unterhalb etwa 3 mm Dicke auszuschneiden. Selbstverständlich treten die geschilderten Wärmeabfuhrprobleme auch dann auf, wenn die Schnittlinie D sich nicht über die gesamte Werkstoff dicke erstreckt, d.h. wenn z.B. der Werkstoff nur stark geritzt wird.

Es ist daher Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren und eine Vorrichtung der eingangs genannten Art anzugeben, die nicht nur eine genaue Bearbeitung von Werkstücken ohne praktische Abmessungsbegrenzung nach unten und ohne nachteilige Veränderung des Werkstoffs erlauben, sondern sogar die Bearbeitungsgenauigkeit, insbesondere- bei Verwendung eines mit dem Werkstoff reagierenden Fluids wie Sauerstoff, zu erhöhen.

Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß ein Kühlmittel auf den Bearbeitungsbereich des Werkstücks aufgetragen wird.

Das auf das zu bearbeitende Werkstück auftreffende Kühlmittel kühlt die unmittelbare Umgebung der Bearbeitungsstelle intensiv ab und sorgt damit für die notwendige Wärmeabfuhr, so daß eine Überhitzung mit den damit verknüpften Ausbrennungen und Gefügeveränderungen vermieden wird.

Durch das auf das Werkstück treffende Kühlmittel erfolgt aber vorteilhafterweise keine Absorption von Laser-

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Strahlenergie, da der Fluidstrahlanteil des Bearbeitungsstrahls unmittelbar an der Bearbeitungsstelle das Kühlmittel verdrängt. Eine ausreichende Kühlung ist jedoch trotzdem gewährleistet, da infolge der Relativbewegung des Werkstücks und des Bearbeitungsstrahls die eben im Laserstrahl gelegenen Zonen des Werkstücks schnell diesen Energiezuführungsbereich verlassen und dann sofort abgekühlt werden, was im Sonderfall der Verwendung von Sauerstoff als das Fluid den besonderen Vorteil mit sich bringt, daß die Grenztemperatur für die exotherme Reaktion des Werkstoffs mit Sauerstoff sofort unterschritten wird und damit keine weitere Reaktion stattfindet, was für höchste Bearbeitungsgenauigkeit sorgt.

Ferner ist die Erfindung insoweit vorteilhaft, als sich am unteren Rand bildende Schlacken bzw. Metalltröpfchen bei Bearbeitung des Werkstücks unter gleichzeitigem Auftragen des Kühlmittels sehr leicht (z.B. durch eine Bürste) entfernen lassen. Nach der Entfernung dieser Schlacken- bzw. Metalltröpfchen sind kaum Spuren am Werkstück zu bemerken.

Infolge der schnellen Kühlung der Umgebung der jeweiligen Bearbeitungsstelle werden normalerweise thermische Veränderungen des Werkstoffgefüges auch bei kleinen Werkstücken mit Sicherheit vermieden, denn die Wärmeeinflußzone ist bei Bearbeitungs- bzw. Schnittbreiten von z.B. 0,1 mm, wie z.B. sie in 1 - 1,5 mm dickem Stahlblech erzielbar sind, vernachlässigbar klein, wie die praktische Erprobung der Erfindung bewiesen hat.

Schließlich wird durch das Kühlmittel weitgehend eine Wärmerückstrahlung vom Werkstück zur den Bearbeitungsstrahl abgebenden Bearbeitungsstrahldüse vermieden, so daß die Ge-

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fahr einer übermäßigen Aufheizung der Bearbeitungsstrahldüse und einer dadurch bedingten Zerstörung beträchtlich reduziert wird.

Beim Bearbeiten bzw. Schneiden von dickeren Werkstoffen z.B. Stahlblech von 2 - 5 mm Dicke und mehr, kann sich die Wärmeabfuhr durch das Kühlmittel an der Werkstückoberseite allein als nicht ausreichend erweisen, die Wärmeenergie schnell genug abzuführen, da dann die Wärmediffusionszeit zu groß und die dafür notwendige Diffusionsgeschwindigkeit zu gering wird. Dann wird das Kühlmittel auch an der Unterseite des Werkstücks 'aufgetragen.

Die entsprechende Unterkühleinrichtung hat zweckmäßigerweise eine mittige öffnung zum Durchtritt des das Werkstück durchsetzenden Teils des Bearbeitungsstrahls und von Bearbeitungsabfällen.

Schließlich ist es vorteilhaft, daß die Oberkühleinrichtung mit der Bearbeitungsstrahldüse einen guten- Wärmekontakt hat.

Bei Verwendung von Bearbeitungsstrahldüsen mit kleinem Querschnitt wird nämlich infolge der immer bei Lasern im ' optischen Nahfeld auftretenden Streustrahlung (Beugungserscheinungen am Austrittsfenster, Linsenfehler der Bündelungsoder Fökussierungslinse) ein Teil der Layerenergie am Umfang dieser Düse absorbiert, wodurch eine Aufheizung dieser Düse ebenso wie durch die bereits erwähnte Rückstrahlung vom Werkstück stattfinden kann. Daher besteht an sich die Gefahr, daß die Kühl-Bearbeitungsstrahldüse unzulässig hoch aufgeheizt wird, d.h. durch die Aufheizung zerstört wird. Dem wirkt aber gerade die Oberkühleinrichtung entgegen, wenn sie in gutem Wärmekontakt mit der Bearbeitungsstrahldüse steht.

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Im einfachsten Pall ist das Kühlmittel einfach Wasser oder eine an sich bekannte Bohremulsion, die dann einen Flüssigkeitsfilm an der Werkstückoberseite bilden.

Das Kühlmittel kann aber auch ein kaltes inertes Gas sein.

Die Erfindung wird anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 schematisch die bei der Laserstrahlbearbeitung auftretenden Wärmeabfuhrverhältnisse; und

Fig. 2 ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung.

Von einem (nicht gezeigten) Laser geht ein Laserstrahl 1 aus, der durch eine Linse 2 gebündelt oder fokussiert wird. Durch ein seitliches Speiserohr J wird ein Fluid wie z.B. Sauerstoff dem Laserstrahl 1 überlagert, so daß aus einer Bearbeitungsstrahldüse 4 ein Bearbeitungsstrahl 5 austritt, der sich aus dem Laserstrahl 1 und einem nicht gesondert gezeigten Sauerstoffstrahl zusammensetzt.

Im Fall von Fig. 2 durchsetzt der Bearbeitungsstrahl 5 vollständig ein Werkstück 6.

Gemäß der Erfindung ist eine Kühleinrichtung vorgesehen, die einerseits aus einer Oberkühleinrichtung 7a mit einer Kühlmittelzufuhr 8a sowie hier konzentrisch zum Bearbeitungsstrahl 5 angeordneten Kühlmitteldüsen 9a und andererseits aus einer Unterkühleinrichtung 7b mit einer Kühlmittelzufuhr 8b sowie Kühlmitteldüsen 9£> und schließlich einer mittigen Bohrung 10 besteht.

Das Kühlmittel wird gemäß Pfeilrichtungen K auf das

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Werkstück 6 selbst aufgetragen.

Beim Ausführungsbeispiel von Fig. 2 ist insbesondere ersichtlich, daß die Oberkühleinrichtung 7a in gutem Wärmekontakt mit der Bearbeitungsstrahldüse 4 steht, was die bereits oben aufgezeigten Vorteile mit sich bringt.

Wegen der weiteren Einzelheiten des Ausführungsbeispiels von Fig. 2 wird ausdrücklich auf die zeichnung selbst in Verbindung mit der bereits oben gegebenen Erläuterung der durch die Erfindung erzielten Vorteile verwiesen.

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Claims

Patentansprüche

Verfahren zur Bearbeitung von Werkstücken mittels eines aus einem Laserstrahl und einem diesen überlagerten Pluidstrahl bestehenden Bearbeitungsstrahls, dadurch gekennzeichnet , daß ein Kühlmittel auf den Bearbeitungsbereich des Werkstücks aufgetragen wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Kühlmittel konzentrisch zum Bearbeitungsstrahl aufgetragen wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet , daß das Kühlmittel an der dem Bearbeitungsstrahl zugewandten oder Oberseite des Werkstücks aufgetragen wird.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet , daß das Kühlmittel auch an der Unterseite des Werkstücks aufgetragen wird.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet , daß das Kühlmittel Wasser ist.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1-5, dadurch gekennzeichnet , daß das Kühlmittel eine an sich bekannte Bohremulsion, nämlich eine Emulsion aus Wasser und korrossionsverhindernden ölen, ist.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 - 5 , dadurch gekennzeichnet , daß das Kühlmittel ein kaltes inertes Gas ist.

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8. Vorrichtung zur Bearbeitung von Werkstücken mittels eines aus einem Laserstrahl und einem diesen überlagerten Fluidstrahl bestehenden Bearbeitungsstrahls zur Durchführung des Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine Kühleinrichtung zum Auftragen eines Kühlmittels auf den Bearbeitungsbereich des Werkstücks (6).
9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet , daß die Kühleinrichtung eine Oberkühleinrichtung (7a, 8a) auf der dem Bearbeitungsstrahl (5) zugewandten oder Oberseite des Werkstücks (6) hat.
10. Vorrichtung nach Anspruch 9* dadurch gekennzeichnet, daß die Kühleinrichtung eine Unterkühleinrichtung (7b, 8b) an der vom Bearbeitungsstrahl (5) abgewandten Seite des Werkstücks (6) hat.
11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 - 10, dadurch gekennzeichnet , daß die Kühleinrichtung (7a, 8a; 7b, 8b) im wesentlichen koaxial zur Bearbeitungsstrahldüse (4) angeordnet ist.
12. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet , daß die Kühleinrichtung viele feine Kühlmitteldüsen (9a, 9b) aufweist.
13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10- 12, dadurch gekennzeichnet , daß die Unterkühleinrichtung ('Jb) eine mittige Öffnung (10) zum Durchtritt des das Werkstück durchsetzenden Teils des Bearbeitungsstrahls (5) und von Bearbeitungsabfällen hat.
14. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 - I3, dadurch gekennzeichnet , daß die Oberkühleinrichtung (7a) mit der Bearbeitungsstrahldüse (4) einen guten Wärmekontakt hat.

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