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WO2005118208A1 - Gasgemisch zum laserstrahlschmelzschneiden - Google Patents

Gasgemisch zum laserstrahlschmelzschneiden Download PDF

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WO2005118208A1
WO2005118208A1 PCT/EP2005/005503 EP2005005503W WO2005118208A1 WO 2005118208 A1 WO2005118208 A1 WO 2005118208A1 EP 2005005503 W EP2005005503 W EP 2005005503W WO 2005118208 A1 WO2005118208 A1 WO 2005118208A1
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WO
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cutting
gas mixture
gas
laser
nitrogen
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PCT/EP2005/005503
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French (fr)
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Wolfgang Danzer
Ernst Miklos
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Linde GmbH
Original Assignee
Linde GmbH
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Publication date
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    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
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    • B23K26/00—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring
    • B23K26/12—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring in a special atmosphere, e.g. in an enclosure
    • B23K26/123—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring in a special atmosphere, e.g. in an enclosure in an atmosphere of particular gases
    • B23K26/125—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring in a special atmosphere, e.g. in an enclosure in an atmosphere of particular gases of mixed gases
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    • B23K26/123—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring in a special atmosphere, e.g. in an enclosure in an atmosphere of particular gases

Definitions

  • the invention relates to a gas mixture for laser beam fusion cutting.
  • the invention further relates to a method for laser beam fusion cutting of materials, wherein a focused laser beam onto the one to be processed
  • Workpiece surface is guided and a cutting gas stream is directed against the workpiece surface via at least one nozzle.
  • the laser processing systems are known per se. As a rule, they have a laser processing head, optionally with a nozzle arranged coaxially with the laser beam. Laser processing systems are often used in connection with CNC controls of guiding machines for the x-y cutting direction. Handling systems for three-dimensional workpieces are increasingly being used in laser beam cutting.
  • An automatic cutting parameter assignment (laser power adapted to the respective cutting speed during the cutting process) based on the contour shape to be cut is generally a prerequisite for good cutting quality even at sharp corners and acute angles.
  • Laser cutting is the most commonly used laser processing method worldwide. For example, in Germany over 80% of laser processing systems are used for cutting. With laser beam cutting, there is a distinction between laser beam flame cutting (with oxygen), laser beam fusion cutting (with inert gas or nitrogen) and reactive laser beam cutting (with reactive gases such as hydrogen and oxygen, which bring energy to the workplace through the detonating gas reaction). Such methods and gas mixtures are known, for example, from DE 100 64 327 A1 or DE 693 17 313 T2. With laser beam fusion cutting, the material is melted by the laser radiation in the separation spot. The melt is driven out of the kerf with a cutting gas. Laser beam fusion cutting with cutting gas under high pressure has established itself in the cutting of stainless steels, but is also sometimes used for other materials such as structural steel or aluminum. As
  • Cutting gas for laser beam fusion cutting is usually an inert gas such as nitrogen in particular.
  • Nitrogen is used in the laser beam fusion cutting of metals, in particular when cutting chromium-nickel steels, whereby this gas should have the greatest possible freedom from oxygen in order to avoid oxidation of the cut surfaces.
  • nitrogen of high purity less than 1% oxygen
  • highest purity less than 0.1% O 2
  • gases of this purity are generated by cryogenic air separation, since PSA or VSA (Pressure Swing
  • Adsorption vacuum swing adsorption, adsorptive separations of air in nitrogen and oxygen
  • nitrogen products in the production of nitrogen, which have a higher O 2 content.
  • Adsorption systems can also produce gases of higher purity, but then the production rate (m 3 / h) drops drastically.
  • the object of the invention is to propose a gas mixture for laser beam fusion cutting which is cheaper than nitrogen of high purity and which offers the same cutting speeds and cutting qualities as nitrogen of high purity.
  • an impure starting product is used instead of high-purity nitrogen, which originates, for example, from a VSA plant, an adsorption plant, a PSA plant, an on-site plant, a membrane separation plant or another air separation plant, which is typically 91-96% nitrogen, approx . containing 1 '% argon and about 2-6% oxygen.
  • a gas can be produced very inexpensively.
  • a small amount of hydrogen is added according to the invention, which apparently reduces the remaining oxygen and makes it harmless. Adding small amounts of hydrogen to the cutting gas with approx. 3% oxygen results in the same oxide-free cut in the kerf as when using nitrogen with 0.1% oxygen.
  • With thin sheet metal which hardly gets hot when cutting and therefore hardly scales, only a little hydrogen has to be added. For sheet thicknesses over 3 mm, a higher hydrogen addition will be necessary.
  • the addition of hydrogen can correspond to the oxygen content of the starting gas or be higher (for example up to 12% if 6% oxygen is allowed). This would be a stoichiometric addition of hydrogen.
  • overstoichiometric H 2 commitments were successful, i.e. more than twice as much H 2 as O 2 .
  • the invention allows a high quality and reproducible cutting with increased cutting speed.
  • Laser beam fusion cutting according to the invention has proven to be reliable.
  • the invention also leads to an improvement in piercing during laser beam fusion cutting.
  • the invention does not require any modifications to existing laser devices and fittings.
  • the invention can be used in connection with all types of lasers. Above all, it is suitable for use in laser processing with Nd-YAG lasers, diode lasers and C0 2 lasers.

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  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Optics & Photonics (AREA)
  • Plasma & Fusion (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Laser Beam Processing (AREA)

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Gasgemisch zum Laserstrahlschmelzschneiden, enthaltend im Wesentlichen N2 und kleinere Anteile an 02 und H2. Sehr preisgünstig lässt sich das Gas herstellen, indem unreiner Stickstoff mit 1-6 % 02 als Ausgangsprodukt mit H2 angereichert wird.

Description

Beschreibung
Gasgemisch zum Laserstrahlschmelzschneiden
Die Erfindung betrifft ein Gasgemisch zum Laserstrahlschmelzschneiden. Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zum Laserstrahlschmelzschneiden von Werkstoffen, wobei ein fokussierter Laserstrahl auf die zu bearbeitende
Werkstückoberfläche geführt wird und ein Schneidgasstrom über mindestens eine Düse gegen die Werkstückoberfläche geleitet wird.
Die Eigenschaften der Laserstrahlung, insbesondere die Intensität und gute Fokussierbarkeit, haben dazu geführt, dass Laser heute in vielen Gebieten der
Materialbearbeitung zum Einsatz kommen. Die Laserbearbeitungsanlagen sind an sich bekannt. In der Regel weisen sie einen Laserbearbeitungskopf, gegebenenfalls mit einer zum Laserstrahl koaxial angeordneten Düse auf. Oftmals werden Laserbearbeitungsanlagen in Verbindung mit CNC-Steuerungen von Führungsmaschinen für x-y-Schneidrichtung eingesetzt. Beim Laserstrahlschneiden finden immer häufiger auch Handhabungssysteme von dreidimensionalen Werkstücken Verwendung. Eine automatische Schneidparameterzuordnung (Laserleistung angepasst an die jeweilige Schnittgeschwindigkeit während des Schneidprozesses) bezogen auf die zu schneidende Konturform ist in der Regel Voraussetzung für eine gute Schnittqualität auch an scharfen Ecken und spitzen Winkeln.
Das Laserstrahlschneiden ist das weltweit am häufigsten eingesetzte Laserbearbeitungsverfahren. Beispielsweise werden in Deutschland über 80 % der Laserbearbeitungsanlagen zum Schneiden verwendet. Beim Laserstrahlschneiden wird zwischen den Varianten Laserstrahlbrennschneiden (mit Sauerstoff), Laserstrahlschmelzschneiden (mit Inertgas oder Stickstoff) und reaktivem Laserstrahlschneiden (mit reagierenden Gasen wie Wasserstoff und Sauerstoff, die durch die Knallgasreaktion Energie an die Arbeitsstelle einbringen). Solche Verfahren und Gasgemische sind z.B. aus der DE 100 64 327 A1 oder der DE 693 17 313 T2 bekannt. Beim Laserstrahlschmelzschneiden wird der Werkstoff durch die Laserstrahlung im Trennfleck aufgeschmolzen. Die Schmelze wird mit einem Schneidgas aus der Schnittfuge ausgetrieben. Das Laserstrahlschmelzschneiden mit Schneidgas unter Hochdruck hat sich beim Schneiden von Edelstahlen durchgesetzt, wird aber teilweise auch bei anderen Werkstoffen wie Baustählen oder Aluminium verwendet. Als
Schneidgas für das Laserstrahlschmelzschneiden wird üblicherweise ein Inertgas wie insbesondere Stickstoff verwendet.
Beim Laserstrahlschmelzschneiden von Metallen, insbesondere beim Schneiden von Chromnickelstählen, wird Stickstoff eingesetzt, wobei dieses Gas eine möglichst hohe Freiheit von Sauerstoff haben soll, um eine Oxidation der Schnittflächen zu vermeiden. Gerade beim Schneiden von Chromnickelstählen oder Elektrostahlblechen größerer Dicke wird also Stickstoff hoher Reinheit (weniger als 1 % Sauerstoff) oder höchste Reinheit (weniger als 0,1 % O2) verlangt. Gase solcher Reinheit werden durch kryogene Luftzerlegung erzeugt, da PSA- oder VSA-Anlagen (Pressure Swing
Adsorption, Vakuum Swing Adsorption, adsorptive Trennungen von Luft in Stickstoff und Sauerstoff) bei der Herstellung von Stickstoff Ausgangsprodukte erzeugen, die einen höheren O2-Anteil haben. Mit Adsorptions-Anlagen können auch Gase höherer Reinheit erzeugt werden, dann sinkt allerdings die Produktionsrate (m3/h) drastisch.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Gasgemisch zum Laserstrahlschmelzschneiden vorzuschlagen, welches billiger ist als Stickstoff hoher Reinheit und welches die gleichen Schnittgeschwindigkeiten und Schnittgüten wie ein Stickstoff hoher Reinheit bietet.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst von einem Gasgemisch mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Ausführungen der Erfindung, eine Verwendung des Gases und ein Verfahren zur Herstellung sind Gegenstände von Unteransprüchen.
Erfindungsgemäß wird also statt hochreinem Stickstoff ein unreines Ausgangsprodukt verwendet, das z.B. einer VSA-Anlage, einer Adsorptionsanlage, einer PSA-Anlage, einer on-site-Anlage, einer Membrantrennanlage oder einer anderen Luftzerlegungsanlage entstammt, weiches typischerweise 91-96 % Stickstoff, ca. 1 '% Argon und ca. 2-6 % Sauerstoff enthält. Ein solches Gas ist sehr preiswert herstellbar. Zum Erzeugen einer guten Schnittqualität und zum Erhalten einer hohen Schnittgeschwindigkeit wird erfindungsgemäß eine kleine Menge an Wasserstoff zugesetzt, welcher anscheinend den verbliebenen Sauerstoff reduziert und unschädlich macht. Durch Zusatz geringer Mengen Wasserstoff zu dem Schneidgas mit ca. 3 % Sauerstoff kommt man in der Schnittfuge zum gleichen oxidfreien Schnitt wie bei Verwendung eines Stickstoffs mit 0,1 % Sauerstoff. Bei dünnen Blechen, die beim Schneiden fast nicht heiß werden und damit auch kaum verzundern, muss nur wenig Wasserstoff zugesetzt werden. Bei Blechdicken über 3 mm wird eine höhere Wasserstoffzugabe notwendig sein.
Der Wasserstoffzusatz kann dem Sauerstoffgehalt des Ausgangsgases entsprechen oder höher sein (z.B. bis 12 %, wenn man 6 % Sauerstoff zulässt). Dies wäre eine stöchiometrische Wasserstoffzugabe. Erfolgreich waren Versuche mit überstöchiometrischer H2-Zusage, also mehr als doppelt soviel H2 wie O2.
Die Erfindung erlaubt ein qualitativ hochwertiges und reproduzierbares Schneiden mit erhöhter Schneidgeschwindigkeit. Das Laserstrahlschmelzschneiden nach der Erfindung hat sich als prozesssicher gezeigt.
Die Erfindung führt ferner zu einer Verbesserung des Lochstechens beim Laserstrahlschmelzschneiden.
Die Erfindung macht in der Regel keine Modifikationen bestehender Lasergeräte und Armaturen erforderlich.
Die Erfindung kann im Zusammenhang mit allen Arten von Lasern zur Anwendung kommen. Vor allem eignet sie sich für den Einsatz bei der Laserbearbeitung mit Nd- YAG-Laser, Dioden-Laser und C02-Laser.
Wird mit einer handelsüblichen PSA-Anlage der Sauerstoff in der Luft (21 %) auf ca. 3 % reduziert, erhält man ein Gasgemisch mit 96 % Stickstoff, 1 % Argon und 3 % Sauerstoff; dabei liegt die Produktion dieses Gases bei ca. 100 m3/h. Will man mit der gleichen Anlage den Sauerstoff gehalt auf 0,1 % senken (was viele Schneidanwender fordern) so produziert die gleiche Anlage nurmehr 30 m3/h. Die Kosten für die Herstellung der gleichen Gasmenge sind also dreimal so hoch. Erfindungsgemäß kann nun durch einen Zusatz von Wasserstoff zum wesentlich billigeren PSA- Ausgangsprodukt mit niedriger Reinheit ein Schneidgas erzeugt werden, das einen ebenso oxidfreien Schnitt mit gleicher Schnittgeschwindigkeit erreicht.

Claims

Patentansprüche
1. Gasgemisch zum Laserstrahlschmelzschneiden, enthaltend im Wesentlichen N2 und kleinere Anteile an O2 und H2, dadurch gekennzeichnet, dass unreiner Stickstoff mit 1-6 % O2 als Ausgangsprodukt mit H2 angereichert wurde.
2. Gasgemisch nach Anspruch 1 mit
91-97 %, bevorzugt 93-95 %, N2 1-6 %, bevorzugt 1-3 %, O2 0,5-1 % Argon 0,1-12 %, bevorzugt 0,1-6 %, H2
3. Gasgemisch nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, gekennzeichnet durch ca. 93 % Stickstoff, ca. 3 % Sauerstoff, ca. 1 % Argon, ca. 3 % Wasserstoff.
4. Verwendung eines Gases nach einem der vorhergehenden Ansprüche zum Schneiden von Chromnickelstählen oder Elektrostahlblechen, insbesondere mit Dicken > 3 mm.
5. Verfahren zur Herstellung eines Gasgemisches nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass ein Ausgangsprodukt einer Stickstoffaniage mit 1-6 % 02, wie einer PSA-Stickstoff-Anlage, verwendet wird und mit Wasserstoff angereichert wird.
PCT/EP2005/005503 2004-05-27 2005-05-20 Gasgemisch zum laserstrahlschmelzschneiden Ceased WO2005118208A1 (de)

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