CH671176A5

CH671176A5 -

Info

Publication number: CH671176A5
Application number: CH2361/86A
Authority: CH
Inventors: Steen Erik Nielsen
Original assignee: Aga Ab
Priority date: 1985-05-09
Filing date: 1986-06-11
Publication date: 1989-08-15
Also published as: FR2600568B1; DK206385A; GB8614098D0; GB2191434A; DK206385D0; DE3619513A1; FI90021C; FI90021B; GB2191434B; SE8503690D0; US4724297A; SE465456B; FI862864L; FI862864A0; SE8503690L; DK168593B1; FR2600568A1

Description

BESCHREIBUNG

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren gemäss Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Wie in der Metallbearbeitungstechnik allgemein bekannt ist, wird das Schneiden mittels Laserstrahlen in der Regel in der Weise durchgeführt, dass ein Laserstrahl auf das zu schneidende metallische Werkstück fokussiert wird. Zur gleichen Zeit wird ein Schneidgas, normalerweise Sauerstoff, durch eine Düse auf das Werkstück geblasen. Das Prinzip einer Einrichtung zum Schneiden mittels Laserstrahlen geht aus der nachfolgenden Beschreibung der beigefügten Zeichnungen hervor. Ein Laserstrahl, z.B. eines C02-Lasers, wird mittels einer Linse durch eine Düse auf ein Werkstück, z. B. ein Metallblech oder eine Metallplatte fokussiert. Das Schneidgas, Sauerstoff, wird durch eine Ansaugleitung in eine Vorverdichterkammer geleitet und koaxial zum Laserstrahl durch eine Düsenöffnung unter Druck auf das Werkstück gerichtet. Die Düseneinrichtung ist in einer Trägervorrichtung angeordnet, in welcher Rollen angeordnet sind, gegen die das Werkstück, z.B. das Metallblech oder die Metallplatte, anliegt. Unterhalb des Metallblechs oder der Metallplatte ist eine Stützvorrichtung so angeordnet, dass sie an die Unterseite des Metallbleches oder der Metallplatte anliegt.

Die Stützvorrichtung ist mit einer unterhalb der Düse liegenden Öffnung ausgestattet. Das Metallblech oder die Metallplatte bewegt sich während des Schneidvorganges in einer vorgegebenen Richtung und kann während der Bewegung beispielsweise auf einem beweglichen koordinaten Schneidtisch angeordnet sein.

Die Zweckbestimmung des Schneidgases, wie Sauerstoff, ist eine zweifache:

a) Schutz der Linse 2 in der Schneideinrichtung von Spritzern und Schlacke, welche während des Schneidvorganges gebildet werden, und b) Ausspülen von geschmolzenem Material und Schlacke aus dem Schnittspalt, welcher als Ergebnis des Schneidvorganges gebildet wird.

Dabei werden das geschmolzene Material und die Schlacke 12 durch die Öffnung 10 in der Stützvorrichtung 9 ausgespült. Falls das Blech oder die Platte 6 aus Kohlenstoffstahl oder rostfreiem Stahl besteht, hat der Sauerstoff einen weiteren Zweck zu erfüllen, nämlich chemisch mit dem Stahl zu reagieren und dabei Wärme zu erzeugen, welche den Schneidprozess erleichtert. So hat das Schneiden mittels Laserstrahlen, abgesehen vom Schmelzen des Bleches oder der Platte durch die Einwirkung des Laserstrahls, ausserdem eine Stahlverbrennung in der Art zur Folge, wie sie beim traditionellen Schneiden mit Hilfe von Schneidgasen stattfindet.

Bei den zum Stande der Technik gehörenden Verfahren wurde bisher die Verwendung eines Schneidgases, welches zu praktisch 100% aus Sauerstoff besteht, verlangt, da mit einem solchen Schneidgas die besten Resultate in Bezug auf die zu erreichende Schneidgeschwindigkeit und eine annehmbare Qualität des Schnittspaltes erzielt werden konnten. Die hier in Betracht kommende Qualität hängt von verschiedenen Parametern ab. Unter diesen können erwähnt werden, Schneidgeschwindigkeit, Druck des Schneidgases, d.h. der Gasdruck in der Düse, Düsenquerschnitt, d.h. der Durchmesser der Öffnung in der Düsenmündung, Düsenabstand, d.h. der Abstand zwischen der Düsenmündung und dem Werkstück, und schliesslich Wirkungsgrad des Lasers. Allgemein kann gesagt werden, dass mit zunehmendem Druck des Schneidgases eine Zunahme der Schneidgeschwindigkeit erreicht wird. Der Druck des Schneidgases muss jedoch im Hinblick auf solche Faktoren, wie die fokus-sierende Linse, begrenzt werden. Schneiden mittels Laserstrahlen unter Verwendung von reinem Sauerstoff als Schneidgas schliesst jedoch bestimmte Nachteile ein, insbesondere im Zusammenhang mit dem Schneiden von rostfreiem Stahl. Während des Schmelzens dieses Materials im Werkstück werden Oxyde gebildet. Diese Oxyde werden zusammen mit geschmolzenem Material durch den Schnittspalt ausgeblasen. Ein Teil der Oxyde und des geschmolzenen Materials wird jedoch an der Unterseite des Schnittspaltes als Grate niedergeschlagen. Diese Grate können, insbesondere bei hochlegiertem Stahl, schwierig zu entfernen sein. Beim Schneiden unter Verwendung von reinem Sauerstoff als Schneidgas wird die geschmolzene Zone mit Schlacke vermischt, d.h. eine Mischung von aus dem Werkstück stammenden Oxyden. Die flocken- oder schuppenförmigen Schlacketeilchen im Schnittspalt geben Anlass zu verschiedenen Schwierigkeiten beim nachfolgenden Schweissen.

So kann ein Metallblech oder eine Metallplatte, die unter Verwendung von reinem Sauerstoff als Schneidgas geschnitten worden ist, eine Schweissverbindung ergeben, welche Schlacketaschen aufweist, deren Entfernung schwierig sein kann. Ein Verfahren zur Vermeidung der Schwierigkeiten, welche der Oxydbildung und als Folge davon der Grat- und Schlackebildung innewohnen, besteht darin, den Sauerstoff im Schneidgas durch ein inertes Gas zu ersetzen. Dies würde

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jedoch zu einem Absinken der Schneidgeschwindigkeit auf eine sehr niedrige Geschwindigkeit führen. Folglich ist ein solches Verfahren mit schwerwiegenden Nachteilen behaftet.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zu realisieren, mit dessen Hilfe die oben dargelegten Nachteile und Schwierigkeiten vermieden werden können.

Die gestellte Aufgabe wird erfindungsgemäss durch das im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 definierte Verfahren gelöst.

Besondere Ausgestaltungen dieses Verfahrens sind in den Patentansprüchen 2 bis 8 umschrieben.

Zum besseren Verständnis der Natur der vorliegenden Erfindung und ihrer Aspekte wird auf die nachfolgende Beschreibung der Zeichnungen verwiesen; dabei zeigen:

Figur 1 das Prinzip einer Schneideinrichtung unter Verwendung von Laserstrahlen; und

Figur 2 und 3 eine schaubildliche Darstellung der Schneidgeschwindigkeit als Funktion der Sauerstoffkonzentration im Schneidgas bei einem typischen Schneidgasgemisch.

Figur 1 zeigt eine Einrichtung zum Schneiden metallischer Werkstücke mittels Laserstrahlen, wie sie bereits im Vorhergehenden erwähnt worden ist. Darin wird ein Laserstrahl 1 mittels einer Linse 2, die in einer Düse 3 oberhalb einer Vorverdichtekammer 4 für ein Schneidgasgemisch angeordnet ist, fokussiert. Zum Einleiten des Schneidgasgemisches ist eine Ansaugleitung 5 vorgesehen, durch die das Gasgemisch in die Vorverdichtekammer 4 gelangt. Unterhalb der Düse 3 ist ein zu schneidendes metallisches Werkstück 6 angeordnet, auf das der Laserstrahl 1 und koaxial dazu der aus der Vorverdichtekammer 4 kommende Gasstrom gerichtet sind. Die Düse 3 wird mittels einer Trägervorrichtung 7 mit Rollen 8, die an das Werkstück 6 anliegen, gehalten. Unterhalb des Werkstückes 6 ist eine Stützvorrichtung 9 mit einer Öffnung 10 angeordnet, die unterhalb der Düsenmündung 11 liegt. Durch die Öffnung 10 können während des Schneidens gebildete Schlacketeilchen 12 ausgespült werden. Pfeil 13 gibt die Richtung an, in welcher das Werkstück 6 während der Schneidoperation verschiebbar ist.

Das Schneidgas, welches Sauerstoff im Gemisch mit einem inerten Gas enthält, wird durch die Ansaugleitung 5 in die Vorverdichtekammer 4 eingeleitet. Bei den Versuchen wurden He, N2, Ar und C02 als inerte Zusatzgase verwendet. Um das bestmögliche Ergebnis in Bezug auf Schneidgeschwindigkeit und Qualität des Schnittspaltes zu erreichen, ist es wesentlich, dass geeignete Werte für die Anordnung der Linse, den Durchmesser der Düsenmündung und für den Abstand zwischen der Düsenmündung und dem Werkstück gewählt werden. Darüber hinaus sollten ein geeigneter Druck des Schneidgases in der Düse und ein geeignetes Mischungsverhältnis von aktivem und inertem Gas, welche als Schneidgas verwendet werden, zur Anwendung gelangen. Bei der Verwendung eines CC^-Lasers sollte ein solcher mit einem Wirkungsgrad von mehr als 400 Watt eingesetzt werden. Der Düsendurchmesser kann in der Grössenordnung von 0,8 bis 1,2 mm und der Düsenabstand in der Grössenordnung von 0,25 bis 0,60 mm liegen. Der Druck des Schneidgases in der Düse sollte im Bereich von 2 bis 5 bar liegen. Bei Spezialdüsen kann ein höherer Druck des Schneidgases angewendet werden, wobei in diesen Fällen der Druck 7 bar überschreiten kann.

Die Zusammensetzung des Schneidgasgemisches, d.h. der Mischung aus Sauerstoff und einem inerten Gas sollte, wie bereits oben erwähnt, so gewählt werden, dass die Sauer-stoffkonzentration im Bereich von 30 — 90 Vol.-% der Gesamtmenge des Schneidgases liegt. Wird eines der inerten Gase He, N2, Ar oder CO2 verwendet, so sollte die Sauerstoffkonzentration beim Schneiden von hochlegiertem oder rostfreiem Stahl im Bereich von 40 bis 80 Vol.-% des Gesamtvolumens des Schneidgases liegen. Wird He als inertes Gas gewählt, so sollte die Sauerstoffkonzentration im Bereich von 45 bis 75 Vol.-% des Gesamtvolumens des Schneidgases liegen. Wird ein anderes der oben erwähnten Gase, N2, Ar oder COn als inertes Gas gewählt, so sollte die Sauerstoffkonzentration im Bereich von 40 bis 70 Vol.-% des Gesamtvolumens des Schneidgases liegen.

Schneidversuche wurden an Werkstücken in Form von Blechen oder Platten unterschiedlicher Dicke ausgeführt, wobei als Material für die Werkstücke unlegierte und hochlegierte Materialien, z. B. rostfreier Stahl, verwendet wurden. Die Versuche wurden bei verschiedenen Düsenabständen durchgeführt, wobei die besten Schneidresultate bei kleinst-möglichen Düsenabständen erzielt wurden. Als praktischer Hinweis kann ein Düsenabstand von 0,3 mm erwähnt werden. Als praktische Grösse für die Düsenbohrung im Mundstück der Öse kann ein Durchmesser von 0,8 mm angegeben werden. Bei der Durchführung der Versuche wurden die Schneidgeschwindigkeit, der Gasdruck und die Anordnung der Linse für jede Blech- oder Plattendicke und für jede Schneidgasmischung variiert, um auf diese Weise die besten Schneidbedingungen zu bestimmen.

Die Versuche zeigen, dass im allgemeinen die Schneidgeschwindigkeit abnimmt, wenn der Sauerstoffgehalt des Schneidgases reduziert wird. Bei jedem Versuch wurde die höchste Schneidgeschwindigkeit bei der bestmöglichen Qualität des Schnittspaltes für Schneidgasmischungen welche aus Sauerstoff im Gemisch He, N2, Ar und C02 bestanden, bestimmt. In erster Linie ist es die Grösse der Grate im Spalt, welche bei der Bewertung der Schnittspaltqualität von ausschlaggebender Bedeutung ist. Die Figuren 2 und 3 zeigen die Schneidgeschwindigkeit als Funktion der Sauerstoffkonzentration im Schneidgas, wobei als inertes Gas He verwendet wurde. Figur 2 zeigt diese Abhängigkeit im Fall des Schneidens eines Bleches aus rostfreiem Stahl mit einer Dik-ke von 0,5 mm und Figur 3 im Falle des Schneidens eines Bleches aus rostfreiem Stahl mit einer Dicke von 1,0 mm. Diese Kurven zeigen typische Beispiele für die Beziehung zwischen Schneidgeschwindigkeit, Sauerstoffkonzentration und Qualität des Schnittspaltes. Kurven von ähnlichem Aussehen werden bei Verwendung der anderen oben erwähnten Gase erhalten.

Aus den Figuren 2 und 3 ist für einen Fachmann ersichtlich, dass die Kurve der Schneidgeschwindigkeit bei einem Sauerstoffgehalt von 90 Vol.-% ein Minimum aufweist und dass danach die Kurve in Entsprechung zum reduzierten Sauerstoffgehalt ansteigt. Bei Verwendung einer Heliummischung als Schneidgas wird eine maximale Schneidgeschwindigkeit bei einer Sauerstoffkonzentration in der Grössenordnung von 45 bis 75 Vol.-% erreicht. In den Figuren 2 und 3 wurde auch die Schneidgeschwindigkeit bei Verwendung eines Schneidgases mit 100 Vol.-% He aufgeführt. Hierbei beträgt die Schneidgeschwindigkeit nur annähernd 0,5 m/min., eine Zahl, die völlig unannehmbar ist. Dies hebt die Bedeutung der Anwesenheit von Sauerstoff im Schneidgas für das Schneiden mittels Laserstrahlen hervor. Sofern die Qualität des Schnittspaltes in Betracht gezogen wird, kann festgestellt werden, dass eine merkliche Verbesserung bei der Verwendung eines gemischten Gases als Schneidgas erreicht wird, insbesondere im Falle von rostfreiem Stahl. Der Grund hierfür ist, dass am unteren Rand des Schnittspaltes ein Grat erzeugt wird, wenn reiner Sauerstoff für die Schneidoperation verwendet wird. Dieser Grat kann schwer zu entfernen sein. Dies trifft ebenso für Gasmischungen, bei denen der Sauerstoffgehalt in der Grössenordnung von 90 — 100 Vol.-% Sauerstoffliegt, zu. Der Bereich von 80 bis 90 Vol.-% ist ein Übergangsbereich, in dem der Grat anfängt, die Form von

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Schrot anzunehmen. Dies zeigt sich noch mehr bei Sauerstoffgehalten von weniger als 70 Vol.-%.

Hierbei liegen die Grate in Form von Schrot entlang des Spaltes vor. Schrot kann leicht entfernt werden, indem man beispielsweise eine Bürste verwendet. Folglich kann diese Verbesserung des Schnittspaltes als Wiederspiegelung der zuvor erwähnten Zunahme der Schnittgeschwindigkeit angesehen werden.

Es war möglich, eine weitere Verbesserung der Qualität des Schnittspaltes bei Verwendung eines gemischten Gases als Schneidgas durch metallurgische Untersuchungen, die unter Anwendung der Elektronenmicroskopie durchgeführt wurden, nachzuweisen. Es wurde festgestellt, dass die Schmelzzone im Schnittspalt kleiner ist und dass diese Zone keine eingebetteten Schlacketeilchen enthält, wenn das Schneiden unter Verwendung eines gemischten Gases durchgeführt wurde. Beim nachfolgenden Schweissen, beispielsweise eines Stahlbleches, erhält die Schweissnaht eine reine,

glatte Oberfläche, wenn als Schneidgas ein Gasgemisch verwendet worden ist.

Wird beim Schneiden mittels Laserstrahlen ein Schneidgas verwendet, welches aus einem Gasgemisch aus einem aktiven Gas, wie Sauerstoff, und einem inerten Gas, wie He, N2, Ar oder CO2, in dem die Sauerstoffkonzentration in der Grössenordnung von 30 bis 90 Vol.-%, bezogen auf das Gesamtvolumen des Gases, liegt, besteht, so kann das Schneiden sowohl bei Werkstücken aus nicht legierten als auch aus hochlegierten Materialien unter annehmbaren Bedingungen durchgeführt werden.

Obwohl eine niedrigere Schneidgeschwindigkeit erreicht wird, wird eine bessere Qualität des Schnittspaltes erhalten. Mit Hilfe des erfindungsgemässen Verfahrens wird ein Schnittspalt erhalten, bei dem Grate entweder vollständig abwesend sind oder sehr leicht entfernt werden können. Ausserdem zeigen sich keinerlei Schlacketaschen auf der Oberfläche des Schnittspaltes, was einen beträchtlichen Vorteil für ein nachfolgendes Schweissen darstellt.

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1 Blatt Zeichnungen

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1. Verfahren zur Erzeugung eines grat- und schlackefreien Schnittspaltes mit guter Schweissbarkeit beim Schneiden metallischer Werkstücke mittels Laserstrahlen, welches gleichzeitig eine hohe Schneidgeschwindigkeit im Werkstück erlaubt und bei dem ein Schneidgas verwendet wird, das mindestens ein aktives Gas enthält, dadurch gekennzeichnet, dass das Schneidgas wenigstens ein im wesentlichen inertes Gas enthält und dass die Konzentration des aktiven Gases im Schneidgas 30 bis 90 Vol.-%, bezogen auf das Gesamtvolumen des Schneidgases, beträgt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als aktives Gas Sauerstoff verwendet wird.

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PATENTANSPRÜCHE

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass als im wesentlichen inertes Gas mindestens eines aus der aus He, N2, Ar und CO2 bestehenden Gruppe verwendet wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zum Schneiden eines metallischen Werkstückes aus hochlegiertem oder rostfreiem Material ein Schneidgas verwendet wird, welches Sauerstoff im Gemisch mit mindestens einem inerten Gas aus der aus He, N2, Ar und CO2 bestehenden Gruppe enthält, wobei die Konzentration des Sauerstoffes 40 bis 80 Vol-%, bezogen auf das Gesamtvolumen des Schneidgases, beträgt.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass als inertes Gas He verwendet wird und die Sauerstoffkonzentration 45 bis 75 Vol-%, bezogen auf das Gesamtvolumen des Schneidgases, beträgt.

6. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass als inertes Gas Ar verwendet wird und die Sauerstoffkonzentration 40 bis 70 Vol-%, bezogen auf das Gesamtvolumen des Schneidgases, beträgt.

7. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass als inertes Gas CO2 verwendet wird und die Sauerstoffkonzentration 40 bis 70 Vol-%, bezogen auf das Gesamtvolumen des Schneidgases, beträgt.

8. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass als inertes Gas N2 verwendet wird und die Sauerstoffkonzentration 40 bis 70 Vol.-%, bezogen auf das Gesamtvolumen des Schneidgases, beträgt.