EP1833637A2 - Verfahren zum trennen von werkstoffen mit einem laserstrahl - Google Patents

Verfahren zum trennen von werkstoffen mit einem laserstrahl

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EP1833637A2
EP1833637A2 EP05797042A EP05797042A EP1833637A2 EP 1833637 A2 EP1833637 A2 EP 1833637A2 EP 05797042 A EP05797042 A EP 05797042A EP 05797042 A EP05797042 A EP 05797042A EP 1833637 A2 EP1833637 A2 EP 1833637A2
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
cutting
laser beam
modulation
melt
distance
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP05797042A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Wolfgang Schulz
Reinhart Poprawe
Stefan Kaierle
Dirk Petring
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Fraunhofer Gesellschaft zur Foerderung der Angewandten Forschung eV
Original Assignee
Fraunhofer Gesellschaft zur Foerderung der Angewandten Forschung eV
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Filing date
Publication date
Application filed by Fraunhofer Gesellschaft zur Foerderung der Angewandten Forschung eV filed Critical Fraunhofer Gesellschaft zur Foerderung der Angewandten Forschung eV
Publication of EP1833637A2 publication Critical patent/EP1833637A2/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K26/00—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring
    • B23K26/14—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring using a fluid stream, e.g. a jet of gas, in conjunction with the laser beam; Nozzles therefor
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K26/00—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring
    • B23K26/02—Positioning or observing the workpiece, e.g. with respect to the point of impact; Aligning, aiming or focusing the laser beam
    • B23K26/06—Shaping the laser beam, e.g. by masks or multi-focusing
    • B23K26/062—Shaping the laser beam, e.g. by masks or multi-focusing by direct control of the laser beam
    • B23K26/0626—Energy control of the laser beam
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
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    • B23K26/14—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring using a fluid stream, e.g. a jet of gas, in conjunction with the laser beam; Nozzles therefor
    • B23K26/142—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring using a fluid stream, e.g. a jet of gas, in conjunction with the laser beam; Nozzles therefor for the removal of by-products
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K26/00—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring
    • B23K26/36—Removing material
    • B23K26/38—Removing material by boring or cutting

Definitions

  • the present invention relates to a method for separating materials with a laser beam which emerges from a cutting head having a nozzle inside edge and is absorbed on the cutting front, wherein the axis of the laser beam along a parting line with a fixed orientation in the separating direction of a factory ⁇ piece is moved relative to the workpiece.
  • the separation of a workpiece with a laser beam is an established separation method.
  • the laser-based manufacturing processes occupies the leading position in industrial application.
  • a persistent requirement from the user's point of view is the increase in the productivity of the process under growing quality requirements.
  • laser beam cutting with a reactive cutting gas jet eg oxygen, compressed air
  • the laser beam and an exothermic chemical reaction together make the cutting energy available.
  • Techniques for laser beam cutting with a reactive cutting gas jet are further distinguished by whether the laser beam acts predominantly in the cutting joint (laser beam cutting edge) or is additionally irradiated on the upper side of the sheet (burn-up-stabilized laser beam cutting edge).
  • the laser beam applies the cutting energy.
  • the laser cutting with inert cutting gas jet is further distinguished by the different mechanisms for accelerating / expelling the melt.
  • the vaporization of molten material may occur and accelerate the melt.
  • the driving effect due to evaporation increases.
  • the temperature at the surface of the melt remains below the evaporation temperature and the melt is expelled only by the cutting gas jet.
  • This process variant is used industrially in the area of fine, medium and thick sheet metal.
  • the melt flows out predominantly at the apex of the cutting front - in front of the laser beam axis. Quality-limiting is the formation of a beard, which starts at too high and too low cutting speeds.
  • the evaporation temperature is exceeded on the lower part of the cutting front and the expelling effect due to the cutting gas and the evaporating Mate ⁇ rials are comparable.
  • the melt flows predominantly in the front region of the cutting front - on the right and left of the laser beam axis.
  • This process variant can be applied in the range of fine and medium sheet. Quality-limiting is the formation of a beard, which uses too high a cutting speed.
  • High-speed cutting The evaporation temperature is exceeded almost on the entire cutting front. The driving effect due to evaporation is dominant. The melt flows around the laser beam axis and closes a part of the kerf in the wake of the laser beam and is expelled there by the action of the cutting gas. This process variant is used for thin sheets.
  • the literature describes that the power of the laser beam is partly absorbed by the material and partly reflected.
  • the absorbed part is available to the cutting process and is divided into useful power and different power losses.
  • the cutting speed should be reduced when cutting narrow contours, since the acceleration of the cutting machine is limited.
  • the laser power can be modulated.
  • the invention has the object of developing a method for separating by means of Laserstrah ⁇ ment of the type mentioned so that higher cutting speeds can be reached or larger sheet thicknesses can be separated, taking into account the qua ⁇ quality of the cutting edge, small Riefenamplituden, a low beard and an oxide-free cut edge.
  • the object is achieved by a method for separating materials with a La ⁇ serstrahl having from a cutting nozzle having a nozzle inner edge - A -
  • the conventional techniques for cutting metals with laser radiation are improved so that higher cutting speeds or larger sheet thicknesses can be separated and an adhesion of solidified melt can be avoided.
  • the process window for the quality section with constantly set parameters of the cutting machine is extended to higher speeds and / or larger sheet thicknesses.
  • the power loss for the cut is reduced.
  • the necessary mass flow of cutting gas is also reduced, which results in a reduction of the cutting gas consumption and thus of the costs. It has been found that with the measures according to the invention small groove amplitudes, no bark formation; or, if at all, only a slight form of beard and an oxide-free cut edge can be achieved.
  • the laser radiation is absorbed in the material in the separating direction to the lower edge of the sheet, i. E.
  • the laser radiation illuminates the entire cutting front in the material in the separating direction, so that the entire thickness of the sheet is detected by the removal.
  • Quality of the cut edge Flatness, perpendicularity are not only roughness and an ⁇ sticking beard and the formation of oxide layers essential quality features of the cutting edge.
  • the process chain cutting-welding is an example on which it is possible to recognize the significance of the quality of the cut edge for the preparation of the joint gap.
  • a cutting of the components to be joined with flat, rectangular and smooth, beard- and oxide-free cut edges is desired.
  • the smallest possible groove amplitude in particular in the lower part of the cut edge, grooves with large amplitudes are produced, which are caused by the solidification of molten metal on the cut edge.
  • the parameters of the cutting machine are set constant when approaching the limit for the quality section. A targeted reduction of the convection losses is not possible with the known methods.
  • the cutting gas nozzle used depending on the thickness of the Ble ⁇ , the cutting gas nozzle used, the width of the kerf and the material to schnei ⁇ , cuts in sheets with greater thickness, with greater Schneidgeschwin ⁇ speed, with less cutting gas consumption and with made of greater quality were ⁇ the.
  • the position of the cutting head or the laser power or the boiler pressure must be modulated and not, as hitherto known, be set constant.
  • the cutting machine it is advantageous to combine the above-mentioned parameters of the cutting machine as a function of the material to be cut (material properties, sheet thickness, etc.), the laser beam used (power, intensity distribution, modulability, etc.). ) and the cutting nozzle used (round Düsenquer ⁇ cut, Langlochdüse, distance nozzle-top sheet, position of the laser beam axis in the nozzle, etc.) to provide.
  • Characteristic of the invention is that a power module tion alone is not advantageous, but can only be advantageous in addition or in combination with the modulation of the other parameters.
  • Characteristic is a temporal modulation of the position p of the cutting head in comparison to its time average. With the position p of the cutting head, the mutually fixed positions of the axes of laser beam and cutting nozzle are changed.
  • the position p of the cutting head is moved counter to the separating direction by the distance (-p 0 ) (po ⁇ 0).
  • the distance (-p 0 ) should reach the maximum value w D.
  • the melting of solid material (removal phase) and expulsion of molten material (Austriebspha ⁇ se) takes place in temporally successive time intervals and that this temporal sequence by the modulation of the laser power or the position of the cutting head or the Gas pressure in the cutting nozzle and the modulation of the position of the cutting head er ⁇ is sufficient.
  • the laser power is additionally modulated, and not set constant as in the prior art.
  • the method should be modified so that in addition the laser power with an almost in-phase, temporal modulation of laser power and position p of the cutting head compared to the time average takes place, so that the position of the cutting head does not have to be moved over an unnecessarily large distance (- Po).
  • the laser power is controlled so that it is smaller / larger than its time average.
  • the phase shift between laser power and position of the cutting head should not exceed 20% of the modulation period. This ensures that melting (removal phase) and expulsion (ejection phase) occur separately in time.
  • the modulation of the laser power er ⁇ follows that the minimum laser power P m j n in the rearward po position (the position during the Austriebsphase) has the lowest possible value and remains sufficiently large to a To prevent solidification of already molten material.
  • the gas pressure in the cutting nozzle (also referred to as boiler pressure) can be modulated.
  • the gas pressure in the cutting nozzle is modulated in such a way that the mass flow of cutting gas flowing out of the nozzle opening is modulated in almost opposite phase to the laser power and to the position of the cutting head.
  • the deviation from an in-phase modulation between the mass flow and the position of the cutting head should preferably not exceed 20% of the modulation period.
  • the modulation of laser power and gas pressure in the cutting nozzle can be carried out so that laser power and mass flow of cutting gas flowing out of the nozzle opening are modulated in almost out-of-phase. This ensures that melting (removal phase) and expulsion (expulsion phase) take place separately in time. With respect to this type of modulation, the deviation should be from an antiphase modulation between laser power and mass flow of cutting gas flowing out of the nozzle opening does not exceed 20% of the modulation period. This ensures that melting (removal phase) and expulsion (expulsion phase) are largely separated in time.
  • the modulation of the mass flow at the nozzle outlet by changing the flow rate of cutting gas is advantageous.
  • the modulation of the laser power absorbed on the cutting front can take place by moving the laser beam axis along the separating line with changing orientation without moving the cutting nozzle (changing orientation here means that the position of the laser beam axis is moved back and forth). Precisely this measure leads to the fact that the modulation period can assume small values, since the laser beam is massless and the inertia of a mirror is smaller than the inertia of a cutting nozzle.
  • a scanner level is used and the movement of the laser beam axis is made oscillating;
  • Oscillating motion here means that the direction of the laser beam axis is changed.
  • the period of the modulation (modulation, in particular with respect to the position of the cutting head or the gas pressure in the cutting nozzle or the laser power) for a larger Blech ⁇ thickness and a larger average cutting speed is set to be increasingly greater ; This means a larger sheet thickness or a larger average cutting speed compared to non-modulated cutting.
  • the first time interval t 1 should represent part of the ejection phase, the amplitude (pn) and time duration of this first time interval (t 1) being set such that cooling of the molten material by diffusion of heat from the melt into the still The material to be cut takes place before the melt discharge is dominant or begins.
  • the amplitude pt 2 and time duration of the second time interval X 2 should be set so that as much melt as possible is expelled and solidification of the melt is avoided.
  • the third time interval t 3 which represents a part of the removal phase, is preferably set with regard to the amplitude p t3 and time duration such that as much material as possible is melted during the deposition phase and the laser beam illuminates the entire cutting front. This means that the melt front is moved as far as possible into the still-to-be-separated material in as short a time as possible. To ensure that the melting front is heated as evenly as possible at every depth, it is advantageous that the entire cutting front is irradiated by the laser beam.
  • the last of the four time intervals ie the time interval U, which represents a part of the removal phase, should be adjusted in terms of amplitude p t4 and time duration so that the removal phase lasts so long that the entire sheet thickness is detected by the removal and the increasing budding of hotter Melt remains as small as possible.
  • the thermal emission of the hot Ober ⁇ surface of the melt film is recorded with a camera.
  • the length of the extension of the intensely illuminated area of the camera recordings and the intensity of the measurement signal are then used to monitor the beginning and the completion of the different phases for the melt ejection and the removal or the efficiency of the control.
  • the monitoring or control can be carried out with a more cost-effective device compared to the camera and with a larger recording frequency.
  • the length of the expansion of the intensely illuminated area of the camera receptacles and the intensity of the measurement signal can then be qualitatively detected by a spatially averaged signal of a photodiode.
  • the readings from this Monitoring can then be used to control the four different amplitudes (p t ) and the four different time intervals (t) as indicated above.
  • Figures 1 (a) - (b) three frames to explain the modulation of the position of a cutting head
  • FIG. 2 shows a schematic representation of a cut workpiece
  • FIG. 3 is a schematic diagram of the time course of the modulation of the
  • Cutting head divided into four time intervals
  • Figures 4A-C are three frames illustrating the monitoring of thermal emission from the cutting front during the ejection phase.
  • FIGS. 1 (a) to (c) show schematically, in four phases, the modulation of the cutting head. Even such a modulation of the cutting head is sufficient to achieve greater Schneid ⁇ speed and cut larger sheet thicknesses and to achieve a high quality cut edge low scoring and beard formation and virtually no oxidation at the cutting edge.
  • the workpiece to be cut or separated is designated by the reference numeral 1.
  • This workpiece 1 has, as shown in Figure 1 (b), a thickness d.
  • the laser beam, designated 2 emerges from a cutting head 3 of a laser cutting machine, not shown.
  • the inner radius w D of the cutting gas nozzle at the nozzle exit, which is indicated in FIG. 1 (a), is defined by the nozzle inner edge 4.
  • the respective position of the cutting head 3 relative to the workpiece 1 is determined by the position of the laser salmon, designated by the reference numeral 5.
  • Figure 1 (a) illustrates a stationary position of the cutting head without modulation
  • Figures 1 (b) and 1 (c) the extreme positions of the cutting head during the time modulation are shown.
  • the spouting phase which is shown in FIG. 1 (b)
  • the abrading phase which is shown in FIG. 1 (c).
  • the ejection phase see FIG. 1 (b)
  • the cutting head is in a rearward position as viewed in the cutting direction, and the melt is expelled by the gas jet.
  • the laser beam initially heats the cutting front with a small melt film thickness and the melt front is moved.
  • the temporal modulation of the position p of the cutting head in comparison to its time average is characteristic.
  • the sum ds see FIG.
  • FIG. 2 now shows a part of a workpiece 1 with a thickness d which is cut along the directional arrow 6 with a laser beam in order to absorb the effects along the cutting edge and the effective power Ps as well as the power losses PK, P ⁇ and the ab ⁇ sorbed Power PA to clarify.
  • the melt front is the area between solid and liquid material (melt).
  • P s the power for heating and melting the material which is to be expelled.
  • the net power P s is the minimum power required to produce the kerf.
  • heat conduction losses P ⁇ occur during cutting or cutting; this is the power to heat the material of the workpiece 1 adjacent to the kerf. This power loss remains in the cut material and reduces the power Ps.
  • convection losses PK occur; this is the power to heat the melt to temperatures greater than the melting temperature. This power is expelled with the melt and is re-introduced into the material during the cooling of adherent beard, which is designated by the reference numeral 8. Also, this power loss due to convection losses P ⁇ reduces the power Ps.
  • the period U - U can be divided into a first section, the ejection phase of the melt, the time segments t
  • the position of the cutting head is adjusted so that a cooling of the molten material takes place by a diffusion of heat from the molten material into the material still to be cut, before the melt expulsion becomes dominant and begins (this time interval ti corresponds to the time in which the position of the cutting head is moved to the rearward position (see Figure 1 (b))).
  • the cutting head is moved at high speed (the amplitude p t i is large to choose) in the rearward position, so that the gas jet reaches its expelling effect as fast as possible and over the entire depth.
  • the Austriebsphase ie in the time interval t 2 , the amplitude and the length of the time interval t 2 are set so that as much melt easiertrie ⁇ Ben ben and the solidification of the molten material is avoided.
  • time interval t. 3 begins the removal phase in which as much material as possible melts and during which the entire cutting front is to be balanced by the laser beam.
  • the cutting head is moved at high speed (the amplitude p t3 is to be selected large) in the separating direction, so that the melt front is moved as far as possible into the material still to be separated in the shortest possible time.
  • the entire cutting front is irradiated by the laser beam.
  • the second portion of the Abtragsphase in which the position of the cutting head is moved in the separation direction at low speed should last as long as possible, however, the time is limited, since the increasing budding of now hot melt should remain as small as possible. It can be seen from the illustration in FIG. 3 that the speeds in the time interval t 3 and the time interval t 4 are of different sizes.
  • the thermal emission is detected optically.
  • 4 shows in the upper part in each case the workpiece 1 with the melt film 7 and the surface of the melt film, the cutting front V (which is also shown in FIGS. 1 (b) and (c) at the top, that is to say perpendicular to the surface of the workpiece 1, of the thermal emission of the cutting front during the ejection phase, corresponding to the time intervals ti and ⁇ z of Figure 3.
  • Reference numeral 11 indicates the progressive section of the laser beam 2.
  • the zones indicated by “1” are those of lower intensity, those areas indicated by “2” are those of medium intensity, and those indicated by “3” are those with high intensity of thermal emission.
  • these measurement results can be used to control the respective modulation parameters.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Trennen von Werkstoffen (1) mit einem Laserstrahl (2) der von einem Schneiddüsse mit einer Düseninnenkante (4) aufweisenden Schneidkopf (3) austritt und auf der Schneidfront absorbiert wird, wobei die Achse des Laserstrahl entlang einer Trennlinie mit einer festen Orientierung in Trennrichtung eines Werkstücks relativ zu dem Werkstück bewegt wird, das dadurch gekennzeichnet ist, dass die Position (p) des Schneidkopfs in Bezug auf seinen zeitlichen Mittelwert moduliert wird oder Laserleistung und Gasdruck in der Schneiddüse moduliert werden.

Description

„Verfahren zum Trennen von Werkstoffen mit einem Laserstrahl"
Beschreibung
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Trennen von Werkstoffen mit einem Laserstrahl, der von einem eine Schneiddüse mit einer Düseninnenkante aufweisenden Schneidkopf austritt und auf der Schneidfront absorbiert wird, wobei die Achse des Laser¬ strahls entlang einer Trennlinie mit einer festen Orientierung in Trennrichtung eines Werk¬ stücks relativ zu dem Werkstück bewegt wird.
Das Trennen eines Werkstücks mit einem Laserstrahl ist ein etabliertes Trennverfahren. Unter den lasergestützten Fertigungsverfahren nimmt es in der industriellen Anwendung die führende Position ein. Eine anhaltende Forderung aus Anwendersicht ist die Steige¬ rung der Produktivität des Verfahrens unter wachsenden Qualitätsanforderungen.
Wesentliche Merkmale, die beim Schmelzschneiden, wozu auch das Laserstrahlschneiden gehört, zuverlässig erreicht werden müssen, sind Produktivität des Prozesses, Qualität der Schneidkante, möglichst kleine Riefenamplitude, keine Bartbildung, keine Oxidation.
Auch kürzere Bearbeitungszeiten und das qualitativ hochwertige Trennen größerer Blech¬ dicken sind die Trends der derzeitigen industriellen Entwicklung; zunehmend größere La¬ serleistungen und Anlagen mit hochwertigen Antrieben werden in die Fertigung eingeführt.
Die bekannten Techniken zum Schneiden von Metallen mit Laserstrahlung werden durch die beteiligten Mechanismen zur Einbringung der Schneidenergie in
Laserstrahlschneiden mit reaktivem Schneidgasstrahl und
Laserstrahlschneiden mit inertem Schneidgasstrahl
unterteilt. Beim Laserstrahlschneiden mit reaktivem Schneidgasstrahl (z.B. Sauerstoff, Preßluft) stellen der Laserstrahl und eine exotherme chemische Reaktion gemeinsam die Schneid¬ energie zur Verfügung. Techniken zum Laserstrahlschneiden mit reaktivem Schneid¬ gasstrahl werden weiter dadurch unterschieden, ob der Laserstrahl dominant in der Schneidfuge wirkt (Laserstrahlbrennschneiden) oder zusätzlich auf der Oberseite des Ble¬ ches (abbrandstabilisiertes Laserstrahlbrennschneiden) eingestrahlt wird.
Beim Laserstrahlschneiden mit inertem Schneidgasstrahl (z.B. Stickstoff) bringt der Laser¬ strahl die Schneidenergie auf. Das Laserstrahlschneiden mit inertem Schneidgasstrahl wird durch die unterschiedlichen Mechanismen zum Beschleunigen/Austreiben der Schmelze weiter unterschieden. Zusätzlich zur Wirkung des Schneidgasstrahls kann die Verdampfung von schmelzflüssigem Material auftreten und die Schmelze beschleunigen. Mit zunehmender Vorschubgeschwindigkeit nimmt die antreibende Wirkung aufgrund der Verdampfung zu. Drei Verfahrensvarianten werden unterschieden:
Laserstrahlschmelzschneiden:
Die Temperatur an der Oberfläche der Schmelze bleibt unterhalb der Verdampfungstem¬ peratur und die Schmelze wird nur durch den Schneidgasstrahl ausgetrieben. Diese Ver¬ fahrensvariante wird im Bereich von Fein-, Mittel- und Dickblech industriell eingesetzt. Die Schmelze strömt dominant am Scheitel der Schneidfront - vor der Laserstrahlachse - aus. Qualitätsbegrenzend ist die Bartbildung, die unter zu großen und zu kleinen Schneidge¬ schwindigkeiten einsetzt.
Schnellschneiden:
Die Verdampfungstemperatur wird auf dem unteren Teil der Schneidfront überschritten und die austreibende Wirkung aufgrund des Schneidgases und des verdampfenden Mate¬ rials sind vergleichbar. Die Schmelze strömt dominant im vorderen Bereich der Schneid¬ front - rechts und links neben der Laserstrahlachse - aus. Diese Verfahrensvariante kann im Bereich von Fein- und Mittelblech angewandt werden. Qualitätsbegrenzend ist die Bartbildung, die für zu große Schneidgeschwindigkeit einsetzt.
Hochgeschwindigkeitsschneiden: Die Verdampfungstemperatur wird nahezu auf der gesamten Schneidfront überschritten. Die antreibende Wirkung aufgrund der Verdampfung ist dominant. Die Schmelze strömt um die Laserstrahlachse herum und verschließt einen Teil der Schnittfuge im Nachlauf des Laserstrahles und wird dort durch die Wirkung des Schneidgases ausgetrieben. Diese Verfahrensvariante wird für Feinbleche angewandt.
Der Stand der Technik des Schneidens von Metallen mit Laserstrahlung beschreibt Ma߬ nahmen zum Optimieren des Prozesses mit konstant eingestellten Parametern der Laser- schneidmaschine. die darauf zielen:
die Laserstrahlleistung möglichst vollständig auszunutzen (Ausleuchtung der Schneidfront) und die Leistungsverluste durch Erwärmen von Material, das an die Schnittfuge angrenzt, zu verringern und
die Schneidgaseffizienz zu erhöhen, um die Schmelze möglichst vollständig auszutreiben.
In der Literatur wird beschrieben, dass die Leistung des Laserstrahls zum Teil vom Materi¬ al absorbiert und zum Teil reflektiert wird. Der absorbierte Teil steht dem Schneidprozess zur Verfügung und wird in die Nutzleistung und unterschiedliche Verlustleistungen aufge¬ teilt.
Aus der Literatur ist auch bekannt, dass beim Schneiden von engen Konturen die Schneidgeschwindigkeit reduziert werden sollte, da die Beschleunigung der Schneidma¬ schine begrenzt ist. Um eine unerwünschte Verbreiterung der Schnittfuge aufgrund zu großer Laserleistung und die Bildung von anhaftendem Bart aufgrund zu kleiner Schneid¬ geschwindigkeit zu vermeiden, kann die Laserleistung moduliert werden.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Trennen mittels Laserstrah¬ lung der eingangs genannten Art so weiterzubilden, dass höhere Schneidgeschwindigkei¬ ten erreicht oder größere Blechdicken getrennt werden können, unter Beachtung der Qua¬ lität der Schnittkante, kleiner Riefenamplituden, einer geringen Bartbildung und einer oxid¬ freien Schnittkante.
Gelöst wird die Aufgabe durch ein Verfahren zum Trennen von Werkstoffen mit einem La¬ serstrahl, der von einem eine Schneiddüse mit einer Düseninnenkante aufweisenden - A -
Schneidkopf austritt und auf der Schneidfront absorbiert wird, wobei die Achse des Laser¬ strahls entlang einer Trennlinie mit einer festen Orientierung in Trennrichtung eines Werk¬ stücks relativ zu dem Werkstück bewegt wird, das dadurch gekennzeichnet ist, dass die Position (p) des Schneidkopfs in Bezug auf seinen zeitlichen Mittelwert moduliert wird oder Laserleistung und Gasdruck in der Schneiddüse moduliert werden.
Mit diesem Verfahren werden die herkömmlichen Techniken zum Schneiden von Metallen mit Laserstrahlung so verbessert, dass größere Schneidgeschwindigkeiten oder größere Blechdicken getrennt werden können und eine Anhaftung von erstarrter Schmelze vermie¬ den werden kann. Das Prozessfenster für den Qualitätsschnitt mit konstant eingestellten Parametern der Schneidmaschine wird zu größeren Geschwindigkeiten oder/und größeren Blechdicken erweitert. Der Leistungsverlust für den Schnitt wird verringert. In einer spezi¬ ellen Ausführungsform wird auch der notwendige Massenstrom an Schneidgas verringert, was eine Verringerung der Schneidgasverbrauchs und damit der Kosten bewirkt. Es hat sich gezeigt, dass mit den erfindungsgemäßen Maßnahmen kleine Riefenamplituden, kei¬ ne Bartbildung; oder, wenn überhaupt, nur eine geringe Bartbildung sowie eine oxidfreie Schnittkante erzielt werden können. Wesentlich ist, dass die Laserstrahlung im Werkstoff in Trennrichtung bis zur Blechunterkante absorbiert wird, d.h. die Laserstrahlung leuchtet im Werkstoff in Trennrichtung die gesamte Schneidfront aus, so dass die gesamte Blech¬ dicke vom Abtrag erfasst wird.
Die vorstehenden Angaben hinsichtlich Qualität der Schnittkante, Riefenamplitude, Bart¬ bildung und Oxidation werden nachfolgend kurz erläutert.
Qualität der Schnittkante: Ebenheit, Rechtwinkligkeit sind neben Rauheit und an¬ haftendem Bart sowie der Bildung von Oxidschichten wesentliche Qualitätsmerkmale der Schnittkante. Die Prozesskette Schneiden-Schweißen ist ein Beispiel, an dem zu erken¬ nen ist, welche Bedeutung die Qualität der Schnittkante für die Vorbereitung des Füge¬ spaltes hat. Um schlanke Schweißnähte - die keine Nacharbeit durch Schleifen und Rich¬ ten erfordern - mit dem Laser herstellen zu können, ist ein Zuschnitt der zu fügenden Bauteile mit ebenen, rechtwinkligen sowie glatten, bart- und oxidfreien Schnittkanten er¬ wünscht. möglichst kleine Riefenamplitude: insbesondere im unteren Teil der Schnittkante entstehen Riefen mit großen Amplituden, die durch das Erstarren von schmelzflüssigem Metall auf der Schnittkante hervorgerufen werden.
keine Bartbildung: insbesondere bei großer Vorschubgeschwindigkeit löst die Schmelze nicht vollständig von der Unterkante des Werkstücks ab. Die anhaftende und erstarrte Schmelze bildet den unerwünschten Bart.
keine Oxidation: die Bildung von Rissen und Poren in der Schweißnaht kann durch oxidierte Fügekanten verursacht werden, wie sie beim Brennschneiden entstehen. Das Schmelzschneiden mit inertem Schneidgas wird eingesetzt, um oxidfreie Schnittkanten zu erhalten.
Bei den bisher bekannten Verfahren werden die Parameter der Schneidmaschine bei An¬ näherung an die Grenze für den Qualitätsschnitt konstant eingestellt. Eine gezielte Verrin¬ gerung der Konvektionsverluste ist mit den bekannten Verfahren nicht möglich.
Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren können, in Abhängigkeit von der Dicke des Ble¬ ches, der eingesetzten Schneidgasdüse, der Breite der Schnittfuge und des zu schnei¬ denden Materials, Schnitte in Blechen mit größerer Dicke, mit größerer Schneidgeschwin¬ digkeit, mit geringerem Schneidgasverbrauch und mit größerer Qualität hergestellt wer¬ den.
Für das erfindungsgemäße Verfahren ist von Bedeutung, dass zum Erweitern des Pro¬ zessfensters für den Qualitätsschnitt die Position des Schneidkopfes oder die Laserlei¬ stung oder der Kesseldruck moduliert werden müssen und nicht, wie bisher bekannt, kon¬ stant eingestellt werden.
Für die Erfindung ist von Vorteil, eine kombinierte Modulation der oben angegebenen Pa¬ rameter der Schneidmaschine in Abhängigkeit von dem zu schneidenden Material (Mate¬ rialeigenschaften, Blechdicke, etc.), dem eingesetzten Laserstrahl (Leistung, Intensitäts¬ verteilung, Modulierbarkeit, etc.) und der eingesetzten Schneiddüse (runder Düsenquer¬ schnitt, Langlochdüse, Abstand Düse-Blechoberseite, Position der Laserstrahlachse in der Düse, etc.) vorzusehen. Kennzeichnend für die Erfindung ist, dass eine Leistungsmodula- tion allein nicht vorteilhaft ist, sondern nur zusätzlich bzw. in Kombination mit der Modula¬ tion der anderen Parameter von Vorteil sein kann.
Weiterhin ist von Bedeutung, dass allein die Modulation der Position des Schneidkopfes ausreicht, um das Prozessfenster für den Qualitätsschnitt im Vergleich zu konstant einge¬ stellten Parameter der Schneidmaschine zu erweitern.
Kennzeichnend ist eine zeitliche Modulation der Position p des Schneidkopfes im Ver¬ gleich zu seinem zeitlichen Mittelwert. Mit der Position p des Schneidkopfes werden die zueinander festen Positionen der Achsen von Laserstrahl und Schneiddüse verändert.
Bevorzugt erfolgt die Modulation der Position p des Schneidkopfes über eine genügend große Strecke pi in Trennrichtung, die mindestens den Laserstrahlradius Wo im Fokus und höchstens den Abstand A=WD +w(z=d) erreichen darf. Der Abstand A ist die Summe aus dem Abstand WD zwischen der Achse des Laserstrahls und der vorlaufenden Position der Düseninnenkante und dem Laserstrahlradius w(z=d) an der Blechunterkante (z=d), wobei z die Tiefe im Blech, gemessen von der Oberkante aus, bezeichnet und wobei d die Blechdicke ist.
Bevorzugt wird weiterhin die Position p des Schneidkopfes um die Strecke (-p0) (po <0) entgegen der Trennrichtung bewegt. Die Strecke (-p0) sollte hierbei maximal den Wert wD erreichen. Die Summe ds =po + Pi der Bewegungen po und pi entspricht dem zeitlich gemittelten Vorschub in einer Modulationsperiode.
Wesentlich für das erfindungsgemäße Verfahren ist, dass das Aufschmelzen von festem Material (Abtragsphase) und das Austreiben von geschmolzenem Material (Austriebspha¬ se) in zeitlich aufeinander folgenden Zeitintervallen erfolgt und dass diese zeitliche Abfolge durch die Modulation der Laserleistung oder der Position des Schneidkopfes oder des Gasdrucks in der Schneiddüse sowie die Modulation der Position des Schneidkopfes er¬ reicht wird. Neben diesen Maßnahmen, die für die Grundeinstellungen herangezogen werden, wird zusätzlich die Laserleistung moduliert, und nicht wie bisher im Stand der Technik konstant eingestellt. In dieser Hinsicht sollte das Verfahren so modifiziert werden, dass zusätzlich die Laserleistung mit einer nahezu phasengleichen, zeitlichen Modulation von Laserleistung und Position p des Schneidkopfes im Vergleich zum zeitlichen Mittelwert erfolgt, so dass die Position des Schneidkopfes nicht über eine unnötig große Strecke (- Po) bewegt werden muß. Für negative/positive Werte von p wird die Laserleistung so ge¬ steuert, dass sie kleiner/größer als ihr zeitlicher Mittelwert ist.
In Bezug auf die vorstehenden Verfahrensweise sollte die Phasenverschiebung zwischen Laserleistung und Position des Schneidkopfes nicht 20% der Modulationsperiode über¬ steigen. Hierdurch ist gewährleistet, dass Aufschmelzen (Abtragsphase) und Austreiben (Austriebsphase) zeitlich getrennt erfolgen.
Für die Erfindung ist weiterhin von Vorteil, wenn die Modulation der Laserleistung so er¬ folgt, dass die minimale Laserleistung Pmjn in der rückwärtigen Position po (die Position während der Austriebsphase) einen möglichst geringen Wert aufweist und genügend groß bleibt, um ein Erstarren von bereits geschmolzenem Material zu vermeiden.
Wenn die vorstehenden Verfahrensparameter eingehalten werden, kann zusätzlich der Gasdruck in der Schneiddüse (auch als Kesseldruck bezeichnet) moduliert werden. Hierzu wird der Gasdruck in der Schneiddüse so moduliert, dass der Massenstrom an Schneid¬ gas, der aus der Düsenöffnung ausströmt, nahezu gegenphasig zur Laserleistung und zu der Position des Schneidkopfes moduliert wird.
Diese Maßnahme vergrößert den Gewinn an größerer, erreichbarer, mittlerer Schneidge¬ schwindigkeit bzw. den Gewinn an größerer, trennbarer Blechdicke, jedoch nimmt der Ef¬ fekt für große Düsendurchmesser (Modulationshub wird zu groß) und große Blechdicken (Kompressibilität, Zeit für Relaxation der Gasströmung nimmt zu) ab. Daher sollte die Zeit¬ dauer für die Austriebsphase genügend groß gewählt werden.
In Bezug auf die vorstehend angegebene Modulation des Gasdrucks in der Schneiddüse sollte vorzugsweise die Abweichung von einer gegenphasigen Modulation zwischen Mas¬ senstrom und Position des Schneidkopfs nicht 20% der Modulationsperiode übersteigen.
Die Modulation von Laserleistung und Gasdruck in der Schneiddüse kann so erfolgen, dass Laserleistung und Massenstrom an Schneidgas, der aus der Düsenöffnung aus¬ strömt, nahezu gegenphasig moduliert werden. Hierdurch wird erreicht, dass Aufschmel¬ zen (Abtragsphase) und Austreiben (Austriebsphase) zeitlich getrennt erfolgen. In Bezug auf diese Art der Modulation sollte die Abweichung von einer gegenphasigen Modulation zwischen Laserleistung und Massenstrom an Schneidgas, der aus der Düsenöffnung aus¬ strömt, nicht 20% der Modulationsperiode übersteigen. Damit ist gewährleistet, dass Auf¬ schmelzen (Abtragsphase) und Austreiben (Austriebsphase) weitgehend zeitlich getrennt erfolgen.
Um einen möglichst schnellen Wechsel in die Austriebsphase zu erreichen, ist die Modu¬ lation des Massenstroms am Düsenaustritt durch eine Änderung des Durchflusses an Schneidgas von Vorteil.
Weiterhin kann die Modulation der auf der Schneidfront absorbierten Laserleistung durch eine Bewegung der Laserstrahlachse entlang der Trennlinie mit wechselnder Orientierung erfolgen ohne die Schneiddüse zu bewegen (wechselnde Orientierung bedeutet hierbei, dass die Position der Laserstrahlachse vor und zurück bewegt wird). Gerade diese Ma߬ nahme führt dazu, dass die Modulationsperiode kleine Werte annehmen kann, da der La¬ serstrahl masselos ist und die Trägheit eines Spiegels kleiner als die Trägheit einer Schneiddüse ist.
Wenn eine Bewegung der Laserstrahlachse über eine genügend große Strecke (P1) in Trennrichtung vorgenommen wird, die mindestens dem Laserstrahlradius (w0) im Fokus und höchstens dem vierfachen Wert des Laserstrahlradius w(z=d) an der Blechunterkante (z=d) entspricht, wobei z die Tiefe im Blech gemessen von der Oberkante bezeichnet und wobei d die Blechdicke ist, dann ergibt sich einen maximal große Strecke über die die Schmelzfront in das feste Material bewegt wird und gleichzeitig eine Ausleuchtung der ge¬ samten Schneidfront bleibt gewährleistet.
Wenn die Bewegung der Laserstrahlachse um eine Strecke (-p0) (mit p0 <0) entgegen der Trennrichtung erfolgt, wobei diese Strecke (-p0) maximal den zweifachen Wert des Laser¬ strahlradius w(z=d) an der Blechunterkante (z=d) erreicht, dann wird die Schneidfront wäh¬ rend der Austriebsphase nicht mehr vom Laserstrahl erfasst.
Um zu erreichen, dass kleine Werte für die Modulationsperiode eingestellt werden können, wird z.B. ein Scannerspiegel eingesetzt und die Bewegung der Laserstrahlachse wird pendelnd vorgenommen; außerdem wird eine genügend große Strecke (pi) und die Be¬ wegung der Laserstrahlachse um eine Strecke (-po) an der Blechunterkante (z=d) durch die pendelnde Bewegung eingehalten. Pendelnde Bewegung bedeutet hierbei, dass die Richtung der Laserstrahlachse verändert wird.
Für das erfindungsgemäße Verfahren ist weiterhin von Vorteil, wenn die Periodendauer der Modulation (Modulation, insbesondere in Bezug auf die Position des Schneidkopfes oder des Gasdrucks in der Schneiddüse oder der Laserleistung ) für eine größere Blech¬ dicke und eine größere mittlerer Schneidgeschwindigkeit zunehmend größer eingestellt wird; hiermit sind eine größere Blechdicke bzw. eine größere mittlere Schneidgeschwin¬ digkeit im Vergleich zum nicht modulierten Schneiden gemeint.
Es hat sich herausgestellt, dass dann, wenn von den vorstehenden Vorschriften abgewi¬ chen wird, zum Beispiel zu kleine oder zu große Werte von der Position p des Schneid¬ kopfes und zu kleine Werte Pmjn der Laserleistung, dies zu kleineren Werten für die er¬ reichbare mittlere Schneidgeschwindigkeit bzw. trennbare Blechdicke und zu unvollständi¬ gem Schmelzaustrieb bzw. zu der Ausbildung eines anhaftenden Barts führt.
Weiterhin sollte bei dem Verfahren auf den zeitlichen Verlauf der Modulation, für eine Op¬ timierung der Trennbedingungen, geachtet werden. Es hat sich gezeigt, dass Vorteile dann erreicht werden, wenn die Modulation der einzelnen Schneidparameter nicht harmo¬ nisch (z.B. sinusförmig) durchgeführt wird; hierzu wird eine nichtlineare Änderung der Schneidparameter vorgesehen.
Weiterhin sollte die Modulationsperiode in vier Zeitintervalle tj (i=1, 2,3,4) mit vier unter¬ schiedlichen Raten für die Änderung der Modulationsamplitude p« unterteilt werden.
Von den vier Zeitintervallen sollte das erste Zeitintervall tι einen Teil der Austriebsphase darstellen, wobei Amplitude (pn) und Zeitdauer dieses ersten Zeitintervalls (tι) so einge¬ stellt werden, dass ein Abkühlen des schmelzflüssigen Materials durch Diffusion von Wärme aus der Schmelze in das noch zu schneidende Material erfolgt, bevor der Schmel¬ zaustrieb dominant wird bzw. einsetzt.
Weiterhin sollten, in Bezug auf das zweite Zeitintervall X2, das einen zweiten Teil der Aus¬ triebsphase darstellt, die Amplitude pt2 und Zeitdauer des zweiten Zeitintervalls X2 so ein¬ gestellt werden, dass möglichst viel Schmelze ausgetrieben wird und das Erstarren der Schmelze vermieden wird. Weiterhin wird vorzugsweise das dritte Zeitintervall t3, das einen Teil der Abtragsphase darstellt, hinsichtlich der Amplitude pt3 und Zeitdauer so eingestellt, dass während der Ab¬ tragsphase möglichst viel Material aufgeschmolzen wird und der Laserstrahl die gesamte Schneidfront ausleuchtet. Das bedeutet, dass die Schmelzfront in möglichst kurzer Zeit möglichst weit in das noch zu trennende Material hineinbewegt wird. Damit die Schmelz¬ front in jeder Tiefe möglichst gleichmäßig aufgeheizt wird, ist von Vorteil, dass die ge¬ samte Schneidfront vom Laserstrahl bestrahlt wird.
Das letzte der vier Zeitintervalle, d.h. das Zeitintervall U, das einen Teil der Abtragsphase darstellt, sollte so hinsichtlich Amplitude pt4 und Zeitdauer eingestellt werden, dass die Abtragsphase so lange andauert, dass die gesamte Blechdicke vom Abtrag erfasst wird und der zunehmende Austrieb von heißer Schmelze möglichst klein bleibt. Das bedeutet, dass der Abtrag über eine genügend große Zeitdauer erfolgen muß, damit die Schmelz¬ front in jeder Tiefe möglichst gleichmäßig weit bewegt wird. Von Vorteil ist, wenn die Ab¬ tragsphase endet, bevor der Austrieb dominant einsetzen kann und die dann im zuneh¬ mend heißeren Zustand ausströmende Schmelze zu einem unnötigen Verlust an thermi¬ scher Energie führt.
Es ist von Vorteil, wenn die Auswirkung der gesteuerten Modulation überwacht wird oder die Modulationsparameter sogar geregelt werden.
Im Rahmen einer solchen Überwachung wird die thermische Emission der heißen Ober¬ fläche des Schmelzfilms mit einer Kamera aufgenommen. Die Länge der Ausdehnung des intensiv leuchtenden Bereiches der Kameraaufnahmen und die Intensität des Meßsignals werden dann benutzt, um den Beginn und den Abschluß der unterschiedlichen Phasen für den Austrieb der Schmelze und den Abtrag bzw. die Effizienz der Steuerung zu überwa¬ chen.
Wenn die thermische Emission der heißen Oberfläche des Schmelzfilms mit einer Photo¬ diode aufgenommen wird, kann die Überwachung bzw. Regelung mit einer kostengünsti¬ geren Vorrichtung im Vergleich zur Kamera und mit größerer Aufnahmefrequenz durch¬ geführt werden. Die Länge der Ausdehnung des intensiv leuchtenden Bereiches der Ka¬ meraaufnahmen und die Intensität des Meßsignals können dann qualitativ auch durch ein räumlich gemitteltes Signal einer Photodiode erfasst werden. Die Messwerte aus dieser Überwachung können dann zur Regelung der vier unterschiedlichen Amplituden (pt) und der vier unterschiedlichen Zeitintervalle (t), wie sie vorstehend angegeben sind, herange¬ zogen werden.
Nachfolgend wird das erfindungsgemäße Verfahren anhand der Zeichnungen erläutert. In den Zeichnungen zeigt
Figuren 1(a) - (b) drei Einzelbilder, um die Modulation der Position eines Schneidkopfes zu erläutern,
Figur 2 eine schematische Darstellung eines geschnittenen Werkstücks,
Figur 3 ein schematisches Diagramm des zeitlichen Verlaufs der Modulation des
Schneidkopfs, in vier Zeitintervalle unterteilt, und
Figuren 4A-C drei Einzelbilder, die das Überwachen der thermischen Emission von der Schneidfront während der Austriebsphase darstellen.
Die Figuren 1(a) bis (c) zeigen schematisch, in vier Phasen, die Modulation des Schneid¬ kopfs. Bereits eine solche Modulation des Schneidkopfs reicht aus, um größere Schneid¬ geschwindigkeit zu erreichen und größere Blechdicken zu schneiden und eine qualitativ hochwertige Schnittkante geringer Riefen- und Bartbildung und praktisch keiner Oxidation an der Schnittkante zu erreichen.
In Figur 1 ist das zu schneidende bzw. zu trennende Werkstück mit dem Bezugszeichen 1 bezeichnet. Dieses Werkstück 1 besitzt, wie in Figur 1(b) angegeben ist, eine Dicke d. Der Laserstrahl, mit 2 bezeichnet, tritt aus einem Schneidkopf 3 einer nicht näher dargestellten Laserschneidmaschine aus. Der Innenradius wD der Schneidgasdüse am Düsenaustritt, der in Figur 1(a) angegeben ist, wird durch die Düseninnenkante 4 festgelegt. Die jeweilige Position des Schneidkopfs 3 relativ zu dem Werkstück 1 wird durch die Position der La¬ serstrah lachse, mit dem Bezugszeichen 5 bezeichnet, festgelegt.
Während Figur 1(a) eine stationäre Position des Schneidkopfs ohne Modulation darstellt, sind in den Figuren 1(b) und 1(c) die Extrempositionen des Schneidkopfs während der zeitlichen Modulation gezeigt. Bei diesen Extrempositionen wird zum einen zwischen der Austriebsphase, die in Figur 1(b) dargestellt ist, und der Abtragsphase, die in Figur 1(c) dargestellt ist, unterschieden. Während der Austriebsphase (siehe Figur 1(b)) befindet sich der Schneidkopf, in Schneidrichtung gesehen, in einer rückwärtigen Position und die Schmelze wird durch den Gasstrahl ausgetrieben. In der Abtragsphase (Figur 1(c)) heizt der Laserstrahl zunächst bei geringer Schmelzfilmdicke die Schneidfront auf und die Schmelzfront wird bewegt. Für die jeweiligen Phasen ist die zeitliche Modulation der Posi¬ tion p des Schneidkopfs im Vergleich zu seinem zeitlichen Mittelwert kennzeichnend. Die Modulation, wie sie in den Phasen, die in den Figuren 1(b) und 1(c) dargestellt sind, er¬ folgt, sollte mit einer genügend großen Strecke pi vorgenommen werden; diese Strecke pi sollte mindestens dem Laserstrahlradius W0 im Fokus (Figur 1 (b)) und höchstens dem Ab¬ stand A=wo+w(z=d) entsprechen (z ist die Tiefe im Werkstück 1 , von der Oberkante aus gemessen). Wesentlich ist, dass der Schneidkopf 3 um eine Strecke -po entgegen der Schneidrichtung bewegt wird; allerdings darf die Strecke -p0 maximal den Wert wD errei¬ chen. Die Summe ds (siehe Figur 1(c)) der Bewegungen po und pi entspricht dabei dem gemittelten Vorschub in der Modulationsperiode (ds=po+pi). Zu Beginn der Austriebspha¬ se (siehe Figur 1(b)) befindet sich die Schneidfront an der Position, die mit dem Bezugs¬ zeichen V gekennzeichnet ist. Während der Austriebsphase wird die Schmelze fast voll¬ ständig ausgetrieben. Zu Beginn der Abtragsphase (siehe Figur 1(c)) befindet sich die Schneidfront an der Position, die mit dem Bezugszeichen 1' gekennzeichnet ist. Während der Abtragsphase wird festes Material aufgeschmolzen und nahezu keine Schmelze aus¬ getrieben.
In Figur 2 nun ist ein Teil eines Werkstücks 1 mit einer Dicke d gezeigt, das entlang des Richtungspfeils 6 mit einem Laserstrahl geschnitten wird, um die Effekte entlang der Schnittkante sowie die Nutzleistung Ps als auch die Verlustleistungen PK, Pλ sowie die ab¬ sorbierte Leistung PA ZU verdeutlichen. Als Schmelzfront wird die Fläche zwischen festem und flüssigem Material (Schmelze) bezeichnet. In Schneidrichtung, d.h. in Richtung des Pfeils 6 gesehen, baut sich im Bereich des sich vorschiebenden Laserstrahls ein auf der Schmelzfront aufliegender Schmelzfilm 7 auf . Die Nutzleistung, die in Figur 2 mit Ps be¬ zeichnet ist, ist die Leistung zum Erwärmen und zum Aufschmelzen des Materials, das ausgetrieben werden soll. Die Nutzleistung Ps ist die minimal notwendige Leistung, um die Schnittfuge zu erzeugen. Weiterhin treten Wärmeleitungsverluste Pλ während des Schneidens bzw. Trennens auf; hierbei handelt es sich um die Leistung zum Erwärmen des Materials des Werkstücks 1 , das an die Schnittfuge angrenzt. Diese Verlustleistung verbleibt im geschnittenen Material und verringert die Nutzleistung Ps.
Weiterhin treten Konvektionsverluste PK auf; hierbei handelt es sich um die Leistung zum Erwärmen der Schmelze auf Temperaturen größer als die Schmelztemperatur. Diese Lei¬ stung wird mit der Schmelze ausgetrieben und wird bei dem Abkühlen von anhaftendem Bart, der mit dem Bezugszeichen 8 bezeichnet ist, wieder in das Material geleitet. Auch diese Verlustleistung aufgrund von Konvektionsverlusten Pκ verringert die Nutzleistung Ps.
Darüber hinaus sind weitere Verlustleistungen vorhanden; Wärmestrahlung der heißen Oberfläche, Wärmeübergang in das Schneid- bzw. Umgebungsgas sind Beispiele für sol¬ che Verlustleistungen. Diese Verlustleistungen sind aber klein im Vergleich zu der Nutzlei¬ stung Ps-
In Figur 2 ist weiterhin die Schnittkante, die mit 9 bezeichnet ist, mit Riefen 10 versehen; sowohl diese Riefen als auch eine Bildung des anhaftenden Bartes 8 entlang der Schneid¬ kante sollen vermieden werden.
Wie bereits angeführt wurde, kann eine nichtlineare Änderung der Schneidparameter vor¬ gesehen werden. Hierzu werden aufeinanderfolgende Modulationsperioden in vier Zeitin¬ tervalle t-i, t2, t.3, U unterteilt, wie dies inder grafischen Darstellung der Figur 3 gezeigt ist. In diesen vier Zeitperioden wird die Position des Schneidkopfs P geändert. Die Positionsan¬ gaben ds, po und pi der Figur 3 korrelieren mit den Angaben in Figur 1.
Die Periodendauer U - U kann in einen ersten Abschnitt, die Austriebsphase der Schmel¬ ze, die Zeitabschnitte t| und t2 umfassend, und in einen zweiten Abschnitt, die Abtrags¬ phase der Schmelze, die Zeitabschnitte t3 und U umfassend, unterteilt werden.
In der Austriebsphase wird die Position des Schneidkopfs so eingestellt, dass ein Abküh¬ len des schmelzflüssigen Materials durch eine Diffusion von Wärme aus dem schmelzflüs¬ sigen Material in das noch zu schneidende Material erfolgt, und zwar bevor der Schmel¬ zaustrieb dominant wird und einsetzt (dieses Zeitintervall ti entspricht der Zeit, in der die Position des Schneidkopfs in die rückwärtige Position (siehe Figur 1(b)) verfahren wird). Der Schneidkopf wird mit großer Geschwindigkeit (die Amplitude pti ist groß zu wählen) in die rückwärtige Position bewegt, damit der Gasstrahl seine austreibende Wirkung mög¬ lichst schnell und über der gesamten Tiefe erreicht.
In dem zweiten Teil, der Austriebsphase, d.h. in dem Zeitintervall t2, werden die Amplitude und die Länge des Zeitintervalls t2 so eingestellt, dass möglichst viel Schmelze ausgetrie¬ ben wird und das Erstarren des schmelzflüssigen Materials vermieden wird.
Mit dem Zeitintervall t.3 beginnt die Abtragsphase, in der möglichst viel Material aufge¬ schmolzen und während der die ganze Schneidfront vom Laserstrahl ausgleuchtet werden soll. Der Schneidkopf wird mit großer Geschwindigkeit (die Amplitude pt3 ist groß zu wäh¬ len) in Trennrichtung bewegt, so dass die Schmelzfront in möglichst kurzer Zeit möglichst weit in das noch zu trennende Material hineinbewegt wird. Damit die Schmelzfront in jeder Tiefe möglichst gleichmäßig aufgeheizt wird, ist von Vorteil, dass die gesamte Schneid¬ front vom Laserstrahl bestrahlt wird.
In dem vierten Zeitintervall U, dem zweiten Abschnitt der Abtragsphase, in der die Position des Schneidkopfs mit kleiner Geschwindigkeit in Trennrichtung bewegt wird, soll zwar möglichst lange andauern jedoch ist die Zeitdauer begrenzt, da der zunehmende Austrieb von jetzt heißer Schmelze möglichst klein bleiben soll. Anhand der Darstellung in Figur 3 ist zu sehen, dass die Geschwindigkeiten in dem Zeitintervall t3 und dem Zeitintervall t4 unterschiedlich groß sind.
Die Auswirkung der vorstehend beschriebenen Modulation kann überwacht werden und mit den erfassten Werten können die Modulationsparameter auch geregelt werden. Hierzu wird die thermische Emission optisch erfasst. Die Figur 4 zeigt im oberen Teil jeweils das Werkstück 1 mit dem Schmelzfilm 7 und der Oberfläche des Schmelzfilms, der Schneid¬ front V (die auch in Fig. 1(b) und (c) gezeigt ist. Im unteren Bereich sind die jeweils von oben, d.h. senkrecht zu der Oberfläche des Werkstücks 1 aus, gesehenen Intensitäten der thermischen Emission der Schneidfront während der Austriebsphase, entsprechend zu den Zeitintervallen ti und \z von Figur 3, dargestellt. Mit dem Bezugszeichen 11 ist der fortschreitende Schnitt des Laserstrahls 2 angegeben. Die Zonen, die mit „1" angegeben sind, sind solche mit geringerer Intensität; diejenigen Bereiche, die mit „2" angegeben sind, sind solche mit mittlerer Intensität; und diejenigen, die mit „3" angegeben sind, sind solche mit großer Intensität der thermischen Emission. Neben der Erfassung der jeweili¬ gen Intensität des Messsignals, das sich aus den intensiv leuchtenden Bereichen ergibt, sowie der Länget der Ausdehnung dieses leuchtenden Bereiches, können diese Messer¬ gebnisse zur Regelung der jeweiligen Modulationsparameter verwendet werden.
Anhand der Figur 4 ist weiterhin zu sehen, dass die Intensität des Messsignals und die Länge t gleichzeitig große/kleine Werte annehmen. Aus diesem Grund kann die Auswir¬ kung der verwendeten Modulationsparameter mit einer räumlich gemittelten Messung zu¬ mindest qualitativ richtig erfasst werden.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zum Trennen von Werkstoffen mit einem Laserstrahl, der von einem eine Schneiddüse mit einer Düseninnenkante aufweisenden Schneidkopf austritt und auf der Schneidfront absorbiert wird, wobei die Achse des Laserstrahls entlang einer Trennlinie mit einer festen Orientierung in Trennrichtung eines Werkstücks relativ zu dem Werkstück bewegt wird,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Position (p) des Schneidkopfs in Bezug auf seinen zeitlichen Mittelwert moduliert wird oder Laserleistung und Gasdruck in der Schneiddüse moduliert wer¬ den.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Modulation der Position (p) des Schneidkopfes über eine genügend große Strecke (pi) in Trennrichtung erfolgt, die mindestens den Laserstrahlradius (w0) im Fokus und höchstens den Abstand A=wD+w(z=d) erreicht, wobei der Abstand A die Summe aus dem Abstand (WD) zwischen der Achse des Laserstrahls und der vorlaufenden Position der Düseninnenkante und dem Laserstrahlradius w(z=d) an der Blechunterkante (z=d) ist, und wobei z die Tiefe im Blech, gemessen von der Oberkante aus, bezeichnet und wobei d die Blechdicke ist.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Position (p) des Schneidkopfes um eine Strecke (-p0) (mit po <0) entgegen der Trennrichtung bewegt wird, wobei diese Strecke (-po) maximal den Wert (WD) erreicht, der dem Abstand (WD) zwischen der Achse des Laserstrahls und der vorlaufenden Position der Düseninnenkante entspricht.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass zusätzlich eine nahezu phasengleiche, zeitliche Modulation von Laserleistung und Position (p) des Schneidkopfes im Vergleich zum zeitlichen Mittelwert erfolgt.
5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Phasenverschiebung zwischen Laserleistung und Position des Schneidkopfes nicht 20% der Modulationsperiode übersteigen.
6. Verfahren nach Anspruch 4 oder Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Modulation der Laserleistung so erfolgt, dass die minimale Laserleistung (Pmjn) in der rückwärtigen Position (p0) einen möglichst geringen Wert aufweist und genügend groß bleibt, um ein Erstarren von bereits geschmolzenem Material zu vermeiden.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Modulation des Gasdrucks in der Schneiddüse so erfolgt, dass der Massenstrom an Schneidgas, der aus der Düsenöffnung ausströmt, nahezu gegenphasig zu der Laserleistung und zu der Position des Schneidkopfes moduliert wird.
8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Abweichung von einer gegenphasigen Modulation zwischen Massenstrom und Position des Schneidkopfs nicht 20% der Modulationsperiode übersteigen.
9. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Modulation von Laserleistung und Gasdruck in der Schneiddüse so erfolgt, dass Laserleistung und Massenstrom an Schneidgas, der aus der Düsenöffnung ausströmt, nahezu gegenphasig moduliert werden.
10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Abweichung von einer gegenphasigen Modulation zwischen Laserleistung und Massenstrom an Schneidgas, der aus der Düsenöffnung ausströmt, nicht 20% der Modulationsperiode übersteigt.
11. Verfahren nach einem der Ansprüche 7, 8, 20 bis 21 , dadurch gekennzeichnet, dass die Modulation des Massenstroms am Düsenaustritt durch eine Änderung des Durchflusses an Schneidgas erfolgt.
12. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Modulation der auf der Schneidfront absorbierten Laserleistung durch eine Bewegung der Laserstrahlachse entlang der Trennlinie mit wechselnder Orientierung erfolgt.
13. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Bewegung der Laserstrahlachse über eine genügend große Strecke (pi) in Trennrichtung erfolgt, die mindestens den Laserstrahlradius (w0) im Fokus und höchstens dem vierfachen Wert des Laserstrahlradius w(z=d) an der Blechunterkante (z=d) ist, und wobei z die Tiefe im Blech gemessen von der Oberkante bezeichnet und wobei d die Blechdicke ist.
14. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Bewegung der Laserstrahlachse um eine Strecke (-p0) (mit p0 <0) entgegen der Trennrichtung erfolgt, wobei diese Strecke (-p0) maximal den zweifachen Wert des Laserstrahlradius w(z=d) an der Blechunterkante (z=d) erreicht.
15. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Bewegung der Laserstrahlachse pendelnd erfolgt und die genügend große Strecke (P1) und die Bewegung der Laserstrahlachse um eine Strecke (-p0) an der Blechunterkante (z=d) durch die pendelnde Bewegung eingehalten werden.
16. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, 9 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Periodendauer der Modulation für größere Materialdicken und größere mittlere Schneidgeschwindigkeiten zunehmend größer eingestellt wird.
17. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Modulation durch eine nichtlineare Änderung der Schneidparameter vorgenommen wird.
18. Verfahren nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Modulationsperiode in vier Zeitintervalle (tj mit i=1 ,2,3,4) mit vier unterschiedlichen Raten für die Änderung der Modulationsamplitude (p«) unterteilt wird.
19. Verfahren nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Zeitintervall (ti) einen Teil der Austriebsphase darstellt, wobei Amplitude (pti) und Zeitdauer des ersten Zeitintervalls (t-i) so eingestellt werden, dass ein Abkühlen des schmelzflüssigen Materials durch Diffusion von Wärme aus der Schmelze in das noch zu schneidende Material erfolgt, bevor der Schmelzaustrieb dominant wird bzw. einsetzt.
20. Verfahren nach Anspruch 18 oder Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Zeitintervall (t2) einen zweiten Teil der Austriebsphase darstellt, wobei Amplitude (p^) und Zeitdauer des zweiten Zeitintervalls fe) so eingestellt werden, dass möglichst viel Schmelze ausgetrieben wird und das Erstarren der Schmelze vermieden wird.
21. Verfahren nach einem der Ansprüche 18 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass das dritte Zeitiintervall (t3) einen Teil der Abtragsphase darstellt, wobei Amplitude (pt3) und Zeitdauer des dritten Zeitintervalls (t3) so eingestellt werden, dass während der Abtragsphase möglichst viel Material aufgeschmolzen wird und der Laserstrahl die gesamte Schneidfront ausleuchtet.
22. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 21, dadurch gekennzeichnet, dass dass das vierte Zeitintervall (U) einen Teil der Abtragsphase darstellt, wobei Amplitude (pt4) und Zeitdauer des vierten Zeitintervalls (t*) so eingestellt werden, dass die Abtragsphase so lange andauert, dass die gesamte Blechdicke vom Abtrag erfasst wird und der zunehmende Austrieb von heißer Schmelze möglichst klein bleibt.
23. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 22, dadurch gekennzeichnet, dass die thermische Emission der heißen Oberfläche des Schmelzfilms mit einer Kamera aufgenommen wird und die Länge I der Ausdehnung des intensiv leuchtenden Bereiches der Kameraaufnahmen und die Intensität des Meßsignals benutzt werden, um den Beginn und den Abschluß der unterschiedlichen Phasen für den Austrieb der Schmelze und den Abtrag, oder die Effizienz der Steuerung, zu überwachen.
24. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 22, dadurch gekennzeichnet, dass die thermische Emission der heißen Oberfläche des Schmelzfilms räumlich gemittelt aufgenommen wird.
25. Verfahren nach Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet, dass die Aufnahme der heißen Oberfläche mit einer Photodiode erfolgt.
26. Verfahren nach einem der Ansprüche 23 bis 25, dadurch gekennzeichnet, dass die Messwerte aus der Überwachung zur Regelung der vier unterschiedlichen Amplituden (p«) und der vier unterschiedlichen Zeitintervalle (tjj herangezogen werden.
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