WO2009074140A2 - Verfahren zum keyhole-freien laserschmelzschneiden mittels vor- und nachlaufender laserstrahlen - Google Patents

Verfahren zum keyhole-freien laserschmelzschneiden mittels vor- und nachlaufender laserstrahlen Download PDF

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Definitions

  • the present invention relates to a method for keyhole-free fusion cutting of a workpiece, wherein the workpiece is melted by a laser beam along a kerf to be produced and the resulting melt is expelled by a gas jet at high pressure from the generated kerf.
  • a laser beam generated by a CO 2 laser or a solid-state laser melts the material and inert gas (eg nitrogen or argon) blows melt and slag down from the kerf at high pressure.
  • inert gas eg nitrogen or argon
  • keyhole laser cutting not only melts the material but also generates steam. As the steam flows out, it exerts pressure on the melt and displaces it, creating a narrow keyhole.
  • the vapor capillary is surrounded by melt and moves with the laser beam through the workpiece.
  • Previous Laserstrahlschmelzitese in stainless steel with Solid-state lasers show from a sheet thickness of greater than 2 mm inferior cut edge quality, increased burr formation, and increased oxidation at the cutting edges.
  • Possible process windows are often very small in comparison to CO 2 laser beam processes and, in addition, significantly poorer roughness values can be measured at the cutting edge, especially in the middle and thick sheet metal area.
  • the object of the invention is therefore to develop a laser fusion cutting method of the type mentioned in the introduction in such a way that the cutting quality, such as, for example, the cut edge roughness can be improved, especially in laser cutting with such laser wavelengths and intensities, which hitherto lead to increased horizontal melt flow vector fractions on the workpiece.
  • the laser beam travels in the cutting direction at least one laser beam, which influences the melt such that at least one of the two cutting edge of the workpiece better cutting quality, in particular cut edge roughness, than without the trailing laser beam.
  • the leading laser beam is moved along the kerf to be formed and performs the actual cut, while the trailing laser beam affects the cutting front in such a way that there are more favorable conditions for the melt ejection. This is done by influencing the outflow of the melt at the apex of the cutting front of the leading laser beam by the trailing laser beam.
  • the melt fractions of the leading jet which evidently lead to the known worse scoring image in solid-state laser fusion cutting, can be expelled without significant influence on the later formed cutting flank by the inert gas jet before they solidify and lead to a poor scoring pattern.
  • the melt flow along the cutting front in the kerf determined by the absorption behavior at a corresponding impact angle and in particular by the gradient of the surface tension of the melt is influenced.
  • the present invention could, for example, with solid state lasers high power the achievable averaged roughness values in the material thickness of 5 mm can be reduced by up to 25% compared to conventional single-spot technology.
  • the trailing laser beam is laterally offset relative to the leading laser beam onto the workpiece.
  • the parts of the melt of the leading laser beam strike the melt flow of the laterally offset laser beam, which increases the temperature level of the inflowing melt and reduces the melt viscosity.
  • the horizontal melt flow rates of the trailing laser beam are smaller due to the smaller Aufschmelzvolumens and thus lead to a smaller influence on the scoring pattern.
  • the trailing laser beam laterally offset on the workpiece at least by the diameter of the leading laser beam, with respect to the leading laser beam by an angle of about 20 ° to 70 ° with respect to the cutting direction, preferably about 40 ° laterally offset.
  • the trailing laser beam impinges laterally on the workpiece with respect to the leading laser beam and with a larger diameter than the leading laser beam.
  • the leading laser beam and the trailing laser beam may at least partially overlap on or within the workpiece, and the focus of the leading laser beam and the focus of the trailing laser beam may be offset from each other in the beam direction. Since the leading laser beam executes the actual cutting and the trailing laser beam is only intended to influence the cutting front, the power of the leading laser beam is preferably greater than the power of the trailing laser beam, in particular distributed in the ratio of approximately 60:40.
  • the leading laser beam and the trailing laser beam are preferably generated by a solid-state laser having a wavelength of less than 10 microns, preferably of about 1 micron or smaller, and may be two partial beams of the same laser beam, which are generated for example via a bifocal optics.
  • the bifocal optics essentially divides the raw beam by a beam splitter into two partial beams, which are then focused by the cutting optics on the sheet surface.
  • a diffractive optic is also conceivable which does not generate two partial beams, but instead simulates a multi-beam arrangement via, for example, triangular beam shaping with a corresponding intensity distribution.
  • FIG. 1 shows a first variant of the method according to the invention, in which a leading laser beam and a centrically trailing laser beam impinge on the workpiece with the same energy;
  • FIG. 2 shows a second variant of the method according to the invention, in which a leading laser beam and a laterally trailing laser beam impinge on the workpiece with the same energy;
  • FIG 3 shows a third variant of the method according to the invention, in which a leading laser beam and a laterally offset trailing laser beam impinge on the workpiece with different energy;
  • Fig. 4 shows a fourth variant of the method according to the invention, in which a leading laser beam and a laterally offset on both sides trailing laser beam each impact with the same energy on the workpiece.
  • the beam arrangement 1 shown in FIG. 1 is used for laser-cutting a workpiece 2 by means of a leading and a centrically trailing laser beam 3, 4, both of which impinge on the workpiece 2 from above.
  • the leading laser beam 3 is moved along the kerf 5 to be produced in the cutting direction 6 and performs the actual cut, wherein the resulting melt 7 is expelled by an emerging from a nozzle 8 inert gas jet at high pressure from the generated kerf 5 down.
  • the trailing in the cutting direction 6 laser beam 4 has the same beam diameter and the same energy as the leading laser beam 3 on the workpiece 2.
  • the advantage of this beam arrangement is a faster cutting speed in comparison to conventional laser fusion cutting without the trailing laser beam 4.
  • the focal point of the trailing laser beam 4 is thus arranged in the trailing part of the cutting front 10, and experiments were carried out with a bifocal optics (focal length 150 mm) and a smallest possible dot spacing between the two Foki the laser beams 3, 4 of 300 .mu.m. In the course of the experiments, this smallest possible point distance of 300 ⁇ m was set and investigated, since the calculated focused beam caustics show that larger point distances lead to a lower illumination of the cutting front, since a large part of the energy of the trailing laser beam does not reach the cutting front and thus is unused by the Cutting gap propagated.
  • the trailing laser beam 4 impinges laterally offset from the leading laser beam 3 on the workpiece 2, with the same energy and the same beam diameter as the leading laser beam 3.
  • the trailing laser beam 4 hits approximately to the Beam radius of the leading laser beam 3 laterally offset on the workpiece 2, and in relation to the leading laser beam 3 about an angle ⁇ of about 40 °.
  • the Parts of the melt 7 of the leading laser beam 3 meet the melt flow of the laterally trailing laser beam 4, which increases the temperature level of the inflowing melt 7 and reduces the melt viscosity.
  • the melt 7 or the cutting front 10 is influenced by the laterally trailing laser beam 4 in such a way that the trailing laser beam 4 nearest cutting edge 9b of the workpiece 2 has a better cutting quality, in particular a lower cut edge roughness, than without the trailing Laser beam 4.
  • the melt fractions of the leading laser beam 3 which lead to the known worse scoring image in solid-state laser fusion cutting, without major influence on the later formed cutting edge driven by the inert gas jet before they solidify and lead to a bad scoring pattern.
  • the beam arrangement 1 shown in FIG. 3 differs from the beam arrangement of FIG. 2 only in that here the two laser beams 3, 4 do not have the same energy, but the leading laser beam 3 has a higher energy than the trailing laser beam 3.
  • the melt 7 is influenced by the laterally trailing laser beam 4 in such a way that the trailing laser beam 4 nearest cutting edge 9b has a better cutting quality, in particular a lower cut edge roughness than without trailing laser beam 4.
  • the leading laser beam 3 is followed by a laser beam 4 laterally displaced relative to the leading laser beam 3, whereby both cutting edges 9a, 9b of the workpiece 2 have a better cutting quality than without the trailing laser beam 4.
  • the roughness values are each greater than in the former Variant.

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Abstract

Bei einem Verfahren zum Keyhole-freien Schmelzschneiden eines Werkstücks (2), bei dem das Werkstück (2) durch einen Laserstrahl (3) entlang einer zu erzeugenden Schnittfuge (5) aufgeschmolzen und die dabei entstehende Schmelze (7) durch einen Gasstrahl mit hohem Druck aus der erzeugten Schnittfuge (5) ausgetrieben wird, läuft erfindungsgemäß dem Laserstrahl (3) in Schneidrichtung (6) mindestens ein Laserstrahl (4) nach, der die Schmelze (7) derart beeinflusst, dass zumindest eine der beiden Schnittflanken (9a, 9b) des Werkstücks (2) eine bessere Schneidqualität aufweist als ohne den nachlaufenden Laserstrahl (4).

Description

08.12.2008
Verfahren zum keyhole-freien Laserschmelzschneiden mittels vor- und nachlaufender Laserstrahlen
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Keyhole-freien Schmelzschneiden eines Werkstücks, wobei das Werkstück durch einen Laserstrahl entlang einer zu erzeugenden Schnittfuge aufgeschmolzen wird und die dabei entstehende Schmelze durch einen Gasstrahl mit hohem Druck aus der erzeugten Schnittfuge ausgetrieben wird. Beim bekannten klassischen Laserschmelzschneiden schmilzt ein mit einem CO2- Laser oder einem Festkörperlaser erzeugter Laserstrahl das Material auf und inertes Gas (z.B. Stickstoff oder Argon) bläst Schmelze und Schlacke mit hohem Druck nach unten aus der Schnittfuge. Die Ausprägung des Schmelzbades sowie die auftretenden Schmelzflussvektoren sind absorptionsabhängig. Im Gegensatz zum klassischen Laserschmelzschneiden wird beim so genannten Keyhole- Laserschneiden das Material nicht nur aufgeschmolzen, sondern auch Dampf erzeugt. Wenn der Dampf abströmt, übt er Druck auf die Schmelze aus und verdrängt sie, wodurch eine schmale Dampfkapillare (Keyhole) erzeugt wird. Die Dampfkapillare ist von Schmelze umgeben und bewegt sich mit dem Laserstrahl durch das Werkstück.
Beim Schneiden von Stählen mittels CO2-Strahlung kann davon ausgegangen werden, dass aufgrund des schmalen Brewstermaximums nur ein lokal begrenzter Bereich der Schneidfront die Laserstrahlung optimal absorbiert, wodurch die Oberflächentemperatur der Schmelze nicht den Siedepunkt erreicht. Dadurch erfolgt der Schmelzaustrieb bei dickeren Blechen vorwiegend am Scheitel der Schneidfront. Daraus resultiert ein Schmelzflussvektor, der sich entlang der Schneidfront nur geringfügig ändert, da in diesem Fall keine Oberflächenverdampfung auftritt. Das Ergebnis ist ein sehr gerichteter, gebündelter Schmelzaustriebskegeln, wie dies für das CO2-Schmelzschneiden bekannt ist.
Bei Verwendung eines Festkörperlasers mit einer Wellenlänge im Bereich von ca. 1 μm ändern sich der Brewsterwinkel sowie die Lage des Brewstermaximums und somit die Absorption im Vergleich zum CO2-Laser mit einer Wellenlänge von 10,6 μm. Diese veränderte Absorption entlang der Schneidfront führt lokal zu Oberflächenverdampfung mit hohen Temperaturgradienten. Dies resultiert in Änderungen der temperaturabhängigen Oberflächenspannung der Schmelze im Scheitel der Schneidfront und somit auch in Schmelzflussvektoren, die nicht nur ausschließlich vertikale, sondern auch horizontale Anteile aufweisen. Diese sind zeitlich instabiler und führen zu dem beim Festkörperlaser-Schmelzschneiden bekannten schlechteren Grundriefenbild der Schnittkante und zu einer schlechteren Schnittkantenrauhigkeit. Bisherige Laserstrahlschmelzschnitte in Edelstahlen mit Festkörperlasern zeigen ab einer Blechdicke von größer als 2 mm schlechtere Schnittkantenqualität, verstärkte Gratbildung, sowie vermehrte Oxidation an den Schnittflanken. Mögliche Prozessfenster sind im Vergleich zu CO2- Laserstrahlprozessen oft sehr klein und darüber hinaus sind insbesondere im mittleren und dicken Blechbereich deutlich schlechtere Rauhigkeitswerte an der Schnittflanke messbar.
Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein Laserschmelzschneidverfahren der eingangs genannten Art dahingehend weiterzubilden, dass die Schneidqualität, wie z.B. die Schnittkantenrauhigkeit, verbessert werden kann, und zwar insbesondere beim Laserschneiden mit solchen Laserwellenlängen und -intensitäten, die bisher am Werkstück zu erhöhten horizontalen Schmelzflussvektorenanteilen führen.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass dem Laserstrahl in Schneidrichtung mindestens ein Laserstrahl nachläuft, der die Schmelze derart beeinflusst, dass zumindest eine der beiden Schnittflanke des Werkstücks eine bessere Schneidqualität, insbesondere Schnittkantenrauhigkeit, aufweist als ohne den nachlaufenden Laserstrahl.
Der vorlaufende Laserstrahl wird entlang der auszubildenden Schnittfuge bewegt und führt den eigentlichen Schnitt aus, während der nachlaufende Laserstrahl die Schneidfront in der Art beeinflusst, dass sich günstigere Bedingungen für den Schmelzaustrieb ergeben. Dies erfolgt durch die Beeinflussung des Abströmens der Schmelze am Scheitel der Schneidfront des vorlaufenden Laserstrahls durch den nachlaufenden Laserstrahl. Dadurch können die Schmelzanteile des vorlaufenden Strahles, die offenbar zu dem bekannten schlechteren Riefenbild beim Festkörperlaser-Schmelzschneiden führen, ohne größere Beeinflussung der später ausgebildeten Schnittflanke durch den inerten Gasstrahl ausgetrieben werden, bevor diese erstarren und zu einem schlechten Riefenbild führen. Erfindungsgemäß wird der durch das Absorptionsverhalten bei entsprechendem Auftreffwinkel und insbesondere durch den Gradienten der Oberflächenspannung der Schmelze bestimmte Schmelzfluss entlang der Schneidfront im Schnittspalt beeinflusst. Mit vorliegender Erfindung konnten z.B. mit Festkörperlasern hoher Leistung die erreichbaren gemittelten Rauhigkeitswerte in der Materialstärke 5 mm um bis zu 25% gegenüber konventioneller Singlespottechnik verringert werden.
In einer bevorzugten Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens trifft der nachlaufende Laserstrahl gegenüber dem vorlaufenden Laserstrahl lateral versetzt auf das Werkstück auf. Die Teile der Schmelze des vorlaufenden Laserstrahls treffen auf die Schmelzströmung des lateral versetzten Laserstrahls, welcher das Temperaturniveau der anströmenden Schmelze erhöht und die Schmelzviskosität verringert. Die horizontalen Schmelzflussanteile des nachlaufenden Laserstrahls fallen aufgrund des kleineren Aufschmelzvolumens geringer aus und führen so zu einer geringeren Beeinflussung des Riefenbildes. Vorzugsweise trifft der nachlaufende Laserstrahl höchstens um den Durchmesser des vorlaufenden Laserstrahls lateral versetzt auf das Werkstück auf, und zwar gegenüber dem vorlaufenden Laserstrahl um einen Winkel von ca. 20° bis 70° bezüglich der Schneidrichtung, bevorzugt ca. 40°, lateral versetzt. Bei nur einem asymmetrisch nachlaufenden Laserstrahl wird auch nur die eine Schnittflanke (Gutseite) verbessert. Mit zwei beidseitig und symmetrisch nachlaufenden Laserstrahlen können beide Schnittflanken verbessert werden, also zwei Gutseiten erzielt werden.
In einer anderen bevorzugten Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens trifft der nachlaufende Laserstrahl gegenüber dem vorlaufenden Laserstrahl lateral nicht versetzt und mit einem größeren Durchmesser als der vorlaufende Laserstrahl auf das Werkstück auf.
Der vorlaufende Laserstrahl und der nachlaufende Laserstrahl können auf oder innerhalb des Werkstücks zumindest partiell überlappen, und der Fokus des vorlaufenden Laserstrahls und der Fokus des nachlaufenden Laserstrahls können zueinander in Strahlrichtung versetzt sein. Da der vorlaufende Laserstrahl den eigentlichen Schnitt ausführt und der nachlaufende Laserstrahl die Schneidfront lediglich beeinflussen soll, ist vorzugsweise die Leistung des vorlaufenden Laserstrahls größer als die Leistung des nachlaufenden Laserstrahls, insbesondere im Verhältnis von ca. 60:40 verteilt. Der vorlaufende Laserstrahl und der nachlaufende Laserstrahl werden vorzugsweise von einem Festkörperlaser mit einer Wellenlänge von kleiner als 10 μm, vorzugsweise von ca. 1 μm oder kleiner, erzeugt und können zwei Teilstrahlen des gleichen Laserstrahls sein, die z.B. über eine Bifokaloptik erzeugt werden. Die Bifokaloptik teilt im Wesentlichen den Rohstrahl durch einen Strahlteiler in zwei Teilstrahlen auf, welche dann durch die Schneidoptik auf die Blechoberfläche fokussiert werden. Anstelle einer Bifokaioptik ist auch eine diffraktive Optik vorstellbar, die nicht zwei Teilstrahlen erzeugt, sondern über eine beispielsweise dreieckige Strahlformung mit entsprechender Intensitätsverteilung eine Mehrstrahlanordnung simuliert. Alternativ kann mit einem oder zwei Linienfoki gearbeitet werden.
Weitere Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen, der Beschreibung und der Zeichnung. Ebenso können die vorstehend genannten und die noch weiter aufgeführten Merkmale je für sich oder zu mehreren in beliebigen Kombinationen Verwendung finden. Die gezeigten und beschriebenen Ausführungsformen sind nicht als abschließende Aufzählung zu verstehen, sondern haben vielmehr beispielhaften Charakter für die Schilderung der Erfindung.
Es zeigen:
Fig. 1 eine erste Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens, bei dem ein vorlaufender Laserstrahl und ein zentrisch nachlaufender Laserstrahl jeweils mit der gleichen Energie auf das Werkstück auftreffen;
Fig. 2 eine zweite Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens, bei dem ein vorlaufender Laserstrahl und ein lateral versetzt nachlaufender Laserstrahl jeweils mit der gleichen Energie auf das Werkstück auftreffen;
Fig. 3 eine dritte Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens, bei dem ein vorlaufender Laserstrahl und ein lateral versetzt nachlaufender Laserstrahl mit unterschiedlicher Energie auf das Werkstück auftreffen; und
Fig. 4 eine vierte Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens, bei dem ein vorlaufender Laserstrahl und beidseitig jeweils ein lateral versetzt nachlaufender Laserstrahl jeweils mit der gleichen Energie auf das Werkstück auftreffen.
Die in Fig. 1 gezeigte Strahlanordnung 1 dient zum Laserschmelzschneiden eines Werkstücks 2 mittels eines vorlaufenden und eines zentrisch nachlaufenden Laserstrahls 3, 4, die beide von oben auf das Werkstück 2 auftreffen. Der vorlaufende Laserstrahl 3 wird entlang der zu erzeugenden Schnittfuge 5 in Schneidrichtung 6 bewegt und führt den eigentlichen Schnitt aus, wobei die dabei entstehende Schmelze 7 durch einen aus einer Düse 8 austretenden inerten Gasstrahl mit hohem Druck aus der erzeugten Schnittfuge 5 nach unten ausgetrieben wird. Der in Schneidrichtung 6 nachlaufende Laserstrahl 4 weist auf dem Werkstück 2 den gleichen Strahldurchmesser sowie die gleiche Energie wie der vorlaufende Laserstrahl 3 auf. Vorteil dieser Strahlanordnung ist eine schnellere Schneidgeschwindigkeit im Vergleich zum klassischen Laserschmelzschneiden ohne den nachlaufenden Laserstrahl 4.
Bei allen gezeigten Ausführungsformen ist der Fokuspunkt des nachlaufenden Laserstrahls 4 also im nachlaufenden Teil der Schnittfront 10 angeordnet, und Versuche wurden mit einer Bifokaloptik (Brennweite 150mm) und einem kleinstmögiichsten Punktabstand zwischen den beiden Foki der Laserstrahlen 3, 4 von 300μm durchgeführt. Im Rahmen der Versuche wurde dieser kleinstmöglichste Punktabstand von 300μm eingestellt und untersucht, da aus den berechneten fokussierten Strahlkaustiken hervorgeht, dass größere Punktabstände zu einer geringeren Ausleuchtung der Schneidfront führen, da ein Grossteil der Energie des nacheilenden Laserstrahles die Schneidfront nicht erreicht und dadurch ungenutzt durch den Schnittspalt propagiert.
Bei der in Fig. 2 gezeigten Strahlanordnung 1 trifft der nachlaufende Laserstrahl 4 lateral versetzt zum vorlaufenden Laserstrahl 3 auf das Werkstück 2 auf, und zwar mit der gleichen Energie und dem gleichen Strahldurchmesser wie der vorlaufende Laserstrahl 3. Der nachlaufende Laserstrahl 4 trifft etwa um den Strahlradius des vorlaufenden Laserstrahls 3 lateral versetzt auf das Werkstück 2 auf, und zwar gegenüber dem vorlaufenden Laserstrahl 3 etwa um einen Winkel α von ca. 40°. Die Teile der Schmelze 7 des vorlaufenden Laserstrahls 3 treffen auf die Schmelzströmung des lateral versetzt nachlaufenden Laserstrahls 4, welcher das Temperaturniveau der anströmenden Schmelze 7 erhöht und die Schmelzviskosität verringert. Wie Versuche gezeigt haben, wird die Schmelze 7 bzw. die Schneidfront 10 durch den lateral versetzt nachlaufenden Laserstrahl 4 derart beeinflusst, dass die dem nachlaufenden Laserstrahl 4 nächstgelegene Schnittflanke 9b des Werkstücks 2 eine bessere Schneidqualität, insbesondere eine geringere Schnittkantenrauhigkeit, aufweist als ohne den nachlaufenden Laserstrahl 4. Offenbar werden die Schmelzanteile des vorlaufenden Laserstrahles 3, die zu dem bekannten schlechteren Riefenbild beim Festkörperlaser-Schmelzschneiden führen, ohne größere Beeinflussung der später ausgebildeten Schnittflanke durch den inerten Gasstrahl ausgetrieben, bevor diese erstarren und zu einem schlechten Riefenbild führen.
Von der Strahlanordnung der Fig. 2 unterscheidet sich die in Fig. 3 gezeigte Strahlanordnung 1 lediglich dadurch, dass hier die beiden Laserstrahlen 3, 4 nicht die gleiche Energie aufweisen, sondern der vorlaufende Laserstrahl 3 eine höhere Energie als der nachlaufende Laserstrahl 3 aufweist. Wie Versuche für eine Energieverteilung von 60:40 gezeigt haben, wird auch hier die Schmelze 7 durch den lateral versetzt nachlaufenden Laserstrahl 4 derart beeinflusst, dass die dem nachlaufenden Laserstrahl 4 nächstgelegene Schnittflanke 9b eine bessere Schneidqualität, insbesondere eine geringere Schnittkantenrauhigkeit, aufweist als ohne den nachlaufenden Laserstrahl 4.
Bei der in Fig. 4 gezeigten Strahlanordnung 1 läuft dem vorlaufenden Laserstrahl 3 beidseitig jeweils ein gegenüber dem vorlaufenden Laserstrahl 3 lateral versetzter Laserstrahl 4 nach, wodurch beide Schnittflanken 9a, 9b des Werkstücks 2 eine bessere Schneidqualität aufweisen als ohne den nachlaufenden Laserstrahl 4.
Im Rahmen der Versuche mit Bifokaloptik wurden auch verschiedene Fokuslagen eingestellt, nämlich Fokuslage 0mm (Foki der Laserstrahlen 3, 4 liegen auf der Werkstückoberseite) sowie Fokuslagen -1mm und -2mm (Foki der Laserstrahlen 3, 4 liegen im Werkstück). Unter den Bifokalversuchen-zeigte sich, dass die Variante mit lateral winkelversetztem, nachlaufendem Laserstrahl 4 unter 40° mit einem geänderten Strahlteilerverhältnis des vorlaufenden und des nachlaufenden Laserstrahls 3, 4 von 60:40 die besten Rauigkeitswerte erreicht. Dazu wurden die gemittelten Rautiefen der Schnittflanke an 3 Messpositionen jeweils 0,5mm von der BlechoberVunterseite sowie in der Mitte gemessen, wobei die Rauigkeitswerte zur Werkstückunterseite hin ansteigen. Bei der Variante mit nicht lateral winkelversetztem, nachlaufendem Laserstrahl 4 und bei der Variante mit lateral winkelversetztem, nachlaufendem Laserstrahl 4 unter 40° mit einem Strahlteilerverhältnis des ersten und des zweiten Laserstrahls 3, 4 von 50:50 sind die Rauigkeitswerte jeweils größer als bei der erstgenannten Variante.
Wie Versuche weiter gezeigt haben, führen - bei ansonsten identischen Schneidparametern - reduzierte Gasdrücke zu einer stärkeren Oxidation der Schnittkante an der Werkstückunterseite.

Claims

08.12.2008Patentansprüche
1. Verfahren zum Keyhole-freien Schmelzschneiden eines Werkstücks (2), wobei das Werkstück (2) durch einen Laserstrahl (3) entlang einer zu erzeugenden Schnittfuge (5) aufgeschmolzen wird und die dabei entstehende Schmelze (7) durch einen Gasstrahl mit hohem Druck aus der erzeugten Schnittfuge (5) ausgetrieben wird, dadurch gekennzeichnet, dass dem Laserstrahl (3) in Schneidrichtung (6) mindestens ein Laserstrahl (4) nachläuft, der die Schmelze (7) derart beeinflusst, dass zumindest eine der beiden Schnittflanke (9a, 9b) des Werkstücks (2) eine bessere Schneidqualität, insbesondere Schnittkantenrauhigkeit, aufweist als ohne den nachlaufenden Laserstrahl (4).
2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der nachlaufende Laserstrahl (4) die Schmelze des vorlaufenden Laserstrahls (3) im Bereich der Schneidfront (10) des vorlaufenden Laserstrahls (3), insbesondere am Scheitel der Schneidfront (10), beeinflusst.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der nachlaufende Laserstrahl (4) gegenüber dem vorlaufenden Laserstrahl (3) lateral versetzt auf das Werkstück (2) auftrifft.
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der nachlaufende Laserstrahl (4) höchstens um den Durchmesser des vorlaufenden Laserstrahls (3) lateral versetzt auf das Werkstück (2) auftrifft.
5. Verfahren nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass der nachlaufende Laserstrahl (4) gegenüber dem vorlaufenden Laserstrahl (3) um einen Winkel (α) von ca. 20° bis 70° bezüglich der Schneidrichtung (6), bevorzugt ca. 40°, lateral versetzt auf das Werkstück (2) auftrifft.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass dem vorlaufenden Laserstrahl (3) in Schneidrichtung (6) beidseitig jeweils ein gegenüber dem vorlaufenden Laserstrahl (3) lateral versetzter Laserstrahl (4) nachläuft.
7. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der nachlaufende Laserstrahl (4) gegenüber dem vorlaufenden Laserstrahl (3) lateral nicht versetzt und mit einem größeren Durchmesser als der vorlaufende Laserstrahl (3) auf das Werkstück (2) auftrifft.
8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der vorlaufende Laserstrahl (3) und der nachlaufende Laserstrahl (4) auf oder innerhalb des Werkstücks (2) zumindest partiell überlappen.
9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Fokus des vorlaufenden Laserstrahls (3) und der Fokus des nachlaufenden Laserstrahls (4) zueinander in Strahlrichtung versetzt sind.
10.Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Leistung des vorlaufenden Laserstrahls (3) größer als die Leistung des nachlaufenden Laserstrahls (4) ist, insbesondere im Verhältnis von ca. 60:40 verteilt ist.
1 1.Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der vorlaufende Laserstrahl (3) und/oder der nachlaufende Laserstrahl (4) eine Wellenlänge von kleiner als 10 μm, vorzugsweise von ca. 1 μm oder kleiner, aufweist.
12. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest der vorlaufende Laserstrahl (3) mittels eines Festkörperlasers erzeugt wird.
13. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der vorlaufende Laserstrahl (3) und der nachlaufende Laserstrahl (4) zwei Teilstrahlen des gleichen Laserstrahls sind.
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