DE102010028270B4 - Method for determining the laser workability of sheets, methods for laser machining of sheets and arrangements and computer program product for carrying out said method - Google Patents
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Abstract
Verfahren zur Ermittlung der Laser-Bearbeitbarkeit von Blechen (2), wobei das Reflexionsverhalten einer Blechoberfläche bestimmt wird, wobei zusätzlich zu der Bestimmung des Reflexionsverhaltens der Blechoberfläche aus Werkstoff des betreffenden Bleches (2) mittels eines Laserstrahls ein Plasma erzeugt wird, wobei das erzeugte Plasma einer Spektralanalyse unterzogen wird, im Rahmen derer der Gehalt des Werkstoffs an wenigstens einem für die Bearbeitbarkeit des Bleches (2) relevanten Werkstoffbestandteil bestimmt wird und wobei in Abhängigkeit von dem bestimmten Werkstoffgehalt zumindest ein Parameter einer späteren Laserbearbeitung des Bleches (2) festgelegt wird, dadurch gekennzeichnet, dass dasjenige Plasma einer Spektralanalyse unterzogen wird, das erzeugt wird beim Einstechen des Laserstrahls in das Blech (2) und dem damit verbundenen vollständigen Durchdringen des Blechs (2) durch den Laserstrahl.Method for determining the laser workability of sheets (2), wherein the reflection behavior of a sheet surface is determined, wherein in addition to the determination of the reflection behavior of the sheet surface of material of the sheet (2) concerned by means of a laser beam, a plasma is generated, wherein the generated plasma is subjected to a spectral analysis, in which the content of the material at at least one for the workability of the sheet (2) relevant material component is determined and wherein depending on the particular material content at least one parameter of a subsequent laser processing of the sheet (2) is set, thereby characterized in that the plasma is subjected to a spectral analysis, which is produced when piercing the laser beam into the sheet (2) and the associated complete penetration of the sheet (2) by the laser beam.
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Ermittlung der Laser-Bearbeitbarkeit von Blechen, wobei das Reflexionsverhalten einer Blechoberfläche bestimmt wird, wobei zusätzlich zu der Bestimmung des Reflexionsverhaltens der Blechoberfläche aus Werkstoff des betreffenden Bleches mittels eines Laserstrahls ein Plasma erzeugt wird, wobei das erzeugte Plasma einer Spektralanalyse unterzogen wird, im Rahmen derer der Gehalt des Werkstoffs an wenigstens einem für die Bearbeitbarkeit des Bleches relevanten Werkstoffbestandteil bestimmt wird und wobei in Abhängigkeit von dem bestimmten Werkstoffgehalt zumindest ein Parameter einer späteren Laserbearbeitung des Bleches festgelegt wird.The invention relates to a method for determining the laser workability of sheets, wherein the reflection behavior of a sheet surface is determined, wherein in addition to the determination of the reflection behavior of the sheet surface of material of the sheet in question by means of a laser beam, a plasma is generated, wherein the generated plasma of a spectral analysis in which the content of the material is determined on at least one relevant for the workability of the sheet material component and wherein at least one parameter of a subsequent laser processing of the sheet is determined depending on the determined material content.
Die Erfindung betrifft des Weiteren ein Verfahren zum Laserbearbeiten von Blechen.The invention further relates to a method for laser machining of metal sheets.
Schließlich betrifft die Erfindung eine Analyse-Anordnung zur Ermittlung der Laser-Bearbeitbarkeit von Blechen und eine Anordnung zum Laserbearbeiten von Blechen.Finally, the invention relates to an analysis arrangement for determining the laser workability of sheets and an arrangement for laser machining of sheets.
Gattungsgemäßer Stand der Technik ist bekannt aus
Ein Verfahren sowie eine Analyse-Anordnung zur Ermittlung der Laser-Bearbeitbarkeit von Blechen unter Bestimmung des Reflexionsverhaltens einer Blechoberfläche sind bekannt aus
Aus der Druckschrift
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, den Stand der Technik hinsichtlich der Ermittlung der Laser-Bearbeitbarkeit von Blechen zu optimieren und ein entsprechend optimiertes Verfahren sowie eine entsprechend optimierte Vorrichtung zum Laserbearbeiten von Blechen bereitzustellen.The object of the present invention is to optimize the prior art with regard to the determination of the laser machinability of sheets and to provide a correspondingly optimized method and a correspondingly optimized apparatus for laser machining of sheets.
Erfindungsgemäß gelöst wird diese Aufgabe durch die Verfahren gemäß den unabhängigen Patentansprüchen 1 und 9 sowie durch die Anordnungen gemäß den unabhängigen Patentansprüchen 11 und 13 und durch das Computerprogrammprodukt gemäß Patentanspruch 15.This object is achieved according to the invention by the methods according to the
Die Bestimmung des Reflexionsverhaltens der Oberfläche und die Bestimmung des Werkstoffs eines zu bearbeitenden Bleches werden miteinander kombiniert. Dadurch lassen sich über die Laser-Bearbeitbarkeit des betreffenden Bleches besonders zuverlässige Erkenntnisse gewinnen, die dann wiederum eine besonders geeignete Grundlage für die Steuerung des Bearbeitungsprozesses bieten können. Der Bearbeitungsprozess kann beispielsweise auf wechselnde Oberflächenverhältnisse und/oder auf sich ändernde Werkstoffarten der zu bearbeitenden Bleche aber auch auf chargen- oder herstellerabhängige Werkstoffunterschiede abgestimmt werden. Von der Materialzusammensetzung und von der Oberflächenbeschaffenheit (Rost-, Zunder-, Lackschicht, etc.) des bearbeiteten Bleches aber auch nur von der Materialzusammensetzung allein wird u. a. die Schnittqualität beim Laserschneiden in erheblichem Maße beeinflusst. Für das Laserschneiden gewährleistet die Erfindung dementsprechend ein optimales Schneidergebnis.The determination of the reflection behavior of the surface and the determination of the material of a sheet to be processed are combined. As a result, particularly reliable findings can be obtained on the laser machinability of the sheet concerned, which in turn can provide a particularly suitable basis for the control of the machining process. The machining process can be tuned, for example, to changing surface conditions and / or changing material types of the sheets to be processed but also to batch or manufacturer-dependent material differences. Of the material composition and the surface texture (rust, scale, paint layer, etc.) of the processed sheet but also only of the material composition alone u. a. the cutting quality during laser cutting influenced to a considerable extent. For laser cutting, the invention accordingly ensures an optimum cutting result.
Einer Spektralanalyse unterzogen wird erfindungsgemäß dasjenige Plasma, das beim Einstechen des Laserstrahls in das Blech erzeugt wird. Da der Laserstrahl das Blech beim Einstechen vollständig durchdringt, ist die Zusammensetzung der erzeugten Plasmawolke für die Zusammensetzung des Blech-Werkstoffes besonders repräsentativ. Zudem beginnt die schneidende Blechbearbeitung mittels eines Laserstrahls häufig mit einem Einstechvorgang. Wird das bei dem Einstechvorgang erzeugte Plasma für die Spektralanalyse genutzt, so lässt sich die Ermittlung der Laser-Bearbeitbarkeit von Blechen optimal in den Schneidprozess integrieren.According to the invention, a spectral analysis is subjected to the plasma which is generated during the piercing of the laser beam into the metal sheet. Since the laser beam completely penetrates the sheet during piercing, the composition of the plasma cloud produced is particularly representative of the composition of the sheet metal material. In addition, the cutting sheet metal processing by means of a laser beam often begins with a piercing process. Will the plasma generated during the piercing process used for spectral analysis, the determination of the laser machinability of sheets can be optimally integrated into the cutting process.
Es ist denkbar, dass zum vollständigen Einstechen mehrere Laserpulse benötigt werden. in diesem Fall kann bei jedem Laserpuls eine Materialanalyse des Blech-Werkstoffs durchgeführt werden. Die einzelnen Analyse-Ergebnisse können gemittelt werden, oder die Parameter der späteren Laserbearbeitung werden anhand desjenigen Analyse-Ergebnisses definiert, welches zu den konservativsten Bearbeitungsparametern führt.It is conceivable that multiple laser pulses are required for complete insertion. In this case, a material analysis of the sheet metal material can be performed at each laser pulse. The individual analysis results can be averaged, or the parameters of the later laser processing are defined on the basis of the analysis result which leads to the most conservative processing parameters.
Die Spektralanalyse lässt sich mit herkömmlichen Spektrometern, beispielsweise mit Hilfe von Gitterspektrometern, durchführen. Alternativ denkbar sind Aufbauten aus geeigneten Filtern und Messaufnehmern.The spectral analysis can be carried out with conventional spectrometers, for example with the aid of grating spectrometers. Alternatively conceivable are superstructures made of suitable filters and sensors.
Bei der Spektralanalyse wird die von dem erzeugten Plasma ausgehende elektromagnetische Strahlung in ihre spektralen Bestandteile zerlegt und analysiert. In den aufgenommenen Spektren treten je nach Werkstoffzusammensetzung verschiedene Spektrallinien auf. Aus diesen Spektrallinien kann auf die chemische Zusammensetzung und darüber wiederum auf die Art des bearbeiteten Werkstoffes geschlossen werden. Materialien, die in der betrieblichen Praxis besonders häufig bearbeitet werden müssen, sind Baustahl, Edelstahl und Aluminiumlegierungen.In spectral analysis, the electromagnetic radiation emitted by the generated plasma is decomposed into its spectral components and analyzed. Depending on the material composition, different spectral lines appear in the recorded spectra. From these spectral lines it is possible to deduce the chemical composition and, in turn, the type of material being processed. Materials that need to be worked extra frequently in operational practice are structural steel, stainless steel and aluminum alloys.
Wird das erzeugte Plasma zu einem Zeitpunkt einer Spektralanalyse unterzogen, welcher dem Zeitpunkt des Beginns der Plasmabildung zeitlich nachfolgt, so lassen sich besonders zuverlässige Informationen über die chemische Zusammensetzung des betreffenden Bleches gewinnen. Wesentlich ist dabei die gegenseitige zeitliche Abstimmung der spektrometrischen Bildaufnahme und des Beginns der Plasmabildung. Der Beginn der Plasmabildung fällt in guter Näherung mit dem Beginn der Beaufschlagung des Bleches durch den plasmaerzeugenden Laserstrahl zusammen. Es muss gewährleistet werden, dass das Plasma zu einem Zeitpunkt spektrometrisch erfasst wird, zu welchem es sich in einem aussagefähigen Zustand befindet. Zu diesem Zweck kann beispielsweise der Zeitpunkt ermittelt werden, zu welchem der Laserstrahl die Laserstrahlquelle verlässt. Zeitlich verzögert hat dann die spektrometrische Bildaufnahme des erzeugten Plasmas zu erfolgen. Die Bemessung der zeitlichen Verzögerung der spektrometrischen Bildaufnahme kann experimentell erfolgen. In einem aussagefähigen Zustand kann sich das erzeugte Plasma etwa zu dem Zeitpunkt befinden, zu welchem die erzeugte Plasmawolke zu kollabieren beginnt.If the plasma produced at a time subjected to a spectral analysis, which chronologically follows the time of the beginning of the plasma formation, it is possible to obtain particularly reliable information about the chemical composition of the sheet in question. Essential here is the mutual timing of the spectrometric image acquisition and the beginning of the plasma formation. The beginning of the plasma formation coincides to a good approximation with the beginning of the loading of the sheet by the plasma-generating laser beam. It must be ensured that the plasma is detected spectrometrically at a time when it is in a meaningful state. For this purpose, for example, the time can be determined at which the laser beam leaves the laser beam source. Delayed in time then the spectrometric image acquisition of the generated plasma has to be done. The dimensioning of the time delay of the spectrometric image acquisition can be done experimentally. In a meaningful state, the generated plasma may be at about the time when the generated plasma cloud begins to collapse.
Ein CO2-Laser eignet sich für die erfindungsgemäßen Verfahren besonders als Laserstrahlquelle, weil er aufgrund seiner Wellenlänge ein Plasma besonders einfach erzeugen kann. Die Verfahren lassen sich aber auch mit anderen Laserbauarten, insbesondere mit Festkörperlasern umsetzen, die in der jüngeren Vergangenheit auch für Schneidanwendungen verstärkt eingesetzt werden (z. B. Scheibenlaser, Faserlaser, Rodlaser, Slablaser). In jedem Fall muss die Laserstrahlquelle derart betrieben werden, dass die Bildung eines aussagefähigen Plasmas gewährleistet ist.A CO 2 laser is particularly suitable for the method according to the invention as a laser beam source, because it can generate a plasma particularly easily due to its wavelength. However, the methods can also be implemented with other types of lasers, in particular with solid-state lasers, which have also been increasingly used in the recent past for cutting applications (eg disk lasers, fiber lasers, rod lasers, slab lasers). In any case, the laser beam source must be operated in such a way that the formation of a meaningful plasma is ensured.
Besondere Ausführungsarten der Verfahren gemäß den unabhängigen Patentansprüchen 1 und 9 sowie der Anordnungen gemäß den unabhängigen Patentansprüchen 11 und 13 ergeben sich aus den abhängigen Patentansprüchen 2 bis 8, 10, 12 und 14.Particular embodiments of the method according to the
Grundsätzlich kann im Falle der Erfindung ein spektral zu analysierendes Plasma an jeder beliebigen Stelle des betreffenden Bleches erzeugt werden. Es besteht beispielsweise die Möglichkeit, das Plasma an unterschiedlichen Stellen des Bleches zu generieren und im Rahmen der Spektralanalyse jedes erzeugte Plasma einer Spektralanalyse zu unterziehen und bei jeder Spektralanalyse den Werkstoffgehalt an dem oder den für die Bearbeitbarkeit des Bleches relevanten Werkstoffbestandteilen zu bestimmen. Zumindest ein Parameter der späteren Laserbearbeitung des Bleches kann dann in Abhängigkeit von dem Mittelwert der bestimmten Werkstoffgehalte festgelegt werden. Diese Vorgehensweise gewährleistet eine analytische Erfassung vieler Bereiche des betreffenden Bleches. Über das Blech auftretende Schwankungen der Werkstoffzusammensetzung werden neutralisiert.In principle, in the case of the invention, a plasma to be analyzed spectrally can be generated at any point of the sheet concerned. For example, it is possible to generate the plasma at different locations on the sheet and to spectrally analyze each generated plasma as part of the spectral analysis and to determine the material content of the material constituent or constituents relevant to the workability of the sheet during each spectral analysis. At least one parameter of the subsequent laser processing of the sheet can then be determined as a function of the mean value of the specific material contents. This procedure ensures analytical coverage of many areas of the sheet in question. Variations in the material composition occurring over the sheet are neutralized.
Erfindungsgemäß bevorzugt wird die Verfahrensvariante gemäß Patentanspruch 3, wonach das Plasma in einem Bereich des Bleches erzeugt wird, der bei der späteren Laserbearbeitung des Bleches einen Bearbeitungsrest bildet. Aufgrund dieser Maßnahme bleibt das Ergebnis der späteren Laserbearbeitung von der dieser vorausgehenden Ermittlung der Laser-Bearbeitbarkeit des Bleches unbeeinträchtigt.According to the invention, the method variant according to
Unterschiedliche chemische Elemente wirken sich unterschiedlich stark auf die Laser-Bearbeitbarkeit eines Bleches aus. Im Interesse einer Vereinfachung der durchzuführenden Spektralanalyse sowie der Auswertung des Analyseergebnisses ist es empfehlenswert, sich bei der Spektralanalyse auf den Werkstoffgehalt ausgewählter chemischer Elemente zu konzentrieren. In diesem Fall muss kein breitbandiges Spektrum erfasst und analysiert werden. Vor diesem Hintergrund ist in bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung das kennzeichnende Merkmal von Patentanspruch 4 vorgesehen. Demnach wird durch Spektralanalyse der Werkstoffgehalt des Bleches an Fe und/oder an Al und/oder an Legierungskomponenten und/oder an Si bestimmt.Different chemical elements have different effects on the laser machinability of a sheet. In the interest of simplifying the spectral analysis to be carried out and evaluating the results of the analysis, it is advisable to concentrate on the material content of selected chemical elements in spectral analysis. In this case, no broadband spectrum needs to be detected and analyzed. Against this background, the characterizing feature of
Die Kombination der Bestimmung des Reflexionsverhaltens einer Blechoberfläche mit der Spektralanalyse des aus Werkstoff eines Bleches erzeugten Plasmas kann in mehrerlei Hinsicht die Ermittlung der Laser-Bearbeitbarkeit von Blechen optimieren.The combination of the determination of the reflection behavior of a sheet metal surface with the spectral analysis of the plasma produced from the material of a sheet can in many respects optimize the determination of the laser workability of sheets.
Gemäß Patentanspruch 5 dienen die Erkenntnisse, welche durch die Bestimmung des Reflexionsverhaltens der Blechoberfläche gewonnen werden, unmittelbar als Grundlage für die Festlegung zumindest eines Parameters der späteren Laserbearbeitung des Bleches. Zu diesem Zweck kann das Reflexionsverhalten der Blechoberfläche vor, zeitgleich mit oder nach der Erzeugung des spektral zu analysierenden Plasmas ermittelt werden.According to
Hiervon abweichend wird im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens nach Patentanspruch 6 das Reflexionsverhalten der Blechoberfläche stets vor der Erzeugung des Plasmas bestimmt. Wird dabei ein Reflexionsverhalten festgestellt, das auf einen Belag der Blechoberfläche hinweist, so wird die Blechoberfläche einer Reinigung unterzogen, ehe das Plasma erzeugt wird. Als Beläge der Blechoberfläche kommen insbesondere Rost-, Zunder- oder Lackschichten in Frage. Durch die Entfernung etwaiger Oberflächenbeläge wird sichergestellt, dass das anschließend erzeugte Plasma lediglich die Werkstoffbestandteile des Bleches und nicht auch noch Bestandteile des Oberflächenbelages beinhaltet. Eine Verzögerung der Plasmaerzeugung durch Beläge der Blechoberflächen ist ausgeschlossen.Deviating from this, the reflection behavior of the sheet metal surface is always determined prior to the generation of the plasma in the context of the method according to
Eine besonders zuverlässige Aussage über das Reflexionsverhalten der Blechoberfläche bietet eine zu diesem Zweck durchgeführte Spektralanalyse (Patentanspruch 7). Dabei wird die Blechoberfläche mittels einer Lichtquelle beleuchtet und das reflektierte Licht wird mittels eines Spektrometers erfasst. Aus dem erhaltenen Spektrum kann die Oberflächenbeschaffenheit des Bleches abgeleitet werden.A particularly reliable statement about the reflection behavior of the sheet surface provides a spectral analysis carried out for this purpose (claim 7). The sheet surface is illuminated by a light source and the reflected light is detected by means of a spectrometer. From the spectrum obtained, the surface finish of the sheet can be derived.
Zur Reinigung der Blechoberfläche bieten sich erfindungsgemäß unterschiedliche Möglichkeiten. Bevorzugt wird gemäß Patentanspruch 8 eine Reinigung der Blechoberfläche mittels eines Laserstrahls. Dieser Laserstrahl kann vorteilhafterweise durch dieselbe Laserstrahlquelle erzeugt werden wie der Laserstrahl zur Erzeugung des spektral zu analysierenden Plasmas und/oder wie der Laserstrahl für die spätere Laserbearbeitung des Bleches. Mithilfe eines Laserstrahls können Beläge der Blechoberfläche beispielsweise abgedampft werden.To clean the sheet surface according to the invention offer different options. Preferably, according to
Im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Laserbearbeiten von Blechen wird zunächst die Laser-Bearbeitbarkeit eines Bleches ermittelt, ehe das Blech der eigentlichen Laserbearbeitung unterzogen wird. Bei der Ermittlung der Laser-Bearbeitbarkeit ist aus Werkstoff des Bleches ein Plasma zu erzeugen. Die Aussagekraft des Plasmas hängt in erheblichem Maße von den Parametern der Plasmaerzeugung ab. Es besteht aber die Möglichkeit, dass die Parameter der Analysezwecken dienenden Plasmaerzeugung für die nachfolgende Laserbearbeitung des Bleches nicht oder nur bedingt geeignet sind. Deshalb sieht Patentanspruch 10 in Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Laserbearbeiten von Blechen vor, dass ein und derselbe Parameter für die Erzeugung des Plasmas zur Ermittlung der Laser-Bearbeitbarkeit des Bleches und für die spätere Laserbearbeitung des Bleches unterschiedlich festgelegt wird.In the context of the method according to the invention for the laser processing of metal sheets, the laser workability of a sheet is first determined before the sheet is subjected to the actual laser processing. When determining the laser machinability of the material of the sheet to produce a plasma. The significance of the plasma depends to a considerable extent on the parameters of the plasma generation. However, there is the possibility that the parameters of the analysis purposes serving plasma generation for the subsequent laser processing of the sheet are not or only partially suitable. Therefore, in development of the method according to the invention for laser processing of metal sheets, claim 10 provides that one and the same parameter for the generation of the plasma for determining the laser workability of the sheet and for the later laser processing of the sheet is set differently.
Gemäß Patentanspruch 12 ist in bevorzugter Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Analyse-Anordnung nach Patentanspruch 11 vorgesehen, dass das Reflexionsverhalten der Blechoberfläche und das zur Ermittlung der Laser-Bearbeitbarkeit von Blechen erzeugte Plasma mittels ein und derselben Analyseeinrichtung analysiert werden.According to
Ausweislich Patentanspruch 14 dient im Falle einer bevorzugten Bauart der erfindungsgemäßen Anordnung zum Laserbearbeiten von Blechen ein und dieselbe Laserstrahlquelle zur Erzeugung von Laserstrahlen zu Analysezwecken und zur Erzeugung von Laserstrahlen für die spätere Laserbearbeitung des analysierten Bleches.As shown in
Nachfolgend wird die Erfindung anhand beispielhafter schematischer Darstellungen näher erläutert. Es zeigen:The invention will be explained in more detail below with reference to exemplary schematic illustrations. Show it:
Gemäß
Zum schneidenden Bearbeiten des Bleches
Die Parameter des Schneidprozesses sind in einer CNC-Steuerung
Die Parameter der schneidenden Laserbearbeitung des Bleches
Zusätzlich zu dem Spektrometer
Die Spektralanalysevorrichtung
Auch die Funktionen der Analyse-Anordnung
Zur Festlegung der Parameter des an dem Blech
Das beispielhafte Ergebnis einer mittels der Vorrichtung
Wird mittels der Vorrichtung
Nach Beendigung des Reinigungsprozesses kann ohne Weiteres der zweite Analyseschritt zur Ermittlung der Laser-Bearbeitbarkeit des Bleches
Im zweiten Analyseschritt wird nach der vorstehend beschriebenen Bestimmung des Reflexionsverhaltens der Blechoberfläche aus Werkstoff des Bleches
Erfahrungsgemäß steht ein aussagefähiges Plasma an der Einstichstelle des Laserstrahls nicht bereits unmittelbar mit Beginn des Einstechvorgangs zur Verfügung. Dieser Umstand ist bei der Steuerung des Spektrometers
Gemäß
Alternativ kann in der Steuerung des Laserresonators
In beiden Fällen erfasst das Spektrometer
Ist das Spektrometer
Gemäß
Auf der Grundlage des Ergebnisses der Spektralanalyse des an dem Blech
Anhand eines Analyseergebnisses der in
Innerhalb der Parametersätze für die einzelnen Werkstoffarten ist in Abhängigkeit von der chemischen Zusammensetzung der jeweiligen Werkstoffart eine weitere Differenzierung möglich. Beispielsweise können in der CNC-Steuerung
Abweichend von der vorstehend beschriebenen Verfahrensweise besteht die Möglichkeit, die mittels der Vorrichtung
Ein spektral zu analysierendes Plasma wird auch an einer in
Anders als die Analyse-Anordnung
Dass die Plasmadetektion zu einem geeigneten Zeitpunkt erfolgt, wird dadurch sichergestellt, dass auch die Analyse-Anordnung
Das Ergebnis der mittels der Spektralanalysevorrichtung
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