DE1690637B2 - Method and device for processing a workpiece by means of a laser beam directed onto it - Google Patents

Description

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Laserstrahles abweichen kann. Offensichtlich wird die Breite des Schnittes im wesentlichen vom Laserstrahl bestimmt und nicht durch den Gasstrahl, der bei den -Heren Verfahren des autogenen Schneidens, bei dem eine exotherme Reaktion zur Anwendung kam, die Breite des Schnittes bestimmte. Selbstverständlich rührt dies zum Teil von der Tatsache her, daß der Teil des Werkstückes, der dem Laserstrahl ausgesetzt ist, ein extrem schmaler Streifen ist; es wird jedoch angenom-Laser beam may differ. Obviously, the width of the cut is essentially made by the laser beam determined and not by the gas jet that occurs in the -Heren process of oxy-fuel cutting, in which an exothermic reaction was used that determined the width of the cut. Of course, stirs this is partly due to the fact that the part of the Workpiece exposed to the laser beam is an extremely narrow strip; however, it is assumed

en daß dies auch zum Teil davon herrührt, daß das Material in diesem Streifen sehr schnell auf eine Temperatur erhöht wird, bei welcher es verdampft oder schmilzt und ein sehr steiler Temperaturgradient im Werkstück vorhanden ist Folglich ist das Verhältnis der durch den Laserstrahl zugeführten Wärmemenge zu der durch die exotherme Reaktion entstehenden beim Schmelzen und Verdampfen verbrauchten und so vom Metallkörper durch den Gasstrom weggeführten Wärmemenge, wesentlich größer als bei den bekannten autogenen Schneidverfahren. Die Zone, deren Temperatur hoch genug ist um an der exothermen Reaktion teilzunehmen, breitet sich nur unwesentlich aus. Diese Auffassung ist durch Beobachtungen der Temperatur des Metalls bei einer durch Gas unterstützten Laserschneidoperation bestärkt worden. Bei den bekannten Verfahren, z. B. beim Schneiden von Flußeisen, unterhält sich die exotherme Reaktion bekanntlich selbst wenn das Metall auf »Zünd«-Temperatur erhitzt ist· d.h., daß der Sauerstoff allein den Flußstrahl schneidet, wenn dieser auf eine Temperatur erhitzt ist, die auf etwa 875° C geschätzt wird. Es ist nun festgestellt worden, daß beim durch einen Gasstrahl unterstützten Laserschneiden die Temperatur auf dem überstrichenen Streifen beträchtlich höher ist als diese »Zünd-Temperatur«, daß aber trotzdem bei der für die Dicke des Metalis ausreichenden Schneidgeschwindigkeit sich der Vorgang nicht selbst aufrechterhält.en that this is partly due to the fact that the material in this strip very quickly on a Temperature is increased at which it evaporates or melts and a very steep temperature gradient in the Workpiece is present. Accordingly, the ratio of the amount of heat supplied by the laser beam to that consumed by the exothermic reaction resulting from melting and evaporation and so from Metal body by the gas flow carried away amount of heat, much greater than with the known oxy-fuel cutting process. The zone whose temperature is high enough to take part in the exothermic reaction to participate, spreads only insignificantly. This view is through observations of temperature of the metal has been strengthened in a gas-assisted laser cutting operation. With the known Procedure, e.g. B. When cutting fluids, the exothermic reaction is known to entertain even if the metal is heated to the "ignition" temperature, i.e. the oxygen alone is responsible for the flow of the flow cuts when heated to a temperature estimated at around 875 ° C. It is now established that the temperature on the swept with laser cutting assisted by a gas jet Strip is considerably higher than this "ignition temperature", but that for the thickness of the If the cutting speed is sufficient, the process will not be self-sustaining.

Daß die Temperatur des Streifens, in dem der Schnitt angelegt wird, beträchtlich höher ist, als bei den üblichen Schneidverfahren, geht auch daraus hervor, daß mit einem durch einen Sauerstoffstrahl unterstützten Laserstrahl rostfreier Stahl (d.h. rostfreier Stahl und hitzebeständige Stähle mit hohem Chromgehalt) geschnitten werden kann. Rostfreier Stahl kann von einem üblichen autogenen Schneidbrenner nicht geschnitten werden, da beim Erhitzen sich auf der Oberfläche des Stahles ein Chromoxidfilm bildet und dieser einen Schmelzpunkt von etwa 2000⁰C hat, was wesentlich über dem Schmelzpunkt des rostfreien Stahles von etwa 1375⁰C liegt. Mit den üblichen autogenen oder Brennschneidverfahren kann rostfreier Stahl nur geschnitten werden, wenn zusätzlich zum Sauerstoff em Fluß- oder Verdünnungsmittel eingeführt wird. Ein durch einen Sauerstoffstrahl unterstützter Laserstrahl schneidet durch rostfreien Stahl, ohne daß ein Flußmittel oder Verdünnungsmittel erforderlich ist, woraus zu schließen ist, daß der Laserstrahl das Werkstück soweit erhitzt, daß der Oxidfilm schmilzt oder verdampft und dann weggeblasen wird.The fact that the temperature of the strip in which the cut is made is considerably higher than in conventional cutting processes is also evident from the fact that stainless steel (i.e. stainless steel and heat-resistant steels with a high chromium content) is cut with an oxygen-assisted laser beam can be. Stainless steel cannot be cut by a conventional oxy-fuel cutting torch, as a chromium oxide film forms on the surface of the steel when it is heated and this has a melting point of about 2000 ^° C., which is significantly above the melting point of stainless steel of about 1375 ^° C. With the usual oxy-fuel or flame cutting processes, stainless steel can only be cut if a flux or diluent is introduced in addition to the oxygen. A laser beam assisted by an oxygen beam cuts through stainless steel without the need for flux or diluent, suggesting that the laser beam heats the workpiece to the point where the oxide film melts or evaporates and is then blown away.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren findet keine wesentliche Wärmeableitung statt. Da auch eine sich selbst unterhaltende exotherme Reaktion nicht auftritt, entsteht ein sauberer Schnitt. Der Schneidprozeß kann durch Abschalten des Laserstrahles sehr schnell gestoppt werden. ^6s No significant heat dissipation takes place in the method according to the invention. Since even a self-sustaining exothermic reaction does not occur, a clean cut is created. The cutting process can be stopped very quickly by switching off the laser beam. ^6s

Da das Brennschneiden ohne wesentliche Erwärmung und Beschädigung der Nachbarzonen der Schnitte erfolgt, ist das Verfahren energie- und matenalspafend.Because the flame cutting does not significantly heat up and damage the neighboring zones of the cuts takes place, the process saves energy and materials.

Während es, wie eingangs bereits erwähnt, bei dem Verfahren der FR-PS 14 28 423 lediglich darauf ankommt, daß sich das zu behandelnde Werkstück mit der Gasatmosphäre in Kontakt befindet, sodaß es nach Erreichen einer bestimmten Temperatur mit dem Gas reagieren kann, somit die Gasatmosphäre allein zur Bildung der flüchtigen bzw. nicht flüchtigen Reaktionsprodukte benötigt wird, ähnelt das neue Verfahren dem herkömmlichen Brennschneiden. Der Laserstrahl liefert die nötige Energie, um das Material auf seijne Zündtemperatur zu erhitzen, wonach das erhitzte Material durch einen Strom eines Gases mit exothermem Reaktionsvermögen verbrannt und erodiert wird. Infolge der exothermen Reaktion zwischen dem auftreffenden Gas und dem Material wird weiteres Material auf seine Zündiemperatur erhitzt, sodaß der Vorgang aufrechterhalten wird.While it, as already mentioned, in the process of FR-PS 14 28 423 is only important that the workpiece to be treated is in contact with the gas atmosphere, so that it can react with the gas after reaching a certain temperature, thus the Gas atmosphere is required solely for the formation of the volatile or non-volatile reaction products, the new process is similar to conventional flame cutting. The laser beam provides the energy necessary to heat the material to its ignition temperature, after which the heated material is burned and eroded by a stream of exothermic gas. As a result of the exothermic reaction between the impinging gas and the material, further material is heated to its ignition temperature, so that the process is maintained.

Die Glätte der Schnittkanten hängt vom Überschreiten einer Minimalgeschwindigkeit zwischen Laserstrahl und Werkstück ab, deren Größe wiederum von der Stärke des Laserstrahles und der Art des Materials, das geschnitten werden soll, beeinflußt wird. Unterhalb dieser Geschwindigkeit beginnt sich der Schmelzvorgang über das Gebiet, das durch den Laser direkt erhitzt wird, auszubreiten. Dies führt zum Schmelzen großer Stellen und zum Unterbrechen des Schneidvorganges. Wenn die Geschwindigkeit erhöht wird, wird wieder ein sauberer schmaler Schnitt erhalten. Dementsprechend müssen Laserstrahl und Werkstück mit einer Geschwindigkeit relativ zueinander bewegt werden, die in einem Bereich liegt, in dem die Schnittbreite, wenn der Schnitt gerade ist, im wesentlichen durch die Breite und, wenn der Laserstrahl eine wiederholte zyklische Bewegung ausführt, im wesentlichen durch das Ausmaß der Querbewegung des Laserstrahles bestimmt wird.The smoothness of the cut edges depends on the exceeding of a minimum speed between the laser beam and workpiece, the size of which in turn depends on the strength of the laser beam and the type of material that is to be cut. The melting process begins below this speed spread over the area directly heated by the laser. This leads to the melting of large ones Set and to interrupt the cutting process. When the speed is increased, it will turn on again Get a clean, narrow cut. Accordingly, the laser beam and the workpiece must travel at one speed are moved relative to each other, which lies in a range in which the cutting width when the cut is straight, essentially through the width and when the laser beam makes a repeated cyclical movement executes, is essentially determined by the extent of the transverse movement of the laser beam.

Obwohl mit dem neuen Verfahren rostfreier Stahl (auch andere feuerfeste Metalle) ohne ein Flußmittel geschnitten werden kann, ist bei einigen Materialien die Verwendung eines Flußmittels zweckmäßig. Keramisches Material, Ziegel, Kachel, Zement, Gesteinsarten und dergleichen reagieren nicht exotherm mit Sauerstoff; um diese Materialien mit einem Laserstrahl zu schneiden, wird ein Metall oder eine Verbindung eingeführt, welche eine exotherme Reaktion mit dem Gas gestattet und eine Fließwirkung mit dem zu schneidenden Material an dem Punkt hervorruft, wo der Laserstrahl dieses Material überstreicht Der Gasstrahl bläst dann das geschmolzene Material oder die niedrig schmelzenden Mischungen aus dem erhitzten Gebiet weg. Das Flußmittel kann in Form eines Pulvers in einem Gasstrom dem erhitzten Gebiet zugeführt werden, und dieses Flußmittel kann Eisen oder ein Alkalimetallhalogenid sein. In einer anderen Ausführungsform kann das Flußmittel als Beschichtung auf der Oberfläche des zu schneidenden Materials, z. B. durch Aufstreichen oder Sprühen, aufgebracht sein.Although with the new process stainless steel (also other refractory metals) without a flux can be cut, the use of a flux is appropriate for some materials. Ceramic Material, bricks, tiles, cement, types of rock and the like do not react exothermically with oxygen; To cut these materials with a laser beam, a metal or a compound is used introduced, which allows an exothermic reaction with the gas and a flow effect with the to cutting material at the point where the laser beam sweeps over this material The gas jet then blows the molten material or low melting point mixtures out of the heated area path. The flux can be supplied to the heated area in the form of a powder in a gas stream and this flux can be iron or an alkali metal halide. In another embodiment the flux can be used as a coating on the surface of the material to be cut, e.g. B. by Brush or spray applied.

Für die meisten der oben genannten Materialien kann Eisen als Flußmittel verwendet werden in Verbindung mit einem Sauerstoffgasstrom. So kann z. B. Eisenpulver in ein Lasersystem in einem Sauerstoffgasstrahl eingeführt werden; das Eisenpulver oxidiert schnell und erzeugt überhitztes Eisenoxid, welches fließt und die Keramik oder das andere Material schneidet. Das Eisen kann auch als Draht oder Streifen an dem Punkt eingeführt werden, wo der Gasstrahl und der Laserstrahl sich treffen. Eine weitere Möglichkeit besteht darin, ein flüchtiges oder zu verflüchtigendes Halogenid (z. B. ein Eisenhalogenid) in einen SauerstoffstrahlFor most of the above materials, iron can be used as a flux in conjunction with a stream of oxygen gas. So z. B. iron powder in a laser system in an oxygen gas beam to be introduced; the iron powder oxidizes quickly, creating superheated iron oxide which flows and the Ceramic or the other material cuts. The iron can also be used as a wire or strip at the point be introduced where the gas beam and the laser beam meet. There is another possibility therein, a volatile or to be volatilized halide (e.g. an iron halide) in a jet of oxygen

einzuführen, der auf den Teil des Werkstückes, der von dem Laserstrahl erhitzt ist, gerichtet ist. Die Kombination von Eisen als Flußmittel mit einem Sauerstoffstrom kann auch bei Aluminium angewendet werden, das auch schwer schmelzbare Oxide bildet, wenn es erhitzt wird.which is directed at the part of the workpiece which is heated by the laser beam. The combination of iron as a flux with a stream of oxygen can also be applied to aluminum, that too Forms refractory oxides when heated.

Die Vorrichtung zur Durchführung des neuen Verfahrens, die sich aus einer Laserquelle, optischen Mitteln, die der Laserstrahl in Richtung auf das Werkstück durchdringt, sowie einer Einrichtung zum Ausrichten des Laserstrahles auf das Werkstück zusammensetzt, ist durch eine das Werkstück mit einem Gasstrom hoher Geschwindigkeit beaufschlagende Düse, durch die der Laserstrahl die Vorrichtung zum Werkstück hin koaxial zum Gastrom verläßt, gekennzeichnet. The device for performing the new method, consisting of a laser source, optical Means through which the laser beam penetrates in the direction of the workpiece, and a device for Alignment of the laser beam on the workpiece is composed by a the workpiece with a High-speed gas flow acting nozzle through which the laser beam the device for Workpiece left coaxially to the gas flow, marked.

Wenn Laserstrahl und Gas durch eine Düse austreten, führt dies zu keiner wesentlichen Erwärmung, sodaß der Laserstrahl mit seiner hohen potentiellen Heizkraft gefahrlos mit einem aktiven Gas, wie beispielsweise Sauerstoff, kombiniert werden kann. Dies steht im Gegensatz zu Vorversuchen zum Brennschneiden unter Anwendung eines reaktiven Gases, wo sich die Düse erheblich erwärmte. Tatsächlich war es mit dem Plasmabrenner, mit welchem bis zur Anwendung des Lasers zum Brennschneiden höchste Hitzekonvergenz und Konzentration erreicht werden konnten, nicht möglich, ein Gas einzusetzen, das eine exotherme Reaktion hervorruft, weil die heißen Teile des Brenners zu rasch oxidiert und durchgefressen worden wären. Folglich konnte man nur mit inertem Gas arbeiten, um das geschmolzene Metall wegzublasen.When the laser beam and gas exit through a nozzle, there is no significant heating, so that the Laser beam with its high potential heating power safely with an active gas, such as Oxygen, can be combined. This is in contrast to preliminary tests for flame cutting Use of a reactive gas where the nozzle heated up considerably. Indeed it was with that Plasma torch with which maximum heat convergence until the laser is used for flame cutting and concentration could be achieved, not possible to use a gas that is an exothermic Reaction caused because the hot parts of the burner would have oxidized and eaten through too quickly. As a result, one could only work with inert gas to blow away the molten metal.

Wie eingangs ausgeführt, wird die Breite des Schnittes in erster Linie durch die Breite des Laserstrahles bestimmt Sie kann, wenn die Stärke des Lasers ausreicht durch Erhöhen des wirksamen Durchmessers des Strahles an der Arbeitsfläche, d. h. dadurch, daß der Strahl über der Arbeitsfläche zu einem Brennpunkt manchmal in der Düse selbst vereint wird, erhöht werden. Die Zunahme der Breite ist manchmal bei dickeren Werkstücken erwünscht wo die Breite am Grund des Schnittes selbst nicht ausreicht das Gas in erforderlichem Maße durchzulassen.As stated above, the width of the cut is primarily determined by the width of the Laser beam determines you can if the strength of the laser is sufficient by increasing the effective Diameter of the beam at the work surface, d. H. in that the beam over the work surface to a Focal point sometimes united in the nozzle itself can be increased. The increase in width is sometimes Desired for thick workpieces where the width at the bottom of the cut itself is not sufficient for the gas in to let through the required amount.

Eine andere Methode, den Schnitt zu verbreitern, bei der ein Laser so hoher Energie nicht nötig ist besteht darin, dem Laser eine sich wiederholende zyklische Bewegung quer zur Schnittrichtung zu erteilen, wobei der Gasstrahl auf das Gebiet des Werkstückes, das vom Laserstrahl in der beschriebenen Weise bestrichen wird, gerichtet ist. Bevorzugt ist die Relativbewegung zwischen Laserstrahl und Oberfläche eine kombinierte lineare Bewegung in der Schnittrichtung und eine kreisförmige Bewegung symmetrisch um die Mittellinie des Schnittes. Diese Anordnung hat den Vorteil, daß, wenn sich die Schnittlinie ändert die kreisförmige Bewegung, die die Bewegung in Richtung der Schnittlinie überlagert, dem Laserstrahl noch die gleiche Bewegung quer zur Schnittrichtung verleihtAnother method of widening the cut that does not require such a high energy laser is in giving the laser a repetitive cyclical movement transverse to the cutting direction, whereby the gas jet on the area of the workpiece that is swept by the laser beam in the manner described, is directed. The relative movement between the laser beam and the surface is preferably a combined one linear movement in the cutting direction and a circular movement symmetrical about the center line of the cut. This arrangement has the advantage that when the cutting line changes the circular one Movement that superimposes the movement in the direction of the cutting line is still the same on the laser beam Gives movement across the cutting direction

Zur besseren Erläuterung der Erfindung dient die nachfolgende detaillierte Beschreibung in Verbindung mit der Zeichnung. &,The following detailed description is used in conjunction to provide a better explanation of the invention with the drawing. &,

F i g. 1 zeigt schematisch eine Anordnung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens;F i g. 1 shows schematically an arrangement for carrying out the method according to the invention;

Fig.2 zeigt einen von der Gasdüse umgebenen Laserstrahl, der schräg auf das Werkstück auf trifft;2 shows one surrounded by the gas nozzle Laser beam that hits the workpiece at an angle;

Fig.3 zeigt eine Düse, die dem Laserstrahl an der Oberfläche des Werkstückes eine kreisförmige Bewegung verleihtFig.3 shows a nozzle that the laser beam at the Gives the surface of the workpiece a circular motion

In Fig. 1 ist ein Laser 10 vom Kohlendioxid-Stickstoff-Helium-Typ gezeigt. Der aus diesem austretend« Strahl 26 wird durch einen mit Aluminium überzogener Spiegel 28 reflektiert und durch eine Sicherheitsblendc 30 zu einer Sammellinse 32 geführt. Von dieser Linse 32 geht der Strahl durch das Fenster 34 in die Sauerstoffkammer 36. Sauerstoff tritt durch den EinlaO 38 in diese Kammer ein und tritt in Richtung des Werkstückes durch die Düse 40 aus. Die Achse des Laserstrahles läuft mittig durch die Düse 40 und wird durch die Linse 32 über oder nahe über der Oberfläche des Werkstückes 42 gesammelt. Die Linse 32 kann wegfallen, wenn der Spiegel 28 durch einen parabolischen Spiegel, der an geeigneter Stelle zur optischen Achse aufgestellt wird, ersetzt wird. Eine Brennweiteneinstellung von 1,587 mm vor der Düse ist als geeignet befunden worden, wenn ein Sauerstoffstrahl eines Durchmessers von 0,254 mm benutzt wird; diese Anordnung gibt einen sauberen und stabilen Schnitt.In Fig. 1, a laser 10 is of the carbon dioxide-nitrogen-helium type shown. The beam 26 emerging from this is covered with aluminum by one Mirror 28 is reflected and guided through a safety screen 30 to a converging lens 32. From this lens 32 the beam passes through window 34 into oxygen chamber 36. Oxygen passes through inlet 38 enters this chamber and exits through nozzle 40 in the direction of the workpiece. The axis of the Laser beam passes centrally through nozzle 40 and is passed through lens 32 over or near the surface of the workpiece 42 is collected. The lens 32 can be omitted if the mirror 28 is through a parabolic Mirror, which is set up at a suitable point to the optical axis, is replaced. A focal length setting 1.587 mm in front of the nozzle has been found suitable when an oxygen jet is a Diameter of 0.254 mm is used; this arrangement gives a clean and stable cut.

Wie durch den Pfeil 44 angedeutet wird das Werkstück in horizontaler Richtung bewegt, sodaß es dem Laser, unterstützt durch den Sauerstoffstrom, möglich ist einen Schnitt durchzuführen. Wenn der Schnitt fortgeführt wird, wird das geschmolzene oder verdampfte Material durch die Schneidzone mittels des Sauerstoffgasstromes, welcher auch dazu dient, eine exotherme Reaktion, wie oben beschrieben, hervorzurufen, weggeblasen.As indicated by the arrow 44, the workpiece is moved in the horizontal direction so that it the laser, supported by the flow of oxygen, makes it possible to make a cut. If the Cut is continued, the melted or vaporized material is passed through the cutting zone by means of the Oxygen gas stream, which also serves to cause an exothermic reaction, as described above, blown away.

Im Flußstahl, hoch kohlenstoffhaltigen Werkzeugstahl und rostfreien Stahl einer Dicke von 0,254 mm sind bei Geschwindigkeiten bis zu 101,6 cm pro Minute Schnitte einer Breite von 0397 bis 0,635 mm erzielt worden, vorausgesetzt daß ein Minimalwert an Energiedichte erreicht wird. Es hat den Anschein, daß der Sauerstoffstrom sich nicht wesentlich auf die Schnittbreite auswirkt obwohl es der zusätzliche Sauerstoffstrom möglich macht Metalle zu schneiden. die um ein Vielfaches dicker sind als die, die mit einem nicht durch Gas unterstützten Laser geschnitten werden können. Die Schnittbreite wird in erster Linie durch den Durchmesser und die Energie des Laserstrahles bestimmt aber auch durch die Geschwindigkeit der Bewegung und das Wärmediffusionsvermögen des Werkstückes.Mild steel, high carbon tool steel and stainless steel are 0.254 mm thick Cuts between 0397 and 0.635 mm wide can be achieved at speeds of up to 101.6 cm per minute provided that a minimum level of energy density is reached. It would appear that the flow of oxygen does not significantly affect the width of the cut, although the additional Oxygen flow makes it possible to cut metals. that are many times thicker than the ones with one cannot be cut by gas-assisted lasers. The cutting width is primarily determined by the The diameter and the energy of the laser beam are also determined by the speed of the Movement and the heat diffusivity of the workpiece.

Zum Schneiden von Flußstahl einer Dicke von 0,254 mm mit einer Geschwindigkeit von 101 cm pro Minute zeigte sich eine Laserenergie von über 300 Watt als zweckmäßig. Bei Dicken von 0,794 mm wurde bei 250 Watt eine Schnittgeschwindigkeit von 139,7 cm pro Minute erreicht und bei 190 Watt eine Schnittgeschwindigkeit von 44,45 cm pro Minute. Bei einer Dicke von 15,47 mm reduzierte sich die Schnittgeschwindigkeit h?i 250 Watt auf 44,45 cm pro Minute. In manchen Fällen kann eine zusätzliche Leistung zum Starten zweckmäßig sein, und dies kann durch Erzeugung eines anfänglichen Laserstoßes einer Energie, die größer ist als bei laufendem Betrieb erreicht werden.For cutting mild steel 0.254 mm thick at a speed of 101 cm per Minute, a laser energy of over 300 watts was found to be appropriate. For thicknesses of 0.794 mm, 250 watts a cutting speed of 139.7 cm per Minute and a cutting speed of 190 watts 44.45 cm per minute. At a thickness of 15.47 mm, the cutting speed was reduced 250 watts at 44.45 cm per minute. In some cases, additional power can be useful for starting and this can be done by generating an initial laser burst of energy that is greater than can be achieved during operation.

In Fig. 1 stoßen der Laserstrahl und der Gasstrom senkrecht auf die Oberfläche des Werkstückes. Jedoch kann die Düse durch welche der Laserstrom und der Gasstrom austreten, in einem Winkel zur Werkstückoberfläche angeordnet sein, wie in F i g. 2 gezeigtIn Fig. 1, the laser beam and the gas stream strike the surface of the workpiece perpendicularly. However the nozzle through which the laser stream and the gas stream exit can be at an angle to the workpiece surface be arranged as in FIG. 2 shown

Wie weiter oben erklärt, kann es beim Schneiden dickerer Werkstücke wünschenswert sein, die Schnittbreite zu erhöhen. Der Brennpunkt des Laserstrahles kann leicht verschoben werden, d.h. der Laserstrahl kann zn einem Brennpunkt über der Arbeitsfläche gebracht werden, vorausgesetzt daß er ausreichende Energie hat Als Alternativmethode zum Dekonzentrie-As explained above, when cutting thicker workpieces, it can be desirable to adjust the cutting width to increase. The focus of the laser beam can be shifted slightly, i.e. the laser beam can be brought to a focal point above the work surface, provided that it is sufficient As an alternative to deconcentration, energy has

ren des Laserstrahles kann eine Düse, wie in Fig.3 gezeigt, verwendet werden. In dieser Figur stößt der Laserstrahl 23 nach Austreten aus der Sammellinse 32 auf einen Spiegel 58, der axial auf einem Drehring 60 befestigt ist. Der vom Spiegel 58 refelektierte Strahl 5 wird wieder durch einen Spiegel 62, der auf der Kante des Ringes 60 montiert ist, reflektiert. Der Ring 60 wird durch ein Antriebsrad 64 angetrieben, sodaß der Spiegel 62 um die Achse der Düse rotiert. Diese Anordnung ist derart, daß der gesammelte Strahl an der Oberfläche des Werkstückes 42 eine Folge von kleinen Kreisen auf letztcrem beschreibt, und diese Kreise symmetrisch um die Schnittlinie, die aus der Relativbewegung von Werkstück und Düse resultiert, verlaufen. Bei einem geeigneten Verhältnis zwischen Kreisbewegung und linearer Bewegung kann das Übergreifen der aufeinanderfolgenden Kreise so sein, daß alle Elemente in der Kreisbahn vom Laserstrahl überstrichen werden. Es ist jedoch gefunden worden, daß, wenn ein Laserstrahl in der eben beschriebenen Weise eine Kreisbahn überstreicht, die Tendenz besteht, daß sich die Reaktion in einen kleinen Bereich des Metalls, der den Kreis umgibt, ausdehnt. Folglich ist es möglich, durch die ganze Breite des Kreises ohne ein vollständiges Überdecken zu schneiden, wenn der Durchmesser des Laserstrahles und des Sauerstoffstrahles so gewählt sind, daß die Ausbreitung der Reaktion gerade ausreicht, die Mittelpunkte der Kreise zu entfernen, die durch die Bewegung des Laserstrahles gebildet werden. Der Gasstrahl kann koaxial mit dem Laserstrahl verlaufen, wie in Fig.3 gezeigt, er kann auch durch eine andere separat gewinkelte Düse treten.Ren the laser beam can be a nozzle, as in Fig.3 shown to be used. In this figure, the laser beam 23 strikes after exiting the converging lens 32 onto a mirror 58 which is axially fastened on a rotating ring 60. The beam 5 reflected by the mirror 58 is again reflected by a mirror 62 mounted on the edge of the ring 60. The ring 60 will driven by a drive wheel 64 so that the mirror 62 rotates about the axis of the nozzle. This arrangement is such that the collected beam on the surface of the workpiece 42 has a series of small circles last cream describes, and these circles symmetrically around the cutting line resulting from the relative movement of Workpiece and nozzle result, run. With a suitable ratio between circular motion and linear movement, the overlapping of the successive circles can be such that all elements in the Circular path can be swept over by the laser beam. However, it has been found that when a laser beam in sweeps a circular path in the manner just described, the reaction tends to spread into a small area of the metal surrounding the circle, expands. As a result, it is possible to cover the entire width of the circle without completely covering it cut when the diameter of the laser beam and the oxygen beam are chosen so that the Spreading the reaction just enough to remove the centers of the circles passing through the Movement of the laser beam can be formed. The gas jet can run coaxially with the laser beam, as shown in Fig.3, it can also be replaced by another kick separately angled nozzle.

Um den Einbau eines Antriebsschaftes durch die Wand des Laserrohres zu vermeiden, kann der Ring 60, wenn gewünscht, durch einen Induktionsmotor angetrieben werden. Andere Möglichkeiten sind die Verwendung eines sich drohenden Prismas, um die Drehbewegung des Laserstrahles zu bewirken, oder eine transparente Platte in den Weg des Laserstrahles in einem Winkel zu ihm aufzustellen, sodaß der austretende Strahl parallel, aber versetzt mit Bezug auf den einfallenden Strahl, verläuft. Die Platte oder der Block wird dann um die Achse des einfallenden Strahles gedreht, damit der austretende Strahl einen Kreis umschreibt. Eine elliptische Strahlbewegung könnte erzeugt werden, indem zwei Elemente in Reihe in der Strahlenbahn und in einem Winkel von 90° zueinander angeordnet werden, wobei der Winkel eines jeden Elements zu seinem einfallenden Strahl, ζ. Β. mittels einer elektromechanischen, elektrostatischen oder Magnetostriktionsvorrichtung, in vibrierender Weise variiert werden kann. In F i g. 3 tritt der Sauerstoff durch den Einlaß 38 in die Düse, passiert einen Verteilungsring 66 und tritt durch eine Reihe von Löchern 68 in der Innenwandung des Verteilungsringes in die Kammer.To avoid installing a drive shaft through the wall of the laser tube, the ring 60, if desired, driven by an induction motor. Other possibilities are that Use of a threatening prism to cause the laser beam to rotate, or to set up a transparent plate in the path of the laser beam at an angle to it so that the exiting The ray is parallel but offset with respect to the incident ray. The plate or the block is then rotated around the axis of the incident ray to make the exiting ray make a circle circumscribes. An elliptical beam motion could be created by placing two elements in series in the Beam path and are arranged at an angle of 90 ° to each other, the angle of each Element to its incident ray, ζ. Β. by means of an electromechanical, electrostatic or Magnetostriction device, can be varied in a vibrating manner. In Fig. 3 enters the oxygen through inlet 38 into the nozzle, passes through a distribution ring 66 and passes through a series of Holes 68 in the inner wall of the distribution ring in the chamber.

Eine Zahnstange 70 und ein Zahnrad 72 sine vorgesehen, um die Ausrichtung des Schneidkopfes zi gestatten.A rack 70 and a gear 72 are provided to adjust the orientation of the cutting head zi allow.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen 909 5 For this purpose 2 sheets of drawings 909 5

Claims (8)

Patentansprüche:Patent claims: 1. Verfahren zur Bearbeitung eines Werkstückes mittels eines auf dieses gerichteten Laserstrahles, wobei Werkstück und Laserstrahl in Gegenwart eines Gases mit exothermem Raktionsvermögen relativ zueinander bewegt werden, dadurch gekennzeichnet, daß das Werkstück von einer Oberfläche bis zur anderen Oberfläche durchgeschnitten wird, indem das Gas mit exothermem Reaktionsvermögen in Form eines Stromes mit hoher Geschwindigkeit koaxial mit dem Laserstrahl auf das Werkstück gerichtet wird, so daß die gasförmigen bzw. schmelzflüssigen Produkte aus dem Schnitt weggeblasen werden.1. Process for processing a workpiece by means of a laser beam directed at it, the workpiece and the laser beam in the presence of a gas with exothermic reactivity are moved relative to each other, thereby characterized in that the workpiece from one surface to the other surface is cut by the gas with exothermic reactivity in the form of a stream with high speed is directed coaxially with the laser beam onto the workpiece, so that the gaseous or molten products are blown away from the cut. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Laserstrahl und Werkstück mit einer ausreichend hohen Geschwindigkeit relativ zueinander bewegt werden, sodaß die Schnittbreite, wenn der Schnitt gerade ist im wesentlichen durch die Breite des Laserstrahlenbündels und, wenn das Laserstrahlenbündel eine wiederholte zyklische Bewegung ausführt, im wesentlichen durch das Ausmaß der Querbewegung des Strahlenbündels bestimmt wird.2. The method according to claim 1, characterized in that that the laser beam and the workpiece at a sufficiently high speed relative to each other be moved so that when the cut is straight the cutting width is substantially through the Width of the laser beam and when the laser beam is a repeated cyclic Movement executes, essentially by the extent of the transverse movement of the beam is determined. 3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2 zur Ausübung an einem Werkstück, das mit dem Gasstrahl nicht exotherm reagiert, dadurch gekennzeichnet, daß ein Metall oder eine Verbindung, die mit dem Gas exotherm reagieren und eine Flußmittelwirkung bei dem Werkstück hervorrufen können, an die Stelle gebracht werden, wo der Laserstrahl auf das Werkstück auftrifft.3. The method according to claim 1 or 2 for exercising on a workpiece with the Gas jet does not react exothermically, characterized in that a metal or a compound which react exothermically with the gas and cause a flux effect on the workpiece can be brought to the point where the laser beam hits the workpiece. 4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Werkstück mit dem Metall oder der Verbindung, die als Flußmittel wirkt, beschichtet wird.4. The method according to claim 3, characterized in that the workpiece with the metal or the compound, which acts as a flux, is coated. 5. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Metall oder die Verbindung, die als Flußmittel wirkt, in den Gasstrom in Pulverform eingeführt wird.5. The method according to claim 3, characterized in that the metal or the compound as Flux acts, is introduced into the gas stream in powder form. 6. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß als Flußmittel Eisen verwendet wird.6. The method according to claim 3, characterized in that iron is used as the flux. 7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Eisen in Form eines Drahtes oder Streifens am Konvergenzpunkt des Laserstrahles und des Gasstromes oberhalb des Werkstückes eingeführt wird.7. The method according to claim 6, characterized in that the iron in the form of a wire or Stripes at the point of convergence of the laser beam and the gas flow above the workpiece is introduced. 8. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach den Ansprüchen 1 bis 7, die eine Laserquelle, optische Mittel, die der Laserstrahl in Richtung auf das Werkstück durchdringt, sowie eine Einrichtung zum Ausrichten des Laserstrahles auf das Werkstück aufweist, gekennzeichnet durch eine das Werkstück mit einem Gasstrom hoher Geschwindigkeit beaufschlagende Düse, durch die der Laserstrahl die Vorrichtung zum Werkstück hin koaxial zum Gasstrom verläßt.8. Device for performing the method according to claims 1 to 7, which has a laser source, optical means through which the laser beam penetrates in the direction of the workpiece, as well as a device for aligning the laser beam on the workpiece having, characterized by one which acts on the workpiece with a gas flow at high speed Nozzle through which the laser beam leaves the device for the workpiece coaxially to the gas flow. 6060 Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bearbeitung iines Werkstückes mittels eines auf dieses gerichteten -aserstrahles, wobei Werkstück und Laserstrahl in jegenwart eines Gases mit exothermem Reaktionsvernögen relativ zueinander bewegt werden, sowie eine Vorrichtung zur Durchführung eines derartigen Verfah-Eih eingangs genanntes Verfahren ist aus der FR-PS 14 28 423 bzw. der US-PS 33 64 087 bekannt Bei diesem bekannten Verfahren wird das zu behandelnde Werkstück mit einer Gasatmosphäre umgeben, und es wird ein Userstrahl auf das Werkstück gerichtet aodaß ein ausgewählter Teil desselben auf die Reaktionstemperatur der Gasatmosphäre erhitzt wird und eine Reaktion zwischen diesen Teilen des Werkstückes und der Gasatmosphäre stattfindet, wobei überwiegend flüchtige Reaktionsprodukte entstehen. Mit dem bekannten Verfahren lassen sich dünne, auf einem Substrat befindliche Metallschichten herausätzen, jedoch keine Werkstücke aus Metall von der Ober- bis zur Unterseite durchschneiden.The invention relates to a method for machining a workpiece by means of a workpiece directed at it -aserbeam, whereby the workpiece and the laser beam are in the presence of a gas with an exothermic reaction capability are moved relative to each other, as well as a device for carrying out such a method The aforementioned method is known from FR-PS 14 28 423 and US-PS 33 64 087. In this case known method, the workpiece to be treated is surrounded with a gas atmosphere, and it is a user beam is directed at the workpiece so that a selected part of it is directed at the reaction temperature the gas atmosphere is heated and a reaction between these parts of the workpiece and the Gas atmosphere takes place, with predominantly volatile reaction products arise. With the known Processes can etch out thin metal layers located on a substrate, but none Cut through metal workpieces from the top to the bottom. Die Anwendung von Laserstrahlen für die Bearbeitung von Metallen ist bisher nur in sehr beschränktem Umfange erfolgt, und zwar praktisch ausschließlich auf dem Gebiet der Mikroelektronik, wo außerordentlich feine Bearbeitungsvorgänge auszuführen waren. Auch für das Bohren von Löchern, für Mikroschweißvorgänge und feine Abtragearbeiten wurden Laser eingesetzt. Im übrigen fanden Laserstrahlen jedoch vorwiegend Anwendung für Meß- und AusrichtvorgSnge.The use of laser beams for processing metals has so far only been very limited Extent is done, practically exclusively in the field of microelectronics, where extraordinary fine machining operations were to be carried out. Also for drilling holes, for micro-welding processes and fine ablation work, lasers were used. Otherwise, however, laser beams predominantly found Application for measuring and alignment processes. Zum Schneiden von Metallen wurden bisher im großen Umfange thermische Verfahren angewandt; die Genauigkeit der thermischen Verfahren ist jedoch nicht besonders hoch, sodaß diese nur als Vorbearbeitung Anwendung finden können. Der Grund für diese Ungenauigkeit liegt darin, daß das Erhitzen örtlich nicht genügend konzentriert werden kann, insbesondere wenn ein Gasstrom zum Abstoßen des geschmolzenen Metalls angewendet wird, der mit dem vorgewärmten Gebiet des Metalls eine exotherme Reaktion eingeht. Diese exotherme Reaktion erhält sich selbst aufrecht, wenn die Temperatur des Werkstückes einen vorbestimmten Wert erreicht; folglich variiert die Breite des Schnittes mit der Breite des Gasstromes, der auf das vorgewärmte Gebiet gerichtet wird. Außerdem bringen es die bekannten autogenen Schneidmethoden mit sich, daß durch das Erhitzen eines beträchtlichen Gebietes des Werkstückes dieses beschädigt wird, indem beispielweise seine Struktur zerstört oder angegriffen wird.Thermal processes have hitherto been used to a large extent for cutting metals; the However, the accuracy of the thermal process is not particularly high, so it is only used as preprocessing Can find application. The reason for this inaccuracy is that the heating is not localized can be concentrated enough, especially when a gas stream is used to repel the molten Metal is applied, which enters into an exothermic reaction with the preheated area of the metal. This exothermic reaction is self-sustaining when the temperature of the workpiece exceeds a predetermined one Value reached; consequently, the width of the cut varies with the width of the gas stream flowing onto the preheated area is addressed. In addition, the well-known oxy-fuel cutting methods bring with it, that by heating a substantial area of the workpiece this is damaged by for example its structure is destroyed or attacked. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Bearbeitung von Werkstücken mittels Laserstrahlen zur Verfügung zu stellen, das bzw. die ein schnelles, glatte Schnittflächen bewirkendes, energiesparendes Durchschneiden von - insbesondere aus hoch wärmefesten Materialien bestehenden - Werkstücken ermöglicht.The invention is based on the object of a method and a device for processing To provide workpieces by means of laser beams that have a fast, smooth cut surface Effective, energy-saving cutting of - especially from highly heat-resistant materials existing - workpieces. Diese Aufgabe wird durch ein eingangs genanntes Verfahren gelöst, das dadurch gekennzeichnet ist, daß das Werkstück von einer Oberfläche bis zur anderen Oberfläche durchgeschnitten wird, indem das Gas mit exothermem Reaktionsvermögen in Form eines Stromes mit hoher Geschwindigkeit koaxial mit dem Laserstrahl auf das Werkstück gerichtet wird, sodaß die gasförmigen bzw. schmelzflüssigen Produkte aus dem Schnitt weggeblasen werden.This object is achieved by a method mentioned at the beginning, which is characterized in that the workpiece is cut through from one surface to the other surface by using the gas exothermic reactivity in the form of a high velocity stream coaxial with the Laser beam is directed onto the workpiece, so that the gaseous or molten products from the Cut to be blown away. Wenn gemäß dem Verfahren der Erfindung ein Gasstrahl, der eine exotherme Reaktion erzeugt, so gerichtet wird, daß er auf das Gebiet des Werkzeuges strömt, auf welches der Laserstrahl eingestellt ist, wird dort nicht nur die Schneidgeschwindigkeit erhöht, sondern es wird auch die Genauigkeit und die Feinheit des Schnittes im wesentlichen durch den Gasstrom nicht verändert, trotz der Tatsache, daß das Querschnittsgebiet dieses Stromes am Werkstück stark von dem desIf, according to the method of the invention, a gas jet which generates an exothermic reaction, so is directed that it flows on the area of the tool on which the laser beam is aimed There not only increases the cutting speed, but also the accuracy and the fineness of the section is essentially unchanged by the gas flow, despite the fact that the cross-sectional area this current on the workpiece strongly differs from that of the