DE19506591A1 - Verfahren zum Schneiden von Werkstücken mit einem Laserstrahl - Google Patents
Verfahren zum Schneiden von Werkstücken mit einem LaserstrahlInfo
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Description
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Laserschneidverfahren,
das die Energie eines Laserstrahls zum Schneiden verschiedener
Materialien verwendet, und insbesondere ein
Laserschneidverfahren, das wirksam die Beschädigung der
Schnittfläche eines Werkstücks aufgrund von Änderungen der
Schnittbedingungen sowie eine Verschlechterung der
Schneidqualität des Werkstücks verhindert, wenn die
Schneidbedingungen während der Laserbearbeitung geändert
werden.
Während der Laserbearbeitung einer scharfen Ecke oder ähnlichem
werden die Schneidbedingungen häufig geändert, da diese unter
Hochgeschwindigkeitsbedingungen und bei hoher Leistung schwer
gut zu schneiden ist (im folgenden mit "erste
Schneidbedingungen" bezeichnet), wie sie für eine normale
gerade Bearbeitung (gerader Schnitt) verwendet werden. Zum
Schneiden einer scharfen Ecke oder ähnlichem wurden die
Schneidbedingungen herkömmlicherweise auf eine niedrige
Geschwindigkeit und niedrige Leistung (im folgenden als "zweite
Schneidbedingungen" bezeichnet) geändert, wobei nur ein Bereich
von einigen Millimetern vor und hinter der Ecke gut bearbeitet
werden konnte, ohne daß die Laserbeaufschlagung unterbrochen
wurde.
Fig. 25 veranschaulicht ein solches herkömmliches
Schneidverfahren und zeigt einen Schneidpfad, der mit einem
Verfahren zum Ändern der Schneidbedingung verwendet wird, wie
es in der offengelegten japanischen Patentveröffentlichung Nr.
Sho. 63-63593 offenbart ist. Wie dies in Fig. 25 gezeigt ist,
wird bei dieser herkömmlichen Lösung ein Werkstück zunächst
unter ersten Schneidbedingungen bearbeitet, die dann am Punkt A
am Schneidpfad in die zweiten Schneidbedingungen geändert
werden, wobei die Laserbeaufschlagung aufrechterhalten wird,
und eine Ecke wird unter den zweiten Schneidbedingungen
geschnitten, die dann am Punkt B am Schneidpfad wieder in die
ersten Bearbeitungsbedingungen geändert werden.
Fig. 26 zeigt eine weitere herkömmliche Lösung, die in der
offengelegten japanischen Patentveröffentlichung Nr. Hei. 2-
30388 offenbart ist. Bei dieser Lösung wird die
Schneidgeschwindigkeit unter den zweiten Schneidbedingungen in
Stufen, d. h. 10%, 20%, 40%, 60% und 100% der
Schneidgeschwindigkeit unter den ersten Schneidbedingungen,
während eines Zeitraums T mit Intervallen T1, T1 + T2, T1 + T2
+ T3 sowie T1 + T2 + T3 + T4 bei der Rückkehr von den zweiten
Schneidbedingungen zu den ersten Schnittbedingungen geändert.
Fig. 27 veranschaulicht ein weiteres Schneidverfahren, das ein
Beispiel von Schaltbedingungen nur an einer Seite der Ecke
zeigt, wie dies in der offengelegten japanischen
Patentveröffentlichung Nr. Sho. 60-127775 und der offengelegten
japanischen Patentveröffentlichung Nr. Hei. 5-277773 offenbart
ist. Bei diesem Verfahren werden die ersten Schneidbedingungen
zur Bearbeitung bis T2 an der Spitze der Ecke verwendet, die
zweiten Schneidbedingungen werden zur Bearbeitung zwischen T2
und Tp verwendet, und die ersten Schneidbedingungen werden
wieder für die Bearbeitung ab T3 verwendet.
Die japanische offengelegte Patentveröffentlichung Nr. Hei. 3-
106583 offenbart als weiteres Beispiel einer herkömmlichen
Lösung ein Eckenschneidverfahren, bei dem nach der Durchführung
der Laserbearbeitung bis zu einer Ecke zum Kühlen des
Werkstücks ein Kühlmedium über einen voreingestellten Zeitraum
eingespritzt wird und die Bearbeitung dann wiederaufgenommen
wird.
Bei der Durchführung des in Fig. 25 dargestellten Verfahrens
zum Ändern der Schneidbedingung, das in Fig. 21 gezeigt ist,
besteht allerdings die Tendenz, daß das Werkstück in der Nähe
von Punkt A, an dem die Schneidbedingungen geändert werden,
teilweise Einbuchtungen oder Aushöhlungen o. dgl. in einem Teil
der Schnittfläche des Werkstücks aufweist, woraus sich eine
Verschlechterung der Bearbeitungsqualität des bearbeiteten
Produkts ergibt. Dieses Problem liegt an plötzlichen Änderungen
der Schneidgeschwindigkeit, der Schneidlaserleistung usw.
aufgrund der Änderung der Schneidbedingungen während der
Bearbeitung sowie der resultierenden Störung des Durchflusses
des Schneidgases (des Gases, das in der gleichen Achsenrichtung
wie der Laserstrahl für solche Zwecke wie zum Entfernen eines
geschmolzenen Bereichs von dem Werkstück sowie zur
Beschleunigung einer oxidativen Verbrennungsreaktion bei der
Laserbearbeitung eingespeist wird). Die Wärmekonzentration in
der Nähe der Schnittfläche des Werkstücks aufgrund der
Laserbearbeitung ist ebenfalls ein Faktor für die Zunahme
solcher Aushöhlungen.
Fig. 21 ist eine Schnittansicht, die den Schneidzustand nach
der Änderung der Bedingungen am Punkt A während der Bearbeitung
zeigt. In dieser Zeichnung deutet die Bezugsziffer 1 einen
Laserstrahl an, und 3 bezeichnet ein Werkstück. Allgemein
treten beim Ändern von Bedingungen während der Bearbeitung an
der Position dieser Änderung der Bedingungen Einbuchtungen auf.
Dies wird durch die Abweichung der tatsächlichen
Schneidposition an der Beaufschlagungsposition des Laserstrahls
(Abweichung "m" in Fig. 21) verursacht, woraus sich eine
anormale Verbrennung an dem Punkt ergibt, wo die
Schneidbedingungen geändert werden. Demnach ist zu erwarten,
daß am Punkt B keine Aushöhlungen erzeugt werden, wo die
Schaltposition für den Schneidzustand an einem Punkt vor der
Abweichung "m" (Wegziehabstand "1") auftritt, wie dies in Fig.
22 gezeigt ist. Fig. 23 gibt die Abweichungen "m" an, die bei
der Bearbeitung von Flußstahlmaterialien mit einer Dicke von 12
mm und 19 mm unter Änderung der Schneidgeschwindigkeit
bearbeitet wurden. Wie oben beschrieben, hängen die Abwei
chungen "m" von der Materialdicke und der Schneidge
schwindigkeit ab. Die Schneidbedingungen der oben erwähnten
Materialien sind in den Tabellen 1(A) und 1(B) angegeben.
Ein weiterer Hauptgrund für die Einbuchtungen liegt in der un
gleichen Wärmeverteilung am Umfang einer Schnittnut während der
Bearbeitung. Da die Temperatur in der Umgebung der Schnittnut
beim Ändern der Schneidbedingungen höher ist, ist die
Wärmeleitung stärker, was zu einer größeren Wahrscheinlichkeit
einer anormalen Verbrennung führt. In Fig. 24 bezeichnet die
Bezugsziffer 2 eine Schnittnut, und die Bezugsziffer 1 stellt
einen Laserstrahl dar. Um die Schnittnut wird eine
Temperaturverteilung erzeugt, wie sie in Fig. 24 gezeigt ist.
Unter solchen Bedingungen kann leicht ein Schneidfehler
auftreten, besonders bei einer Temperatur von nicht weniger als
etwa 500°C. Je dicker das Werkstück wird, desto höher ist die
Umgebungstemperatur und desto mehr Zeit ist zur Kühlung
erforderlich.
Bei anderen Materialien als Flußstahl treten an der Position
der Bedingungsänderung allgemein keine Schmelzfehler auf.
Allerdings können bei Flußstahl an der Position der
Bedingungsänderung leicht Schmelzfehler auftreten. Die Oxi
dationsreaktion des Flußstahlmaterials ist durch die folgenden
Reaktionsgleichungen (oder ihre Kombination) angegeben:
Fe + 1/2 O₂ → FeO + 64,0 kcal (1)
2Fe + 3/2 O₂ → Fe₂O₃ + 190,7 kcal (2)
3Fe + 2O2 → Fe₃O₄ + 266,9 kcal (3).
2Fe + 3/2 O₂ → Fe₂O₃ + 190,7 kcal (2)
3Fe + 2O2 → Fe₃O₄ + 266,9 kcal (3).
Es wird also zusätzlich zur Energie des Laserstrahls eine
übermäßige Wärme erzeugt, und daraus ergeben sich Schmelz
fehler. Bei Nichteisenmetallen liegt allerdings keine we
sentliche Reaktionswärme vor, und demnach treten keine
Schmelzfehler auf.
Bei der in Fig. 26 gezeigten herkömmlichen Lösung wird eine
hohe Qualität erzielt, wenn ein relativ dünnes Werkstück, also
z. B. mit 6 mm oder weniger, mit niedriger Geschwindigkeit, z. B.
mit 1 m/min oder weniger bearbeitet wird; je dicker allerdings
das Werkstück wird und je höher die Schneidgeschwindigkeit
wird, desto wahrscheinlicher ist es, daß an dem Punkt ein
Schneidfehler auftritt, wo die Bedingungen geändert werden.
Die in Fig. 27 gezeigte herkömmliche Lösung verhindert
darüber hinaus wirksam, daß ein geschmolzener Teil einer Ecke
aufgrund einer Einbuchtung abfällt, die durch eine
Bearbeitungsabweichung verursacht wird, und die angesammelte
Wärme nimmt aufgrund der Schneidbedingungen mit niedriger
Geschwindigkeit und niedriger Leistung zwischen T2 und Tp ab.
Allerdings fallen geschmolzene Bereiche, wie unter Bezug auf
Fig. 21 beschrieben, an der Position Tp der Bedingungsänderung
ab, womit die Schneidqualität insgesamt verschlechtert wird.
Demnach liegt eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung darin,
die oben erläuterten Probleme dadurch zu überwinden, daß ein
Laserstrahlschneidverfahren vorgesehen wird, mit dem
Bearbeitungsfehler zum Zeitpunkt der Änderung der
Schneidbedingungen im wesentlichen ausgeschaltet sind.
Die oben erwähnte Aufgabe der Erfindung wird durch ein
Verfahren zum Schneiden eines Werkstücks gelöst, das mehrere
Schneidbedingungen verwendet und folgende Schritte umfaßt:
Bewegen eines Laserstrahls entlang eines vorbestimmten Pfades
zum Schneiden eines Werkstücks unter ersten Schneidbedingungen,
Anhalten der Beaufschlagung des Werkstücks mit dem Laserstrahl,
wenn der Laserstrahl eine Position entlang des Pfades erreicht,
wo die ersten Schneidbedingungen in die zweiten Schneidbedin
gungen geändert werden sollen, Wegziehen des Laserstrahls
entlang des vorbestimmten Pfades um einen vorbestimmten Abstand
von der Position, wo die ersten Schneidbedingungen in die
zweiten Schneidbedingungen umgeschaltet werden sollen, und
Wiederaufnahme der Bewegung des Laserstrahls entlang des
vorbestimmten Pfades, um das Werkstück unter den zweiten
Schneidbedingungen zu bearbeiten. Der Wegziehabstand ist
bevorzugt in Abhängigkeit von der Dicke des Werkstücks
eingestellt. Ebenso kann ein Hilfsgas in der Nähe des
Bearbeitungspfades auf das Werkstück gesprüht werden, während
die Beaufschlagung durch den Strahl angehalten wird.
Die Erfindung wird nachstehend, auch hinsichtlich weiterer
Merkmale und Vorteile, anhand der Beschreibung von
Ausführungsbeispielen und unter Bezugnahme auf die beiliegenden
Zeichnungen erläutert.
Fig. 1 veranschaulicht ein Laserstrahlschneidverfahren
nach der ersten Ausführungsform der vorliegenden
Erfindung;
Fig. 2 zeigt Beziehungen zwischen dem Wegziehabstand
und der Rauhigkeit einer Umschaltposition
(Position der Änderung einer Schneidbedingung)
bei der ersten Ausführungsform der vorliegenden
Erfindung;
Fig. 3 veranschaulicht ein Laserschneidverfahren zum
kreisförmigen Schneiden bei der ersten
Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
Fig. 4 zeigt Beziehungen zwischen einem Abstand von der
Stirnseite einer Schnittnut und der Temperatur
an dieser Position bei einer zweiten
Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
Fig. 5 zeigt Beziehungen zwischen der Temperatur eines
Werkstücks und einem Fehlerverhältnis an der
Position zum Ändern der Schneidbedingungen bei
der zweiten Ausführungsform der vorliegenden
Erfindung;
Fig. 6 veranschaulicht grob, wie eine Flüssigkeit oder
ein Gas in einen Schneidabschnitt eingespritzt
wird, um den Bearbeitungsabschnitt bei der
zweiten Ausführungsform der vorliegenden
Erfindung zu kühlen;
Fig. 7 zeigt Beziehungen zwischen dem Durchfluß des
eingespritzen Wassers und einem Fehlerverhältnis
bei der zweiten Ausführungsform der vorliegenden
Erfindung;
Fig. 8 stellt dar, wie ein Hilfsgas in einen
Schneidabschnitt eingebracht wird, um den
Schnittabschnitt bei der zweiten Ausführungsform
nach der vorliegenden Erfindung zu kühlen;
Fig. 9 veranschaulicht Beziehungen zwischen dem Druck
des Hilfsgases und einem Fehlerverhältnis bei
der zweiten Ausführungsform der vorliegenden
Erfindung,
Fig. 10 veranschaulicht eine dritte Ausführungsform der
vorliegenden Erfindung, wobei der Betrieb der
ersten Ausführungsform bei einem herkömmlichen
Versatzverfahren gezeigt ist;
Fig. 11(a)
bzw. 11(b) veranschaulichen für die dritte Ausführungsform
ein Beispiel, bei dem bezüglich der Strahl
richtung nach links und rechts ein Versatz
durchgeführt wird;
Fig. 12(a)
und 12(b) zeigen den Betrieb der Wegziehsteuerung und ein
Programm dafür zur Durchführung bei einem
Versatzverfahren der dritten Ausführungsform der
vorliegenden Erfindung;
Fig. 13 veranschaulicht ein Laserschneidverfahren bei
einer vierten Ausführungsform der vorliegenden
Erfindung;
Fig. 14 zeigt Beziehungen zwischen der Schneidzeit und
der Schneidgeschwindigkeit für eine Ecke beim
Verfahren der vierten Ausführungsform der
vorliegenden Erfindung sowie bei einem
herkömmlichen Verfahren;
Fig. 15 veranschaulicht eine Schnittform bei der vierten
Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
Fig. 16 bezieht sich auf die vierte Ausführungsform der
vorliegenden Erfindung und zeigt Beziehungen
zwischen den Längen L1, L2 und einem
Fehlerverhältnis, wobei CW und PW als erste
Bearbeitungsbedingungen der Schnittform in Fig.
15 verwendet werden;
Fig. 17 betrifft die vierte Ausführungsform der vor
liegenden Erfindung und zeigt Beziehungen
zwischen dem Wegziehabstand zum Zeitpunkt der
Bedingungsänderung und der
Schneidflächenrauhigkeit an einer
Bedingungsänderungsposition;
Fig. 18 zeigt Beziehungen zwischen der Laserstrahlbe
aufschlagungs-Anhaltezeit und einem
Fehlerverhältnis bei der fünften Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung;
Fig. 19 ist ein Blockdiagramm bezüglich der sechsten
Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, das
eine Vorrichtung zur Durchführung der
Laserschneidverfahren der Ausführungsformen 1
bis 4 zeigt;
Fig. 20 ist ein Blockdiagramm bezüglich der sechsten
Ausführungsform der vorliegenden Erfindung und
zeigt eine Vorrichtung zur Durchführung eines
Laserschneidverfahrens nach der fünften
Ausführungsform;
Fig. 21 zeigt, wie ein Schneidabschnitt bei einem
herkömmlichen Laserschneidverfahren
laserbearbeitet wird;
Fig. 22 veranschaulicht Fehlstellen, die durch das
herkömmliche Laserschneidverfahren und die
Laserschneidverfahren nach den Ausführungsformen
1 bis 4 der vorliegenden Erfindung erzeugt
werden;
Fig. 23 zeigt Beziehungen zwischen der Schneid
geschwindigkeit und der Abweichung in einer
Stirnschnittfläche nach der Werkstückdicke;
Fig. 24 zeigt die Temperaturverteilung einer Stirn
schnittfläche aus der Sicht von oben;
Fig. 25 zeigt, wie eine Ecke bei einem alternativen
herkömmlichen Laserschneidverfahren geschnitten
wird;
Fig. 26 veranschaulicht ein weiteres alternatives
herkömmliches Laserschneidverfahren; und
Fig. 27 veranschaulicht noch ein alternatives her
kömmliches Laserschneidverfahren.
Nun wird unter Bezug auf Fig. 1 bis 3 die erste Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung beschrieben.
Fig. 1 zeigt hauptsächlich ein Beispiel der Änderung der
Schneidbedingungen bei hoher Geschwindigkeit und hoher Leistung
für gewöhnliches gerades Schneiden (im folgenden mit "erste
Schneidbedingungen" bezeichnet) in Schneidbedingungen mit
niedriger Geschwindigkeit und niedriger Leistung (im folgenden
als "zweite Schneidbedingungen" bezeichnet), wobei die
Bearbeitung in der Reihenfolge (1) bis (9) fortschreitet. In
dieser Zeichnung deutet die Bezugsziffer 1 einen Laserstrahl
an, und die Bezugsziffer 2 stellt eine durch einen Laserstrahl
1 gebildete Schnittnut dar. (1) bezeichnet den Bearbeitungs
zustand unter den ersten Schneidbedingungen. (2) bezeichnet den
Zustand, in dem der Laserstrahl den Punkt A oder eine Position
zum Ändern der Schneidbedingung erreicht hat. (3) gibt den
Zustand an, wo die Beaufschlagung durch den Laserstrahl am
Punkt A angehalten wurde. Bei (4) wird eine
Laserstrahlbeaufschlagungszone (-position) längs eines bereits
bearbeiteten Pfades weggezogen. In diesem Zustand bleibt die
Beaufschlagung des Laserstrahls angehalten. (5) bezeichnet den
Zustand, wo die Laserstrahlbeaufschlagungszone bis zur Position
B weggezogen wurde, die durch einen Abstand bestimmt ist, der
für eine Bedingungsänderung spezifiziert ist. Dieses Wegziehen
von A nach B kann entweder bei normaler Schneidgeschwindigkeit
oder bei nicht schneidender (rasch quer verlaufender)
Geschwindigkeit durchgeführt werden. Bei (6) werden die zweiten
Schneidbedingungen an Position B ausgewählt, und die
Bearbeitung wird in der ursprünglichen Vorschubrichtung
gestartet. (7) stellt den Zustand dar, wo sich die
Laserstrahlbeaufschlagungszone am Punkt A vorbeibewegt hat und
die Bearbeitung fortschreitet.
Es ist zu verstehen, daß die Laserstrahlbeaufschlagungszone
durch Bewegung eines Schneidkopfes, durch Bewegung des
Werkstücks oder durch die Bewegung des Schneidkopfes sowie des
Werkstücks relativ zueinander weggezogen werden kann.
Der Grund dafür, daß ein solches Schneidverfahren Schmelzfehler
an dem Abschnitt der Bedingungsänderung verringert, liegt
darin, daß der Schmelzfehler, der aufgrund einer
Hilfsgasstörung und anormaler Verbrennung in Reaktion auf eine
Abweichung stattfindet, wenn die Bedingungen an Position A
geändert werden, wo eine Bearbeitungsabweichung ("m" in Fig.
22) vorliegt, die bei hoher Temperatur in einer Dickenrichtung
in einer Stirnschnittfläche erzeugt wird, wie dies in Fig. 22
zum herkömmlichen Stand der Technik gezeigt ist, nicht
auftritt, wenn die Bedingungsänderungsposition B außerhalb des
Abweichungsbereichs "m" liegt.
Fig. 2 zeigt Beziehungen zwischen dem Bedingungsänderungs
abschnitt-Wegziehabstand l (mm) und der Schnittflächenrauhigkeit
der Bedingungsänderungsposition A für Flußstahlmaterialien mit
Dicken von 6, 12, 19, 25 und 35 mm. Die Rauhigkeit einer
Schnittfläche, an der ein Schmelzfehler auftritt, ist größer
als bei einer gewöhnlichen Schnittfläche. Bei steigendem
Wegziehabstand l wird die Schnittflächenrauhigkeit zunächst
verbessert, aber nach einem gegebenen Wert für l für die
jeweilige Dicke, z. B. l = etwa 1,2 mm für eine Dicke von 6 mm,
l = etwa 2,2 mm für 12 mm und l = etwa 3,5 mm für 19 mm, tritt
keine weitere Verbesserung auf. Wie oben beschrieben, hängt der
Wegziehabstand l nicht nur von der Dicke, sondern auch von der
Abweichung "m" ab, die je nach der Schneidgeschwindigkeit
differiert, wie dies in Fig. 21 gezeigt ist. Die
Schneidergebnisse für Werkstücke mit einer Dicke von 6,0 mm bis
35 mm geben an, daß sich gute Schnitte erreichen lassen, wenn
der Wegziehabstand l im Bereich von 1 mm bis 10 mm liegt.
Es versteht sich von selbst, daß ein Wegziehabstand von 10 mm
oder mehr eine hohe Schneidqualität liefert. Je mehr allerdings
der Wegziehabstand zunimmt, desto mehr Schneidzeit ist
erforderlich. Wie dies in Fig. 2 gezeigt ist, liegt der
Wegziehabstand, der einen hohen Wirkungsgrad gewährleistet, für
Dicken von 6 mm oder mehr zwischen 1 mm und 10 mm. Die
Schwankungen der Schneiddaten in der Figur ergeben sich
aufgrund eines Unterschieds in dem Wegziehabstand l nach den
Schneidbedingungen der Geschwindigkeit und der Leistung, und
diese Daten sind schwer genau anzugeben.
Da natürlich ein dünneres Werkstück eine kleinere Abweichung
ergibt, kann der Wegziehabstand l in solchen Fällen kleiner
sein.
Es ist zu bemerken, daß der Wegziehpfad bei geradem Schneidpfad
durch den Wegziehabstand angegeben werden kann, aber er kann
nicht während der Bearbeitung einer Kurve durch den
Wegziehabstand angegeben werden, wie dies in Fig. 3 gezeigt
ist. In einem solchen Fall kann der Koordinatenpunkt einer
Wegziehposition B (Xb, Yb) bezüglich eines Schneidanhaltepunkts
(Xa, Ya) angegeben werden. Diese Art der Angabe des
Koordinatenpunktes ermöglicht die einfache Bestimmung der
Wegziehposition, falls die zu schneidende Form extrem
kompliziert ist oder die Wegziehposition in drei Dimensionen
liegt. Der Punkt B kann relativ zum Punkt A bestimmt werden,
indem die Koordinaten von B aus dem Schnittpunkt eines
Schneidpfades und dem Pfad eines Kreises mit dem Radius des
angegebenen Wegziehens l z. B. um den Punkt A oder durch die
Definition eines Wegziehpfades während der Kurvenbearbeitung
unter Verwendung einer bekannten Technik definiert werden.
Die zweite Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird nun
unter Bezug auf Fig. 4 bis 9 beschrieben.
Einer der Gründe für Schmelzfehler, die an der Bedingungs
änderungsposition auftreten, liegt in einem Schneidausfall, der
an einer Stirnschnittfläche auftritt, wo die Temperatur hoch
ist, wie dies in Fig. 24 gezeigt ist. Allerdings wird das
Material nur durch das Anhalten der Laserstrahlbeaufschlagung
gekühlt, womit die Schneidqualität verbessert wird.
Fig. 4 zeigt Beziehungen zwischen einem Abstand von der
Stirnschnittfläche und der Temperatur an dieser Position, die
gleich nach dem Anhalten der Laserstrahlbeaufschlagung gemessen
wird. S gibt in der Zeichnung einen Zeitraum (Sekunden) an, der
mit dem Anhalten der Laserstrahlbeaufschlagung beginnt. In der
Nachbarschaft der Stirnschnittfläche fällt die Temperatur etwa
10 Sekunden (S = 10 sec) nach dem Anhalten der
Laserstrahlbeaufschlagung auf 220°C. Bei 220°C treten keine
Bearbeitungsfehler auf. Fig. 5 zeigt Beziehungen zwischen der
Materialtemperatur an der Schneidbedingungs-Änderungsposition
und ein Fehlerverhältnis, das sich aus 200 Bedingungsänderungen
für ein Flußstahlmaterial mit einer Dicke von 16 mm ergibt. Das
Fehlerverhältnis nimmt proportional zu der Materialtemperatur
ab, und bei einer Materialtemperatur von etwa 200°C oder
weniger treten kaum Fehler auf, womit sich keine
Schneidprobleme ergeben. Wie oben beschrieben, wird durch das
Vorsehen einer Schneidanhaltezeit eine Verringerung der
Schneidfehler bewirkt.
Fig. 6 veranschaulicht allgemein, wie Sauerstoffgas zur Kühlung
in einen Schneidabschnitt eingebracht wird. Die Bezugsziffer 1
deutet einen Laserstrahl an, die Bezugsziffer 3 stellt ein
Werkstück dar, und die Bezugsziffer 10 bezeichnet eine Düse mit
einem Durchmesser von 6 mm, aus der ein Gas oder eine
Flüssigkeit eingespritzt werden. Die Flüssigkeit oder das Gas
wird aus der Düse 10 an der Schneidanhalteposition eingebracht,
um den Schneidabschnitt zu kühlen, und dann wird die
Bearbeitung wiederaufgenommen. Fig. 7 zeigt Beziehungen
zwischen dem Durchfluß des aus der Düse 10 eingebrachten Gases
und dem Fehlerverhältnis beim Schneiden von Werkstücken mit
einer Dicke von 16 mm nach experimentellen Ergebnissen, die
durch Änderung der Einspritzzeit erhalten wurden. Schneid
bedingungen mit einer Leistung von 600 W, einer Impulsfrequenz
von 30 Hz, einem Arbeitszyklus von 30% sowie einer
Schneidgeschwindigkeit von 100 mm/min wurden in eine Leistung
von 2000 W, eine Impulsfrequenz von 1300 Hz, einen
Arbeitszyklus 60% sowie eine Schneidgeschwindigkeit von 900
mm/min geändert, um die Bedingungsänderungsposition zu
bewerten. Die experimentellen Ergebnisse geben an, daß das
Fehlerverhältnis abnimmt, wenn die Durchflußrate oder die
Gaseinspritzzeit zunimmt. Dies ist der Tatsache zuzuschreiben,
daß die Temperatur der Bedingungsänderungsposition verringert
ist. Die anstelle des Gases zum Kühlen verwendete Flüssigkeit
führt zu dem gleichen Effekt.
Der Schneidabschnitt kann bei gleicher Wirkung auch mit einem
von dem Schneidkopf eingebrachten Hilfsgas gekühlt werden. Es
ist zu bemerken, daß bevorzugt ein nicht so teures Gas wie O₂
oder N₂ verwendet wird, da ein relativ teures Hilfsgas wie ein
Ar-Gas zu hohen Betriebskosten führt.
Fig. 8 veranschaulicht allgemein, wie das Hilfsgas zum Kühlen
in einen Bearbeitungsabschnitt eingebracht wird. Die
Bezugsziffer 1 gibt einen Laserstrahl an, die Bezugsziffer 2
bezeichnet eine Schnittnut, die Bezugsziffer 3 stellt ein
Werkstück dar, und die Bezugsziffer 11 bezeichnet eine
Hilfsgasversorgungsöffnung. O₂-Gas oder ähnliches wird aus der
Düse an einer Schneidanhalteposition eingebracht, um den
Schneidabschnitt zu kühlen, und dann wird die Bearbeitung
wiederaufgenommen.
Fig. 9 zeigt Fehlerverhältnisse, wobei der Schneidabschnitt mit
verschiedenen Hilfsgasdrücken für 3 Sekunden (S = 3 sek)
gekühlt wird; dann werden die Schneidbedingungen geändert, und
die Bearbeitung wird erneut gestartet. Die bearbeiteten
Werkstücke sind Flußstahlmaterialien mit einer Dicke von 12 mm
und 25 mm. Die Erhöhung des Hilfsgasdrucks steigert bei jeder
Dicke die Kühlwirksamkeit und verringert das Fehlerverhältnis.
Ist das Werkstück dünn, dann wird das Fehlerverhältnis
vermindert, wenn der Druck niedrig ist; werden aber Werkstücke
mit 25 mm und dünner alle unter gleichen Bedingungen
bearbeitet, dann muß der Druck auf 3 bar eingestellt werden.
Als Ergebnis wird also bei höherem Druck des Hilfsgases das
Fehlerverhältnis aufgrund der Steigerung der Kühlwirksamkeit an
der Schneidbedingungs-Änderungsposition um so unwirksamer.
Allerdings ist jenseits von 3 bar keine weitere Verbesserung zu
erkennen. Deshalb wird der Gasdruck bevorzugt auf nicht weniger
als 3 bar eingestellt. Der Grund dafür, daß die Verbesserung
des Fehlerverhältnisses bei nicht weniger als 3 bar unwirksam
ist, liegt darin, daß der Sprühdruck des Hilfsgases aus der
Düse durch die Form der Düse und die Viskosität einer
Flüssigkeit definiert ist.
Die Schneidbedingungen für das Werkstück mit einer Dicke von 25
mm waren eine Leistung von 2800 W, eine Impulsfrequenz von 1300
Hz, ein Arbeitszyklus von 60% und eine Schneidgeschwindigkeit
von 650 mm/min, und die Schneidbedingungen für das Werkstück
mit einer Dicke von 12 mm waren eine Leistung von 1800 W, eine
Impulsfrequenz von 1300 Hz, ein Arbeitszyklus von 40% und eine
Bearbeitungsgeschwindigkeit von 1000 mm/min.
Wird demnach bei der ersten Ausführungsform ein Gas oder eine
Flüssigkeit mit einem gewünschten Druck über einen Zeitraum in
Abhängigkeit von dem Material und der Dicke des Werkstücks an
dem Schneidpfad und in seiner Nachbarschaft eingesprüht,
entlang dessen sich die Laserstrahlbeaufschlagungszone während
einer Reihe von Operationen zwischen dem Anhalten und erneuten
Starten der Laserstrahlbeaufschlagung bewegt, dann verursacht
das Gas oder die Flüssigkeit, daß die in der Nähe der
Schneidanhalteposition akkumulierte Wärme abnimmt, womit das
Auftreten von Schmelzfehlern viel besser als bei der ersten
Ausführungsform verhindert wird.
Ebenso bewirkt die natürliche Wärmeableitung durch die
Wiederaufnahme der Bewegung nach dem Anhalten über einen
gewünschten Zeitraum an einem beliebigen Punkt während einer
Reihe von Operationen zwischen dem Anhalten und dem erneuten
Starten der Laserstrahlbeaufschlagung bei der ersten
Ausführungsform, daß die akkumulierte Wärme des Werkstücks
während der Anhaltezeit abnimmt, womit das Auftreten eines
Schmelzfehlers viel besser als bei der ersten Ausführungsform
verhindert wird.
Außerdem bewirken die natürliche Wärmeableitung und das
Hilfsgas durch die Wiederaufnahme der Bewegung nach dem
zeitweiligen Anhalten an einem beliebigen Punkt während einer
Reihe von Operationen zwischen dem Anhalten und erneuten
Starten der Laserstrahlbeaufschlagung und dem Sprühen eines
Hilfsgases am Anhaltepunkt in dem Bearbeitungspfad über einen
gewünschten Zeitraum mit einem Druck von 3 kg/m² bei der ersten
Ausführungsform, daß die akkumulierte Wärme des Werkstücks
während der Anhaltezeit abnimmt, womit das Auftreten eines
Schmelzfehlers viel besser als bei der ersten Ausführungsform
verhindert wird.
Nun wird unter Bezug auf Fig. 10 bis 12 die dritte Ausfüh
rungsform der Erfindung beschrieben.
Fig. 11(a) und 11(b) veranschaulichen, wie der Bearbeitungspfad
um eine Schnittnutbreite versetzt wird. In diesen Zeichnungen
zeigt Fig. 11(a) ein Beispiel, bei dem bezüglich der
Vorschubrichtung des Laserstrahls ein Versatz von W nach rechts
durchgeführt wird, und Fig. 11(b) zeigt ein Beispiel, bei dem
ein Versatz von W nach links durchgeführt wird. Den
Versatzrichtungen werden in einem Programm G-Codes wie G41 und
G42 zugeordnet, und sie werden zusammen mit den Versatzbeträgen
eingegeben.
Wie oben beschrieben, wird der Schneidpfad nur nach rechts oder
links bezüglich der Vorschubrichtung um die Schnittnutbreite
versetzt. Da der Schneidpfad bei den herkömmlichen Verfahren
stets in der gleichen Richtung lag, stellt sich beim Versatz
nur nach rechts oder links kein Problem.
Allerdings wird die Vorschubrichtung bei der ersten Aus
führungsform der vorliegenden Erfindung an der
Schneidbedingungs-Änderungsposition umgekehrt. Demnach muß die
Versatzrichtung berücksichtigt werden, um Fehler zu verhindern,
wie dies in Fig. 10 angedeutet ist. In Fig. 10 wird das
Werkstück nämlich unter den ersten Schneidbedingungen bis zum
Punkt A bearbeitet, woraufhin die
Laserstrahlbeaufschlagungszone zum Punkt B weggezogen wird. Da
allerdings der Versatz jeweils in der gleichen Richtung
durchgeführt wird und die Versatzrichtung nicht geändert wird,
weicht der Versatz von dem Schneidpfad ab, wie dies in Fig. 10
am Punkt B angegeben ist. Dies liegt an der Stromfunktion,
durch die der Schneidpfad um einen angegebenen Betrag versetzt
wird, wenn ein gewöhnlicher Versatz am Ende eines geraden
Pfades nach der Bezeichnung des Versatzes beendet ist.
Fig. 12(a) bzw. 12(b) stellen eine Schneidprozedur sowie ein
Programm dafür dar, wobei die Versatzrichtung an der Position A
umgekehrt wird, wo die Vorschubrichtung umgekehrt wird, die
Laserstrahlbeaufschlagungszone zum Punkt B weggezogen wird, und
die Versatzrichtung beim erneuten Starten der Bearbeitung
nochmals umgekehrt wird. Um dies zu erreichen, wird der Code
G42 angegeben, um den Versatz im Code G41 aufzuheben und die
Versatzrichtung umzukehren, wenn die
Laserstrahlbeaufschlagungszone vom Punkt A zum Punkt B
zurückkehrt, und der Code G41 wird für den Punkt B angegeben, um
den Versatz im Code G42 aufzuheben und das Werkstück mit dem
ursprünglichen Versatzbetrag und der Richtung zu bearbeiten.
Nun wird unter Bezug auf Fig. 13 bis 17 die vierte Ausfüh
rungsform der vorliegenden Erfindung beschrieben.
Fig. 13 zeigt ein Laserschneidverfahren nach der vierten
Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, wobei die
Bezugsziffer 1 einen Laserstrahl andeutet und S einen Abschnitt
darstellt, zu dem die Laserstrahlbeaufschlagung zurückkehrt und
an dem das Werkstück erneut bearbeitet wird, wenn die zweiten
Schneidbedingungen in die ersten Bedingungen geändert werden.
Die vierte Ausführungsform liefert nämlich ein Beispiel, bei
dem die Ausführungsformen 1 bis 3 auf das in Fig. 27 gezeigte
Schneidverfahren angewandt werden (das Verfahren, bei dem die
ersten Schneidbedingungen zur Bearbeitung bis zum Eckpunkt
verwendet werden, die zweiten Schneidbedingungen zur
Bearbeitung zwischen dem Punkt und S verwendet werden und die
ersten Bedingungen zur Bearbeitung von S ab verwendet werden,
um die Schneidwirksamkeit zu erhöhen), d. h., die bei der ersten
Ausführungsform beschriebene Wegziehoperation für die
Laserstrahlbeaufschlagungszone wird an der Schneidbedingungs-
Änderungsposition S durchgeführt, während des Wegziehens wird
eine aktive Kühloperation für das Werkstück durchgeführt, wie
sie unter Bezug auf die zweite Ausführungsform beschrieben ist,
und darüber hinaus wird während des Wegziehens die in der
dritten Ausführungsform beschriebene Versatzoperation
durchgeführt.
Wie dies in Fig. 14 gezeigt ist, wird bei der vorliegenden
Ausführungsform einmal pro Ecke eine Bedingungsänderung
durchgeführt, und der Schneidabstand unter den zweiten
Schneidbedingungen ist zur Verringerung der Schneidzeit
halbiert. Die Qualität der Schnittfläche wird durch die am
Punkt S durchgeführten Operationen im Vergleich zu dem in Fig.
25 veranschaulichten herkömmlichen Verfahren stark verbessert
(also dem Verfahren, bei dem die ersten Schneidbedingungen
knapp vor der Ecke in die zweiten Bearbetungsbedingungen
geändert werden und die zweiten Schneidbedingungen wieder in
die ersten Schneidbedingungen geändert werden, nach dem der
Laserstrahlbeaufschlagungspunkt an der Ecke vorbeibewegt worden
ist).
Fig. 14 zeigt die Schneidgeschwindigkeit und die Schneidzeit
pro Ecke unter der Annahme, daß der Abstand zwischen dem
Scheitel der Ecke und der Bedingungsänderungsposition 10 mm
beträgt und die Kühlzeit an der Bedingungsänderungsposition 5
sek dauert. In dieser Zeichnung deutet das einseitige
Umschalten das herkömmliche, in Fig. 25 gezeigte Verfahren und
das zweiseitige Umschalten das Verfahren nach der vorliegenden
Erfindung an.
Die Ausgangsbedingung bei den ersten Schneidbedingungen, unter
denen das Werkstück bis zur Ecke bearbeitet wird, ist wichtig
für das Zickzack-Schneiden, wo die Ecken nahe
beieinanderliegen, wie dies in Fig. 15 gezeigt ist.
Fig. 16 zeigt Fehlerverhältnisse unter der Annahme, daß die
Längen L1 (Abstand zwischen den Scheitelpunkten von Ecken in
einer Richtung senkrecht zur Längsrichtung der Zickzacklinie)
und L2 (Abstand zwischen den Scheitelpunkten in Längsrichtung
der Zickzacklinie) in Fig. 15 10, 20, 30, 40 und 50 mm betragen
und als erste Schneidbedingung, unter der das Werkstück bis zur
Ecke bearbeitet wird, ein Dauerstrichausgang (CW) und ein
Impulsausgang (PW) verwendet werden. Aus dieser Zeichnung wird
deutlich, daß die Fehlerverhältnisse von CW hoch sind, wenn die
Längen L1 und L2 zwischen 10 und 30 mm liegen, aber es bestehen
keine Unterschiede zwischen den Fehlerverhältnissen von CW und
PW bei Längen von 40 mm oder mehr, und das Werkstück kann mit
CW und PW gut bearbeitet werden.
Demnach hat man herausgefunden, daß dann, wenn wahrscheinlich
ein Fehler bei kleinen Abmessungen L1 und L2 auftritt (wenn die
Längen L1 und L2 etwa zwischen 10 und 30 mm liegen), bevorzugt
sowohl unter der ersten als auch unter der zweiten
Schneidbedingung ein Impulsausgang (PW) verwendet wird, damit
die Wärmeeingangssteuerung für das Werkstück leichter wird, und
daß dann, wenn im wesentlichen nicht die Gefahr des Auftretens
eines Fehlers bei großen Abmessungen L1 und L2 besteht (wenn
die Längen L1 und L2 etwa 40 mm oder mehr betragen), bevorzugt
ein Dauerstrichausgang (CW) als erste Schneidbedingung verwen
det wird, da sich damit eine hohe Schneidgeschwindigkeit und
eine gute Schnittflächenqualität erreichen lassen, und ein
Impulsausgang (PW) als zweite Schneidbedingung verwendet wird.
Fig. 17 zeigt, daß an der Schneidbedingungs-Änderungsposition
optimale Werte für den Wegziehabstand l nach einem
Schneidwinkel Θ vorliegen. Fig. 17 zeigt die Ergebnisse der
Bearbeitung eines Flußstahlmaterials mit einer Dicke von 16 mm
mit drei verschiedenen Winkeln von 90°, 70° und 50°. Der Betrag
der Verbesserung der Schnittflächenrauhigkeit pendelt sich
tendenziell bei l = etwa 2,2 mm bei einem Winkel Θ von 900, bei
l = etwa 3 mm bei einem Winkel Θ von 70° sowie bei l = etwa 3,7
mm bei einem Winkel e von 50° ein. Wie oben beschrieben, hat
man herausgefunden, daß der Wegziehabstand l nach dem
Schneidwinkel geändert werden muß.
Im folgenden wird unter Bezug auf Fig. 18 die fünfte Aus
führungsform der vorliegenden Erfindung beschrieben.
Fig. 18 zeigt Beziehungen zwischen der Strahlanhaltezeit und
einem Fehlerverhältnis, wobei das Schneiden nach dem
Durchbohren beginnt, nachdem die Beaufschlagung durch den
Laserstrahl angehalten wurde und das Werkstück abgekühlt ist.
Die gezeigten Daten sind das Ergebnis der Bearbeitung von
Flußstahlmaterialien mit einer Dicke von 6, 12, 19 und 25 mm.
Die Bearbeitungsbedingungen sind in Tabelle 2 angegeben.
Eine längere Anhaltezeit für die Laserbeaufschlagung ergibt
zwar bei jeder Dicke ein geringeres Fehlerverhältnis, aber für
diese Wirkung treten keine weiteren Verbesserungen bei einer
Anhaltezeit auf, die länger als ein gegebener Wert in
Abhängigkeit von der Dicke ist, d. h. 2,5 sek bei t = 6 mm, 4,5
sek bei 6 = 12 mm, 6,5 sek bei t = 19 mm und 10 sek bei t = 25
mm. Wie oben beschrieben, ist das Auftreten eines
Schneidfehlers aufgrund eines Fehlverbrennungsphänomens
wahrscheinlich, wenn die Bearbeitung unmittelbar nach dem
Durchbohren bei hoher Materialtemperatur begonnen wird.
Allerdings wird die Wahrscheinlichkeit, daß ein solcher Fehler
auftritt, stark verringert, wenn die Materialtemperatur nur
leicht gesenkt wird. Man hat herausgefunden, daß eine lange
Kühlzeit verwendet werden muß, da die Rate der
Materialtemperaturverringerung von der Dicke des Materials
abhängt und große Dicken längere Zeit erfordern, damit die
Temperatur des Materials ausreichend stark abfällt.
Wird das Schneiden nach dem Durchbohren begonnen, dann wird die
Bewegung bevorzugt wiederaufgenommen, nachdem das Hilfsgas, wie
bei der zweiten Ausführungsform beschrieben, an einem
Anhaltepunkt entlang des Pfades mit einem Druck von 3 bar oder
mehr über einen gegebenen Zeitraum gesprüht wird, um die
Kühlwirkung bei einer Reihe von Operationen zu verbessern, bei
denen die Beaufschlagung durch den Laserstrahl nach dem
Durchbohren angehalten wird und die Laserstrahlbeaufschlagung
zum Beginn der Bearbeitung wiederaufgenommen wird.
Unter Bezug auf Fig. 19 und 20 wird nun die sechste
Ausführungsform beschrieben.
Fig. 19 ist ein Blockdiagramm, das die Funktionen einer
Steuereinheit oder einer automatischen Programmiereinheit
zeigt, die automatisch den Wegziehabstand bestimmt, um zu
verhindern, daß an der Schneidbedingungs-Änderungsposition ein
Schneidfehler auftritt, wie dies bei der Ausführungsform 1 bis
4 beschrieben wurde. In dieser Zeichnung deutet ST1 die
Funktionen der herkömmlichen Vorrichtung an, und ST2 stellt
zusätzliche Funktionen dar, die durch die vorliegende
Ausführungsform vorgesehen sind. Bei S1 innerhalb ST1 werden
ein Inkrement- oder Absolutwertkoordinatensystem und ein
Schneidstartpunkt eingestellt. Bei S2 werden die Bedingungen
des am Schneidstartpunkt durchgeführten Durchbohrens über die
Auswahl aus einem Speicher oder eine Eingabe aus externen
Mitteln eingestellt. Bei S3 wird das Durchbohren zum Schneiden
eines Lochs durchgeführt. Bei S4 werden die Schneidbedingungen
über die Auswahl aus einem Speicher oder eine Eingabe aus
externen Mitteln eingestellt. Bei S5 wird die Bearbeitung
begonnen. Bei S6 wird der Pfad der Laserstrahlbewegung in
Abhängigkeit von der von einem Bearbeitungsprogramm gelieferten
Schneidforminformation gesteuert, und die Bearbeitung endet bei
S7.
Bei der vorliegenden Ausführungsform wird S8, wo Informationen
über den Winkel, den Lochdurchmesser und die Segmentlänge der
zu schneidenden Form von vornherein eingelesen ist, während der
Ausführung von S6 ausgeführt. Dann werden bei S9 die
Startposition für das Wegziehen sowie eine Koordinatenposition
nach dem Wegziehen bestimmt. Bei S10 wird eine Strahl AUS-
/Gasdruck-Verstellung oder eine AUS-/Verweilzeit-Einstellung
durchgeführt, nachdem die Wegziehstartposition erreicht worden
ist. Bei S11 wird die Bearbeitungsposition zu den angegebenen
Wegziehkoordinaten bewegt. Bei S12 werden die Gas AN- oder die
Schneidgasdruck-Verstellung und Strahl AN durchgeführt. Bei S13
wird die Bearbeitung wiederaufgenommen, und der Betrieb kehrt
zu S6 zurück.
Fig. 20 ist ein Blockdiagramm, das die Funktionen einer
Steuereinheit oder einer automatischen Programmiereinheit
zeigt, die automatisch den Wegziehabstand bestimmt, um zu
verhindern, daß ein Schneidfehler auftritt, wenn die
Bearbeitung bzw. das Schneiden, wie bei der fünften
Ausführungsform beschrieben, nach dem Ende des Durchbohrens
gestartet wird. ST3 deutet eine herkömmliche
Arithmetiksteuerung an, und ST4 stellt eine zusätzliche
Steuerung dar, die durch die vorliegende Ausführungsform
vorgesehen ist.
Bei ST14 innerhalb ST3 werden ein Inkrement- oder Absolut
wertkoordinatensystem und ein Schneidstartpunkt eingestellt.
Bei S15 werden die Bedingungen des am Schneidstartpunkt
durchgeführten Durchbohrens über die Auswahl aus einem Speicher
oder die Eingabe aus externen Mitteln eingestellt. Bei S16 wird
das Durchbohren zum Schneiden eines Lochs durchgeführt. Bei S17
wird das Durchbohren nach einer voreingestellten Zeitdauer oder
durch Verwendung eines Sensors oder ähnlichem beendet, der eben
diese Beendigung erfaßt. Bei S18 werden die Schneidbedingungen
über die Auswahl aus einem Speicher oder die Eingabe von
externen Mitteln eingestellt. Bei S19 wird die Bearbeitung bzw.
das Schneiden gestartet.
Bei der vorliegenden Ausführungsform wird die Steuerung bei ST4
unmittelbar nach der Beendigung des Durchbohrens bei S17
durchgeführt. Bei S20 werden der Druck und die Einspeisezeit
für das Hilfsgas zum Kühlen eingestellt. Bei S21 wird das
Einspeisen des Hilfsgases in Abhängigkeit von den bei S20
eingestellten Informationen gestartet. Bei S22 wird das
Einspeisen des Hilfsgases angehalten, und die Operation geht zu
S18 weiter.
Es wird deutlich, daß die erste Ausführungsform wie oben
beschrieben eine Laserbearbeitung erreicht, bei der dann, wenn
die Schneidbedingungen während der Bearbeitung geändert werden
sollen, die Beaufschlagung durch den Laserstrahl in einer
linearen oder kreisförmigen Position angehalten wird, wo die
Schneidbedingungen geändert werden sollen, die
Laserstrahlbeaufschlagungszone um einen vorbestimmten Abstand
entlang des Schneidpfades in die obengenannte Position
weggezogen wird, die Beaufschlagung durch den Laserstrahl
wieder gestartet wird und die Laserstrahlbeaufschlagungszone
entlang des gleichen Pfades wie für das Wegziehen bewegt wird,
wobei mit der Laserstrahlbeaufschlagung die Bearbeitung
wiederaufgenommen wird. Bei diesem Vorgang wird durch das
Wegziehen des Stirnschnittendes zum Zeitpunkt der
Bedingungsänderung der Einfluß von plötzlichen Änderungen der
Schneidgeschwindigkeit, der Schneidleistung usw. während der
Bearbeitung aufgehoben, woraus sich ansonsten eine
Verschlechterung der Schneidfläche ergeben würde. Darüber hinaus
wird der Durchfluß des Hilfsgases nicht gestört, kein
Schmelzfehler tritt in der Schnittfläche an der
Bedingungsänderungsposition auf, und eine hohe Schneidqualität
wird erhalten.
Es wird auch deutlich, daß durch die zweite Ausführungsform ein
Laserschneidverfahren erreicht wird, bei dem nach dem Wegziehen
die Position der Laserstrahlbeaufschlagungszone um die Größe
eines Strahldurchmessers in der entgegengesetzten Richtung zum
Versatz in der Schneidrichtung versetzt ist, und bei dem nach
dem erneuten Vorschub in der Schneidrichtung die
Laserstrahlbeaufschlagungszone um die Größe eines
Strahldurchmessers in der gleichen Richtung wie der Versatz in
der Schneidrichtung versetzt ist, so daß die
Laserstrahlbeaufschlagungszone bei der erneuten Rückkehr zu der
Laserstrahlbeaufschlagungsanhalteposition zuverlässig zu dieser
Position zurückkehrt, und wobei das Werkstück ferner mit
höherer Genauigkeit als bei dem Laserbearbeitungsverfahren nach
der ersten Ausführungsform bearbeitet bzw. geschnitten werden
kann.
Ebenso wird deutlich, daß durch die dritte Ausführungsform ein
Laserschneidverfahren erreicht wird, bei dem die
Laserstrahlbeaufschlagungszone um einen Betrag weggezogen wird,
der der Größe einer Fehlstelle in dem Werkstück entspricht, die
ansonsten beim Ändern der Schneidbedingungen erzeugt würde, so
daß im allgemeinen eine kürzere Schneidzeit als bei den
Laserschneidverfahren der ersten und zweiten Ausführungsform
erforderlich ist, da die Laserstrahlbeaufschlagungszone nur um
den mindestens erforderlichen Betrag weggezogen wird, wobei die
vorteilhaften Wirkungen der ersten und zweiten Ausführungsform
beibehalten werden.
Ferner wird deutlich, daß die vierte Ausführungsform ein
Laserschneidverfahren vorsieht, bei dem jede Operation, bei der
ein Gas oder eine Flüssigkeit (ein Fluid) mit einem gewünschten
Druck über einen gegebenen Zeitraum nach dem Material und der
Dicke des Werkstücks auf den Schneidpfad und darum gesprüht
wird, in dem sich die Laserstrahlbeaufschlagung während einer
Reihe von Operationen zwischen dem Anhalten und erneuten
Starten der Laserstrahlbeaufschlagung bewegt, eine Operation,
bei der die Bewegung wiederaufgenommen wird, nachdem sie für
einen gewünschten Zeitraum an einem beliebigen Punkt während
einer Reihe von Operationen zwischen dem Anhalten und erneuten
Starten der Laserstrahlbeaufschlagung angehalten wurde, sowie
eine Operation, bei der die Bewegung wiederaufgenommen wird,
nachdem sie zeitweilig an einem beliebigen Punkt während einer
Reihe von Operationen zwischen dem Anhalten und erneuten
Starten der Laserstrahlbeaufschlagung angehalten wurde und ein
Hilfsgas mit einem gewünschten Druck über einen gewünschten
Zeitraum an einem Anhaltepunkt in dem Pfad gesprüht wurde,
bewirken, daß zusätzlich zu den Wirkungen der ersten bis
vierten Ausführungsform die Menge der in der Nähe der
Schneidanhalteposition akkumulierten Wärme verringert und das
Auftreten von Schmelzfehlern viel wirksamer verhindert werden
kann als bei der ersten bis vierten Ausführungsform.
Wird ein Gas oder eine Flüssigkeit mit einem gewünschten Druck
über einen gegebenen Zeitraum nach dem Material und der Dicke
des Werkstücks an und um den Schneidpfad gesprüht, in dem sich
die Laserstrahlbeaufschlagungszone zwischen einer Reihe von
Operationen zwischen dem Anhalten und erneuten Starten der
Laserstrahlbeaufschlagung bewegt, dann wird die
Gesamtbearbeitungszeit verringert, es treten keine
Schmelzfehler auf, und es läßt sich eine hohe Schneidqualität
erreichen.
Ebenso bewirkt die natürliche Wärmeableitung die Abkühlung des
Werkstücks während der Anhaltezeit bei der Wiederaufnahme der
Bewegung, nachdem sie über einen gewünschten Zeitraum an einem
beliebigen Punkt während einer Reihe von Operationen zwischen
dem Anhalten und erneuten Starten der Laserstrahlbeaufschlagung
angehalten wurde, daß Schmelzfehler leicht kostengünstig
verhindert werden, während eine hohe Schneidqualität erreicht
wird.
Darüber hinaus wird die Kühlwirkung für das Werkstück be
schleunigt, wenn die Bewegung nach dem zeitweiligen Anhalten an
einem beliebigen Punkt während einer Reihe von Operationen
zwischen dem Anhalten und erneuten Starten der Laser
strahlbeaufschlagung wiederaufgenommen wird und ein Hilfsgas
über einen gewünschten Zeitraum mit einem gewünschten Druck an
einen Anhaltepunkt in dem Pfad gesprüht wird, so daß der
Gesamtbetrieb einfach ist, die Schneidzeit verringert wird und
darüberhinaus Schmelzfehler sicher verhindert werden und eine
hohe Schneidqualität erreicht wird.
Es wird auch deutlich, daß die fünfte Ausführungsform eine
Laserbearbeitung erreicht, indem ein Laserstrahl auf ein
Werkstück konzentriert wird und die Laserenergie aus dem Strahl
zum Schneiden des Werkstücks in einem Zickzackmuster verwendet
wird, wobei dann, wenn der Abstand zwischen den Scheitelpunkten
nebeneinanderliegender Ecken in Längsrichtung des
Zickzackmusters und der Abstand zwischen den Scheitelpunkten
von Ecken in einer Richtung senkrecht zur Längsrichtung des
Zickzackmusters allgemein 40 mm oder mehr beträgt, ein
Dauerstrichausgang als eine Schneidbedingung zum Schneiden bis
zum Scheitelpunkt der Ecke verwendet wird, die Schneidbedingung
am Scheitelpunkt der Ecke in einen Impulsausgang geändert wird,
eine gegebene Länge ab dem Scheitelpunkt der Ecke dann unter
Verwendung eines Impulsausgangs geschnitten wird, die Bedingung
dann wieder zu einem Dauerstrichausgang geändert wird und die
nachfolgende Bearbeitung fortgeführt wird, so daß die
Schneidbedingung einmal pro Ecke geändert wird, der
Schneidabstand unter der Schneidbedingung des Impulsausgangs
demnach halbiert wird, der Dauerstrichausgang, der eine hohe
Schneidgeschwindigkeit erreichen kann, zum Schneiden bis zu der
Ecke verwendet wird, um die Schneidzeit stark zu verringern,
und der Dauerstrichausgang, der eine hohe Schnittflächen
qualität erreichen kann, dazu verwendet wird, eine hohe
Qualität der Schnittfläche zu gewährleisten.
Schließlich wird deutlich, daß die sechste Ausführungsform ein
Laserschneidverfahren vorsieht, bei dem dann, wenn die
Bearbeitung nach dem Durchlochen des Werkstücks gestartet
werden soll, die Beaufschlagung durch den Laserstrahl an einer
Durchlochungsposition über einen wahlweise eingestellten
Zeitraum angehalten wird, die Beaufschlagung durch den
Laserstrahl dann erneut gestartet und aufrechterhalten wird und
die Bearbeitung von der Durchlochung aus gestartet wird, so daß
konsequent eine hohe Schneidqualität erzielt wird ist.
1
Schneiden beendet
2
Tisch oder Schneidkopf wird in dem Pfad nach der
programmierten Schneidform betrieben
3
Schneiden
4
Schneidbedingungsauswahl
5
Durchbohren
6
Durchbohrungsbedingungsauswahl
7
Koordinatensystemeinstellung
Schneidstartpunkteinstellung
8
Schneidformbeurteilung
Winkelbeurteilung
Lochdurchmesserbeurteilung
Segmentlängenbeurteilung
9
Wegziehstartpositionsbeurteilung
Wegziehkoordinatenpositionsbeurteilung
10
Strahl AUS und Gasverstellung oder
Verweilzeiteinstellung
11
Wegziehen
12
Gas AN und Strahl EIN
13
Schneiden wiederaufgenommen
1 Koordinatensystemeinstellung
Schneidstartpunkteinstellung
2 Durchbohrungsbedingungsauswahl
3 Durchbohrungsstartcodeeingabe
4 Durchbohrungsendecodeeingabe
5 Schneidbedingungauswahl
6 Schneiden
7 Hilfsgasdruck-/Zeiteinstellung
8 Eingabe des Startcodes zur Hilfsgaseinspeisung
9 Eingabe des Anhaltecodes zur Hilfsgaseinspeisung
2 Durchbohrungsbedingungsauswahl
3 Durchbohrungsstartcodeeingabe
4 Durchbohrungsendecodeeingabe
5 Schneidbedingungauswahl
6 Schneiden
7 Hilfsgasdruck-/Zeiteinstellung
8 Eingabe des Startcodes zur Hilfsgaseinspeisung
9 Eingabe des Anhaltecodes zur Hilfsgaseinspeisung
Claims (18)
1. Verfahren zum Schneiden eines Werkstücks mit einem La
serstrahl unter Verwendung einer Vielzahl von Schneid
bedingungen, das folgende Schritte aufweist:
- - Bewegen eines Laserstrahls entlang eines vorbestimmten Pfades zum Schneiden eines Werkstücks unter ersten Schneidbedingungen;
- - Anhalten der Beaufschlagung des Werkstücks durch den Laserstrahl, wenn der Laserstrahl eine Position entlang des Pfades erreicht, wo die ersten Schneidbedingungen in zweite Schneidbedingungen geändert werden sollen;
- - Wegziehen des Laserstrahls entlang des vorbestimmten Pfades um einen vorbestimmten Abstand von der Position, wo die ersten Schneidbedingungen in die zweiten Schneidbedingungen geändert werden sollen; und
- - Wiederaufnahme der Bewegung des Laserstrahls entlang des vorbestimmten Pfades, um das Werkstück unter den zweiten Schneidbedingungen zu schneiden.
2. Verfahren nach Anspruch 1,
bei welchem die Position linear angefahren wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1,
bei welchem die Position kreisförmig angefahren wird.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
das ferner folgende Schritte umfaßt:
- - Versetzen des Laserstrahls von dem vorbestimmten Pfad an der Anhalteposition, zu der der Laserstrahl weggezogen ist; und
- - Bewegen des Laserstrahls, um dem Versatz bei der Wiederaufnahme des Schneidens unter den zweiten Bedingungen zu begegnen.
5. Verfahren nach Anspruch 4,
bei welchem ein Versatzabstand etwa der Breite eines von
dem Laserstrahl geschnittenen Pfades entspricht.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5,
bei welchem der Abstand, um den der Laserstrahl weggezogen
wird, der Größe einer Fehlstelle entspricht, die in dem
Werkstück erzeugt würde, wenn der Laserstrahl nicht an der
Position weggezogen würde, wo die ersten Bedingungen in
die zweiten Bedingungen geändert werden.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6,
das ferner folgenden Schritt aufweist:
- - Sprühen eines Fluids auf das Werkstück in der Nachbarschaft des Schneidpfades, wenn der Laserstrahl weggezogen ist.
8. Verfahren nach Anspruch 7,
das ferner folgenden Schritt aufweist:
- - Einstellen eines Drucks und einer Sprühzeit für das Fluid in Abhängigkeit von dem Materialtyp und der Dicke des Werkstücks.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8,
das ferner folgenden Schritt aufweist:
- - Pausieren mit der Bewegung des Laserstrahls an der Anhalteposition über einen vorbestimmten Zeitraum.
10. Verfahren nach Anspruch 9,
das ferner folgenden Schritt aufweist:
- - Einstellen des vorbestimmten Zeitraums in Abhängigkeit von dem Materialtyp und der Dicke des Werkstücks.
11. Verfahren nach Anspruch 9 oder 10,
bei welchem die vorbestimmte Zeit 2,5 sek für ein
Werkstück mit einer Dicke von 6 mm, 4,5 sek für ein
Werkstück mit einer Dicke von 12 mm, 6,5 sek für ein
Werkstück mit einer Dicke von 19 mm und 10 sek für ein
Werkstück mit einer Dicke von 22 mm beträgt.
12. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11,
bei welchem die Schneidbedingungen wenigstens die
Laserleistung, die Laserimpulsfrequenz, den Laser
impulsarbeitszyklus, die Schneidgeschwindigkeit oder den
Schneidwinkel umfassen.
13. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12,
bei welchem ein Werkstück aus einem Flußstahlmaterial
verwendet wird.
14. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 13,
bei welchem der vorbestimmte Abstand etwa 1,2 mm für ein
Werkstück mit einer Dicke von 6 mm, 2,2 mm für ein
Werkstück mit einer Dicke von 12 mm und 3,5 mm für ein
Werkstück mit einer Dicke von 19 mm beträgt.
15. Verfahren zum Schneiden eines Werkstücks mit einem La
serstrahl entlang eines Zickzackpfades, bei dem der
Abstand zwischen Scheitelpunkten nebeneinanderliegender
Ecken in Längsrichtung des Zickzackpfades und der Abstand
zwischen den Scheitelpunkten von Ecken in einer Richtung
senkrecht zu der Längsrichtung 40 mm beträgt, das die
folgenden Schritte aufweist:
- - Anlegen eines Laserstrahls mit einem Dauerstrichausgang als Schnittbedingung zur Bearbeitung bis zum Scheitelpunkt einer ersten Ecke;
- - Ändern des Laserstrahls auf einen Impulsausgang am Scheitelpunkt der ersten Ecke;
- - Schneiden einer gegebenen Länge des Werkstücks vom Scheitelpunkt der ersten Ecke mit dem Laserstrahl mit Impulsausgang; und
- - erneutes Ändern des Laserstrahls zum Dauerstrichausgang für die nachfolgende Bearbeitung.
16. Verfahren zum Schneiden eines Werkstücks mit einem La
serstrahl, das die folgenden Schritte aufweist:
- - Durchbohren des Werkstücks mit einem Laserstrahl;
- - Anhalten der Laserstrahlbeaufschlagung des Werkstücks über einen vorbestimmten Zeitraum;
- - erneutes Starten der Laserbeaufschlagung des Werkstücks; und
- - Schneiden des Werkstücks ausgehend von einer Position, wo das Werkstück von dem Laserstrahl durchbohrt wurde.
17. Verfahren zum Schneiden eines Werkstücks mit einem La
serstrahl, das die folgenden Schritte aufweist:
- - Schneiden eines Werkstücks mit einem Laserstrahl entlang eines vorbestimmten Pfades;
- - Anhalten der Laserstrahlbeaufschlagung des Werkstücks an einer vorbestimmten Position entlang des Pfades;
- - Wegziehen des Laserstrahls entlang des Pfades von der vorbestimmten Position um einen Abstand, der in Abhängigkeit von dem Materialtyp des Werkstücks, der Dicke des Werkstücks und der Form des Werkstücks bestimmt ist;
- - erneutes Starten der Laserbeaufschlagung des Werkstücks; und
- - Fortführung des Schneidens des Werkstücks entlang des vorbestimmten Pfades.
18. Verfahren zum Schneiden eines Werkstücks mit einem
Laserstrahl, das die folgenden Schritte aufweist:
- - Schneiden eines Werkstücks mit einem Laserstrahl entlang eines vorbestimmten Pfades;
- - Anhalten der Laserstrahlbeaufschlagung des Werkstücks an einer vorbestimmten Position entlang des Pfades;
- - Besprühen wenigstens eines Abschnitts des Werkstücks in der Nachbarschaft des Pfades mit einem Hilfsgas über einen Zeitraum, der in Abhängigkeit von dem Materialtyp des Werkstücks, der Dicke des Werkstücks und der Form des Werkstücks bestimmt ist;
- - erneutes Starten der Beaufschlagung des Werkstücks mit dem Laserstrahl; und
- - Fortführung des Schneidens des Werkstücks entlang des vorbestimmten Pfades.
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---|---|---|---|
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