DE19905739A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Lasermaterialbearbeitung mit koaxialem Gasstrom - Google Patents
Verfahren und Vorrichtung zur Lasermaterialbearbeitung mit koaxialem GasstromInfo
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Lasermaterialbearbeitung (insbesondere Schweißen und Schneiden), wobei ein fokussierter Laserstrahl (5) auf die zu bearbeitende Werkstückoberfläche (11) geführt wird und ein Gasstrom (10) über eine zur Laserstrahlachse koaxial angeordnete Düse (1) gegen die Werkstückoberfläche geleitet wird. Erfindungsgemäß wird der Gasstrom (10) im wesentlichen ringförmig um den Laserstrahl (5) gegen die Werkstückoberfläche (11) geführt, wobei der Gasstrom (10) im Innern des Ringstromes eine zur Laserstrahlachse hin gerichtete Radialkomponente aufweist. Bevorzugt ist die im Innern des Ringstromes zur Laserstrahlachse gerichtete Radialkomponente des Gasstromes (10) so ausgebildet, daß der Gasstrom (10) die Bearbeitungsstelle auf dem Werkstück (11) abdeckt. Der Ringstrom kann durch einen Kanal (6) erzeugt werden, der Einbauten (8, 9) umfaßt.
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Lasermaterialbearbeitung, wobei ein fokus
sierter Laserstrahl (5) auf die zu bearbeitende Werkstückoberfläche (11) geführt wird
und ein Gasstrom (10) über eine zur Laserstrahlachse koaxial angeordnete Düse (1)
gegen die Werkstückoberfläche geleitet wird. Die Erfindung betrifft darüber hinaus
eine Vorrichtung zur Lasermaterialbearbeitung, welche Mittel zum Führen eines
fokussierten Laserstrahls auf die zu bearbeitende Werkstückoberfläche und eine zur
Laserstrahlachse koaxial angeordnete Düse zur Zufuhr eines Gasstromes gegen die
Werkstückoberfläche umfaßt.
Unter einem fokussierten Laserstrahl wird im Rahmen der Erfindung ein im wesent
lichen auf die Werkstückoberfläche fokussierter Laserstrahl verstanden. Außer bei der
überwiegend eingesetzten Methode mit auf die Werkstückoberfläche fokussierter
Laserstrahlung kann die Erfindung auch bei der selten benutzten Variante mit nicht
exakt auf die Werkstückoberfläche fokussierter Strahlung angewandt werden.
Die Eigenschaften der Laserstrahlung, insbesondere die Intensität und gute Fokus
sierbarkeit, haben dazu geführt, daß Laser heute in vielen Gebieten der Materialbe
arbeitung zum Einsatz kommen. Die Laserbearbeitungsanlagen sind an sich bekannt.
In der Regel weisen sie einen Laserbearbeitungskopf, gegebenenfalls mit einer zum
Laserstrahl koaxial angeordneten Düse auf. Oftmals werden Laserbearbeitungsan
lagen in Verbindung mit einer CNC-Steuerung eingesetzt.
Als Laserbearbeitungsverfahren sind vor allem das Laserstrahlschneiden, das Laser
strahlschweißen und Verfahren der Laserstrahloberflächenbehandlung bekannt. Beim
Laserstrahlschneiden wird zwischen drei Verfahrensvarianten unterschieden, dem
Laserstrahlbrennschneiden, dem Laserstrahlschmelzschneiden und dem Laserstrahl
sublimierschneiden. Bei den Verfahren der Laserstrahloberflächenbehandlung um
fassen vor allem das Laserstrahlhärten, das Laserstrahlumschmelzen, das Laser
strahllegieren, das Laserstrahlbeschichten und das Laserstrahlbohren. Die Verfahren
der Laserstrahloberflächenbehandlung finden in der Regel dort Verwendung, wo
konventionelle Oberflächenverfahren nicht oder nur mit großen Nachteilen eingesetzt
werden können.
Bei den aufgezählten Verfahren wird durch die hohe Energie des Laserstrahls
Material des zu bearbeitenden Werkstücks erhitzt, aufgeschmolzen oder verdampft.
Bei der Lasermaterialbearbeitung kommen üblicherweise Schutz- und/oder Prozeß
gase bzw. Arbeitsgase zum Einsatz. Je nach Verfahren und zu bearbeitendem
Material können die eingesetzten Gase unterschiedliche Aufgaben zu erfüllen haben.
So bewirkt beispielsweise der Einsatz eines harten Gasstrahls einen Laserschnitt, bei
Abdeckung durch Schutzgas kann eine Schweißnaht, eine Härtespur, eine Spur um
geschmolzenes Material, eine Beschriftung, eine Gravur oder dergleichen erzeugt
werden. Bei vielen Verfahren der Lasermaterialbearbeitung wird metallisches
und/oder sonstiges Material auf Temperaturen erhitzt, bei denen eine Reaktion mit
den einhüllenden Gasen stattfindet. In vielen Fällen werden dazu technische Gase
eingesetzt, um diese Materialberarbeitungsprozesse effektiver, schneller und/oder mit
verbesserter Qualität durchführen zu können.
Die Gasatmosphäre in der Bearbeitungszone besteht bei den erwähnten Laserbe
arbeitungsprozessen vielfach aus einem Gemisch aus dem oder den eingesetzten
Arbeitsgas(en) und der umgebenden Luft. Als Grund hierfür sind vor allem unzurei
chende Gaszuführungen zu nennen, die zu Verwirbelungen zwischen Arbeitsgas
strömungen und Umgebungsluft führen. Konkret bedeutet das beispielsweise für
einzelne Laserbearbeitungsverfahren:
- - Laserschweißnähte beispielsweise bei Edelstahlschweißungen werden oxidiert und müssen anschließend nachgearbeitet werden,
- - Härtespuren sind oxidiert und müssen anschließend nachgearbeitet werden,
- - Schweißnähte enthalten Poren oder es treten andere qualitätsmindernde Merk male auf.
Vielfach sind die Gasdüsen sehr klein ausgebildet, so daß insbesondere bei
schnelleren Schneid- und Schweißprozessen das bearbeitete Material bereits aus
dem Schutzgasstrom gelangt, ohne daß vorher eine ausreichende Abkühlung des
Materials stattgefunden hat, und an der Luftatmosphäre Nachoxidationen der
Oberflächen auftreten können.
Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine
Vorrichtung der eingangs genannten Art aufzuzeigen, bei welchen der Laserbearbei
tungsprozeß durch eine modifizierte Gaszufuhr verbessert wird. Insbesondere sollen
Qualitätseinbußen bei der Laserbearbeitung aufgrund der Atmosphäre vermieden
werden.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der Gasstrom im wesent
lichen ringförmig um den Laserstrahl gegen die Werkstückoberfläche geführt wird;
wobei der Gasstrom im Innern des Ringstromes eine zur Laserstrahlachse hin
gerichtete Radialkomponente aufweist.
Der Erfindung beruht auf der Idee, einerseits ein im wesentlichen parallel zur Laser
strahlachse ausgebildetes Strömungsfeld in Ringform vorzusehen und andererseits
eine Teilströmung im Innern der Ringströmung radial abzulenken. Auf diese Weise
kann die Vermischung von Schutz- oder Prozeßgasen bzw. Arbeitsgasen mit der
umgebenden Luft relativ gering gehalten werden.
Vorteilhafterweise ist die im Innern des Ringstromes zur Laserstrahlachse gerichtete
Radialkomponente des Gasstromes so ausgebildet, daß der Gasstrom die Bearbei
tungsstelle auf dem Werkstück abdeckt. Durch diese Maßnahme kann die Qualität der
Bearbeitung zusätzlich gesteigert werden.
Bei der Erfindung wird bevorzugt abgesehen vom Innenbereich mit der Radial
komponente der Gasströmung ein im wesentlichen homogenes Strömungsfeld
erzeugt. Die Gasströmung sollte ein möglichst laminares Strömungsprofil aufweisen.
Die angestrebte Gasströmung gewährleistet, daß innerhalb eines relativ großen
Raumes die Reinheit der eingesetzten Gase erhalten bleibt. Die Gase können daher
ihre optimale Wirkung für im Bearbeitungsprozeß entfalten. Die Ergebnisse sind kon
stant und nicht von wechselnden Anteilen an eingewirbelter Umgebungsluft abhängig.
Durch die großräumige Gasabdeckung können auch schädliche Reaktionen des noch
heißen Materials mit der Atmosphäre wie beispielsweise ein Nachoxidieren wirksam
verhindert werden.
Die zum Laserstrahl nicht koaxial angeordnete Düse kann einen Kanal (Düsenkanal)
zur Erzeugung des Ringstromes aufweisen. Durch den Kanal in der Düse wird die
Bildung des im wesentlichen parallel zur Laserstrahlachse ausgebildeten Strömungs
feldes mit Ringform unterstützt. Im Kanal und/oder am werkstückseitigen Kanalende
können Einbauten vorhanden sein.
Es können Einbauten am Düsenaustritt vorgesehen sein, so daß der Gasstrom über
mehrere Öffnungen aus dem Düsenkanal ausströmt. Der Düsenaustritt kann
beispielsweise mit einem Bohrungsfeld, einem Sieb oder Gitter, einem Lochblech oder
dergleichen als Einbauten ausgestattet sein. Damit kann die Strömung optimiert
werden. Dabei können vorzugsweise Öffnungen mit unterschiedlicher Geometrie zur
Erzeugung der im wesentlichen parallel zur Laserstrahlachse ausgebildeten Ring
strömung und zur Ausbildung der Radialkomponente im Innern des Strömungsfeldes
vorgesehen sein. Zur Erzeugung der im wesentlichen parallel zur Laserstrahlachse
ausgebildeten Ringströmung eignen sich beispielsweise im wesentlichen kreisförmige
Öffnungen. Diese sollten bevorzugt einen Durchmesser zwischen 0,1 und 5 mm,
besonders bevorzugt zwischen 0,5 und 2 mm, aufweisen. Zur Ausbildung der
Radialkomponente können vorteilhafterweise im wesentliche schlitzförmige Öffnungen
verwendet werden. Diese Öffnungsschlitze besitzen beispielsweise eine
Längserstreckung zwischen 1 und 10 mm, bevorzugt zwischen 2 und 5 mm.
Die Außenkontur der Düsenaustrittsfläche kann grundsätzlich beliebig gestaltet sein.
Die Düsenaustrittsflächen können plan, aber auch räumlich gekrümmt sein (z. B.
sphärisch).
In Ausgestaltung der Erfindung sind die Öffnungen zum Ausströmen des Gasstromes
aus der Düse am dem Werkstück zugewandten Ende des Düsenkanals angeordnet.
Mit den Einbauten insbesondere im Kanal können Mittel zur Homogenisierung des
Gasstromes vorgesehen sein. Die Düse bzw. der Düsenkanal enthält dazu bevorzugt
ein Homogenisatormaterial. Bei dem Homogenisatormaterial handelt es sich um
flächiges, gasdurchlässiges Material, welches dem Gasfluß auf der ganzen Fläche
einen möglichst gleichen Strömungswiderstand entgegenstellt oder am Rand einer
höheren und im Zentrum der Strömung einen niedrigeren Strömungswiderstand
darstellt. Es kann sich dabei um Lagen von Geweben; Sintermaterial, Stahlwolle,
Lochbleche und dergleichen handeln. Auch Materialien wie Holz mit Kanälen in
vertikaler Richtung sind denkbar. Dieses Homogenisatormaterial soll gewährleisten,
daß eine verhältnismäßig homogene Gasströmung zwischen Düse und Werkstück
oberfläche auftritt und Verwirbelungen und Vermischungen mit der umgebenden
Atmosphäre vermieden werden.
Durch die beschriebenen Maßnahmen kann der Laserbearbeitungsprozeß durch die
Gasströmung der koaxial angeordneten Düse großflächig abgedeckt werden. Auf
diese Weise können qualitätsschädigende Einflüsse der Atmosphäre vermieden oder
zumindest wesentlich verringert werden. Unabhängig davon wird mit der Gasströmung
ein Schutz der optischen Elemente (Linse, Spiegel und dergleichen) der Lasermaterial
bearbeitungsanlage erreicht.
Die Erfindung kann im Zusammenhang mit allen Arten von Lasern zur Anwendung
kommen. Vor allem eignet sie sich für den Einsatz bei der Laserbearbeitung mit
Eximer-Lasern, CO2-Lasern, Nd-YAG-Lasern und Dioden-Lasern.
Die Erfindung ist grundsätzlich bei allen Laserbearbeitungsprozessen einsetzbar wie
beispielsweise beim Schweißen, Schneiden, Beschriften, Umschmelzen, Härten,
Glasieren, Legieren, Gaslegieren, Sintern, Abtragen, Biegen, Bohren, Beschichten.
Sie ist in besonderem Maße für das Schweißen geeignet, bietet aber auch beim
Schneiden (z. B. von Titan) Vorteile. Als Werkstückmaterialeien kommen insbesondere
alle Materialien in Betracht, bei denen bei höheren Temperaturen Reaktionen mit
Gasen auftreten können: Dies sind beispielsweise Metalle, Glas, Holz, Kunststoffe,
Silizium.
Als Gase für den erfindungsgemäßen Einsatz eigenen sich grundsätzlich alle Gase
oder Gasgemische, insbesondere inerte Gase wie Helium, Neon, Argon, aber auch
Stickstoff, Sauerstoff, Kohlendioxid, Wasserstoff, Kohlenwasserstoffe und Gemische
der genannten Gase.
Im folgenden soll die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispieles näher erläutert
werden.
Hierbei zeigen:
Fig. 1 eine koaxial zur Laserstrahlachse angeordnete Düse einer erfindungs
gemäßen Vorrichtung zur Lasermaterialbearbeitung mit Laserstrahl und
Fig. 2 ein Beispiel für eine Austrittsfläche der in Fig. 1 dargestellten Düse.
In Fig. 1 ist eine koaxial zur Laserstrahlachse angeordnete Düse 1 einer Vorrichtung
zur Lasermaterialbearbeitung schematisch dargestellt. Üblicherweise ist die Düse 1 in
einem Laserbearbeitungskopf einer Bearbeitungsvorrichtung eingebaut. Der Laser
strahl 5 wird fokussiert auf die Oberfläche des zu bearbeitenden Werkstücks 11
geleitet.
Die Laserbearbeitungsdüse 1 umfaßt ein Außenteil 2, ein Innenteil 3 und ein Halteteil
4. Zwischen Außenteil 2 und Innenteil 3 befindet sich der Düsenkanal 6. Der Kanal 6
enthält Einbauten (8, 9). Es ist im Kanal ein Homogenisatormaterial 8 (Material zur
Homogenisierung der Gasströmung) angeordnet. Das Homogenisatormaterial 8
besteht beispielsweise aus Stahlwolle. Eine typische Stärke für das Homogenisator
material 8 liegt bei 3 mm.
An der Austrittsfläche der Düse bzw. am dem Werkstück 11 zugewandten Ende des
Kanals 6 ist ein Endstück 9 (Düsenring) eingebaut, um dem Gasstrom 10 die ge
wünschte Strömungsrichtung zu geben. Schutz- oder Prozeßgas bzw. Arbeitsgas wird
über einen Gaszuführung 7 in den Kanal 6 der Düse 1 eingeleitet. Von der Düse 1
wird eine im wesentlichen homogene und parallele Gasströmung 10 auf die Werk
stückoberfläche 11 geleitet. Der Gasstrom 10 weist aber im Innern des Ringstromes
eine zur Laserstrahlachse hin gerichtete Radialkomponente auf. Das Werkstück 11
wird weit über die eigentliche Bearbeitungsstelle (Auftreffpunkt der Laserstrahlung 5)
hinaus mit dem Gasstrom 10 abgedeckt, beispielsweise etwa 10 mm um den
fokussierten Laserstrahl 5 herum.
Fig. 2 zeigt beispielhaft den Aufbau einer Austrittsfläche zu der in Fig. 1 darge
stellten Düse 1. Das den Kanal 6 abschließende Endstück 9 umfaßt verschiedene
Öffnungen (12, 13) zum Ausströmen des Gasstromes 6 aus der Düse 1. Einerseits
sind kreisförmige Öffnungen 12 (beispielsweise Bohrungen) zum Erzeugen einer im
wesentlichen zur Laserstrahlachse parallelen Gasströmung vorhanden. Andererseits
sorgen Öffnungsschlitze 13 dafür, daß die Gasströmung im Innern die gewünschte
Radialkomponente erhält.
Die kreisförmigen Öffnungen 12 weisen beispielsweise einen Durchmesser von 1 mm
auf. Die Öffnungsschlitze 13 besitzen beispielsweise eine Länge von 3 mm. Das
Endstück 9 hat beispielsweise eine Stärke von 2 oder 3 mm.
Claims (13)
1. Verfahren zur Lasermaterialbearbeitung, wobei ein fokussierter Laserstrahl (5)
auf die zu bearbeitende Werkstückoberfläche (11) geführt wird und ein Gasstrom
(10) über eine zur Laserstrahlachse koaxial angeordnete Düse (1) gegen die
Werkstückoberfläche geleitet wird, dadurch gekennzeichnet, daß der Gasstrom
(10) im wesentlichen ringförmig um den Laserstrahl (5) gegen die Werkstückober
fläche (11) geführt wird, wobei der Gasstrom (10) im Innern des Ringstromes eine
zur Laserstrahlachse hin gerichtete Radialkomponente aufweist.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die im Innern des
Ringstromes zur Laserstrahlachse gerichtete Radialkomponente des Gasstromes
(10) so ausgebildet ist, daß der Gasstrom (10) die Bearbeitungsstelle auf dem
Werkstück (11) abdeckt.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Ringstrom
durch einen Kanal (6) erzeugt wird, der Einbauten (8, 9) umfaßt.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der
Gasstrom (6) über mehrere Öffnungen (12, 13) aus der Düse (1) ausströmt.
5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß durch im wesentlichen
schlitzförmige Öffnungen (13) die Radialkomponente des Gasstromes (10)
erzeugt wird.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß
mittels Einbauten (8) eine Homogenisierung des Gasstromes (6) bewirkt wird.
7. Vorrichtung zur Lasermaterialbearbeitung umfassend Mittel zum Führen eines
fokussierten Laserstrahls (5) auf die zu bearbeitende Werkstückoberfläche (11)
und eine zur Laserstrahlachse koaxial angeordnete Düse (1) zur Zufuhr eines
Gasstromes (10) gegen die Werkstückoberfläche, dadurch gekennzeichnet,
daß Mittel (12, 13) zur Ausbildung eines im wesentlichen ringförmig um den
Laserstrahl (5) strömenden Gasstromes (10) mit einer zur Laserstrahlachse hin
gerichteten Radialkomponente im Innern des Ringstromes vorgesehen sind.
8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel (13) zur
Ausbildung der zur Laserstrahlachse hin gerichteten Radialkomponente im Innern
des Ringstromes so ausgebildet sind, daß der Gasstrom (10) die Bearbeitungs
stelle auf dem Werkstück (11) abdeckt.
9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß
die Düse (1) einen Kanal (6) zur Erzeugung des Ringstromes aufweist, welcher
Einbauten (8, 9) umfaßt.
10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß
mehrere Öffnungen (12, 13) zum Ausströmen des Gasstromes (6) aus der Düse
(1) vorgesehen sind.
11. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß im wesentlichen
schlitzförmige Öffnungen (13) zur Erzeugung der Radialkomponente des Gas
stromes (10) vorgesehen sind.
12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß
die Einbauten Mittel (8) zur Homogenisierung des Gasstromes umfassen.
13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß
die Öffnungen (12, 13) zum Ausströmen des Gasstromes (6) aus der Düse (1) am
dem Werkstück (11) zugewandten Ende des Kanals (6) angeordnet sind.
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