DE69402315T2 - Laserstrahlschneidverfahren - Google Patents

Description

• Die vorliegende Erfindung betrifft ein Schneidverfahren mittels eines Laserstrahls.
Stand der Technik
• Wie bekannt ist, wird Laserschneiden, beispielsweise von einer Metallplatte, üblicherweise mit Hilfe eines Gasstrahls durchgeführt, der auf den Schnittbereich gerichtet wird, so daß das verflüssigte Material leicht mittels flüssiger und mechanischer Wirkungen, die von dem Aufprall des Gases auf das Material herrühren, ausgespült werden können.
• Sauerstoff wird dafür im allgemeinen beim Schneiden von eisenhaltigen Materialien verwendet, und zwar aufgrund der bemerkenswerten exothermen Oxidationsreaktion des Eisens, die bei hohen Temperaturen (über 720ºC) verbrennungsartig erzeugt werden; falls geeignet verwendet, kann die so erzeugte Energie zusammen mit den fluid-thermodynamischen Effekten, für eine vorgegebene Laserleistung in einer höheren Schnittgeschwindigkeit einem verbesserten Ausspülen des verflüssigten Materials und einer genaueren Oberflächenverarbeitung der Schnitt flächen führen.
• Die Resultate bisher waren unzufriedenstellend sowohl hinsichtlich der Schnittgeschwindigkeit als auch hinsichtlich der Qualität.
• Tatsächlich erlauben momentan benutzte Schneidverfahren eine begrenzte Schnittgeschwindigkeit (einige wenige Meter oder 10 Meter pro Minute), wobei die Oberflächenbearbeitung der Schnittflächen oft ungeeignet aufgrund unerwünschter geometrischer und/oder metallurgischer Eigenschaften (Einkerbungen, Tröpfchen verflüssigten Materials, gehärteten Bereichen) ist.
• Tatsächlich sind die im Schnittbereich stattfindenden Phänomene hochkomplex aufgrund der Gegenwart eines fluidthermodynamischen Feldes, das von nicht-stationären Natur ist, und zwar insofern, als daß es durch die Wechselwirkung zwischen einem Gas und dem geschnittenen Material verursacht wird; das Gas wird deshalb intensiver Wärme sowohl durch den Laserstrahl als auch durch das verflüssigte Material ausgesetzt, sowie durch die Masse des Materials in Form flüssiger Tropfen, die in der Größe variieren, welche in Dampf umgewandelt werden können, vermehrt; wobei der letztere wiederum mit Energie versehen werden oder sogar ionisiert werden kann.
• Falls das Gas, z.B. Sauerstoff, reaktiv ist, unterstützt die exotherme Eisenoxidations(verbrennungs)reaktion, die bei Temperaturen oberhalb von 720ºC ausgelöst wird, die obigen Phänomene weiter, was bewirkt, daß ihre zeitliche Instabilität ausgeprägter wird.
• Nicht nur werden gemeinhin benutzte Laserschneidverfahren durch solche Phänomene beeinflußt, sie verstärken sie auch aufgrund der ungeeigneten Handhabung von sowohl dem Gas als auch den anderen Verfahrensparametern.
• Beispielsweise wird in der bekanntesten Laserschneidvorrichtung der Sauerstoff mittels einer konischen Düse auf den Schnittbereich geleitet, wobei kein Abstand zwischen ihm und dem Laserstrahl vorgesehen ist, und wobei der letztere durch die Düse fokussiert wird. Die mit solch einem Verfahren verbundenen Nachteile sind vielfältig.
• Zunächst ist der Sauerstoffverbrauch zu hoch, da der Großteil von ihm auf die Oberfläche des Materials, das die Seiten des Schnitts umgibt, trifft, und somit nicht dazu kommt, das verflüssigte Material auszuspülen. Weiterhin zeigt der Gasstrahl, der frei auf die Schnittfläche gerichtet ist, eine Instabilität sowohl bezüglich der Richtung als auch bezüglich der Geschwindigkeit, was die Strömungsänderungen, die sowohl durch interne aerodynamische Faktoren (Grenzschichten und betreffende Reduzierung des Leitungsquerschnitts bereits an seinem Eintritt) als auch durch externe (atmosphärische Luftmischung und Zug) verursacht werden, verstärkt.
• Die Instabilität eines freigerichteten Gasstrahls macht es ihm schwieriger, in den Schnitt zu gehen und ihn zu durchdringen, was das Drosselphänomen der viskosen und thermischen Art, das für Subultraschall- und Ultraschallstrahlen in einer Leitung typisch ist, verschlimmert. Im Abschnitt der Leitung stromabwärts vom Drosselabschnitt ist die Geschwindigkeit signifikant reduziert. Traditionelle Schnittflächen weisen deshalb eine Längslinie (i.e. parallel zur oberen und unteren Oberfläche des Werkstücks) auf, die dem Drosseleffekt zurechenbar ist, und stromauf- und stromabwärts solch eine Linie eine Reihe verschieden schräger Kerblinien, welche eine Anderung der Strömungsgeschwindigkeit anzeigen. Insbesondere ist die Schrägung solcher Kerblinien stromabwärts von der Drossellinie größer, was auf eine Strömungsgeschwindigkeitsreduzierung hinweist.
• Eine signifikante Reduktion der Strömungsgeschwindigkeit resultiert ebenfalls in Variation der Kerbfrequenz sowie in Erosion, begleitet von Tropfen verflüssigten Materials. Solche Phänomene, die durch die ungesteuerte exotherme Reaktion verursacht werden, die durch die größere Durchdringung der Oberfläche durch das isotherme Triggern (etwa 720ºC) der Reaktion erzeugt wird.
• Gemäß dem obigen Verfahren wechselwirkt Sauerstoff mit einem großen Anteil des Laserstrahls über eine beträchtliche Länge an Zeit schon, bevor er das Werkstück erreicht, um sich so auf eine extrem hohe Temperatur aufzuheizen, und demzufolge sowohl chemisch als auch physikalisch das Schneidverfahren zu beeinflussen. Insbesondere variiert der Brechnungskoeffizient unregelmäßig und führt somit zu einer Fokussierung des Laserstrahls, die weiter durch Konvektionsbewegungen beeinflußt wird, welche durch solch eine Aufheizung erzeugt werden. Falls das Gas lange genug aufgeheizt wird, daß es zunächst die thermische Anregungsschwelle erreicht und danach die thermische Ionisationsschwelle, kann dies in einer Dissipation resultieren, wobei sogar bei Laserschneid-Leistungsniveaus die Leistung des Laserstrahls absorbiert wird.
• Die Leistungsreduzierung und die Defokussierung des Strahls kombiniert reduzieren die Leistung, und sie erhöhen den Durchmesser des Brennflecks, wobei beide Effekte für die Erhaltung eines möglichst engen Schnitts ungünstig sind. Weiterhin resultiert die sowohl durch die Konvektionsbewegung als auch die Strömungsphänomene, die erforderlich sind, damit der Gasstrahl den Schnitt durchdringt, verursachte Instabilität in einem Unstetigkeitsphänomen, das ebenfalls die Schneid-Effizienz und die Schnittflächenqualität beeinflußt: Einkerbungen, Risse, unerwünschte metallurgische Eigenschaften.
• Im nächstkommenden Stand der Technik wurden die meisten dieser Nachteile teilweise mittels des Schneidverfahrens, das in der WO-A1-93/10938 offenbart ist, umgangen, wobei der Gasstrahl vorzugsweise unter Ultraschallgeschwindigkeit auf den Schnittbereich geführt wird. Auf diese Art und Weise werden Instabilitätsphänomene, die sowohl mit dem freigerichteten Gasstrahl als auch mit der unnötigen Wechselwirkung zwischen Gas- und Laserstrahl verbunden sind, reduziert, was somit in einem regelmäßigeren Verfahren und demzufolge in einer verbesserten Schnittqualität sowie besserer Sauerstoffausnutzung resultiert.
• Jedoch sind die bisher resultierten Resultate noch längst nicht zufriedenstellend, und zwar sowohl hinsichtlich Leistungs- als auch Gasverbrauch und bezüglich der Produktivität.
• Tatsächlich steigt gemäß der verfügbaren Information bezüglich der Benutzung von Sauerstoff in bekannten Vorrichtungen die thermische Energie um 30 bis 40% im Vergleich zu dem Fall, in dem Sauerstoff nicht verwendet wird, d.h. dem Fall, bei dem der Laserstrahl die gesamte thermische Energie zur Verfügung stellt.
• Unter der Vorgabe, daß die Eisenverbrennungsenergie zumindest viermal größer als seine Schmelzenergie ist, ermöglicht es die obige Information zu bestätigen, daß solch ein Anstieg in der Energie einen nur sehr kleinen Anteil der theoretisch verfügbaren Energie (10%) darstellt, und daß demzufolge die Verbrennung nicht in einer ausreichend effizienten Art und Weise stattfindet, und zwar deshalb, weil das Gas ungeeignet auf die Schnittfläche gerichtet wird.
• Solch eine schlechte Schnitteffizienz der bekannten Verfahren resultiert in einer relativ reduzierten Geschwindigkeit, während ein Anstieg in der Produktivität eine weitere Benutzung der Lasertechnologie in allen Anwendungsgebieten erlauben würde, wie z.B. Schichtmetallschneiden in der Metall- und Mechanikindustrie im allgemeinen und in der Automobilindustrie im besonderen.
Offenbarung der Erfindung
• Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Laserschneidverfahren zu schaffen, das die üblicherweise mit dem bekannten Verfahren verbundenen Probleme überwinden kann und das insbesondere sowohl hohe eine Schnittgeschwindigkeit als auch eine hohe Qualität ermöglichen kann.
• Diese Aufgabe wird durch die vorliegende Erfindung dadurch gelöst, daß sie ein Verfahren zum Schneiden eines eisenhaltigen Werkstückes mittels eines Laserstrahls betrifft, bei dem der Strahl auf einen Schnittbereich des Werkstücks gerichtet wird und ein Sauerstoffstrahl auf den Schnittbereich durch eine festwandige Leitung zum Leiten des Strahls im wesentlichen solange, bis er mit einer Oberfläche des Werkstücks in Kontakt kommt, um ein exotherme Eisenoxidationsreaktionen zu erzeugen, geleitet wird, wobei der Laserstrahl und das Werkstück eine Relativbewegung in einer Richtung parallel zur Oberfläche des Werkstücks unterlaufen, dadurch gekennzeichnet, daß:
• - der Laserstrahl auf das Werkstück eine Leistungsdichte größer als 10&sup6; kW/cm² ausübt,
• - Sauerstoff auf den Schnittbereich des Werkstückes mit solch einem Stoßdruck gerichtet ist, daß er bei dieser Leistungsdichte eine vollständige exotherme Eisenoxidation des Verbrennungstyps auslöst, und
• - Sauerstoff auf den Schnittbereich in solchen Mengen geleitet wird, welche zumindest den stöchiometrischen Verhältnissen entsprechen, so daß die vollständigen Reaktionen unter dynamischen Gleichgewichtsbedingungen aufrechterhalten werden können.
Kurzbeschreibung der Zeichnungen
• Die vorliegende Erfindung wird besser mittels einer bevorzugten Ausführungsform mit Bezug auf die begleitenden Zeichnungen beschrieben.
• In den Figuren zeigen:
• Figur 1 eine schematische Querschnittshöhenansicht einer Laserschneidvorrichtung für ein Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung; und
• Figur 2 eine Querschnittsansicht mit größerer Skalierung, aufgenommen entlang der Linie II-II in Figur 1.
Beste Art zur Ausführung der Erfindung
• Mit Bezug auf Figur 1 ist im allgemeinen mit 1 eine Vorrichtung zum Schneiden eines Werkstücks 2 aus einem eisenhaltigen Material, z.B. einer Stahlplatte, mittels eines Laserstrahls 3 gezeigt.
• Die Vorrichtung 1 umfaßt im wesentlichen einen Fokussierkopf 4 zum Fokussieren des Strahls 3 und eine Vorrichtung 5 zum Leiten eines Gasstrahls, insbesondere eines Sauerstoffstrahls, auf den Schnittbereich.
• Der Laserstrahl 3 ist derart gerichtet, daß der auf den Schnittbereich 6 des Werkstücks 2 trifft.
• Bezüglich einer Oberfläche 7 des Werkstücks 2 zeigt der Brennfleck 5 eine leichte Neigung nach innen. Sowohl der Kopf 4 als auch das Werkstück weisen eine Relativbewegung auf, z.B. (aber nicht notwendigerweise) entlang einer geraden Linie, um so den Einfallsbereich des Strahls entlang einer vorgegebenen Linie zu verschieben, um den Schnitt 8 durchzuführen. Der Pfeil F zeigt die Fortbewegungsrichtung des Kopfes 4 bezüglich des Werkstücks 2.
• Mit 9 sind die Wände bezeichnet, die einander gegenüberliegen und vom Schnitt 8 herrühren und ihn seitlich definieren.
• Der Strahl 3 wird auf das Werkstück 2 einer senkrechten Richtung bezüglich der Oberfläche 7 des Werkstücks geleitet und bewirkt, daß sich ein Abschnitt 10 des Materials verflüssigt; die obere Oberfläche 11 des verflüssigten Materials 10 ist geneigt bezüglich der Richtung der Bewegung des Kopfes 4, wie in Figur 1 gezeigt.
• Die Sauerstoff-Zufuhrvorrichtung 5, welche Sauerstoff auf den Schnittbereich leitet, umfaßt im wesentlichen an einen Tank 12, in dem Sauerstoff bei sogenannten Staudruck und Stautemperatur (P&sub0;, T&sub0;) gespeichert ist, sowie eine Leitung 13, die geeignet ist, Sauerstoff innerhalb fester Wände zu fördern und ihn somit auf den Schnittbereich zu führen. Die Führung 13 definiert zweckmäßigerweise auf ihrem Endabschnitt eine konvergente-divergente Düse 14 zum Erzeugen eines Ultraschallstrahls, um so eine bessere Steuerung des Strahls zu ermöglichen, sowie die mechanische Spannung an der Düse zu reduzieren, an deren Oberfläche der Druck äquivalent zum Staudruck sein wird, und zwar abzüglich solcher Verluste, die durch Schockwellen abhängig von dem durch die Oberfläche angenommenen Profil verursacht werden.
• Die Leitung 13 weist einen Auslaßabschnitt 15 auf, der im wesentlichen in Berührung mit der Oberfläche 7 des Werkstücks gelegen ist und eine längliche Gestalt in der Richtung des Schnitts aufweist, wobei seine Breite im wesentlichen gleich der des Schnitts ist und seine Länge zwei bis dreimal so groß wie die Breite ist. Ein Ende 16 des Abschnitts 15, welches dem Schnittbereich gegenüberliegt, ist zweckmäßigerweise abgestuft.
• Der Strahl wird entlang der Richtung A geleitet, welche bezüglich der senkrechten zur Oberfläche 7 des Werkstücks geneigt ist und vorzugsweise senkrecht zur oberen Oberfläche 11 des verflüssigten Materials 10 verläuft.
• Um weiter in Kontakt mit dem Sauerstoff zu kommen, wird die obere Oberfläche deformiert, und verflüssigtes Material 10 fließt in Kontakt mit dem festen Material dahinter, wie durch die Schraffierung in Figur 1 gezeigt, um somit zu bewirken, daß das verflüssigte Material durch mechanische Wirkung ausgespült wird.
• Wie wohl bekannt ist, besteht der Schnittprozess in der lokalisierten Verflüssigung des Materials aufgrund der intensiven Wärme, die sowohl durch den Laserstrahl als auch durch die Eisenoxidationsreaktionen abgestrahlt wird, deren exothermer Charakter so hoch ist, daß er signifikant zur Verflüssigung des Materials beiträgt, und zum folgenden Ausspülen des verflüssigten Materials aus dem Schnitt als Folge der Wucht des Sauerstoffstrahls auf die verflüssigte Masse.
• Es gibt wenige Studien, die in der Vergangenheit über die obigen Reaktionen durchgeführt wurden, insbesondere, was Kettenreaktionen betrifft, und zwar sowohl vom Gesichtspunkt der erzeugten Chemikalien, wenn sich die Temperatur ändert, als auch von dem Gesichtspunkt der chemischen Kinetik.
• Gemäß der vorliegenden Erfindung wird Sauerstoff auf den Schnittbereich mit genug Stoßdruck geleitet, daß er eine exotherme Eisenoxidationsreaktion des Verbrennungstyps auslöst, und in solch einer Menge, daß sie leicht das stöchiometrische Verhältnis übertrifft, so daß die Verbrennungsreaktion vollständig sein kann und sie unter dynamischen Gleichgewichtsbedingungen gehalten werden kann, wie im folgenden erklärt wird.
• Die hauptsächliche Eisenoxidationsreaktion bei niedrigen Temperaturen ist bekanntermaßen folgende:
• [1] 2Fe + O&sub2; T 2FeO (4,779 kJ/g)
• Die Reaktion [1] ist eine exotherme Reaktion, und bei Temperaturen oberhalb von 720ºC nimmt sie die Charakteristik einer "langsamen" Verbrennung an, wobei solch ein Term tatsächlich eine nicht explosionsartige Reaktion anzeigt.
• Bei hohen Temperaturen (z.B. bei der Eisenschmelztemperatur, d.h. bei etwa 1500ºC bei Umgebungsdruck) und bei Gegenwart von hochenergetischen, hochreaktiven Chemikalien, wie z.B. denen oberhalb des Brennflecks (dissoziierter Eisendampf angeregt und ionisiert, dissoziierter Sauerstoff, angeregt und ionisiert) sind die exothermen Reaktionen, die beachtet werden müssen, neben der Reaktion [1] oben die folgenden:
• [2] 3 Fe + 2O&sub2; T Fe&sub3;O&sub4; (6,673 kJ/g)
• [3] 4 Fe + 3O&sub2; T Fe&sub2;O&sub3; (7,367 kJ/g)
• Die Verbrennungsenergie für jede Reaktion ist in Klammern angegeben. Es sollte aufgezeigt werden, daß solche Energien gut oberhalb derer liegen, die zum Schmelzen von Eisen benötigt sind, d.h. 1010 kJ/g. Deshalb beträgt die von der Eisenverbrennung in Übereinstimmung mit stöchiometrischen Beziehungen gemäß der vorliegenden Erfindung erhaltene Energie mehr als ein Vierfaches (bis zu einem Siebenfachen) der Schmelzenergie, d.h. der Energie, die angenommenerweise beim Laserschneiden mit einem Inertgasstrahl benutzt wird.
• Im Vergleich solch eines Resultats mit dem Stand der Technik, welches 30 bis 40% Anstieg bietet, kann die vorliegende Erfindung offensichtlich ermöglichen, daß die von dem Gasstrahl abgeleitete Energie 10- bis 16mal größer als beim Stand der Technik ist, und kann gleichzeitig den Sauerstoffverbrauch auf eine Menge, die nur leicht die stöchiometrischen Werte überschreitet, reduzieren.
• Gemäß der vorliegenden Erfindung wird das Material einem Laserstrahl mit einer hohen Leistungsdichte ausgesetzt, insbesondere größer als 106 kW/cm², um so einen verflüssigten Oberflächenbereich zu schaffen, an dessen Zentrum aus der überhitzten Flüssigkeit Dampf und Plasma erzeugt werden. Unter solchen Bedingungen kann die Temperatur lokal von Werten entsprechend der Eisenschmelztemperatur (1540 ºC) bis zu tausenden von Grad Celsius im Dampf und bis zu 100 000 ºC im Plasma variieren.
• Solche Bedingungen begünstigen die Bildung aktiver Radikale, die hauptsächlich von Metall- und Restprodukten des Umgebungsgases herrühren, welche in Gegenwart eines Sauerstoffstrahls mit einem geeigneten Druck und einer geeigneten Temperatur (wobei die letztere im wesentlichen durch die Temperatur der Metalldämpfe, die durch die Laser-Material-= Wechselwirkung erzeugt werden, definiert ist) die Bedingungen für das Auslösen einer Reaktion einstellen können, nämlich einen wesentlichen Anstieg der Reaktionsgeschwindigkeit.
• Insbesondere bei einem Sauerstoffstaudruck von 10 bis 15 Bar, ermöglichen Leistungsdichten von 10&sup6; bis 10&sup7; kW/cm² die Auslösung einer vollständigen Eisenverbrennungsreaktion, d.h. bei der die Beziehung zwischen Sauerstoffverbrauch und der Menge des verflüssigten und ausgespülten Materials im wesentlichen den stöchiometrischen Werten entspricht.
• Der Anstieg der Reaktionsgeschwindigkeit, der dadurch verursacht wird, daß der Sauerstoff vollständig verwendet wird, bewirkt, daß eine sehr hohe thermische Leistung verfügbar wird; die letztere bestimmt die Kapazität zur Erzeugung externer Arbeit und demzufolge die Schneidgeschwindigkeit. Jedoch ist solch eine Leistung geeignet zu steuern, wie im folgenden beschrieben wird, und zwar sowohl um ihre vorteilhaften Wirkungen hinsichtlich der Verfahrenseffizienz zu nutzen als auch zum Aufrechterhalten des Verfahrens unter dynamischen Gleichgewichtsbedingungen, was verhindert, daß sich die Länge des Schnitts aufweitet.
• Insbesondere ist es gemäß der vorliegenden Erfindung zur Aufrechterhaltung der vollständigen Verbrennungsreaktion unter im wesentlichen stabilen Bedingungen hinsichtlich der Zeit zunächst notwendig, den Sauerstoffstrahl sorgfältig einzustellen, so daß Sauerstoff im Schnittbereich in zumindest stöchiometrischen Mengen vorliegt, zweckmäßigerweise leicht oberhalb solch stöchiometrischer Werte bezüglich des Eisens.
• Weiterhin ist es in Gegenwart solch einer Leistungsdichte, die die vollständige Reaktion auslösen kann, sowie einer hinreichenden Sauerstoffmenge, um sie aufrecht zu erhalten, notwendig, zu verhindern, daß die resultierende Wärme in einer übermäßigen Ausbreitung der exothermen Reaktion in einer transversalen Richtung bezüglich des Schnitts und demzufolge in einer übermäßigen Schnittbreite resultiert.
• Gemäß einer weiteren Charakteristik der vorliegenden Erfindung wird das vorhergehende dadurch erreicht, daß die Schnittgeschwindigkeit proportional zum Anstieg der thermischen Leistung, die durch die vollständige exotherme Reaktion erzeugt wird, erhöht wird, und deshalb die Effekte der Wärmeübertragung durch die Leitung im Werkstück in der transversalen Richtung bezüglich des Schnitts reduziert werden. Bezüglich der Verbrennungsenergiewerte der obigen Reaktionen kann die Schnittgeschwindigkeit um einen Faktor im Bereich von 4 bis 7 erhöht werden im Vergleich zu der Geschwindigkeit, die in Abwesenheit einer exothermen Reaktion erhalten werden kann, d.h. im Fall, daß das verwendete Gas ein Inertgas ist und die Gesamtheit der thermischen Leistung durch den Laserstrahl zugeführt wird. Das vorhergehende entspricht einer Schnittgeschwindigkeitserhöhung um zumindest einen Faktor drei bis vier gegenüber den traditionellen Schneidverfahren, was eine der Aufgaben der vorliegenden Erfindung ist.
• Die Erhöhung der Reaktionskinetik, nämlich das Vorliegen solcher Bedingungen, die ausreichen die Vollständigkeit der Reaktion zu gewährleisten, resultiert in der fast vollständigen Absorption des Sauerstoffs, der Teil von entweder der flüssigen oder der festen Phase, die durch die Reaktionsprodukte geschaffen wird, wird, um somit in dem Bereich zwischen den Wänden des Schnitts alle fluid-dynamischen Phänomene zu vermeiden, wie z.B. das Zusammenbrechen des verflüssigten Materials in Tropfen mit einem folgenden Mischen und Erwärmen des Sauerstoffs, der nicht an der Reaktion teilgenommen hat, sowie andere Nachteile, die zuvor beschrieben wurden, einschließlich dem fluid-dynamischen und thermischen Drosseln.
• Neben der Erhöhung der Schnittgeschwindigkeit ermöglicht die vorliegende Erfindung weiterhin eine Abnahme der Laserleistung insofern, als daß anders als bei herkömmlichen Verfahren der Laserstrahl nicht die Gesamtheit des Eisenvolumens verflüssigen muß; tatsächlich kann ein Energieerfordernisäquivalent von 20% des Gesamterfordernisses für den Laserstrahl vorgesehen werden, wobei die restliche Energie durch den Sauerstoff zugeführt wird.
• Bei Sauerstoffstaudrucken von einigen zehn Bar, z.B. 60 Bar und bei Leistungsdichten größer als 10&sup7; kW/cm² wird eine explosionsartige Verbrennungsreaktion ausgelöst, d.h. eine Reaktion, deren Reaktionsgeschwindigkeit über 100 mal diejenige der normalerweise erzielten betragen kann. Auch in diesem Fall muß die Verbrennungsreaktion dadurch unter dynamischen Gleichgewichtsbedingungen gehalten werden, daß Sauerstoff in solch einer Menge zugeführt wird, daß sie leicht die stöchiometrischen Verhältnisse überschreitet, und durch Erhöhen der Schnittgeschwindigkeit, um zu verhindern, daß die größere thermische Leistung bei der Eisenverbrennung eine unerwünschte Aufbereitung des Schnitts bewirkt.
• Das Vorliegen eines Bereichs einer schnellen Reaktion (explosiv) bei dem Vorhergehenden bewirkt einen thermischmechanischen Schock an der Grenze zum festen Material, was die Materialfestigkeitskapazität um einen Faktor zehn reduziert. Solche Reduktion kann der Unmöglichkeit des Materials einer Hochbelastung elastisch widerstehen, zugerechnet werden, was somit bewirkt, daß sich seine Kristallstruktur auflöst. Das Material kann deshalb in kleine Granulatpartikel zerbrechen, die leicht durch Überschußsauerstoff angegriffen werden, der bei hohen Temperaturen vorliegt, und somit zu einer weiteren Erhöhung der Verbrennungsgeschwindigkeit beizutragen.
• Eine weitere Erhöhung der Verbrennungsgeschwindigkeit um einen Faktor 10 kann dem Festigkeitsverlust und dem Anstieg der exothermen Leistung zugerechnet werden.
• Eine Studie des Schneidverfahrens gemäß der vorliegenden Erfindung beleuchtet die Vorteile, die sich daraus ableiten. Da der Sauerstoff vollständig genutzt wird, ist es möglich, daß eine viel größere thermische Leistung um den Schnittbereich verfügbar ist; deshalb wird nur ein relativ kleiner Anteil der thermischen Leistung, die zum Schneiden benötigt wird, durch den Laserstrahl zugeführt, wobei die restliche Leistung durch die Verbrennungsreaktion selbst zugeführt wird, was zu einer höheren Prozessgeschwindigkeit führt und dank der im wesentlichen vollständigen Absorption des Sauerstoffs in dem Schnittbereich zu einer bemerkenswerten Verbesserung sowohl der Qualität als auch der Zuverlässigkeit des Verfahrens führt, wobei alle thermisch-fluid-dynamischen Nachteile, die durch den Sauerstoffüberschuß verursacht werden, beseitigt sind.
• Letztlich kann das obige Verfahren derart modifiziert werden, daß es den Schutzumfang gemäß der Patentansprüche nicht überschreitet.
• Insbesondere kann eine Saugeinrichtung für Überschußsauerstoff in dem Schnittbereich vorgesehen sein, um somit die unerwünschten thermisch-fluid-thermischen Phänomene, die zuvor beschrieben wurden, zu vermeiden.

Claims (9)

1. Verfahren zum Schneiden eines Stückes (2) eisenhaltigen Materials mittels eines Laserstrahls (3), wobei der Laserstrahl auf einen Schnittbereich (6) des Werkstücks gerichtet ist und ein Sauerstoffstrahl auf den Schnittbereich (6) durch eine festwandige Leitung (13) geleitet wird, die den Strahl im wesentlichen solange leitet, bis er in Kontakt mit einer Oberfläche (7) des Werkstücks (2) kommt, um exotherme Eisenoxidationsreaktionen zu erzeugen, wobei der Laserstrahl (3) und das Werkstück (2) eine Relativbewegung in einer parallelen Richtung bezüglich der Oberfläche (7) des Werkstücks (2) unterlaufen, dadurch gekennzeichnet, daß:

- der Laserstrahl (3) auf das Werkstück (2) eine Leistungsdichte gräßer als 106 kW/cm² ausübt,

- der Sauerstoff auf das Werkstück (2) mit hinreichend Stoßdruck geleitet wird, daß er bei dieser Leistungsdichte vollständige exotherme Eisenoxidationsreaktionen vom Verbrennungstyp auslost, und

- der Sauerstoff auf den Schnittbereich (6) in solchen Mengen geleitet wird, welche zumindest den stöchiometrischen Verhältnissen entsprechen, so daß vollständige Reaktionen unter dynamischen Gleichgewichtsbedingungen aufrechterhalten werden können.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Sauerstoffmenge, die auf den Schnittbereich (6) gerichtet ist, das relevante stöchiometrische Verhältnis leicht überschreitet.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Geschwindigkeit der Relativbewegung zwischen dem Laserstrahl und dem Werkstück im Vergleich zu einem ähnlichen Schneidverfahren unter Verwendung eines Inertgases um solch einen Faktor erhöht ist, der zumindest dem Verhältnis: Verbrennungsenergie exothermer Reaktionen/Eisenschmelzenergie äquivalent ist.

4. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Leitung (13) so orientiert ist, daß sie den Strahl in eine Richtung (A) senkrecht zu einer oberen freien Oberfläche (11) des verflüssigten Materials (10) leitet.

5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Leitung einen Auslaßabschnitt (15) aufweist, der in der Richtung des Schnitts verlängert ist.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Breite des Auslaßabschnitts (15) im wesentlichen der Breite des Schnitts (8) entspricht, wobei seine Länge 2 bis 3mal die Breite des Schnitts (8) beträgt.

7. Verfahren nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Auslaßabschnitt (15) in einer bezüglich des Schnittbereichs (6) entgegengesetzten Richtung abgestuft ist.

8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Strahl ein Ultraschallstrahl ist.

9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Laserstrahl (3) auf das Werkstück (2) eine Leistungsdichte größer als 10&sup7; kW/cm² ausübt und daß die Eisenverbrennungsreaktionen explosionsartig sind.