DE69710346T3 - Verfahren zum bearbeiten eines materiales mittels laserstrahlbehandlung - Google Patents

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Description

  • Erfindungsgebiet
  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Bearbeiten eines Materials mit einer ersten und einer zweiten Oberfläche mittels eines Laserstrahls, der mittels eines Mehrfachlinsenobjektivs auf eine Anzahl von Brennpunkten fokussiert wird, wobei die Brennpunkte in etwa auf einer gemeinsamen Achse angeordnet sind, welche einen Winkel mit der ersten Oberfläche bildet, und zueinander beabstandet sind.
  • Allgemeiner Stand der Technik
  • Aus DE-A-2,713,904 ist eine Möglichkeit der Bearbeitung eines Gegenstands mit Hilfe eines Laserstrahls bekannt, wobei der Laserstrahl mit Hilfe eines Mehrfachlinsenobjektivs auf zwei Brennpunkte fokussiert wird. Dieses Bearbeitungsverfahren wird zum Bohren von Löchern verwendet, wobei ein fokussiertes Strahlenbündel zum Schmelzen der Oberfläche des Gegenstands verwendet wird und das zweite Strahlenbündel einen unter dem Brennpunkt des ersten Strahlenbündels positionierten Brennpunkt darstellt und zum Vorheizen des Bereichs um die Stelle des Gegenstands herum verwendet wird, der geschmolzen werden soll, und danach durch Verdampfung entfernt werden soll. Durch ein derartiges Verarbeitungsverfahren wird die Bildung von Graten an der Kante des Lochs in einem gewissen Maß vermieden. Der untere Brennpunkt wird jedoch nicht genutzt.
  • Weiterhin lehrt DE-A-4034745 ein Verfahren zum Lasermaterialschneiden unter Verwendung eines dynamischen Fokussierungssystems. Gemäß diesem Verfahren werden drei aufeinander folgende Schritte wiederholt. Während des ersten Schritts wird dem Teilstrahl Leistung zugeführt, um einen ersten Brennpunkt auf die Oberfläche des Werkstücks zu fokussieren, während des zweiten Schritts wird der Laser schnell in einen zweiten Teilstrahl umgeschaltet, um einen zweiten Brennpunkt in der Dicke des zu schneidenden Stücks zu fokussieren, und wobei während des dritten Schritts der Laser wieder in die Zustände des ersten Schritts umgeschaltet wird.
  • In der laserverwendenden materialverarbeitenden Industrie besteht ein wachsender Bedarf an einer Möglichkeit zum Schneiden in dicken Platten, wie etwa Stahlplatten mit einer Dicke von 15 mm oder darüber. Da die Schneidfähigkeit des Laserstrahls auf oder neben der Oberfläche, auf die er fokussiert ist, am besten ist, gibt es Probleme bei der Übertragung des Effekts auf Teile der Platte, die unter der Oberfläche liegen. Zudem ist die zweite Oberfläche des Materials mit Problemen hinsichtlich einer vergrößerten Menge an anhaftender Schlacke und einer schlechten Schneidqualität behaftet, was unter anderem zu einer schlechten Trennung der geschnittenen Teile führt und möglicherweise eine Endbearbeitung erforderlich macht.
  • Die JP-A-01-143783 offenbart ein Verfahren zum Schweißen einer dicken Platte unter Verwendung einer koaxialen Mehrfachbrennpunkt-Laserstrahlkonvergiervorrichtung, während die EP-A-706072 die Verwendung einer ähnlichen Vorrichtung zum Schneiden einer Platte und die DE-A-2713904 ihre Verwendung zum Bohren einer Platte lehren. Gemäß diesen Schriften wird ein Hauptlaserstrahl in zwei oder mehr Teilstrahlen gespalten, die auf mehrere Brennpunkte fokussiert werden, welche axial entlang der optischen Achse der Strahlen angeordnet sind.
  • Des Weiteren lehrt der Artikel mit dem Titel „Laser beam cutting", A. Gropp et al. Optical and Quantum Electronics 27, 1995, Seiten 1257–1271, einen Laserstrahl entlang der Strahlachse zu schwenken, um eine Sägewirkung zu erhalten, wenn sich der einzige Brennpunkt dauerhaft in der Dicke der zu schneidenden Platte bewegt, wodurch die Schneidkanten, insbesondere die Rauhigkeit und Schlackenbildung, verbessert werden.
  • Kurze Beschreibung der Erfindung
  • Die Aufgabe der Erfindung besteht in der Bereitstellung eines Verfahrens zum Bearbeiten von Material mit Hilfe eines Lasers, das eine verbesserte Bearbeitungsqualität in Verbindung mit dicken Materialien sicherstellt. Außerdem muss der Aufwand an Schutzgasen gering sein.
  • Die Lösung der vorliegenden Erfindung wird in Anspruch 1 gegeben. Gemäß der vorliegenden Erfindung werden, wenn der Abstand zwischen dem Kopf, der die optischen Instrumente umfasst, und der ersten Oberfläche derart vergrößert wird, dass bewirkt wird, dass der Brennpunkt, der während des Schneidens angrenzend an die zweite Oberfläche angeordnet ist, auf der ersten Oberfläche angeordnet wird, die so genannten Vorbohrungen auf verbesserte Weise bereitgestellt. Außerdem wird das Risiko reduziert, dass das optische Instrument durch Metallteilchen beschädigt wird.
  • Ein Verfahren der obigen Art wird gemäß der Erfindung zum Schneiden von Plattenmaterial verwendet, wobei mehrere Brennpunkte zum Schmelzen/Schneiden des Plattenmaterials verwendet werden. Durch das Mehrfachlinsenobjektiv ist das Gesamtstrahlenbündel relativ schmal, wodurch die Düse für Schutzgase und infolgedessen der Aufwand an den Schutzgasen entsprechend reduziert werden kann. Es ist wohlbekannt, dass die Schutzgase für die Qualität und den Schnitt sehr wichtig sind.
  • Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sind die Brennpunkte in einer festen Entfernung relativ zueinander und zu der ersten und der zweiten Oberfläche positioniert.
  • Für die Komplexität der optischen Fokussierinstrumente ist es von Vorteil, wenn die Anzahl von Brennpunkten zwei beträgt.
  • Ein weiterer Vorteil ergibt sich in Verbindung mit der Entzündung, dem Schmelzen und dem Entfernen von Schmelze und Schlacke dadurch, dass mindestens einer der Brennpunkte zwischen der ersten und der zweiten Oberfläche an die zweite Oberfläche angrenzend bzw. an die erste und die zweite Oberfläche angrenzend angeordnet ist.
  • Um das Eindringen des Laserstrahls in die Schneidkerbe zu erleichtern, ist es zudem vorteilhaft, wenn die optischen Fokussierinstrumente den Laserstrahl auf mehrere Brennpunkte fokussieren, deren Abstand von der zweiten Oberfläche zusammen mit einem sich vergrößernden Abstand des Lichts von der Mittelachse des Laserstrahls derart vergrößert wird, dass der Mittelteil des Laserstrahls auf den Brennpunkt neben der zweiten Oberfläche fokussiert wird.
  • Kurze Beschreibung der Zeichnung
  • Unten werden unter Bezugnahme auf die beiliegende Zeichnung zwei Ausführungsformen der Erfindung ausführlicher beschrieben. Es zeigen:
  • 1a einen Laserschneidkopf mit durchlassenden optischen Instrumenten,
  • 1b einen Laserschneidkopf mit reflektierenden optischen Instrumenten,
  • 2a ein durchlässiges optisches Instrument, das drei Brennpunkte bildet,
  • 2b ein reflektierendes optisches Instrument, das drei Brennpunkte bildet,
  • 3a den Schneidkopf von 1a in einer Entfernung von der Oberfläche und
  • 3b den Schneidkopf von 1a in einer Entfernung von der Oberfläche.
  • Bestes Verfahren zum Ausführen der Erfindung
  • Es wird zunächst auf 1a Bezug genommen, wo eine mit Hilfe eines Lasers zu schneidende Platte 6 gezeigt wird. Die Platte umfasst eine erste Oberfläche 8 und eine zweite Oberfläche 9. Ein bewegliches integriertes Optik-Düsen-System, auch als Schneidkopf 10 bezeichnet, ist über der ersten Oberfläche 8 der Platte 6 vorgesehen. Der Schneidkopf 10 kann in einer Ebene parallel zu der ersten Oberfläche 8 des einzuschneidenden Materials bewegt werden, wodurch in das Material wahlweise Formen geschnitten werden können. Letzteres ist an sich bekannt und wird deshalb nicht näher erörtert. Der Schneidkopf 10 kann zudem in einem vorbestimmten Ausmaß senkrecht zu der ersten Oberfläche 8 derart bewegt werden, dass er während des Schneidens eine optimale Entfernung relativ zu einem Strom von Schneidgas und dem Fokussieren des Laserstrahls 2 einnehmen kann.
  • Der Schneidkopf 10 umfasst eine Druckkammer 3 mit einer Einlassöffnung 4, die ein kontinuierliches Füllen von Schneidgasen in die Druckkammer 3 gestattet, sowie eine Auslaßöffnung 5, die das Gas zu der Schnittstelle lenkt. Das verwendete Gas hängt von dem zu schneidenden Material ab, doch ist es in der Regel Sauerstoff in Verbindung mit wegzubrennendem gewöhnlichem Stahl oder ein Edelgas, wie etwa Stickstoff, in Verbindung mit wegschmelzendem rostfreiem Stahl.
  • Der Schneidkopf 10 umfasst außerdem ein optisches Instrument 1a, 1b, 21a, 21b, das einen Laserstrahl 2 auf eine Reihe von Brennpunkten F1, F2, ..., Fn fokussiert. Diese Brennpunkte sind auf einer gemeinsamen Achse A gestreut, die mit der ersten Oberfläche 8 des zu schneidenden Materials einen Winkel, in der Regel einen rechten Winkel, bildet. Diese Brennpunkte F1, F2, ..., Fn sind in einer festen Entfernung relativ zueinander und relativ zu der ersten und der zweiten Oberfläche 8, 9 des Materials beabstandet. Aus Gründen der Veranschaulichung sind die 1a und 1b schematische Ansichten einer Schnittkerbe 7, in der der Brennpunkt F... positioniert ist.
  • Bei der in 1 gezeigten Ausführungsform ist das optische Instrument 1a, 1b derart ausgebildet, dass der Mittelteil des Instruments, d.h. innerhalb von d2, den Mittelteil des Laserstrahls 2 auf den Brennpunkt F2 neben der zweiten Oberfläche 9 des Materials fokussiert, wohingegen der Umfangsteil außerhalb von d2 den Außenteil des Laserstrahls 2 auf den Brennpunkt F1 neben der ersten Oberfläche 8 des Materials fokussiert. Bei der dargestellten Ausführungsform ist der Brennpunkt F1 über der Oberfläche 8 im Sichtbereich des Schnitts angeordnet, es ist aber auch möglich, alle Brennpunkte F1, F2, ..., Fn zwischen der ersten und der zweiten Oberfläche 8, 9 anzuordnen.
  • Das optische Instrument kann auf vielerlei Weise strukturiert werden. Die Figuren veranschaulichen einfache Ausführungsformen unter Verwendung einer Linse 1a oder eines Spiegels 1b.
  • Die 2a und 2b zeigen Ausführungsformen optischer Instrumente 21a, 21b mit mehreren Brennpunkten F1, F2, ..., Fn, wobei der Deutlichkeit halber nur drei dargestellt sind. In diesem Fall werden die Brennpunkte von jeweiligen konzentrischen Teilen des optischen Instruments 21a, 21b derart ausgebildet, dass die Brennweite gleichzeitig mit einem zunehmenden Abstand von der Mitte abnimmt.
  • Der Abstand zwischen dem ganzen Schneidkopf 10 und der ersten Oberfläche kann derart variiert werden, dass er während des Startvorgangs vergrößert werden kann, wodurch bewirkt werden kann, dass der Brennpunkt F2, der während des Schneidens üblicherweise neben der zweiten Oberfläche 9 positioniert ist, auf der ersten Oberfläche positioniert ist. Der resultierende vergrößerte Abstand zwischen dem Schneidkopf 10 und der ersten Oberfläche 8 reduziert das Risiko, dass Teilchen geschmolzenen Materials durch die Düse 5 zurückkehren und dadurch die optischen Instrumente 1a, 1b zerstören, siehe 3a und 3b, wo die schematische Schnittkerbe 7 aus Gründen der Veranschaulichung beibehalten worden ist, um eine verbesserte Ansicht des Strahldurchgangs zu liefern, doch existiert diese Kerbe natürlich nicht vor der Einleitung des Schneidens.
  • Obwohl die Ausführungsformen einfache Linsenglieder beinhalten, ist es auch möglich, kompliziertere Anordnungen zu verwenden, wie etwa Kombinationen aus Linsen, die in Kombination die gewünschte Anzahl von Brennpunkten bilden.
  • Außerdem ist es in einem gewissen Ausmaß möglich, von der präzisen axialen Positionierung der Brennpunkte oder dem rechten Winkel dieser Achse mit der Oberfläche abzuweichen, ohne von der Grundidee der Erfindung abzuweichen. Eine derartige Vorgehensweise ist beispielsweise so lange möglich, wie es für die Schneidgeschwindigkeit von Vorteil ist, dass das Schneiden in den tiefen Schichten mit einem Minimum an Verschiebung relativ zu den Schichten darüber durchgeführt wird.

Claims (10)

  1. Verfahren zum Bearbeiten eines Materials mit einer ersten und einer zweiten Oberfläche (8, 9) mittels eines Laserstrahls (2), der von einem Schneidkopf (10) zugeführt wird und mittels eines Mehrfachlinsenobjektivs, das sich oberhalb der ersten Oberfläche befindet, auf eine Anzahl von Brennpunkten (F1, F2, ... Fn) fokussiert wird, die in etwa auf einer gemeinsamen Achse angeordnet sind, welche einen Winkel mit der ersten Oberfläche bildet, und die voneinander beabstandet sind, zum Schneiden von Plattenmaterial, wobei mehrere Brennpunkte zum Schmelzen/Schneiden des Plattenmaterials verwendet werden und wobei der mittlere Abschnitt des Laserstrahls (2) im Brennpunkt (F2) fokussiert ist, der an die zweite Oberfläche (9) grenzt, dadurch gekennzeichnet, dass der Brennpunkt, der während des Schneidens gewöhnlich angrenzend an die zweite Oberfläche (9) angeordnet ist, während des Startvorgangs des Schneidens auf der ersten Oberfläche (8) angeordnet wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennpunkte (F1, F2, ... Fn) im Abstand voneinander und von der ersten und der zweiten Oberfläche (8, 9) feststehend angeordnet sind.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Anzahl von Brennpunkten (F1, F2, ... Fn) zwei beträgt .
  4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens einer der Brennpunkte (F1, F2, ... Fn) zwischen der ersten und der zweiten Oberfläche (8, 9) an die zweite Oberfläche (9) angrenzend bzw. an die erste und die zweite Oberfläche angrenzend angeordnet ist.
  5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand zwischen dem Schneidkopf (10) und der ersten Oberfläche während des Startvorgangs vergrößert wird, wodurch der Brennpunkt, der gewöhnlich an die zweite Oberfläche (9) angrenzend angeordnet ist, an der ersten Oberfläche (8) angeordnet wird.
  6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die optischen Fokussierinstrumente (1a, 1b, 21a, 21b) den Laserstrahl (2) auf mehrere Brennpunkte (F1, F2, ... Fn) fokussieren, deren Abstand von der zweiten Oberfläche (9) zusammen mit dem sich vergrößernden Abstand des Lichts von der Mittelachse des Laserstrahls vergrößert wird,
  7. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Mehrfachlinsenobjektiv eine Linse (1a) oder ein Spiegel (1b) ist.
  8. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Mehrfachlinsenobjektiv eine Kombination von Linsen (1a) ist, die in Kombination die gewünschte Anzahl von Brennpunkten bilden.
  9. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein Gas auf den Ort des Schneidens geleitet wird, wobei es sich bei dem Gas um Sauerstoff und bei dem zu schneidenden Material um Stahl handelt.
  10. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein Gas auf den Ort des Schneidens geleitet wird, wobei es sich bei dem Gas um ein Inertgas und bei dem zu schneidenden Material um rostfreien Stahl handelt, bevorzugt ist das Gas Stickstoff.
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