WO2023222409A1 - Technik zum erzeugen einer kantenverrundung - Google Patents

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WO2023222409A1
WO2023222409A1 PCT/EP2023/061918 EP2023061918W WO2023222409A1 WO 2023222409 A1 WO2023222409 A1 WO 2023222409A1 EP 2023061918 W EP2023061918 W EP 2023061918W WO 2023222409 A1 WO2023222409 A1 WO 2023222409A1
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WO
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laser beam
workpiece
processing
cutting
laser
Prior art date
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PCT/EP2023/061918
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English (en)
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Inventor
Patrick Mach
Daniel Mock
Original Assignee
TRUMPF Werkzeugmaschinen SE + Co. KG
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    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
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    • B23K26/06—Shaping the laser beam, e.g. by masks or multi-focusing
    • B23K26/0604—Shaping the laser beam, e.g. by masks or multi-focusing by a combination of beams
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    • B23K26/352—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring for surface treatment
    • B23K26/354—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring for surface treatment by melting

Definitions

  • the present invention relates to the field of laser processing of metal workpieces, in particular plate-shaped or tubular ones.
  • the invention relates to a technique for reworking workpiece edges using a laser beam.
  • Methods for reworking cut edges of metallic workpieces are known from the prior art, in which a laser beam is used to irradiate the contour of a workpiece part that is at least partially cut out of a workpiece with the laser beam and thereby bring about a change in the edge properties.
  • a method is described in which, in a first processing step, a cutting gap is created in a workpiece using laser cutting, and in a second processing step, the cutting gap is at least partially traversed again with different processing parameters of the laser cutting system in order to achieve the cutting edge to modify.
  • the present invention is based on the object of improving the prior art.
  • the possibilities for creating roundings at the transition between the workpiece surface and the cutting flank of a metallic workpiece part cut by laser beam cutting should be improved.
  • the processing beam comprises a first laser beam and a second laser beam arranged at least partially next to the first laser beam.
  • the first laser beam and the second laser beam can also (partially) overlap.
  • the images of the first laser beam and the second laser beam preferably border one another without an overlap or are spaced apart from one another by a small separating gap.
  • the processing jet further comprises a process gas jet.
  • nitrogen, a gas mixture comprising nitrogen, or another inert gas or gas mixture can be used as the process gas.
  • the process gas jet can be generated by means of a processing nozzle of a processing head and directed together with at least one of the laser beams onto the workpiece to be processed.
  • the workpiece can in particular be a plate-shaped or tubular workpiece, which preferably consists of a steel material.
  • the method includes cutting the workpiece by guiding the processing beam along a cutting contour and using a first processing parameter set.
  • the method comprises reworking at least one cutting edge of the workpiece produced during cutting by guiding the processing beam along a reworking contour that corresponds to the cutting contour or that runs parallel to the cutting contour, and using a second processing parameter set.
  • the first processing parameter set and the second processing parameter set can, for example, differ at least with regard to the laser power used, the gas pressure used and/or the feed used differ from each other.
  • workpieces can first be processed by cutting in one operation, and the cut edges created can then be rounded in a targeted manner.
  • larger rounding radii 0.5 mm and more
  • roundings with a continuous surface transition to the workpiece surface and to the cutting flank surface can be created (i.e. no material protrusion), which preferably have a uniform rounding radius (i.e. no flattened roundings).
  • the first laser beam can have a higher intensity than the second laser beam.
  • the intensity refers to the power of the respective laser beam per area.
  • the intensity conditions in a common focal plane of the laser beams can be decisive.
  • the intensity can be understood in particular to mean an intensity averaged over the surface of the respective laser beam in its focal plane.
  • the area of the laser beam in its focal plane can be determined, for example, using the 80% method or the second moment method.
  • the second laser beam can preferably be directed onto the workpiece coaxially with the first laser beam, wherein the second laser beam preferably has a closed beam profile, in particular an annular beam profile, so that the second laser beam encloses the first laser beam.
  • the first and second laser beams can be partial beams of a common laser beam.
  • a total power of the laser beam can preferably be distributed among the partial beams in any desired ratio.
  • a technique for variable division of a laser beam into several partial beams is described, for example, in the applicant's WO 2011/124671 A1. It is understood that more than two laser beams can also be included in the processing beam, with preferably two adjacent laser (partial) beams having different intensities.
  • the first set of processing parameters can include the simultaneous use of the first laser beam and the second laser beam.
  • the first laser beam and the second laser beam are switched on or active when cutting the workpiece.
  • the second processing parameter set can in particular include the use of the first laser beam without the second laser beam. This means that the second laser beam can be switched off or inactive during the post-processing of the cut edge. Alternatively or additionally, however, the second laser beam can also be activated during post-processing.
  • the post-processing contour which is traversed by the processing beam during post-processing, can have an offset from the cutting contour in the direction of the cutting edge to be re-processed, which is between 0.1 mm and 1 mm. Due to the offset in the direction of the cutting edge to be reworked, the energy required to modify the cutting edge can be introduced more specifically into the required workpiece area. The efficiency of the process can be increased in this way.
  • a rounding with a first radius or a chamfer with a chamfer height can be produced at the upper end of the cutting edge to be reworked during cutting by irradiating the workpiece using the second laser beam, the rounding or the chamfer becoming one during the reworking Rounding is enlarged with a second radius, the second radius being larger than the first radius or than the chamfer height.
  • a chamfer that is rounded at the ends can also be created - i.e. a hybrid between rounding and chamfering. Creating the rounding and/or the chamfer during cutting preferably involves material removal.
  • the edge is not only melted by the second laser beam, but that workpiece material is also removed through the cutting gap using the process gas jet. Due to the material removal in the first process step, material removal during post-processing and to create the larger rounding is no longer required, or only to a small extent. The material removal generally prevents any material protruding from the rounding relative to the workpiece surface and the cutting flank.
  • the first rounding radius or the height of the chamfer can be between 0.1 mm and 0.7 mm, for example.
  • the second radius of the rounding enlarged in the post-processing step can be, for example, between 0.2 mm and 1.5 mm.
  • the second processing parameter set can specify a process gas pressure that is lower than a process gas pressure according to the first parameter set.
  • the pressure in the boiler chamber of a processing nozzle used for processing during post-processing can be at most 0.3 bar, preferably at most 0.1 bar, overpressure compared to the ambient pressure.
  • the low gas pressure used helps reduce turbulence during post-processing and creates a particularly smooth surface along the fillet. In this way, a particularly uniform and smooth rounding can be created. If the gas jet is too strong, the rounding could be deformed. Furthermore, gas consumption can be kept low due to the low pressure during post-processing.
  • a distance between the end face of a nozzle, via which the processing jet is directed onto the workpiece, and the workpiece surface according to the first Processing parameter set is lower than according to the second processing parameter set.
  • the distance between the nozzle and the workpiece is larger during post-processing than when cutting the workpiece.
  • a workpiece part in a first step, can be cut out of the workpiece along the cutting contour except for at least one remaining material web using the first processing parameter set, which connects the workpiece part with a remaining workpiece or an adjacent workpiece part of the workpiece. Furthermore, the cut edge of the workpiece part can be reworked in a second step using the second processing parameter set. The cut edge created can therefore be traversed again with changed parameters using the same processing head. In a subsequent, third step, the at least one material web can be severed.
  • the cutting can, for example, also be carried out with the processing beam, for example using the first processing parameter set.
  • the at least one material web can also be removed mechanically, in particular by pressing out, knocking out or shaking out the workpiece part from a surrounding remaining workpiece or residual grid of the workpiece or by bending or shaking off several workpiece parts held together by material webs.
  • the material web can extend over the full thickness of the workpiece as a so-called “microjoint” or can have a reduced height (so-called “nanojoint”).
  • nanojoints The advantage of using nanojoints is that the cut edge can be reworked along the entire circumference of the workpiece part during post-processing.
  • the material web can be designed as a so-called “microweid”, i.e. as a welding point, preferably at the upper end of the cutting gap, which holds together the parts of the workpiece separated by the cutting gap (workpiece parts and/or remaining workpiece or remaining grid parts).
  • a device for processing a metallic workpiece by means of a processing beam comprises a first laser beam and a second laser beam, arranged at least partially next to the first laser beam, as well as a process gas jet.
  • the device includes a workpiece support for storing the workpiece during a machining process. Furthermore, the device comprises at least one laser beam source for providing the laser radiation for the first and second laser beams.
  • the laser beam source can preferably be a solid-state laser, for example a fiber laser with one or more fiber laser modules, or a disk laser, or a diode laser.
  • the device further comprises a process gas supply for providing the process gas, as well as a processing head with focusing optics, the processing head being designed to direct the processing beam onto the workpiece surface.
  • the device comprises a multi-clad fiber with a core region and at least one ring region surrounding the core region, the multi-clad fiber being designed to guide the first laser beam within the core region and the second laser beam within the ring region from the laser beam source to the processing head or to transport.
  • the device also includes a control device which is designed to control the device for carrying out a method according to one of the variants described above.
  • the device can in particular be a laser cutting system, for example a flatbed laser cutting system or a tube laser cutting system.
  • a device can preferably comprise a beam splitting device which is arranged between the laser beam source and the multi-clad fiber and which is designed to split a laser input beam provided by the laser beam source into the first laser beam and the second laser beam, the first laser beam being generated by means of the beam splitting device into the core area of the Multiple clad fiber and the second laser beam can be coupled into the ring area of the multiple clad fiber.
  • the multi-clad fiber can also have several ring regions, preferably arranged concentrically to one another, which are each designed to guide a corresponding laser (partial) beam.
  • the beam splitting device can, for example, comprise a so-called wedge switch, which is arranged in the beam path of the laser input beam and, by means of lateral displacement relative to the laser input beam, controllably couples portions of the laser input beam into the core region and/or the ring region of the multi-clad fiber.
  • a wedge switch which is arranged in the beam path of the laser input beam and, by means of lateral displacement relative to the laser input beam, controllably couples portions of the laser input beam into the core region and/or the ring region of the multi-clad fiber.
  • a metallic workpiece comprises a base body with an upper side and an underside opposite the upper side.
  • the base body further comprises an edge that extends laterally along an outer contour or an inner contour of the base body.
  • the base body has a rounding along at least part of the outer contour and/or the inner contour at the transition between the top and the edge, which extends over a height of at least 0.2 mm, preferably at least 0.5 mm, whereby the Base body has a lower surface roughness along the rounding than along the rest of the edge.
  • An edge surface of the base body which can correspond in particular to a cutting edge, preferably extends essentially perpendicular to the surface of the base body.
  • a workpiece according to the invention can preferably have a rounding with a height of 0.2 mm to 1.5 mm.
  • the height of the fillet corresponds to the fillet radius.
  • the rounding can also be characterized by this be sure that it does not have any material elevations that protrude upwards on the workpiece surface or laterally beyond the edge surface.
  • the rounding on the workpiece surface and on the edge surface can each have a continuous transition. This can improve the feel at the upper end of the workpiece edge.
  • the uniformity of the coating on the workpiece edge can be improved by the smooth transition of the rounding.
  • the smooth rounding reduces the risk of injury when handling the workpiece or the workpiece part.
  • the surface roughness along the fillet can preferably be at most R.z 30.
  • the workpiece can be produced particularly efficiently using a method according to one of the variants described above.
  • the workpiece can therefore be at least partially cut out as a workpiece part in one operation from a workpiece, for example a plate-shaped workpiece, and reworked in the area of the cut edges produced to form the advantageous edge roundings.
  • FIG. 2 A further representation to illustrate a machining method according to the invention
  • 3 schematically shows a front view of the cutting edge of a workpiece or a workpiece part according to the present invention.
  • FIG. 4-5 representations of workpiece parts according to the invention.
  • a machining method according to the invention is described below as an example using Figures la and lb. Shown schematically is an arrangement for laser processing a metal workpiece W.
  • a processing beam 20, which comprises a first laser beam 22 and a second laser beam 24, as well as a process gas jet (not shown in the figures), is applied to the by means of a processing nozzle (also not shown). Surface of the workpiece W directed.
  • the first laser beam 22 and the second laser beam 24 are partial beams of a common laser beam, which is provided by means of a multi-clad fiber, here a 2-in-1 fiber 10, with the first partial beam 22 over a core region 12 and the second partial beam 24 is provided via a ring area of the 2-in-1 fiber 10.
  • the laser beams 22 and 24 are focused in the direction of the workpiece W by means of focusing optics, shown here schematically by a focusing lens 30, and directed together with the process gas onto the workpiece surface via the processing nozzle.
  • the processing beam is moved relative to the workpiece surface using predetermined processing parameters.
  • the workpiece W is cut in a first method step using a first set of parameters, with a workpiece part Wi being locally separated from one another from a remaining workpiece W2 by a cutting gap.
  • a rounding 42a or chamfer 42b (see FIG. 2, step a)) is simultaneously generated at the upper ends of the cutting flanks by the action of the second laser beam 24, which has a lower intensity than the first laser beam 22.
  • material is removed under the influence of the process gas, which is directed at the workpiece W at high pressure. It may be preferred that the fillet 42a has a chamfer-like, flattened shape.
  • the cutting edge produced is again traversed with the processing beam 20 using a second set of parameters (cf. Figs. 1b and 2b).
  • the rounding 42a or chamfer 42b created during cutting is enlarged, so that a final rounding 44 of high quality is created.
  • a plate-shaped workpiece W made of CrNi steel, which has a thickness of 2 mm, can be processed according to the invention on a 2D laser flatbed machine with 12 kW laser power.
  • the first process step of cutting can be implemented using the first processing parameter set.
  • a beam switch in the laser input beam can simultaneously couple the laser power into both the core area 12 and the ring area 14 of the 2-in-1 fiber.
  • the core beam (first laser beam 22) produces the separating cut
  • the ring beam (second laser beam 24) ensures melting and thus at least partial rounding 42a of the workpiece surface or upper cutting edge, with material removal also taking place in the area of rounding 42a.
  • the first partial beam 22 with approximately 8 kW laser power is coupled into the core area 12 with a diameter of 100 pm.
  • the second partial beam 24 with approximately 4 kW laser power is coupled into the ring area 14 with an outer diameter of 400 pm.
  • the reproduction ratio is 2.1.
  • the focus diameter (of the second laser beam 24) is 840 pm.
  • the feed speed is 40 m/min.
  • the focus position is in the area of the workpiece surface or just below the surface, for example approximately 0.5 mm below the workpiece surface. Nitrogen is used as the cutting gas.
  • the cutting gas pressure is 23 bar (overpressure compared to the ambient pressure) with a nozzle distance of 4 mm from the workpiece surface.
  • the processing nozzle (or cutting nozzle) has a diameter of 2.3 mm.
  • the rounding 42a created during cutting has a height of approximately 0.2 mm.
  • the second process step of post-processing is then implemented using the second processing parameter set.
  • the laser beam can preferably be switched off and the cutting head can be moved back to the starting point of the cut.
  • the cutting head can be offset from the cutting contour by 0.2 mm in the direction of the cutting edge to be reworked (good part contour) and the cutting edge can be moved again with changed processing parameters according to the second processing parameter set.
  • the distance between the nozzle and the workpiece W can be 5 mm, with a focus diameter of the first laser (partial) beam 22 of 210 pm and a laser power of 370 W.
  • the laser power for post-processing can be significantly lower than for cutting.
  • the second laser (partial) beam 24 can be switched off for post-processing according to the exemplary variant described.
  • the process gas pressure is, for example, 0.2 bar; the focal plane of the first laser beam 22 can be approximately 2 mm above the nozzle end face, i.e. within the nozzle body.
  • the feed speed can be 2.2 m/min.
  • the feed speed according to the second processing parameter set can therefore be significantly lower than the feed speed according to the first processing parameter set. This can increase the quality of the rounding.
  • the rounding created with the machining parameters described above can have a rounding radius of approximately 0.5 mm.
  • FIG. 2 shows a variant of the method according to the invention, in which a chamfer 42b is produced during cutting (see step a)).
  • a chamfer 42b is produced during cutting (see step a)).
  • the material removal is maximized compared to a rounding 42a (see Fig. la) at the same height.
  • the size or the radius or the height of the end rounding 44 depends largely on the material removal at the rounding point during cutting.
  • the process gas pressure can therefore be chosen to be significantly lower than for cutting, which can improve the shape and surface quality of the rounding.
  • FIG. 2 also illustrates the displacement of the processing beam 20 for post-processing relative to the cutting contour in the direction of the cutting edge to be re-processed.
  • a nozzle with the largest possible nozzle diameter can be used for the entire processing process.
  • the cutting gas pressure can be reduced compared to the example above.
  • the protective gas coverage of the processing area can be improved and in this way the formation of tarnishing colors on the workpiece surface can be counteracted.
  • FIG 3 shows a front view of a workpiece edge of a workpiece or workpiece part Wi according to the invention.
  • the workpiece part Wi was not completely cut out in the first process step and was connected to the surrounding remaining workpiece or an adjacent workpiece part via a material web - here in the form of a nanojoint 50. Due to the reduced height of the nanojoint 50, the rounding 44 could be created along the entire circumference of the workpiece in the second process step before the nanojoint 50 was severed to separate the workpiece part Wi.
  • the surface of the workpiece part Wi along the fillet 44 has a roughness of at most Rz30.
  • FIG. 4 and 5 each show workpiece parts Wi according to the present invention, the representation according to FIG. 5 approximately corresponding to the schematic representation according to FIG. 3.
  • the shiny surface can be seen along the roundings 44 created, which (see Figure 4) extend along the inner contour and the outer contour of the workpiece part Wi.

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Abstract

Bereitgestellt wird ein Verfahren zum Bearbeiten eines metallischen Werkstücks (W) mittels eines Bearbeitungsstrahls (20), der einen ersten Laserstrahl (22) und einen, zumindest teilweise neben dem ersten Laserstrahl (22) angeordneten zweiten Laserstrahl (24), sowie einen Prozessgasstrahl umfasst. Das Verfahren umfasst die folgenden Schritte: Schneiden des Werkstücks (W) durch Führen des Bearbeitungsstrahls (20) entlang einer Schneidkontur und unter Verwendung eines ersten Bearbeitungsparametersatzes; und Nachbearbeiten wenigstens einer während des Schneidens erzeugten Schnittkante des Werkstücks (W) durch Führen des Bearbeitungsstrahls (20) entlang einer Nachbearbeitungskontur, die der Schneidkontur entspricht oder die parallel zur Schneidkontur verläuft, und unter Verwendung eines zweiten Bearbeitungsparametersatzes. Ferner wird eine Vorrichtung zur Implementierung des Verfahrens sowie ein mittels des Verfahrens herstellbares metallisches Werkstück bereitgestellt.

Description

Technik zum Erzeugen einer Kantenverrundung
Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft das Gebiet der Laserbearbeitung von, insbesondere platten- oder rohrförmigen, metallischen Werkstücken. Insbesondere betrifft die Erfindung eine Technik zum Nachbearbeiten von Werkstückkanten mittels Laserstrahls.
Stand der Technik
Aus dem Stand der Technik sind Methoden zum Nachbearbeiten von Schnittkanten metallischer Werkstücke bekannt, bei denen ein Laserstrahl eingesetzt wird, um die Kontur eines aus einem Werkstück zumindest teilweise ausgeschnittenen Werkstückteils mit dem Laserstrahl zu bestrahlen und dadurch eine Veränderung der Kantenbeschaffenheit herbeizuführen. In der WO 2020/173970 Al wird beispielsweise ein Verfahren beschrieben, bei dem in einem ersten Bearbeitungsschritt mittels Laserschneidens ein Schnittspalt in einem Werkstück erzeugt wird, und in einem zweiten Bearbeitungsschritt der Schnittspalt zumindest teilweise nochmals mit anderen Bearbeitungsparametern der Laserschneidanlage abgefahren wird, um die Schnittkante zu modifizieren. In der DE 10 2019 125 103 Al wird ein Verfahren beschrieben, bei dem unter Verwendung eines Bearbeitungslaserstrahls, der verschiedene Energieintensitäts- Bereiche aufweist, gleichzeitig eine Grobbearbeitung (insb. Schneiden unter Erzeugung von Schnittkanten) und eine Feinbearbeitung (insb. Abrunden und/oder Anfasen der erzeugten Schnittkanten) vorgenommen wird.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde den Stand der Technik zu verbessern. Insbesondere sollen die Möglichkeiten beim Erzeugen von Verrundungen am Übergang zwischen der Werkstückoberfläche und der Schnittflanke eines mittels Laserstrahlschneidens geschnittenen metallischen Werkstückteils verbessert werden. Die Erfindung
Zur Lösung der der Erfindung zugrundeliegenden Aufgabe wird ein Verfahren zum Bearbeiten eines metallischen Werkstücks mittels eines Bearbeitungsstrahls bereitgestellt. Der Bearbeitungsstrahl umfasst einen ersten Laserstrahl und einen, zumindest teilweise neben dem ersten Laserstrahl angeordneten zweiten Laserstrahl. Beispielsweise können sich der erste Laserstrahl und der zweite Laserstrahl auch (teilweise) überlappen. In einer Ebene der Werkstückoberfläche grenzen die Abbildungen des ersten Laserstrahls und des zweiten Laserstrahls vorzugsweise ohne überlapp oder durch einen kleinen Trennspalt voneinander beabstandet aneinander. Der Bearbeitungsstrahl umfasst ferner einen Prozessgasstrahl. Als Prozessgas kann insbesondere Stickstoff, ein Stickstoff umfassendes Gasgemisch, oder auch ein anderes inertes Gas oder Gasgemisch verwendet werden. Vorzugsweise kann der Prozessgasstrahl mittels einer Bearbeitungsdüse eines Bearbeitungskopfes erzeugt und gemeinsam mit wenigstens einem der Laserstrahlen auf das zu bearbeitende Werkstück gerichtet werden. Bei dem Werkstück kann es sich insbesondere um ein platten- oder rohrförmiges Werkstück handeln, das vorzugsweise aus einem Stahlwerkstoff besteht.
Das Verfahren umfasst in einem ersten Schritt ein Schneiden des Werkstücks durch Führen des Bearbeitungsstrahls entlang einer Schneidkontur und unter Verwendung eines ersten Bearbeitungsparametersatzes.
In einem zweiten Schritt, der insbesondere unmittelbar auf den ersten Bearbeitungsschritt folgt, umfasst das Verfahren ein Nachbearbeiten wenigstens einer während des Schneidens erzeugten Schnittkante des Werkstücks durch Führen des Bearbeitungsstrahls entlang einer Nachbearbeitungskontur, die der Schneidkontur entspricht oder die parallel zur Schneidkontur verläuft, und unter Verwendung eines zweiten Bearbeitungsparametersatzes.
Der erste Bearbeitungsparametersatz und der zweite Bearbeitungsparametersatz können sich beispielsweise zumindest hinsichtlich der verwendeten Laserleistung, dem verwendeten Gasdruck, und/oder dem verwendeten Vorschub voneinander unterscheiden.
Durch das vorgeschlagene Verfahren können Werkstücke in einem Arbeitsgang zunächst schneidend bearbeitet, und die erzeugten Schnittkanten anschließend gezielt verrundet werden. Gegenüber dem Stand der Technik sind mit dem vorgeschlagenen Verfahren größere Verrundungsradien (0,5 mm und mehr) bei sehr guter Verrundungsqualität möglich. Insbesondere sind Verrundungen mit einem stetigen Oberflächenübergang zur Werkstückoberfläche und zur Schnittflankenoberfläche erzeugbar (d.h. kein Materialüberstand), die vorzugsweise einen gleichmäßigen Verrundungsradius aufweisen (d.h. keine abgeflachten Verrundungen).
Gemäß einer bevorzugten Variante kann der erste Laserstrahl eine höhere Intensität aufweisen als der zweite Laserstrahl. Unter der Intensität wird die Leistung des jeweiligen Laserstrahls pro Fläche verstanden. Beispielsweise können die Intensitätsverhältnisse in einer gemeinsamen Fokusebene der Laserstrahlen maßgeblich sein. Unter der Intensität kann insbesondere eine über die Fläche des jeweiligen Laserstrahls in seiner Fokusebene gemittelte Intensität verstanden werden. Die Fläche des Laserstrahls in seiner Fokusebene ist beispielsweise mittels der 80 %-Methode oder der 2.-Momente-Methode bestimmbar.
Der zweite Laserstrahl kann vorzugsweise koaxial zu dem ersten Laserstrahl auf das Werkstück gerichtet werden, wobei der zweite Laserstrahl vorzugsweise ein geschlossenes Strahlprofil, insbesondere ein ringförmiges Strahlprofil, aufweist, sodass der zweite Laserstrahl den ersten Laserstrahl umschließt.
Insbesondere können der erste und der zweite Laserstrahl Teilstrahlen eines gemeinsamen Laserstrahls sein. Eine Gesamtleistung des Laserstrahls lässt sich vorzugsweise in einem beliebigen Verhältnis auf die Teilstrahlen verteilen. Eine Technik zur variablen Teilung eines Laserstrahls in mehrere Teilstrahlen wird beispielsweise in der WO 2011/124671 Al der Anmelderin beschrieben. Es versteht sich, dass auch mehr als zwei Laserstrahlen von dem Bearbeitungsstrahl umfasst sein können, wobei vorzugsweise zwei benachbarte Laser(teil)strahlen unterschiedliche Intensitäten aufweisen.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren kann der erste Bearbeitungsparametersatz die gleichzeitige Verwendung des ersten Laserstrahls und des zweiten Laserstrahls umfassen. Mit anderen Worten kann es vorgesehen sein, dass beim Schneiden des Werkstücks der erste Laserstrahl und der zweite Laserstrahl eingeschaltet bzw. aktiv sind. Gemäß einer alternativen Variante ist es auch denkbar, dass beim Schneiden nur der erste Laserstrahl aktiv ist.
Der zweite Bearbeitungsparametersatz kann insbesondere die Verwendung des ersten Laserstrahls ohne den zweiten Laserstrahl umfassen. Das heißt, der zweite Laserstrahl kann während des Nachbearbeitens der Schnittkante abgeschaltet bzw. inaktiv sein. Alternativ oder zusätzlich kann jedoch auch der zweite Laserstrahl während des Nachbearbeitens aktiviert werden.
Die Nachbearbeitungskontur, die beim Nachbearbeiten von dem Bearbeitungsstrahl abgefahren wird, kann einen Versatz zur Schneidkontur in Richtung der nachzubearbeitenden Schnittkante aufweisen, welcher zwischen 0,1 mm und 1 mm beträgt. Durch den Versatz in Richtung der nachzubearbeitenden Schnittkante kann die zur Modifikation der Schnittkante erforderliche Energie gezielter in den erforderlichen Werkstückbereich eingebracht werden. Die Effizienz des Verfahrens kann auf diese Weise gesteigert werden.
Gemäß einer bevorzugten Variante des Verfahrens kann während des Schneidens durch Bestrahlung des Werkstücks mittels des zweiten Laserstrahls eine Verrundung mit einem ersten Radius oder eine Fase mit einer Fasenhöhe am oberen Ende der nachzubearbeitenden Schnittkante erzeugt werden, wobei die Verrundung oder die Fase während des Nachbearbeitens zu einer Verrundung mit einem zweiten Radius vergrößert wird, wobei der zweite Radius größer ist als der erste Radius bzw. als die Fasenhöhe. Während des Schneidens kann auch eine an ihren Enden abgerundete Fase erzeugt werden - also eine Mischform zwischen Verrundung und Fase. Das Erzeugen der Verrundung und/oder der Fase während des Schneidens umfasst vorzugsweise einen Materialabtrag. Es kann mit anderen Worten vorgesehen sein, dass die Kante durch den zweiten Laserstrahl nicht bloß aufgeschmolzen wird, sondern dass mittels des Prozessgasstrahls auch Werkstückmaterial durch den Schnittspalt abgetragen wird. Durch den Materialabtrag bereits im ersten Verfahrensschritt ist ein Materialabtrag während des Nachbearbeitens und zur Erzeugung der größeren Verrundung nicht mehr, oder nur noch in geringem Ausmaß erforderlich. Durch den Materialabtrag wird allgemein ein Materialüberstand der Verrundung gegenüber der Werkstückoberfläche und der Schnittflanke vermieden.
Der erste Verrundungsradius bzw. die Höhe der Fase kann beispielsweise zwischen 0,1 mm und 0,7 mm betragen. Der zweite Radius der im Nachbearbeitungsschritt vergrößerten Verrundung kann beispielsweise zwischen 0,2 mm und 1,5 mm betragen.
Der zweite Bearbeitungsparametersatz kann einen Prozessgasdruck vorgeben, der geringer ist als ein Prozessgasdruck gemäß dem ersten Parametersatz. Beispielsweise kann der Druck im Kesselraum einer für die Bearbeitung verwendeten Bearbeitungsdüse bei der Nachbearbeitung höchstens 0,3 bar, vorzugsweise höchstens 0,1 bar Überdruck gegenüber dem Umgebungsdruck betragen. Der geringe verwendete Gasdruck trägt zur Reduzierung von Turbulenzen während der Nachbearbeitung und zur Erzeugung einer besonders glatten Oberfläche entlang der Verrundung bei. Auf diese Weise kann eine besonders gleichmäßige und glatte Verrundung erzeugt werden. Durch einen zu starken Gasstrahl könnte die Verrundung verformt werden. Ferner kann durch den geringen Druck während der Nachbearbeitung der Gasverbrauch geringgehalten werden.
Vorteilhafter Weise kann es vorgesehen sein, dass ein Abstand zwischen der Stirnfläche einer Düse, über die der Bearbeitungsstrahl auf das Werkstück gerichtet wird, und der Werkstückoberfläche gemäß dem ersten Bearbeitungsparametersatz geringer ist als gemäß dem zweiten Bearbeitungsparametersatz. Mit anderen Worten ist der Abstand zwischen Düse und Werkstück beim Nachbearbeiten größer als beim Schneiden des Werkstücks.
Vorzugsweise kann bei dem erfindungsgemäßen Verfahren in einem ersten Schritt ein Werkstückteil entlang der Schneidkontur aus dem Werkstück bis auf wenigstens einen verbleibenden Materialsteg unter Verwendung des ersten Bearbeitungsparametersatzes ausgeschnitten werden, der das Werkstückteil mit einem Restwerkstück oder einem benachbarten Werkstückteil des Werkstücks verbindet. Weiter kann die Schnittkante des Werkstückteils in einem zweiten Schritt unter Verwendung des zweiten Bearbeitungsparametersatzes nachbearbeitet werden. Die erzeugte Schnittkante kann also mit veränderten Parametern unter Verwendung des gleichen Bearbeitungskopfes nochmals abgefahren werden. In einem nachfolgenden, dritten Schritt kann der wenigstens eine Materialsteg durchtrennt werden.
Die Durchtrennung kann beispielsweise auch mit dem Bearbeitungsstrahl erfolgen, beispielsweise unter Verwendung des ersten Bearbeitungsparametersatzes. Alternativ kann der wenigstens eine Materialsteg auch mechanisch entfernt werden, insbesondere durch Herausdrücken, Herausschlagen oder Herausrütteln des Werkstückteils aus einem umgebenden Restwerkstück bzw. Restgitter des Werkstücks oder durch Abknicken oder Abrütteln mehrerer durch Materialstege zusammengehaltener Werkstückteile. Der Materialsteg kann sich als sogenannter „Microjoint" über die volle Dicke des Werkstücks erstrecken, oder aber eine reduzierte Höhe aufweisen (sog. „Nanojoint"). Die Verwendung von Nanojoints hat den Vorteil, dass die Schnittkante während der Nachbearbeitung entlang des gesamten Umfangs des Werkstückteils nachbearbeitet werden kann. Ferner kann der Materialsteg als sogenannter „Microweid" ausgebildet sein, also als Schweißpunkt, vorzugsweise am oberen Ende des Schnittspalts, der die durch den Schnittspalt getrennten Teile (Werkstückteile und/oder Restwerkstück- bzw. Restgitterteile) des Werkstücks zusammenhält. Zur Lösung der der Erfindung zugrundeliegenden Aufgabe wird ferner eine Vorrichtung zur Bearbeitung eines metallischen Werkstücks mittels eines Bearbeitungsstrahls bereitgestellt. Der Bearbeitungsstrahl umfasst einen ersten Laserstrahl und einen, zumindest teilweise neben dem ersten Laserstrahl angeordneten zweiten Laserstrahl, sowie einen Prozessgasstrahl.
Die Vorrichtung umfasst eine Werkstückauflage zur Lagerung des Werkstücks während eines Bearbeitungsprozesses. Ferner umfasst die Vorrichtung wenigstens eine Laserstrahlquelle zur Bereitstellung der Laserstrahlung für den ersten und den zweiten Laserstrahl. Die Laserstrahlquelle kann vorzugsweise ein Festkörperlaser sein, z.B. ein Faserlaser mit einem oder mehreren Faserlasermodulen, oder ein Scheibenlaser, oder ein Diodenlaser. Die Vorrichtung umfasst ferner eine Prozessgaszufuhr zur Bereitstellung des Prozessgases, sowie einen Bearbeitungskopf mit einer Fokussieroptik, wobei der Bearbeitungskopf dazu ausgebildet ist, den Bearbeitungsstrahl auf die Werkstückoberfläche zu richten. Die Vorrichtung umfasst eine Mehrfachclad- Faser mit einem Kernbereich und wenigstens einem, den Kernbereich umgebenden Ringbereich, wobei die Mehrfachclad-Faser dazu ausgebildet ist den ersten Laserstrahl innerhalb des Kernbereichs und den zweiten Laserstrahl innerhalb des Ringbereichs von der Laserstrahlquelle zu dem Bearbeitungskopf zu führen bzw. zu transportieren. Die Vorrichtung umfasst auch eine Steuerungseinrichtung, die dazu ausgebildet, die Vorrichtung zur Durchführung eines Verfahrens gemäß einer der oben beschriebenen Varianten zu steuern.
Bei der Vorrichtung kann es sich insbesondere um eine Laserschneidanlage, zum Beispiel eine Flachbett-Laserschneidanlage oder eine Rohr-Laserschneidanlage handeln.
Eine erfindungsgemäße Vorrichtung kann vorzugsweise eine Strahlaufteilungseinrichtung umfassen, die zwischen der Laserstrahlquelle und der Mehrfachclad-Faser angeordnet ist, und die dazu ausgebildet ist, einen von der Laserstrahlquelle bereitgestellten Lasereingangsstrahl in den ersten Laserstrahl und den zweiten Laserstrahl aufzuteilen, wobei mittels der Strahlaufteilungseinrichtung der erste Laserstrahl in den Kernbereich der Mehrfachclad-Faser und der zweite Laserstrahl in den Ringbereich der Mehrfachclad-Faser einkoppelbar ist. Wie bereits weiter oben erwähnt, können auch mehr als zwei Laserstrahlen von dem Bearbeitungsstrahl umfasst sein. Entsprechend kann die Mehrfachclad-Faser auch mehrere, vorzugsweise konzentrisch zueinander angeordnete, Ringbereiche aufweise, die jeweils zur Führung eines entsprechenden Laser(teil)strahls ausgebildet sind. Die Strahlaufteilungseinrichtung kann beispielsweise eine sogenannte Keilweiche umfassen, die im Strahlengang des Lasereingangsstrahls angeordnet ist, und durch laterale Verschiebung gegenüber dem Lasereingangsstrahl steuerbar Anteile des Lasereingangsstrahls in den Kernbereich und/oder den Ringbereich der Mehrfachclad-Faser einkoppelt. Ein Prinzip zur Strahlaufteilung mittels Keilweiche ist beispielhaft in der WO 2011/124671 Al, oder auch in der Deutschen Patentanmeldung mit dem amtlichen Aktenzeichen 10 2022 110 078.2 der Anmelderin beschrieben.
Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein metallisches Werkstück bereitgestellt. Das Werkstück umfasst einen Grundkörper mit einer Oberseite und einer der Oberseite gegenüberliegenden Unterseite. Der Grundkörper umfasst ferner eine Kante, die sich seitlich, entlang einer Außenkontur oder einer Innenkontur des Grundkörpers erstreckt. Der Grundkörper weist entlang wenigstens eines Teils der Außenkontur und/oder der Innenkontur am Übergang zwischen der Oberseite und der Kante eine Verrundung auf, die sich über eine Höhe von wenigstens 0,2 mm, vorzugsweise von wenigstens 0,5 mm, erstreckt, wobei der Grundkörper entlang der Verrundung eine geringere Oberflächenrauheit aufweist als entlang des Restes der Kante.
Eine Kantenfläche des Grundkörpers, die insbesondere einer Schnittflanke entsprechen kann, erstreckt sich vorzugsweise im Wesentlichen senkrecht zur Oberfläche des Grundkörpers.
Ein erfindungsgemäßes Werkstück kann vorzugsweise eine Verrundung mit einer Höhe von 0,2 mm bis 1,5 mm aufweisen. Die Höhe der Verrundung entspricht dem Verrundungsradius. Die Verrundung kann ferner dadurch gekennzeichnet sein, dass sie keine Materialüberhöhungen aufweist, die nach oben hin an der Werkstückoberfläche oder seitlich über die Kantenfläche hinausragen. Mit anderen Worten kann die Verrundung an der Werkstückoberfläche und an der Kantenfläche jeweils einen stetigen Übergang aufweisen. Dadurch kann die Haptik am oberen Ende der Werkstückkante verbessert werden. Bei einer Beschichtung des Werkstücks mit einem Beschichtungsmittel, bspw. mit einem Lack, kann die Gleichmäßigkeit der Beschichtung an der Werkstückkante durch den weichen Übergang der Verrundung verbessert werden. Ferner wird durch die glatte Verrundung die Verletzungsgefahr beim Umgang mit dem Werkstück bzw. dem Werkstückteil reduziert.
Die Oberflächenrauheit entlang der Verrundung kann vorzugsweise höchstens R.z 30 betragen.
Das Werkstück ist besonders effizient mittels eines Verfahrens gemäß einer der weiter oben beschriebenen Varianten herstellbar. Das Werkstück kann demnach als Werkstückteil in einem Arbeitsgang aus einem, z.B. plattenförmigen, Werkstück zumindest teilweise ausgeschnitten und im Bereich der erzeugten Schnittkanten unter Ausbildung der vorteilhaften Kantenverrundungen nachbearbeitet werden.
Ausführungsbeispiele
Die nachfolgende Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele dient im Zusammenhang mit den Zeichnungen der näheren Erläuterung der Erfindung.
Es zeigen:
Fign. la-b Darstellungen zur Veranschaulichung eines erfindungsgemäßen Bearbeitungsverfahrens gemäß einer Variante;
Fig. 2 Eine weitere Darstellung zur Veranschaulichung eines erfindungsgemäßen Bearbeitungsverfahrens; Fig. 3 Schematisch eine Frontansicht der Schnittkante eines Werkstücks bzw. eines Werkstückteils gemäß der vorliegenden Erfindung; und
Fign. 4-5 Darstellungen von erfindungsgemäßen Werkstückteilen.
Anhand der Figuren la und lb wird im Folgenden ein erfindungsgemäßes Bearbeitungsverfahren beispielhaft beschrieben. Gezeigt ist schematisch eine Anordnung zur Laserbearbeitung eines metallischen Werkstücks W. Ein Bearbeitungsstrahl 20, der einen ersten Laserstrahl 22 und einen zweiten Laserstrahl 24, sowie einen Prozessgasstrahl (in den Figuren nicht dargestellt) umfasst, wird mittels einer Bearbeitungsdüse (ebenfalls nicht dargestellt) auf die Oberfläche des Werkstücks W gerichtet. Der erste Laserstrahl 22 und der zweite Laserstahl 24 sind gemäß dem dargestellten Beispiel Teilstrahlen eines gemeinsamen Laserstrahls, der mittels einer Mehrfachclad-Faser, hier einer 2-in- 1-Faser 10, bereitgestellt wird, wobei der erste Teilstrahl 22 über einen Kernbereich 12 und der zweite Teilstrahl 24 über einen Ringbereich der 2-in-l- Faser 10 bereitgestellt wird. Die Lasertrahlen 22 und 24 werden mittels einer Fokussieroptik, hier schematisch durch eine Fokussierlinse 30 dargestellt, in Richtung des Werkstücks W fokussiert und gemeinsam mit dem Prozessgas über die Bearbeitungsdüse auf die Werkstückoberfläche gerichtet. Zur Bearbeitung des Werkstücks W wird der Bearbeitungsstrahl unter Verwendung vorgegebener Bearbeitungsparameter relativ zur Werkstückoberfläche bewegt.
Das Werkstück W wird in einem ersten Verfahrensschritt unter Verwendung eines ersten Parametersatzes geschnitten, wobei ein Werkstückteil Wi von einem Restwerkstück W2 durch einen ein Schnittspalt lokal voneinander getrennt werden. Während des Schneidens wird durch Einwirkung des zweiten Laserstrahls 24, der eine geringere Intensität aufweist als der erste Laserstrahl 22, gleichzeitig eine Verrundung 42a bzw. Fase 42b (vgl. Fig. 2, Schritt a)) an den oberen Enden der Schnittflanken erzeugt. Beim Erzeugen der Verrundung 42a bzw. der Fase 42b wird unter Einwirkung des Prozessgases, das mit hohem Druck auf das Werkstück W gerichtet wird, Material abgetragen. Es kann bevorzugt sein, dass die Verrundung 42a eine fasenähnliche, abgeflachte Form aufweist. In einem zweiten Verfahrensschritt wird die erzeugte Schnittkante unter Verwendung eines zweiten Parametersatzes erneut mit dem Bearbeitungsstrahl 20 abgefahren (vgl. Fign. lb und 2b). Dabei wird die während des Schneidens erzeugte Verrundung 42a oder Fase 42b vergrößert, sodass eine Endverrundung 44 hoher Qualität entsteht.
Beispielsweise kann mit dem Verfahren ein plattenförmiges Werkstück W aus CrNi-Stahl, das eine Dicke von 2 mm aufweist, auf einer 2D- Laserflachbettmaschine mit 12 kW Laserleistung erfindungsgemäß bearbeitet werden. Zuerst kann dabei der erste Verfahrensschritt des Schneidens unter Verwendung des ersten Bearbeitungsparametersatzes umgesetzt werden. Dabei kann eine Strahlweiche im Lasereingangsstrahl die Laserleistung zeitgleich sowohl in den Kernbereich 12 als auch in den Ringbereich 14 der 2-in-l-Faser einkoppeln. Der Kernstrahl (erster Laserstrahl 22) erzeugt den Trennschnitt, der Ringstrahl (zweiter Laserstrahl 24) sorgt für eine Anschmelzung und damit zumindest teilweise für eine Verrundung 42a der Werkstückoberfläche bzw. oberen Schnittkante, wobei auch ein Materialabtrag im Bereich der Verrundung 42a stattfindet. Zum Schneiden wird beispielhaft in den Kernbereich 12 mit einem Durchmesser von 100 pm der erste Teilstrahl 22 mit ca. 8 kW Laserleistung eingekoppelt. In die den Ringbereich 14 mit einem Außendurchmesser von 400 pm wird der zweite Teilstrahl 24 mit ca. 4 kW Laserleistung eingekoppelt. Das Abbildungsverhältnis beträgt 2,1. Der Fokusdurchmesser (des zweiten Laserstrahls 24) beträgt 840 pm. Die Vorschubgeschwindigkeit beträgt 40 m/min. Die Fokuslage befindet sich im Bereich der Werkstückoberfläche bzw. kurz unterhalt der Oberfläche, z.B. etwa 0,5 mm unterhalb der Werkstückoberfläche. Als Schneidgas wird Stickstoff verwendet. Der Schneidgasdruck beträgt 23 bar (Überdruck ggü. dem Umgebungsdruck) bei einem Düsenabstand von 4 mm zur Werkstückoberfläche. Die Bearbeitungsdüse (bzw. Schneiddüse) weist einen Durchmesser von 2,3 mm auf. Die beim Schneiden erzeugte Verrundung 42a weist eine Höhe von etwa 0,2 mm auf. Anschließend wird der zweite Verfahrensschritt des Nachbearbeitens unter Verwendung des zweiten Bearbeitungsparametersatzes umgesetzt. Zwischen dem Schneiden und dem Nachbearbeiten kann der Laserstrahl vorzugsweise ausgeschaltet und der Schneidkopf wieder an den Ausgangspunkt des Schnittes zurückgefahren werden. Zum Nachbearbeiten bzw. Verrunden der Schnittkante kann der Schneidkopf gegenüber der Schneidkontur um 0,2 mm in Richtung der nachzubearbeitenden Schnittkante (Gutteilkontur) versetzt werden und die Schnittkante mit veränderten Bearbeitungsparametern gemäß dem zweiten Bearbeitungsparametersatz erneut abgefahren werden. De Abstand zwischen Düse und Werkstück W kann dabei 5 mm betragen, bei einem Fokusdurchmesser des ersten Laser(teil)strahls 22 von 210 pm und einer Laserleistung von 370 W. Vorzugsweise kann die Laserleistung für bei der Nachbearbeitung also deutlich geringer sein als beim Schneiden. Der zweite Laser(teil)strahl 24 kann für die Nachbearbeitung gemäß der beschriebenen, beispielhaften Variante ausgeschaltet sein. Der Prozessgasdruck beträgt beispielsweise 0,2 bar, die Fokusebene des ersten Laserstrahls 22 kann ca. 2 mm oberhalb der Düsenstirnfläche, also innerhalb des Düsenkörpers, liegen. Die Vorschubgeschwindigkeit kann 2,2 m/min betragen. Die Vorschubgeschwindigkeit gemäß dem zweiten Bearbeitungsparametersatz kann also deutlich geringer sein, als die Vorschubgeschwindigkeit gemäß dem ersten Bearbeitungsparametersatz. Dadurch kann die Qualität der Verrundung gesteigert werden. Die mit den oben beschriebenen Bearbeitungsparametern erzeugte Verrundung kann einen Verrundungsradius von ca. 0,5 mm aufweisen.
In Figur 2 ist eine Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens dargestellt, bei der während des Schneidens (vgl. Schritt a)) eine Fase 42b erzeugt wird. Bei der Erzeugung der Fase 42b wird der Materialabhub gegenüber einer Verrundung 42a (vgl. Fig. la) bei gleicher Höhe maximiert. Die Größe bzw. der Radius oder die Höhe der Endverrundung 44 hängt maßgeblich vom Materialabhub an der Verrundungsstelle während des Schneidens ab. Während des Nachbearbeitens im zweiten Verfahrensschritt (vgl. Schritt b) in Fig. 2) findet vorzugsweise kein Materialabhub mehr statt. Der Prozessgasdruck kann daher deutlich niedriger als beim Schneiden gewählt werden, wodurch die Form und Oberflächengüte der Verrundung verbessert werden kann. In Figur 2 wird ferner die Verschiebung des Bearbeitungsstrahls 20 für die Nachbearbeitung relativ zur Schneidkontur in Richtung der nachzubearbeitenden Schnittkante veranschaulicht. Zur Verbesserung der Prozessgasabdeckung isbesondere während des Nachbearbeitungsschritts kann für den gesamten Bearbeitungsprozess eine Düse mit einem möglichst großen Düsendurchmesser eingesetzt werden. Beispielsweise kann bei der Verwendung einer Düse mit einem Mündungsdurchmesser von 10 mm der Schneidgasdruck gegenüber dem obigen Beispiel verringert werden. Ferner kann bei der Verrundung der Schnittkante im Nachbearbeitungsschritt die Schutzgasabdeckung des Bearbeitungsbereichs verbessert werden und auf diese Weise der Bildung von Anlauffarben an der Werkstückoberfläche entgegengewirkt werden.
In Figur 3 ist eine Frontansicht einer Werkstückkante eines erfindungsgemäßen Werkstücks bzw. Werkstückteils Wi dargestellt. Das Werkstückteil Wi wurde im ersten Verfahrensschritt nicht vollständig ausgeschnitten und über einen Materialsteg - hier in Form eines Nanojoints 50 - mit dem umgebenden Restwerkstück oder einem angrenzenden Werkstückteil verbunden. Durch die verringerte Höhe des Nanojoints 50 konnte im zweiten Verfahrensschritt entlang des gesamten Werkstückumfangs die Verrundung 44 erzeugt werden, bevor der Nanojoint 50 zur Vereinzelung des Werkstückteils Wi durchtrennt wurde. Die Oberfläche des Werkstückteils Wi entlang der Verrundung 44 weist eine Rauheit von höchstens Rz30 auf.
In den Figuren 4 und 5 sind jeweils Werkstückteile Wi gemäß der vorliegenden Erfindung dargestellt, wobei die Darstellung gemäß Figur 5 annähernd der schematischen Darstellung gemäß Figur 3 entspricht. In den Figuren 4 und 5 ist die glänzende Oberfläche entlang der erzeugten Verrundungen 44 zu erkennen, die sich (vgl. Fig. 4) entlang der Innenkontur und der Außenkontur des Werkstückteils Wi erstrecken.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zum Bearbeiten eines metallischen Werkstücks (W) mittels eines Bearbeitungsstrahls (20), der einen ersten Laserstrahl (22) und einen, zumindest teilweise neben dem ersten Laserstrahl (22) angeordneten zweiten Laserstrahl (24), sowie einen Prozessgasstrahl umfasst, das Verfahren umfassend die Schritte:
Schneiden des Werkstücks (W) durch Führen des Bearbeitungsstrahls (20) entlang einer Schneidkontur und unter Verwendung eines ersten Bearbeitungsparametersatzes; und
Nachbearbeiten wenigstens einer während des Schneidens erzeugten Schnittkante des Werkstücks (W) durch Führen des Bearbeitungsstrahls (20) entlang einer Nachbearbeitungskontur, die der Schneidkontur entspricht oder die parallel zur Schneidkontur verläuft, und unter Verwendung eines zweiten Bearbeitungsparametersatzes.
2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei der erste Laserstrahl (22) eine höhere Intensität aufweist als der zweite Laserstrahl (24).
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei der zweite Laserstrahl (24) koaxial zu dem ersten Laserstrahl (22) auf das Werkstück (W) gerichtet wird; und wobei der zweite Laserstrahl (24) vorzugsweise ein geschlossenes Strahlprofil, insbesondere ein ringförmiges Strahlprofil, aufweist, sodass der zweite Laserstrahl (24) den ersten Laserstrahl (22) umschließt.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der erste Bearbeitungsparametersatz die gleichzeitige Verwendung des ersten Laserstrahls (22) und des zweiten Laserstrahls (24) umfasst.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der zweite Bearbeitungsparametersatz die Verwendung des ersten Laserstrahls (22) ohne den zweiten Laserstrahl (24) umfasst.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Nachbearbeitungskontur einen Versatz zur Schneidkontur in Richtung der nachzubearbeitenden Schnittkante aufweist, welcher zwischen 0,1 mm und 1 mm liegt.
7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei während des Schneidens durch Bestrahlung des Werkstücks (W) mittels des zweiten Laserstrahls (24) eine Verrundung (42a) mit einem ersten Radius oder eine Fase (42b) mit einer Fasenhöhe am oberen Ende der nachzubearbeitenden Schnittkante erzeugt wird; und wobei die Verrundung (42a) oder die Fase (42b) während des Nachbearbeitens zu einer Verrundung (44) mit einem zweiten Radius vergrößert wird, wobei der zweite Radius größer ist als der erste Radius oder als die Fasenhöhe.
8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der zweite Bearbeitungsparametersatz einen Prozessgasdruck vorgibt, der geringer ist als ein Prozessgasdruck gemäß dem ersten Bearbeitungsparametersatz.
9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Bearbeitungsstrahl (20) über eine Düse eines Bearbeitungskopfes auf das Werkstück (W) gerichtet wird; und wobei ein Abstand zwischen der Düsenstirnfläche und der Werkstückoberfläche gemäß dem ersten Bearbeitungsparametersatz geringer ist als gemäß dem zweiten Bearbeitungsparametersatz.
10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei in einem ersten Schritt ein Werkstückteil (Wi) entlang der Schneidkontur aus dem Werkstück (W) bis auf wenigstens einen verbleibenden Materialsteg (50) unter Verwendung des ersten Bearbeitungsparametersatzes ausgeschnitten wird, der das Werkstückteil (Wi) mit einem Restwerkstück (W2) oder einem benachbarten Werkstückteil des Werkstücks (W) verbindet; wobei in einem zweiten Schritt die Schnittkante des Werkstückteils (Wi) unter Verwendung des zweiten Bearbeitungsparametersatzes nachbearbeitet wird; und wobei in einem dritten Schritt der wenigstens eine Materialsteg (50) durchtrennt wird.
11. Vorrichtung zur Bearbeitung eines metallischen Werkstücks (W) mittels eines Bearbeitungsstrahls (20), der einen ersten Laserstrahl (22) und einen, zumindest teilweise neben dem ersten Laserstrahl (22) angeordneten zweiten Laserstrahl (24), sowie einen Prozessgasstrahl umfasst, die Vorrichtung umfassend:
Eine Werkstückauflage zur Lagerung des Werkstücks (W) während eines Bearbeitungsprozesses;
Wenigstens eine Laserstrahlquelle zur Bereitstellung der Laserstrahlung für den ersten und den zweiten Laserstrahl (22, 24);
Eine Prozessgaszufuhr zur Bereitstellung des Prozessgases;
Einen Bearbeitungskopf mit einer Fokussieroptik (30), wobei der Bearbeitungskopf dazu ausgebildet ist, den Bearbeitungsstrahl auf die Werkstückoberfläche zu richten;
Eine Mehrfachclad-Faser (10) mit einem Kernbereich (12) und wenigstens einem, den Kernbereich (12) umgebenden Ringbereich (14), wobei die Mehrfachclad-Faser (10) dazu ausgebildet ist den ersten Laserstrahl (22) innerhalb des Kernbereichs (12) und den zweiten Laserstrahl (24) innerhalb des Ringbereichs (14) von der Laserstrahlquelle zu dem Bearbeitungskopf zu transportieren; und
Eine Steuerungseinrichtung, die dazu ausgebildet, die Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens gemäß einem der Ansprüche 1 bis 10 zu steuern.
12. Vorrichtung nach Anspruch 11, ferner umfassend:
Eine Strahlaufteilungseinrichtung, die zwischen der Laserstrahlquelle und der Mehrfachclad-Faser (10) angeordnet ist, und die dazu ausgebildet ist, einen von der Laserstrahlquelle bereitgestellten Lasereingangsstrahl in den ersten Laserstrahl (22) und den zweiten Laserstrahl (24) aufzuteilen, wobei mittels der Strahlaufteilungseinrichtung der erste Laserstrahl (22) in den Kernbereich (12) der Mehrfachclad-Faser (10) und der zweite Laserstrahl (24) in den Ringbereich (14) der Mehrfachclad-Faser (10) einkoppelbar ist.
13. Metallisches Werkstück (W) umfassend: einen Grundkörper mit einer Oberseite und einer der Oberseite gegenüberliegenden Unterseite; wobei der Grundkörper eine Kante umfasst, die sich seitlich, entlang einer Außenkontur oder einer Innenkontur des Grundkörpers erstreckt; wobei der Grundkörper entlang wenigstens eines Teils der Außenkontur und/oder der Innenkontur am Übergang zwischen der Oberseite und der Kante eine Verrundung (44) aufweist, die sich über eine Höhe von wenigstens 0,2 mm, vorzugsweise von wenigstens 0,5 mm, erstreckt; und wobei der Grundkörper entlang der Verrundung (44) eine geringere Oberflächenrauheit aufweist als entlang des Restes der Kante.
14. Werkstück nach Anspruch 13, wobei die Werkstückkante mittels eines Verfahrens gemäß einem der Ansprüche 1 bis 10 herstellbar ist.
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