Schneiden mit CO2-Lasern:
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Düsseldorf
VDI-Verlag
1993
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| Series: | Handbuchreihe Laser in der Materialbearbeitung
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HANDBUCHREIHE
LASER
IN DER MATERIALBEARBEITUNG YY BAND 1
SCHNEIDEN MIT C0
2
-LASERN
HERAUSGEGEBEN VOM
VM TECHNOLOGIEZENTRUM
PHYSIKALISCHE
TECHNOLOGIEN
VM VERLAG
INHALT
1 EINLEITUNG 1
2 ANLAGEN UND KOMPONENTEN 5
2.1 LASERSTRAHLQUELLE 5
2.1.1 GRUNDLAGEN 5
2.1.2 ANFORDERUNGEN AN DIE STRAHLQUELLE 7
2.1.3 DER C0
2
-LASER
12
2.2 LASERSTRAHL FOKUSSIERUNG 16
2.2.1 EIGENSCHAFTEN DES LASERSTRAHLS 16
2.2.2 OPTISCHE KOMPONENTEN ZUR FOKUSSIERUNG 22
2.3 BEWEGUNGSSYSTEM 25
2.3.1 KONZEPTE FUER WERKSTUECK UND LASERSTRAHL-HANDHABUNGSSYSTEME .
25
2.3.2
ANTRIEBSKONZEPTVARIANTEN 25
2.4 STEUERUNG 28
2.4.1 ANWENDUNG UND BEDARF BEI DER LASERMATERIALBEARBEITUNG 28
2.4.2
NC-/CNC-STEUERUNGEN 28
2.4.4 LAGESOLLWERTBILDUNG 31
2.4.5 INTERPOLATION 33
2.4.5.1
INTERPOLATIONSART 33
2.4.5.2
INTERPOLATIONSVERFAHREN 33
2.4.5.3
PRINZIP DER INTERPOLATION 35
2.4.6 BEGRENZUNG DES BAHNINKREMENTS 38
2.4.7 SCHALT- UND HILFSFUNKTIONEN 38
2.4.8 LAGEEINSTELLUNG 38
2.4.9 LAGEREGELKREIS 40
2.4.10
GESCHWINDIGKEITSVERSTAERKUNG K
V
40
2.4.11
EIGENSCHAFTEN DES BEWEGUNGSYSTEMS 42
2.4.12
BAHNRICHTUNGSAENDERUNGEN 43
2.4.12.1
90-ECKE 45
2.4.12.2
KREIS 45
2.4.12.3
SEHR FLACHE SCHRAEGE 48
2.5 SENSORSYSTEM 49
2.5.1 POSITIONSSENSOREN 49
2.5.2 PROZESSSENSOREN 49
2.5.3 VERARBEITUNGSEBENEN UND EINGRIFFSSTELLEN DER SENSORFUNKTIONEN IN
DER CNC-STEUERUNG 50
2.5.4 SENSORFUNKTIONEN HEUTIGER CNC-STEUERUNGEN 52
2.5.5 AUSBLICK 52
2.6 SCHNEIDDUESEN 52
2.6.1 STANDARDDUESEN 54
2.6.2 MEHRSTRAHL- UND RINGDUESEN 57
2.6.3 ZUSATZDUESEN 58
2.6.4 SCHNEIDGASSTROEMUNG 61
2.6.4.1
GRUNDLAGEN 61
2.6.4.2
FREISTRAHL 65
2.6.4.3
STROEMUNG IM BEREICH DES WERKSTUECKS 71
2.6.4.4
STROEMUNG IM SCHNITTFUGENBEREICH 73
3 DIAGNOSTIK DER SCHNEIDGASSTROEMUNG 78
3.1 DIAGNOSTIKMETHODEN ZUR VERMESSUNG VON GASSTROEMUNGEN 78
3.2 SCHLIERENOPTISCHER PRUEFSTAND 79
3.3 UEBERSCHALL-GASSTRAHLEN 83
3.4 FREILAUFENDE DUESENSTROEMUNG 87
3.4.1 KONVENTIONELLE SCHNEIDDUESEN 87
3.4.2 DRUCKANGEPASSTE DUESEN 92
3.5 SCHNEIDGASSTROEMUNG IN DER SCHNITTFUGE 92
3.5.1 SIMULIERTE SCHNITTFUGENKANAELE 92
3.5.2 PRINZIPIELLER STROEMUNGSVERLAUF 92
3.5.3 EINFLUSS DER SCHNEIDGASPARAMETER 97
4 PRUEFVERFAHREN, BEURTEILUNGSKRITERIEN 103
4.1 GROBGESTALTABWEICHUNG 103
4.1.1 MASS-, FORM- UND LAGEABWEICHUNGEN 103
4.1.2 SCHNITTFUGENGEOMETRIE 111
4.2 FEINGESTALTABWEICHUNG 113
4.3 WERKSTOFFBEEINFLUSSUNG 116
5 SCHNEIDVERFAHREN 119
5.1 STAHLWERKSTOFFE (WERKSTUECKDICKE
10
MM) 119
5.1.1 UNLEGIERTER UND NIEDRIGLEGIERTER STAHL 119
5.1.1.1
LASERSTRAHL-BRENNSCHNEIDEN 119
5.1.1.1.1
SCHNITTQUALITAET IN ABHAENGIGKEIT VON DEN PROZESSPARAMETEM,
BLECHDICKE
S = 2 MM 122
5.1.1.1.2
SCHNITTQUALITAET IN ABHAENGIGKEIT VON DEN PROZESSPARAMETEM,
BLECHDICKE
S = 6 MM 130
5.1.1.1.3
SCHNITTQUALITAET IN ABHAENGIGKEIT VON DEN PROZESSPARAMETEM,
BLECHDICKE
S = 10 MM 130
5.1.1.1.4
AUFBAU DER OXIDSCHICHT 132
5.1.1.2
LASERSTRAHL-SCHMELZSCHNEIDEN 137
5.1.1.3
MECHANISCH-TECHNOLOGISCHE EIGENSCHAFTEN LASERSTRAHL
GESCHNITTENER
STAEHLE 139
5.1.1.4
PULSTECHNIK UND KONTURSCHNEIDEN 155
5.1.2 HOCHLEGIERTER STAHL 170
5.1.2.1
LASERSTRAHL-BRENNSCHNEIDEN 170
5.1.2.2
LASERSTRAHL-SCHMELZSCHNEIDEN 178
5.1.2.3
VERFAHRENSEIGNUNG UND -VERGLEICH 193
5.1.2.4
LASERSTRAHL-BRENNSCHNEIDEN IM PULSBETRIEB 193
5.1.3
LASERSTRAHLSCHNEIDEN FERTIGUNGSBESCHICHTETER BLECHE 201
5.1.3.1
UNTERSUCHTE BESCHICHTUNGEN 207
5.1.3.2
LASERSTRAHLSCHNEIDEN EINSEITIG BESCHICHTETER BLECHE 207
5.1.3.3
ZUSAMMENFASSUNG 208
5.2 STAHLWERKSTOFFE (WERKSTUECKDICKE
10
MM) 210
5.2.1 DICKBLECHSCHNEIDEN VON UNLEGIERTEN STAEHLEN 210
5.2.1.1
SPEZIFISCHE PROBLEME UND LOESUNGSWEGE 210
5.2.1.2
LASERSTRAHL-BRENNSCHNEIDEN 211
5.2.1.3
WERKSTOFFEINFLUSS 215
5.2.2 DICKBLECHSCHNEIDEN VON HOCHLEGIERTEN STAEHLEN 215
5.2.2.1
SPEZIFISCHE PROBLEME UND LOESUNGSWEGE 215
5.2.2.2
LASERSTRAHL-BRENNSCHNEIDEN MIT AUSSERAXIALEN ZUSATZDUESEN .
.
.
. 218
5.2.2.3
LASERSTRAHL-BRENNSCHNEIDEN MIT EXTREMEN FOKUSLAGEN 221
5.2.2.4
LASERSTRAHL-BRENNSCHNEIDEN IM PULSBETRIEB 229
IX
5.2.2.5
LASERSTRAHLSCHNEIDEN MIT GASGEMISCHEN 239
5.2.2.6
LASERSTRAHL-SCHMELZSCHNEIDEN 242
5.2.2.7
KOMBINIERTER EINSATZ DER VERFAHRENS VARIANTEN 242
5.3 ABGRENZUNG DER THERMISCHEN TRENNVERFAHREN 246
5.3.1 GEGENUEBERSTELLUNG EINZELNER QUALITAETSKRITERIEN FUER SCHNITTE BEI
THERMISCH
GETRENNTEN BLECHEN 247
5.3.1.1 WERKSTOFF:
UNLEGIERTER BAUSTAHL 248
5.3.1.2 WERKSTOFF:
HOCHLEGIERTER STAHL 259
5.3.2 ZUSAMMENFASSUNG 261
5.4 NICHTEISENMETALLE 264
5.4.1 SCHNEIDEN VON ALUMINIUM UND ALUMINIUMLEGIERUNGEN 264
5.4.1.1
WERKSTOFFEIGENSCHAFTEN, DIE DEN SCHNEIDVORGANG EINSCHRAENKEN 264
5.4.1.2
EINFLUSS DES LASERSTRAHLSCHNEIDENS AUF
DIE
MECHANISCH-TECHNOLO
GISCHEN
EIGENSCHAFTEN VON ALUMINIUMLEGIERUNGEN 281
5.4.2
SCHNEIDEN VON SONSTIGEN NICHTEISENMETALLEN 286
5.4.2.1
LASERSTRAHLSCHNEIDEN VON KUPFER UND MESSING 286
5.4.2.1.1
MAXIMALE SCHNEIDGESCHWINDIGKEIT 289
5.4.2.1.2
EINFLUSS DER LASERLEISTUNG AUF SCHNEIDGESCHWINDIGKEIT UND
-QUALITAET
296
5.4.2.1.3
EINFLUSS DER FOKUSLAGE 300
5.4.2.1.4
EINFLUSS DES SCHNEIDGASES 303
5.4.2.1.5
EINFLUSS DES GASDRUCKES 303
5.4.2.1.6
EINFLUSS DES ARBEITSABSTANDES DUESE - WERKSTUECK 306
5.4.2.1.7
BESONDERHEITEN BEIM SCHNEIDEN VON KUPFER- UND MESSING
WERKSTOFFEN
306
5.4.2.2
LASERTRENNEN VON MAGNESIUM 308
5.4.2.2.1
MAXIMALE SCHNEIDGESCHWINDIGKEIT 308
5.4.2.2.2
SCHNEIDGASFUEHRUNG 311
5.4.2.2.3
EINFLUSS DER FOKUSLAGE 311
5.4.2.2.4
EINSTECHVERHALTEN 313
5.4.2.3
LASERSTRAHLSCHNEIDEN VON TITANSTANDARDLEGIERUNGEN 313
5.5 NICHTMETALLE 316
5.5.1 VERWENDETE WERKSTOFFE 316
5.5.1.1
FASERVERBUNDWERKSTOFFE MIT POLYMERER MATRIX 316
5.5.1.2
TECHNISCHE KERAMIK 319
5.5.1.3
WERKSTOFFVERBUNDE/SCHICHTVERBUNDWERKSTOFFE 324
5.5.2
QUALITAETSKONTROLLE 325
X
5.5.3 BEARBEITUNGSERGEBNISSE 331
5.5.3.1
FASERVERBUNDWERKSTOFFE MIT POLYMERER MATRIX 331
5.5.3.1.1
GEWEBEVERSTAERKTE KUNSTSTOFFE 331
5.5.3.1.2
UNIDIREKTIONAL VERSTAERKTE KUNSTSTOFFE 357
5.5.3.1.3
KURZFASERVERSTAERKTE WERKSTOFFE 360
5.5.3.1.4
ABGRENZUNG ZU ANDEREN TRENNVERFAHREN 380
5.5.3.2
TECHNISCHE KERAMIK 394
5.5.3.2.1
OXIDKERAMIK 394
5.5.3.2.2
NICHT-OXIDKERAMIK 408
5.5.3.2.3
FASERVERSTAERKTE KERAMIK 415
5.5.3.2.4
LASERINDUZIERTE RISSSCHAEDIGUNG 419
5.5.3.2.5
ABGRENZUNG ZU ANDEREN TRENNVERFAHREN 425
5.5.3.3
WERKSTOFFVERBUNDE/SCHICHTVERBUNDE 431
6 WIRTSCHAFTLICHKEITSBETRACHTUNGEN 443
7 ARBEITSSICHERHEIT 449
7.1 FASERVERSTAERKTE KUNSTSTOFFE 449
7.1.1 SCHADSTOFFANALYTIK 449
7.1.2 STAUBPARTIKELANALYTIK 450
7.1.3 CHEMISCHE ANALYTIK 466
7.2 METALLE 471
7.2.1 BEURTEILUNG DER EMISSIONSMENGE 476
7.2.2 AEROSOLEMISSIONEN VON STAHLWERKSTOFFEN BEI VERWENDUNG DER
WASSERSPRUEHEINRICHTUNG
477
7.2.3 PARTIKELGROESSENVERTEILUNGEN DER METALLISCHEN AEROSOLE 477
7.2.4
GASEMISSIONEN BEIM SCHNEIDEN VON STAHLWERKSTOFFEN 477
8 RICHTLINIEN UND NORMEN 483
8.1 EINLEITUNG 483
8.2 LASERPARAMETER 483
8.2.1 DURCHMESSER DES FOKUSSIERTEN LASERSTRAHLS 483
8.2.2 FOKUSLAGE 486
8.2.3 FOKUSSIERBARKEIT DER LASERSTRAHLUNG 488
8.2.4 STRAHLLEISTUNG 488
8.2.5 INTENSITAETSVERTEILUNG IM LASERSTRAHL 488
XI
8.2.6 POLARISATION DER LASERSTRAHLUNG 488
8.2.7 WEITERE STRAHLPARAMETER 489
DIE LASERSTRAHLSCHNEIDMASCHINE 489
8.3.1 AUFSTELLUNG 489
8.3.2 FUEHRUNGSGENAUIGKEIT 490
8.3.3 DYNAMISCHES VERHALTEN 490
8.3.3.1
MESSEN DES DYNAMISCHEN VERHALTENS DES FUEHRUNGSSYSTEMS .
.
.
. 490
8.3.3.2
SCHNEIDEN VON PRUEFWERKSTUECKEN 490
KRITERIEN ZUR BEWERTUNG DER SCHNITTQUALITAT 491
8.4.1 GROBGESTALTABWEICHUNG 491
8.4.1.1
MASS-, FORM- UND LAGEABWEICHUNGEN 492
8.4.1.2
SCHNITTSPALTAUSBILDUNG BEI METALLEN 492
8.4.1.3
SCHNITTSPALTAUSBILDUNG BEI KERAMIKEN 493
8.4.1.4
SCHNITTSPALTAUSBILDUNG BEI FASERVERSTAERKTEN VERBUNDWERKSTOFFEN . 493
8.4.2
FEINGESTALTABWEICHUNG 493
8.4.3 WERKSTOFFBEEINFLUSSUNG 496
8.4.3.1
WERKSTOFFBEEINFLUSSUNG BEI METALLEN 496
8.4.3.2
WERKSTOFFBEEINFLUSSUNG BEI KERAMIKEN 497
8.4.3.3
WERKSTOFFBEEINFLUSSUNG BEI FASERVERSTAERKTEN VERBUNDWERKSTOFFEN . 497
NOMENKLATUR 500
ERGEBNISDARSTELLUNG 500
NORMUNG IM BEREICH LASERSTRAHLSCHNEIDEN (STAND: JANUAR 1991) 501
8.7.1
DVS-ARBEITSGRUPPE: LASERSTRAHLSCHWEISSEN/-SCHNEIDEN 501
8.7.1.1
DIN 2310, TEIL 5, DEZEMBER 1990
LASERSTRAHLSCHNEIDEN
VON METALLISCHEN WERKSTOFFEN - VERFAHRENS
GRUNDLAGEN, GUETE, MASSTOLERANZEN 502
8.7.1.2
DIN 2310, TEIL 6, ENTWURF OKTOBER 1989
THERMISCHES
SCHNEIDEN - EINTEILUNG, VERFAHREN 502
8.7.1.3
RICHTLINIE DVS 1187 AUSBILDUNG ZUM LASERSTRAHLFACHMANN . 502
8.7.1.4
ARBEITSKREIS DIN 32
511
- BEGRIFFE FUER VERFAHREN UND GERAETE . 503
8.7.1.5
ARBEITSKREIS DIN 8518 -FEHLERBEIM LASERSTRAHLSCHNEIDEN. 503
8.7.1.6
ARBEITSKREIS DIN 32 517 -
ABNAHMEPRUEFUNGEN FUER C0
2
-LASERSTRAHLANLAGEN
ZUM SCHWEISSEN
UND
SCHNEIDEN 2-DIMENSIONALER BAUTEILE 503
8.7.2 NORMUNGSAKTIVITAETEN ANDERER ORGANISATIONEN: 504
8.7.2.1
UNTERAUSSCHUSS SCHNITTFLAECHEN-QUALITAET IM VDI-AUSSCHUSS
BLECHBEARBEITUNG
504
8.7.2.2
NORMENAUSSCHUSS FEINMECHANIK UND OPTIK IM DIN 505
8.7.2.3
BESTEHENDE NORMEN 506
8.7.2.4
BESTEHENDE RICHTLINIEN 507
8.7.2.5
BESTEHENDE MERKBLAETTER 507
8.7.2.6
BESTEHENDE VORSCHRIFTEN 507
8.8 NORMUNGSBEDARF 507
8.8.1 NORMUNGSBEDARF ANLAGENKOMPONENTEN UND SCHMTTSTELLEN 507
8.8.2
NORMUNGSBEDARF SENSORIK UND DIAGNOSTIK 508
8.8.3 NORMUNGSBEDARF ARBEITS- UND UMWELTSCHUTZ 508
9 THEORIE ZUM LASERSTRAHLSCHNEIDEN 510
9.1 NOMENKLATUR ZUM KAPITEL THEORIE 510
9.2 PHYSIKALISCHE PROZESSE 511
9.2.1 ABSORPTIONSMECHANISMUS DES LASERLICHTS 511
9.2.2 SCHMELZSTROEMUNG 514
9.2.3 VERDAMPFUNG 516
9.2.4 WAERMELEITUNG 518
9.3 PHYSIKALISCHE SCHNEIDMODELLE 519
9.3.1 SCHMELZSCHNEIDEN 519
9.3.2 SUBLIMATIONSSCHNEIDEN 522
9.3.3 BRENNSCHNEIDEN 525
10 PARTNER DES VERBUNDPROJEKTES 526
10.1 PROJEKTKOORDINATION 526
10.2 PROJEKTPARTNER UND AUTOREN 526
10.2.1 FIRMEN 526
10.2.2 INSTITUTE 527
10.2.3 HOCHSCHULEN 527
10.3 PROJEKTUNTERSTUETZUNG 528
11 LITERATUR 531
11.1 ALLGEMEINE LITERATUR 531
11.2 NORMEN, RICHTLINIEN, MERKBLAETTER 535
12 NOMENKLATUR 537
13 STICHWORTVERZEICHNIS 541
XIV |
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