Evaluation of dynamic beam shaping approaches for the optimization of laser beam cutting of thick-section stainless steel sheets with high-brilliant laser sources
Final Report Abstract
Gegenstand des Forschungsvorhabens war die Evaluierung dynamischer Lösungsansätze zur Optimierung des Inertgasschneidens von Dickblech mit Laserstrahlquellen hoher Strahlqualität. Hierzu wurden verschiedene Versuchsaufbauten zum Laserstrahlschneiden in konventioneller Prozessführung sowie zum Laserstrahlschneiden mit Strahloszillation in lateraler und axialer Richtung realisiert. In Versuchsserien an verschiedenen Stahlwerkstoffen wurden Laser-, Gas- und Oszillationsparameter variiert und der Einfluss auf Performance- und Qualitätskriterien bewertet. Unter konsequenter Nutzung von Methoden der statistischen Versuchsplanung und –auswertung und unter Einbeziehung zusätzlicher Korrelationsbetrachtungen zwischen abhängigen Prozessvariablen konnten hierbei neue Erkenntnisse zu grundlegenden Wirkmechanismen beim Laserstrahlschmelzschneiden gewonnen werden. Für den konventionell mit statischem Strahl ausgeführten Prozess konnte aus Daten einer kombinierten experimentellen und theoretischen Analyse die Schlussfolgerung gezogen werden, dass die adressierbaren Gasparameter Druck, Düsendurchmesser und Düsenabstand in technisch sinnvollen Parameterbereichen im Vergleich zu den laserseitigen Steuergrößen Leistung und Fokuslage nur von untergeordneter Bedeutung für Zielgrößen der Prozessperformance, Schnittspaltgeometrie und Kantenqualität sind, andererseits jedoch die sich im Prozess ausbildende Schnittspaltgeometrie die Gasströmung derart beeinflusst, dass rückwirkend die messbaren Zielgrößen der Schnittkantenqualität, wie beispielsweise die Kantenrauheit, ausgeprägte Korrelationen zu Kenngrößen der Schneidgasströmung aufweisen. Eine detailliertere Analyse der Schnittkantentopographie lieferte zudem klare Indizien dafür, dass die Entstehung struktureller Merkmale der Schnittkante hierbei nicht auf die makroskopische Struktur der Gasströmung zurückgeführt werden kann, sondern eine Einbeziehung der bisher nicht näher untersuchten gasseitigen Grenzschichtentwicklung an den Schnittkanten erfordert. Diese komplexen, prozessinhärenten und sich einer unmittelbaren experimentellen Beobachtung entziehenden Wirkzusammenhänge sind als maßgebliche Ursache dafür anzusehen, dass einer statistisch abgesicherten Optimierung des Laserstrahlschneidens zumindest bezüglich der Schnittkantenqualität Grenzen gesetzt sind. Obwohl eindeutig bestätigt werden konnte, dass die Schnittkanten bei Vorgabe bestimmter Oszillationsparameter im Vergleich zu konventionell gefertigten Proben eine homogenere Struktur mit reduzierten Rauheitswerten und unterdrückter Gratbildung aufweisen, gelang es im Rahmen der bisher durchgeführten Untersuchungen abschließend nicht, Abhängigkeiten zwischen Qualitätskriterien und Oszillationsparametern durch statistisch abgesicherte Regressionsmodelle adäquat abzubilden. Erfahrungsgemäß kann dieses Ergebnis als weiteres Indiz dafür gewertet werden, dass die Schnittkantenqualität nicht unmittelbar, sondern primär mittelbar durch eine Strahloszillation beeinflusst wird. Bezüglich der vermuteten physikalischen Wirkzusammenhänge lassen sich hierbei mindestens zwei ausschlaggebende Effekte der Strahloszillation auf die Grenzschichtentwicklung des Schneidgases identifizieren, und zwar (i) der geometrische Effekt der Schnittspaltformung, der insbesondere durch die Oszillationsform und –amplitude bestimmt wird, und (ii) der thermische Effekt infolge der modifizierten Energiedeposition, der durch die Gesamtheit der Oszillationsparameter bewirkt wird. Die aufgeworfenen Fragestellungen sollen im Rahmen von geplanten Folgeuntersuchungen geklärt werden.
Publications
- (2018), Study of correlation between edge roughness and gas flow characteristics in laser beam fusion cutting, Procedia CIRP, 74, 421-424
M. Borkmann, A. Mahrle, E. Beyer
(See online at https://doi.org/10.1016/j.procir.2018.08.167) - (2019), Cut edge structures and gas boundary layer characteristics in laser beam fusion cutting, Proc. of the Lasers in Manufacturing Conference, LIM 2019, Munich, June 24-27, 2019, 11 pp.
M. Borkmann, A. Mahrle, E. Beyer, C. Leyens
- (2020), Fast beam oscillations improve laser cutting of thick materials, PhotonicsViews, Vol. 13, No. 3, 26-31
A. Wetzig, P. Herwig, C. Goppold, M. Borkmann, A. Mahrle, C. Leyens
(See online at https://doi.org/10.1002/phvs.202000025) - (2020), Macro- and microstructure characteristics of supersonic cutting gas flow, IFSW Hirschegg-Workshop, Hirschegg, January 28-31
M. Borkmann
