Die Eigenschaften der Laserstrahlung, insbesondere die Intensität und gute Fokussier- barkeit, haben dazu geführt, dass Laser heute in vielen Gebieten der Materialbearbei- tung zum Einsatz kommen. Die Laserbearbeitungsanlagen sind an sich bekannt. In der Regel weisen sie einen Laserbearbeitungskopf, gegebenenfalls mit einer zum Laser- strahl koaxial angeordneten Düse auf. Oftmals werden Laserbearbeitungsanlagen in Verbindung mit CNC-Steuerungen von Führungsmaschinen für x-y-Schneidrichtung eingesetzt. Beim Laserstrahlschneiden finden immer häufiger auch Handhabungs- systeme von dreidimensionalen Werkstücken Verwendung. Eine automatische Schneidparameterzuordnung (Laserleistung angepasst an die jeweilige Schnittge- schwindigkeit während des Schneidprozesses) bezogen auf die zu schneidende Konturform ist in der Regel Voraussetzung für eine gute Schnittqualität auch an scharfen Ecken und spitzen Winkeln.

Unter einem fokussierten Laserstrahl wird im Rahmen der Erfindung ein im wesent- lichen auf die Werkstückoberfläche fokussierter Laserstrahl verstanden. Außer bei der überwiegend eingesetzten Methode mit auf die Werkstückoberfläche fokussierter Laserstrahlung kann die Erfindung auch bei der selten benutzten Variante mit nicht exakt auf die Werkstückoberfläche fokussierter Strahlung angewandt werden.

Bei vielen Verfahren der Lasermaterialbearbeitung wird metallisches und/oder sonstiges Material auf Temperaturen erhitzt, bei denen eine Reaktion mit den einhüllenden Gasen stattfindet. In vielen Fällen werden daher technische Gase eingesetzt, um diese Materialberarbeitungsprozesse effektiver, schneller und/oder mit verbesserter Qualität durchführen zu können.

Das Laserstrahlschneiden ist das weltweit am häufigsten eingesetzte Laserbearbei- tungsverfahren. Beispielsweise werden in Deutschland über 80 % der Laserbearbei- tungsanlagen zum Schneiden verwendet. Beim Laserstrahlschneiden wird zwischen den Varianten Laserstrahlbrennschneiden, Laserstrahischmeizschneiden und Laser- strahlsublimierschneiden unterschieden. Beim Laserstrahlschmelzschneiden wird der Werkstoff durch die Laserstrahlung im Trennfleck aufgeschmolzen. Die Schmelze wird mit einem Prozessgas aus der Schnittfuge ausgetrieben. Das Laserstrahlschmelzschneiden mit Prozessgas unter Hochdruck hat sich beim Schneiden von Edelstählen durchgesetzt, wird aber teilweise auch bei anderen Werkstoffen wie Baustählen oder Aluminium verwendet. Als Prozessgas für das Laserstrahischmelzschneiden wird üblicherweise ein Inertgas verwendet.

Beim Laserstrahlschweißen erfüllen Prozessgase verschiedene Aufgaben. Die Kontrolle und Reduzierung des Plasmas ist bei hohen Laserleistungen zwingend. Dies ist beispielsweise aus der Veröffentlichung"Laser im Nebel", Dr. W. Danzer und Klaus Behler, Zeitschrift LASER, Ausgabe 1/87, Seiten 32 bis 36, bekannt. Andere Aufgaben wie der Schutz vor Oxidation, eine metallurgische Optimierung und/oder eine Maximierung der Geschwindigkeit und der Qualität (Spritzer, Poren, Nahtqualität) werden bislang vernachlässigt. Beim Laserstrahlschweißen ist es bekannt, inerte Schutzgase wie Helium oder Argon einzusetzen. Auch Stickstoff wird teilweise verwendet. Vereinzelt werden auch Beimengungen in geringen Mengen zugemischt.

Die Geschwindigkeit der Schweiß-und Schneidprozesse mit dem Laserstrahl ist begrenzt durch die Energiebilanz"eingebrachte Energie-verlorene Energie (Strahlung, Wärmeleitung)". Die Energie des Laserstrahls ist zwar sehr gebündelt, jedoch bei Materialien, die nicht mit Hilfe der exothermen Reaktion mit Sauerstoff geschnitten werden können, der limitierende Parameter.

Beispielseise beim Schneiden eines 3 mm Stahlblechs mit einem 900 W-Laser und reinem Sauerstoff als Arbeitsgas gehen neben den 900 Watt Energie, die vom Laser kommen, noch 600 Watt, die aus der Verbrennung des Eisens in der Schnittfuge kommen, in den Schneidprozess ein. Man erreicht damit eine Schneidgeschwindigkeit von ungefähr 3 m/min.

Aber beispielsweise beim Schneiden eines 3 mm Chrom-Nickelstahlblechs mit einem 900 Watt-Laser, das wegen der resultierenden Schlacke nicht mit Sauerstoff geschnitten wird, sondern mit einem Inertgas, wie Stickstoff oder Argon, geschnitten werden muss, fehlt diese zusätzliche Energie aus der Reaktion Fe+ 1/2 °2 o FeO. Die maximale Schneidgeschwindigkeit geht dementsprechend auf etwa 1,5 m/min zurück.

Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Prozessgas und ein Verfahren der eingangs genannten Art aufzuzeigen, welche ein verbessertes Laserbearbeiten erlauben. Dabei wird beim Laserstrahlschmelzschneiden eine hohe Schneidgeschwindigkeit angestrebt. Insbesondere soll ein qualitativ hochwertiges, prozesssicheres und reproduzierbares Laserstrahischmelzschneiden ermöglicht werden. Beim Laserstrahischweißen wird mit Hilfe des erfindungsgemäßem Prozessgases neben der Kontrolle und Reduzierung des Plasmas eine Maximierung der Geschwindigkeit und der Qualität erreicht. Die Erfindung richtet sich dabei in erster Linie an Fälle, bei denen üblicherweise ein Inertgas als Prozessgas eingesetzt wird.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit einem Prozessgas gelöst, das außer mindestens einem Inertgas zumindest Sauerstoff und Wasserstoff enthält.

Die Erfindung beruht auf der Einkoppelung von Energie aus der Reaktion 2 H2 + O2 o 2 Ha0 in den Ort, wo der Laserstrahl arbeitet.

Die Reaktion 2 H2 + O2 bringt verschiedene Vorteile mit sich, die gut mit dem Laserstrahl kombinieren : 1. Sie ist sauber.

2. Sie ist mehr oder weniger reduzierend je nach Mischverhältnis H2/02.

3. Sie ist sehr schnell.

4. Sie ist energiereich.

5. Sie läuft vor allem dort ab, wo hohe Temperaturen auftreten, d. h. am Bearbeitungsort.

Wird das erfindungsgemäße Prozessgas benutzt, kommen die Metallteile beim Laserstrahlschmelzschneiden blank aus dem Schneidprozess. Beim Laserschweißen bewirkt die Erfindung eine positive Beeinflussung der Plasmabildung.

In Ausgestaltung der Erfindung kann insbesondere ein reduzierend wirkendes Prozess- gasgemisch eingesetzt werden. Durch die Wahl des unterstöchiometrischen Verhält- nisses von Sauerstoff zu Wasserstoff im Prozessgasgemisch im Hinblick auf die Reaktion 2 H2 + 02-> 2 H20 kann der Grad der reduzierenden Wirkung des Prozess- gases bestimmt werden. Das bedeutet, dass je nach Wahl des unterstöchiometrischen Verhältnisses von Sauerstoff zu Wasserstoff im Prozessgas ein mehr oder weniger reduzierendes Prozessgasgemisch verwendet werden kann. Damit ist beim Laserbearbeiten eine wertvolle Möglichkeit der Anpassung an die im Einzelfall vorliegenen Bedingungen einschließlich des zu bearbeitenden Werkstoffs gegeben.

Beim Laserstrahischmezschneiden hat das reduzierend wirkende Prozessgas zu Folge, dass die Metallteile blank aus dem Schneidprozess kommen.

Mit Vorteil kann das Inertgas im Prozessgas eine oder mehrere der Gaskomponenten aus der Gruppe Stickstoff, Argon und Helium enthalten. Stickstoff wird beim Laserstrahlschmelzschneiden jedoch bevorzugt als Inertgas verwendet.

Erfindungsgemäß kann das Prozessgas einen Anteil an Sauerstoff zwischen 0,1 und 30 Vol.-%, vorzugsweise zwischen 0,5 und 25 Vol.-%, besonders bevorzugt zwischen 1 und 20 Vol.-%, aufweisen.

__ Mit Vorteil beträgt der Wasserstoffanteil im Prozessgas zwischen 1 und 70 Vol.-%, vorzugsweise zwischen 5 und 60 Vol.-%, besonders bevorzugt zwischen 10 und 50 Vol.-%.

In Weiterbildung der Erfindung ist das Prozessgas aus einem zumindest Wasserstoff oder Wasserstoff und Inertgas (insbesondere Stickstoff und/oder Argon) enthaltenden Gasgemisch und Luft gemischt.

In Vorteil besteht das Prozessgas zum Laserstrahischmelzschneiden zum großen Teil aus Stickstoff und Argon. Insbesondere kann das Schneidgas mehr als 10 Vol.-% Stickstoff und/oder Argon, vorzugsweise zwischen 20 und 98 Vol.-% Stickstoff und/oder Argon, besonders bevorzugt zwischen 30 und 95 Vol.-% Stickstoff und/oder Argon, aufweisen. Möglich ist auch, dass in den genannten Inertgasmengen weitere Gase außer Stickstoff und Argon enthalten sind.

In Ausgestaltung der Erfindung kann das Prozessgas zum Laserstrahischmelzschneiden aus einem ternären Gemisch aus Stickstoff, Sauerstoff und Wasserstoff, 'aus einem ternären Gemisch aus Argon, Sauerstoff und Wasserstoff oder 'aus einem quaternären Gemisch aus Stickstoff, Argon, Sauerstoff und Wasserstoff bestehen.

Beim erfindungsgemäßen Verfahren zum Laserbearbeiten von Werkstoffen, wie Laserstrahischmeizschneiden oder Laserstrahlschweißen wird ein oben genanntes Prozessgas eingesetzt.

In Ausgestaltung der Erfindung kann durch Festlegen des Verhältnisses von Sauerstoff zu Wasserstoff im Prozessgas im Hinblick auf die Reaktion 2 H2 + OZ 2 H20 der Grad der reduzierenden Wirkung des Prozessgases bestimmt werden. Das bedeutet, dass je nach Wahl des unterstöchiometrischen Verhältnisses von Sauerstoff zu Wasserstoff im Prozessgas ein mehr oder weniger reduzierendes Prozessgas verwendet werden kann. Somit kann das Prozessgas an die vorliegenen Bedingungen angepasst werden.

Das Prozessgas kann vorgemischt der Laserbearbeitungsanlage zugeführt werden.

In einer alternativen Ausgestaltung der Erfindung werden zumindest einzelne Kompo- neten des Prozessgasgemisches in der Laserschweiß-/-schneidanlage vor der Schweiß-/Schneiddüse gemischt und/oder in der Schweiß-/Schneiddüse verwirbelt. In diesem Fall enthält die Schweiß-/Schneidanlage bzw. die Schweiß-/Schneiddüse entsprechend geeignete Mittel, insbesondere Einbauten als Strömungsleitmittel.

Das erfindungsgemäße Prozessgas eignet sich zur Verwendung beim Laserstrahlschmelzschneiden und das Verfahren eignet sich beim Laserstrahischmeizschneiden bei Werkstoffen, die sich nicht mit dem Laserstrahl- brennschneidverfahren schneiden lassen. Die Erfindung erlaubt ein qualitativ hochwertiges und reproduzierbares Schneiden mit erhöhter Schneidgeschwindigkeit durch Laserstrahlschmelzen und hat sich als prozesssicher gezeigt. Ferner führt die Erfindung zu einer Verbesserung des Lochstechens beim Laserstrahl- schmeizschneiden.

Das erfindungsgemäße Prozessgas eignet sich zur Verwendung beim Laserschweißen und das Verfahren eignet sich beim Laserschweißen für beschichtete Werkstoffe, vor allem für Stähle, insbesondere für verzinkte Stähle. Versuche an verzinkten Blechen brachten sehr gute Ergebnisse. Die Geschwindigkeit kann teilweise deutlich gesteigert werden.

Die Erfindung macht in der Regel keine Modifikationen bestehender Lasergeräte und Armaturen erfoderlich.

Die Erfindung kann im Zusammenhang mit allen Arten von Lasern zur Anwendung kommen. Vor allem eignet sie sich für den Einsatz bei der Laserbearbeitung mit Nd- YAG-Laser, Dioden-Laser und CO2-Laser.

Am Beispiel des Laserstrahischmelzschneiden lässt sich mit Hilfe der Energiebilanz zeigen, wieviel zusätzliche Energie für den Laserschneidprozess mit Hilfe der Erfindung bereitgestellt werden kann.

Es wird mit folgenden Gasmengen gearbeitet : 6 m3/h Gemisch 50% H2/N2 und 5 m3/h Druckluft.

Resultierendes Gemisch am Schneidort : 11 m3/h mit ungefähr 10% O2, 30% H2 und 60% N2.

Bei der Verbrennung der 10% Os in diesem Gemisch werden pro Stunde 255.000 kJ frei, was eine zusätzliche Leistung von 70 kW bedeutet. Wenn nur 1/100 dieser Leistung in der Schnittfuge wirksam wird, bedeutet das, dass die Gesamtleistung des Laserschneidprozesses dadurch fast verdoppelt wird.