AT401247B - Laserbearbeitungsvorrichtung - Google Patents

Description

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   Gegenstand der Erfindung Ist eine   Laserbearbeltungsvorrrchtung   zum   nutförmigen   oder flächenhaften
Abtragen mit kontrollierter Abtragunsgstiefe mittels eines auf die   Werkstückoberfläche   senkrecht auftreffen- den Laserstrahls und eines In spitzem Winkel auftreffenden Arbeitsgasstrahis. 



     Abtragverfahren   durch Laserstrahl unter Einwirkung eines zusätzlichen   Gasstrahls   sind bereits bekannt, beispielsweise wird in US-PS 4   078   165 ein Verfahren angegeben, bei dem mittels Laserstrahl ein
Werkstück aufgeschmolzen und die Schmelze mit einem Gasstrahl ausgeblasen wird. Zum Auffangen der wegspritzenden Schmelze kann eine Absaugung vorgesehen werden. 



   Ein ähnliches Verfahren nach US-PS 3 597 578 besteht darin, dass die Düse zur Zufuhr des Arbeitsgas zur   Werkstückoberfläche   schräggestellt ist und das Arbeitsgas (Sauerstoff) durch eine exotherme Reaktion den Abtragungsvorgang unterstützt. 



   Es besteht auch die   Möglichkeit,   die Abtragung durch Zugabe eines Flussmittels durch eine zur   Werkstückoberfläche schräggestellte   Düse zu begünstigen, wie etwa In US-PS 3 569 660 beschneben wird. 



   In schiefem Winkel auf das Werkstück auftreffende Gasstrahlen werden auch häufig benutzt, um beim Schweissen mit dem Laserstrahl die störende Plasmabildung im Bereich des Auftreffpunktes des Laserstrahls auf dem Werkstück zu kontrollieren (siehe z. B. DE-OS 2 254 673). 



   Auch als Einstechhilfe beim Laserschneiden kann ein zur   Werkstückoberfläche tangentialer   Gasstrom Verwendung finden (DE-OS 3 405 406). 



   Die erfindungsgemässe neue Bearbeitungsvorrichtung mit Lasern geht von dem bereits bekannten Vorgang des Abtragens mittels Laserstrahls aus. Dabei wird ein gebündelter Laserstrahl über die   Oberflä-   che des Werkstücks bewegt und schmilzt das Material unterhalb des Brennflecks an der Oberseite des Werkstücks auf eine von der Geschwindigkeit und der Intensität der Laserstrahlung abhängigen Tiefe auf, wobei auch die Breite der geschmolzenen Zone von diesen beiden Parametern bestimmt wird und nicht etwa durch den Durchmesser des Brennflecks. Nach dem Weiterwandern des Laserstrahls erstarrt dann das Material wieder.

   Betrachtet man bel diesem Vorgang einen Querschnitt durch das Werkstück, der durch die Achse des Laserstrahls geht und senkrecht zur Bewegungsrichtung des letzteren ist, so zeigt sich eine etwa halbkreisförmige geschmolzene Zone unterhalb des Brennflecks des Laserstrahls auf der Oberseite des Werkstücks, wobei Tiefe und Breite dieser Zone von   Verfahrgeschwindigkeit   und Intensität der Laserstrahlung abhängen.

   Gelänge es nun, die räumlich betrachtet   halbkugelförmige   geschmolzene Masse auszutreiben und auch beim Weiterwandern des Laserstrahls das neu aufgeschmolzene   Material   in Form eines Viertels einer Kugelschale weiterhin auszutreiben, so würde sich Im Zuge der Bewegung des Laserstrahis über das Werkstück eine Nut bilden, die einen dem Querschnitt der geschmolzenen Zone entsprechenden   halbkreisförmigen   Querschnitt aufweist. 



   Basierend auf der im vorhergehenden Absatz getroffenen Feststellung, dass Tiefe und Breite der Schmelzzone durch Vorschubgeschwindigkeit und Intensität der Laserstrahlung bestimmt werden und unter der Voraussetzung, dass der Druck der Schneidgasströmung so eingestellt wird, dass das gesamte geschmolzene Material tatsächlich ausgetrieben wird, können Breite und Tiefe der bei dem neuen Prozess zustande kommenden Riefen durch die Wahl der Vorschubgeschwindigkeit und der Intensität der Laserstrahlung beeinflusst werden.

   Wird etwa die Vorschubgeschwindigkeit, also die Geschwindigkeit, mit der sich der Laserstrahl über das Werkstück bewegt, relativ hoch angesetzt und wird andererseits die Intensität der Laserstrahlung so hoch   gewählt,   dass das Material im Brennpunkt der Laserstrahlung auch tatsächlich aufschmilzt, so kommt es infolge der geringen Wechselwirkungszeit zwischen Wärmequelle und Werkstück zu einem nur genngen Eindnngen der Erwärmung in das Werkstück, sowohl in die Tiefe Wie auch in seitlicher Richtung, und somit werden schmale,   seichte   Riefen hergestellt. Wird von dieser Einstellung ausgehend entweder die Intensität der Laserstrahlung vergrössert oder die Verfahrgeschwindigkeit verringert, so werden die Riefen breiter und tiefer. 



   Wird nun die Oberfläche des Werkstücks durch den Laserstrahl mäanderförmig   überstrichen,   so wird eine Riefe an die andere gerecht, wobei bel geeigneter Wahl des Abstandes der Verfahrwege eine Überlappung der Riefen zustande kommt und damit eine flächenhafte Abtragung ausgeführt wird. 



   Zum Austreiben des flüssigen Materials wird-wie ebenfalls bekannt-ein Gasstrahl verwendet, der nun aber nahezu senkrecht zur Achse des Laserstrahis, also in der Richtung der Bewegung des Strahls über das Werkstück, verläuft. 



   Zur technischen Verwirklichung eines solchen zum Laserstrahl senkrechten   Gasstrahles   wird nun der erfindungsgemässe Bearbeitungskopf eingesetzt, der neben der mittig angeordneten, senkrechten Bohrung zum Austritt des Laserstrahis eine zusätzliche schräggestellte Düse mit   nierenförmiger     Austnttsöffnung   knapp neben der   Austnttsöffnung   für den Laserstrahl besitzt, durch die   ein scharf gebündelter Arbeitsgas-   strahl erzeugt wird. 



   Durch die erfindungsgemässe Ausführung des Bearbeitungskopfes Ist nun sichergestellt, dass der Arbeitsgasstrahl knapp neben dem Auftreffpunkt des Laserstrahls am Werkstück aus der Düse austntt. 

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 sodass er an der Bearbeitungstelle seine maximale Wirkung entfalten kann. Dies Ist bei bekannten Bearbeitungsköpfen durch den grösseren Abstand zwischen der Arbeitsgasdüse und der nicht optimierten Form der Austrittsoffnung nicht der Fall. Der optimale Winkel, unter dem der Arbeitsgasstrahl auf die   Werkstückoberfläche auftrifft, liegt   unterhalb von   45..   Je kleiner dieser Winkel ausgeführt ist, desto besser erfolgt die Austreibung des flüssigen Matenals. 



   Als Arbeitsgase kommen ähnlich wie beim Laserschneiden für das Schneiden von Eisen und ähnlichen Werkstücken Sauerstoff mit zusätzlicher Energieeinbnngung durch exotherme Reaktion, aber auch Stickstoff, Gemische beider, reiner Stickstoff, Kohlendioxyd und Inertgase In Frage. 



   Ein wichtiges Kriterium für das einwandfreie Arbeiten der Laserbearbeltungsvornchtung Ist es, dass der aus der Düse austretende Gasstrahl so beschaffen und angeordnet ist, dass er das gesamte geschmolzene Material auf die volle Tiefe der Schmelzzone austreiben kann und dass der Gasstrahl soweit wie   möglich   parallel zur   Werkstückoberfläche   verläuft, um das für den Vorgang nötige tangentiale Wegblasen des geschmolzenen Materials zu ermöglichen.

   Wenn dieses tangentiale Ausblasen des geschmolzenen Materials nicht zustande kommt, sondern hingegen ein Ausblasen etwa schräg zur   Werkstückoberfläche   erfolgt, so können Metallspritzer In den Weg des Strahls gelangen und einerseits diesen ablenken und stören oder die Fokussierlinse treffen und verschmutzen und damit zur Ablenkung des Strahls von seinem vorgegebenen Weg führen. 



   Um die Fokussierlinse noch besonders vor schädlichen Metallspritzern zu schützen, kann noch ein koaxial zum Laserstrahl verlaufender Schutzgasstrahl, der gemeinsam mit dem Laserstrahl aus der Im Bearbeitungskopf mittig angeordneten Düse austritt und entweder die gleiche Zusammensetzung wie der Arbeitsgasstrahl oder auch eine andere aufweist, verwendet werden. 



   Ein Arbeitsgasstrahl, wie er von dem erfindungsgemässen Bearbeitungskopf erzeugt wird, bläst ständig 
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 weg, wobei sich in der von der Düse aus gesehen hinter dem Laserstrahl befindlichen Seite ein Schauer aus geschmolzenen Metallpartikeln bildet, ähnlich wie sich an der Unterseite des Werkstücks beim konventionellen Laserschneiden ein Funkenregen ausbildet. Um ein Wiederanlagern an das Werkstück zu vermelden, muss an dieser Stelle eine kräftige Absaugung vorgesehen werden. 



   In der Figur ist nun ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel für einen erfindungsgemässen Bearbeitungskopf zur Herstellung von Nuten oder Riefen in Werkstücken und zur flächenhaften Abtragung gezeigt. 



   Der Bearbeitungskopf enthält zunächst eine Fokussierlinse 6, die den Laserstrahl 7 auf die   Oberfläche   des Werkstücks   bündelt,   wobei er den Bearbeitungskopf durch die Düse 5 verlässt. Durch einen Stutzen 8 wird dem Bearbeitungskopf Arbeitsgas 11 mit einem Druck zwischen 1 und mehreren Atmosphären zugeführt und durch den Kanal 9 zur Unterseite des Bearbeitungskopfes geführt, wo die Düse   1,   deren Mittellinie unter einem spitzen Winkel zur   Oberfläche   des zu bearbeitenden Werkstücks verläuft, einen scharf gebündelten intensiven Gasstrahl 2 erzeugt, der die   Werkstückoberfläche   unter einem spitzen Winkel trifft und dort das vom Laserstrahl aufgeschmolzene Material 12 annähernd tangential zur   Werkstückoberflä-   che ausbläst.

   Die Nut 17 dehnt sich dabei auf der   Werkstückoberfläche   in   Bearbeitungsrichtung   aus. Durch einen Stutzen 10 wird dem zentralen Hohlraum zwischen Fokussierlinse und Strahlaustrittsöffnung bzw. Düse 5 Schutzgas 13 mit einem Druck, der sowohl unter wie auch über Atmosphärendruck liegen kann, zugeführt womit die axial nach unten gerichtete Gasströmung 4 das Eindnngen von Metallspritzern In den Raum unter der Linse verhindert und damit Beschädigungen der letzteren vermeidet Insgesamt werden also zwei Gasströmungen, und zwar eine Arbeitsgasströmung 2 annähern parallel zur   Werkstückoberfläche   oder unter spitzem Winkel zur   Oberfläche   und eine Schutzgasströmung 4 senkrecht zur Werkstückoberfläche verwendet.

   Beide Gasströmungen können entweder aus reinem Sauerstoff oder einem SauerstoffStickstoffgemisch, Stickstoff, Kohlendioxyd, einem lnertgas oder anderen Gasen bestehen und müssen nicht die gleiche Zusammensetzung haben. Wird reiner Sauerstoff oder ein Sauerstoff-Stickstoffgemisch verwendet, so kann eine zusätzlich erwärmende Wirkung durch exoterme Reaktion des Sauerstoffs mit dem Werkstoff, etwa Stahl, genützt werden. Das durch den Arbeitsgasstrom tangential zur Werkstückoberfläche in Bearbeitungsrichtung weggeblasene flüssige Material kann noch durch eine Absaugvorrichtung 3 entfernt werden, die mit einer   leistungsfähigen   Absaugung 14 verbunden ist. 



   Die Relativbewegung 15 zwischen Laserstrahl 7 und Werkstück 16 kommt dabei dadurch zustande, dass entweder das Werkstück in der Ebene senkrecht zum Laserstrahl verschoben wird, oder dass das Werkstück um   seine Symmetneachse   gedreht wird, wobei letzteres nur bel   zyhndersymmetnschen   Werkstücken möglich ist ("Laserdrehen"). Der Bearbeitungskopf kann dabei nur eine Verschiebung In der Strahlachse und eventuell eine Drehung um die Strahlachse ausführen

Claims (3)

1. Patentansprüche 1. Laserbearbeitungsvorrichtung zum nutförmigen oder flächenhaften Abtragen mit kontrollierter Abtra- gungstiefe mittels eines auf die Werkstückoberf) äche senkrecht auftreffenden Laserstrahls und eines in spitzem Winkel auftreffenden Arbeitsgasstrahls, dadurch gekennzeichnet, dass der Bearbeitungskopf neben der mittig angeordneten, senkrechten Bohrung (5) zum Austritt des Laserstrahls eine zusätzliche schräggestellte Düse (1) mit merenförmiger Austrittsöffnung eng neben der Austnttsöffnung für den Laserstrahl (7) besitzt, durch die ein scharf gebündelter Arbeitsgasstrahl (2) erzeugt wird.
2. 2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als Zusatzdüse zur Erzeugung eines die Fokussierlinse schützenden Schutzgasstroms (4) zusätzlich zum Arbeitsgasstrom (2) und koaxial zum Laserstrahl (7), die Laserstrahlaustrittsöffnung (5) angeordnet ist.
3. 3. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Absaug- vornchtung (3) zur Entfernung der beim Ausblasen des flüssigen Werkstoffs entstehenden Schmelz- tröpfchen angeordnet ist, die aus einem mit einem geeigneten Gebläse verbundenen Ansaugstutzen besteht, und die an der, den zur Werkstückoberfläche parallelen Arbeitsgasstrom erzeugenden Düse (2) gegenüberliegenden Seite des Bearbeitungskopfes angeordnet ist.