DE10005593C1 - Hand- und maschinenführbare autonome Einrichtung zum Punktschweißen - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft hand- und maschinenführbare autonome Einrichtungen zum Punktschweißen in einem optisch dichten Gehäuse mit einer intern oder einer über Lichtwellenleiter angekoppelten extern angeordneten und Laserstrahlen erzeugenden Vorrichtung. DOLLAR A Eine zwischen einer Optik und der Austrittsstelle des Laserstrahls angeordnete und mechanisch durch das Aufsetzen der Einrichtung betätigte Strahlfalle verhindert in einfacher Weise und sicher, dass die Laserstrahlen ungewollt aus der Einrichtung austreten können. Die Betätigung der Strahlfalle wird durch ein Stellelement bewirkt, das einen Gegendruck überwinden muss. Unfallgefahren durch die Laserstrahlung werden durch die Anordnung weitestgehend ausgeschlossen. DOLLAR A Die Laserstrahlung wird durch die Optik in dem Gehäuse der erfindungsgemäßen Einrichtung so geformt, dass eine ringförmige oder weitestgehend gleiche Energieverteilung im Querschnitt des Laserstrahles vorhanden ist. Die daraus resultierende Temperatur im Werkstück ist über den Durchmesser der Bearbeitungsstelle weitestgehend homogen verteilt. Eine erhöhte Temperatur in der Mitte der Bearbeitungsstelle wird vermieden und der Bearbeitungsfleck vergrößert.

Description

Die Erfindung betrifft hand- und maschinenführbare autonome Einrichtungen zum Punkt­ schweißen nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Bekannte handführbare Vorrichtungen zum Laserschweißen von Werkstücken wie unter an­ derem in der DE 196 36 458 (Manuell zu positionierende und zu betätigende Einrichtung zum Laserstrahlschweißen) weisen einen relativ großen Bearbeitungskopf mit innenliegenden Achsen oder Scannern auf, um eine in der Länge und im Querschnitt genügend große Schweiß­ naht zu erzeugen. Die Öffnung für den Laserstrahl entspricht der Reichweite der eingebauten Achsen und umfasst mehrere cm². Die Lasersicherheit wird durch eine den Laserstrahl voll­ ständig absperrende motorisch angetriebene Klappe, die durch Sensoren, die das korrekte Auf­ sitzen der Vorrichtung auf dem Werkstück messen, realisiert. Die Überwachung erfolgt durch eine extern angeordnete Steuerung.

Maschinengeführte Vorrichtungen zum Punktschweißen sind in der Regel als reine Fokussier­ optiken ohne eigene Steuer-, Regel- und Sicherheitseinrichtungen ausgeführt, wodurch ein autonomer Betrieb und somit ein schnelles Ankoppeln an beliebige Maschinen nicht möglich ist. So ist in der DE PS 43 31 827 C1 (Verfahren und Vorrichtung zum Erzeugen einer Sicherung für Schraubverbindungen) in einem mechanischen Schraubkopf als automatisches Montagewerkzeug für Schraubverbindungen eine Optik so integriert, dass über einen Laser­ strahl Teile der Schraubverbindungen miteinander geschweißt werden. Dazu weist diese unter anderem auch eine rotierende Optik auf, mit der eine ringförmige Energieverteilung erzeugt werden kann. Diese Möglichkeit wird in der beschriebenen Lösung nicht genutzt. Es wird nur mindestens ein Mikroschweißpunkt hergestellt, wobei nur ein kleiner Teil des Umfangs der Schraubverbindung geschweißt wird.

Die Energieverteilung eines fasergeführten Laserstrahles oder eines Laserstrahles eines Hoch­ leistungsdiodenlasers weist in der Regel ein Top-Hat-Profil auf, da das Ende der Faser auf die Bearbeitungsstelle abgebildet wird oder sehr viele Einzellaserstrahlen auf einem Fleck zusam­ mengeführt werden. Die Energie ist dabei fast gleichmäßig über den Strahldurchmesser verteilt. Dies bewirkt eine fast gaußförmige Temperaturverteilung auf der Werkstückoberfläche mit einem Temperaturmaximum in der Mitte. Bei der Anwendung einer derartigen Laserstrahlung zum Punktschweißen besteht zum einen die Gefahr des Durchbrennens der Schweißstelle, ins­ besondere bei sehr dünnen zu verbindenden Werkstücken, und zum anderen ist die Realisie­ rung einer Schweißstelle mit lediglich einem kleinen Durchmesser möglich, so dass eine be­ grenzte Festigkeit zu verzeichnen ist, die jedoch unter anderem durch die Steigerung der An­ zahl der Punktschweißungen kompensierbar ist.

In der US 3 392 261 (Tragbarer Strahlerzeuger) ist eine Vorrichtung bekannt, deren optisch dichtes Gehäuse einen hohlzylindrischen Abschnitt aufweist, der auf die zu schweißenden Körper aufgesetzt wird und der aufgrund einer Feder eine Druckkraft auf die zu schweißenden Körper ausübt. Diese bekannte Vorrichtung besitzt zudem einen als Strahlfalle wirkenden federbelasteten Spiegel, der vollständig aus der Strahlführungsöffnung herausbewegt werden muss, damit ein Laserstrahlimpuls ausgelöst werden kann.

Vorrichtungen, bei denen die Strahlfalle durch Aufsetzen des Bearbeitungskopfes direkt me­ chanisch betätigt wird, und bei denen die geöffnete Klappe den Laserpuls auslöst, sind nicht bekannt.

Der im Patentanspruch 1 angegebenen Erfindung liegt das Problem zugrunde, eine autonom arbeitende hand- und maschinenführbare Vorrichtung zum Punktschweißen unter Verwendung von Laserstrahlen mit größtmöglichen Durchmesser der Punktschweißung zu schaffen.

Dieses Problem wird mit den im Patentanspruch 1 aufgeführten Merkmalen gelöst.

Die hand- und maschinenführbare autonome Einrichtung zum Punktschweißen in einem optisch dichten Gehäuse und mit einer intern oder einer über Lichtwellenleiter angekoppelten extern angeordneten und Laserstrahlen erzeugenden Vorrichtung zeichnet sich insbesondere durch ihre einfache Realisierung aus. Eine zwischen einer Optik und der Austrittsstelle des Laser­ strahles angeordnete und mechanisch durch das Aufsetzen der Einrichtung betätigte Strahlfalle verhindert in einfacher Weise unabhängig von Steuereinrichtungen und Sensoren und damit zugleich sicher, dass die Laserstrahlen ungewollt aus der Einrichtung austreten können. Die Betätigung der Strahlfalle wird durch ein Stellelement bewirkt, das einen Gegendruck über­ winden muss. Unfallgefahren durch die Laserstrahlung werden durch die Anordnung weitest­ gehend ausgeschlossen. Die erfindungsgemäße hand- und maschinenführbare autonome Ein­ richtung zum Punktschweißen erfüllt dadurch die Anforderungen an die Laserklasse 1.

Die Laserstrahlung wird durch die Optik in dem Gehäuse der erfindungsgemäßen Einrichtung so geformt, dass eine ringförmige oder weitestgehend gleiche Energieverteilung im Querschnitt des Laserstrahles vorhanden ist. Die daraus resultierende Temperatur im Werkstück ist über den Durchmesser der Bearbeitungsstelle weitestgehend homogen verteilt. Eine erhöhte Tem­ peratur in der Mitte der Bearbeitungsstelle wird vermieden und der Bearbeitungsfleck ver­ größert. Damit ist zum einen eine größere Festigkeit der zu verbindenden Werkstücke erziel­ bar, so dass die Anzahl der Punktschweißungen gegenüber herkömmlichen Laserpunktschwei­ ßungen verringert werden kann, und zum anderen sind insbesondere auch geringe Blechdicken fest miteinander verschweißbar. Es sind sowohl breitere Anwendungsmöglichkeiten als auch günstige ökonomische Aspekte gegeben.

Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Einrichtung besteht darin, dass diese wahlweise hand- und maschinenführbar ist. Das wird dadurch realisiert, dass die Strahlfalle bei vollstän­ diger Öffnung autonom einen Laserpuls auslösen kann. Damit ist ein universeller Einsatz ins­ besondere für das Verschweißen von Blechen gegeben. Eine Maschinenführung ist durch die einfache Montage und die gewichtsreduzierende Bauweise der erfindungsgemäßen Einrichtung an ein Handhabesystem z. B. in Form eines Industrieroboters auch leicht möglich. Das Auslösen des Laserpulses wird bekanntermaßen einfach durch Aufsetzen der Einrichtung auf das Werk­ stück unter Verwendung einer Maschinenachse realisiert.

Die die Laserstrahlen formende Optik ist im Gehäuse der erfindungsgemäßen Einrichtung so­ wohl feststehend als auch rotierend einbringbar. Besonders durch den ersten Fall ist ein sehr einfacher und ökonomischer Aufbau gegeben. Zusätzliche Achsen mit Antrieben werden ein­ gespart.

Ein Laser in Form eines Hochleistungsdioden-, Nd:YAG- oder Faserlasers erlaubt das flexible Heranführen der Laserstrahlung mit einer Lichtleitfaser. Insbesondere für ein handgeführtes Werkzeug ist dieser Sachverhalt von besonderer Bedeutung. Damit steht dem Nutzer eine ein­ fach aufgebaute, leicht und weitestgehend unfallfreie zu betätigende Einrichtung zum Ver­ schweißen von Werkstücken zur Verfügung.

Die Integration einer Steuer- und/oder Regeleinrichtung gewährleistet eine Verarbeitung der Signale aller Sensoren und der durch das Bedienpersonal eingestellten Parameter. Die damit steuerungstechnisch hergestellte Autonomie der erfindungsgemäßen Einrichtung ist eine wei­ tere Voraussetzung, diese auch einfach an eine Maschine in Form z. B. eines Roboters anbauen zu können, ohne dass die Einrichtung mit der Maschine steuerungstechnisch verkoppelt wer­ den muss.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Patentansprüchen 2 bis 15 angegeben.

Ein Axikon oder eine Trepanieroptik sind nach den Weiterbildungen der Patentansprüche 2 und 3 günstige Ausgestaltungen für zum einen eine feststehende oder zum anderen eine ro­ tierende Optik. Im Falle, dass das Axikon gleichzeitig die Fokussierlinse ist, wird eine zusätz­ liche Linse eingespart.

Die Weiterbildungen des Patentanspruchs 4 erlauben die Realisierung einfacher, kostengüns­ tiger und leichter Optiken, da insbesondere für die angestrebte Anwendung höchste optische Präzision nicht erforderlich ist.

Ein im Inneren gepumpter Faserlaser, ein ringförmig angeordnetes Faserbündel und ein im Ringmode betriebener Festkörperlaser nach den Weiterbildungen der Patentansprüche 5 bis 7 stellen einfache Möglichkeiten dar, eine ringförmige Energieverteilung des Laserstrahles zu erreichen.

Eine Ausbildung der Strahlfalle als Klappe nach der Weiterbildung des Patentanspruchs 8 er­ laubt eine einfache mechanische Realisierung.

Ein weiterer Vorteil ist die Positionierung der Klappe über eine Druckfeder auf der Öffnung der erfindungsgemäßen Einrichtung, wobei die Klappe über einen verschiebbaren Hohlzylinder 6 oder Stift als Stellelement bewegbar ist. Damit dient die Druckfeder zum Einen dem sicheren Verschluss der Öffnung und zum Anderen muss diese Federkraft beim Aufsetzen der erfin­ dungsgemäßen Einrichtung überwunden werden, um die Öffnung freizugeben. Dieser Druck dient gleichzeitig dazu, das obere Werkstück zusätzlich auf das Untere definiert aufzudrücken, so dass eventuell vorhandene Zwischenräume ausgeglichen werden. Damit wird eine feste Punktschweißstelle auch bei nicht optimal zueinander plazierter Werkstücke gewährleistet. Dieser Sachverhalt ist besonders bei der Verbindung dünner Bleche von Bedeutung.

Einstellbare Druckfedern zum Öffnen der Klappe nach den Weiterbildungen der Patentansprü­ che 9 und 10 unterstützen den erzielbaren Effekt nach der Weiterbildung des Patentanspruchs 8. Damit ist die erfindungsgemäße Einrichtung an die Dicke der zu verschweißenden Werk­ stücke anpassbar. Insbesondere wird bei dünnen Werkstücken eine dadurch hervorgerufene Verformung vermieden. Eine bezüglich der Druckkraft einstellbare Feder gewährleistet damit eine Anpassung an die Art und die Dicke der Werkstücke und konstante Schweißbedingungen. Besonders hinsichtlich einer artfremden Verwendung der erfindungsgemäßen Einrichtung wird dadurch vorgebeugt. Die Sicherheit wird nochmals wesentlich gesteigert.

Ein weiterer Vorteil ist dadurch gegeben, dass die Werkstücke gleichen Stoffes mit einer gleichen Druckkraft verschweißt werden.

Die erfindungsgemäße Einrichtung ist damit so ausführbar, dass falls die Druckkraft nicht aus­ reicht, um die Werkstücke fest aufeinander zu drücken, kein Laserpuls ausgelöst werden kann. Andererseits wird auch bei abweichender zu hoher Druckkraft der Puls immer bei der gleichen definierten Kraft ausgelöst. Die Qualität der Schweißstellen steigt wesentlich.

Die Anwendung eines verschiebbaren Hohlzylinders, der optisch abgedichtet ist, nach der Wei­ terbildung des Patentanspruchs 11 sichert, dass Laserstrahlung während der Bearbeitung der Werkstücke nicht nach außen gelangt.

Die Verbindung des verschiebbaren Hohlzylinders über eine flexible Manschette mit dem Ge­ häuse der Einrichtung nach der Weiterbildung des Patentanspruchs 12 gewährleistet die opti­ sche Abdichtung auch bei einem geringfügigen Verkanten der Einrichtung während der Bearbeitung.

Die Weiterbildung des Patentanspruchs 13 sichert, dass die geschlossene Klappe als Strahlfalle während der Bestrahlung mit Laserstrahlen nicht beschädigt wird. Der Temperatursensor dient dabei dem Ausschalten der extern oder intern angeordneten und Laserstrahlen erzeugenden Einrichtung.

Ein Hochleistungsdiodenlaser als intern angeordnete und Laserstrahlen erzeugende Vorrich­ tung nach der Weiterbildung des Patentanspruchs 14 ist in die erfindungsgemäße Einrichtung integrierbar, so dass ein komplettes Werkzeug vorhanden ist und wesentliche Teile der Strahl­ führung eingespart werden können.

Die Weiterbildung nach dem Patentanspruch 15 erlaubt den flexiblen Einsatz der erfindungsge­ mäßen Einrichtung sowohl im hand- als auch im maschinengeführten Betrieb.

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden im fol­ genden näher beschrieben.

Es zeigen:

Fig. 1 eine prinzipielle Darstellung einer Einrichtung zum Punktschweißen mit einer geschlos­ sener Klappe,

Fig. 2 eine prinzipielle Darstellung einer Einrichtung zum Punktschweißen mit einer offenen Klappe,

Fig. 3 eine prinzipielle Darstellung einer weiteren Einrichtung zum Punktschweißen,

Fig. 4 einen Querschnitt der Energieverteilung der durch die Optiken der Einrichtungen ge­ formten Laserstrahlen und

Fig. 5 eine prinzipielle Darstellung eines innengepumpten Faserlasers.

1. Ausführungsbeispiel

Die hand- und maschinenführbare Einrichtung zum Punktschweißen besteht in einem ersten Ausführungsbeispiel im wesentlichen aus einem Gehäuse, in dem eine Laserstrahlen 4 erzeugende Vorrichtung und eine die Laserstrahlen 4 formende Optik angeordnet sind. Die Fig. 1 und 2 zeigen prinzipiell eine derartige Einrichtung.

In dem Gehäuse befindet sich eine Laserstrahlen erzeugende Vorrichtung in Form eines ge­ pulsten Hochleistungsdiodenlasers. Im Strahlengang nach dem Hochleistungsdiodenlaser ist die Laserstrahlen formende Optik fest angeordnet. Diese Optik ist eine Kombination aus Fokus­ sierlinse 2 und Axikon 3, die die Laserstrahlen 4 so formt, dass zum Einen ein großer Strahl­ fleck und zum Anderen eine ringförmige Energieverteilung realisierbar sind. Eine derartige Energieverteilung ist in der Fig. 4 dargestellt. Das Axikon 3 selbst ist ein zylinderförmiges Bauteil, dessen zum Hochleistungsdiodenlaser gerichtete Oberfläche rotationssymmetrisch v- förmig ausgebildet ist. Die Oberfläche in Richtung des Werkstücks 7 ist eben ausgeführt. Der Winkel zwischen der Symmetrieachse des Axikons 3 und der vom Mittelpunkt zum Außenrand des Axikons 3 geradlinig fallenden Fläche beträgt 6°. Mit der Anwendung eines derartigen Axikons 3 wird der Laserstrahl in Richtung des Außenrandes des Strahlflecks gebrochen (Dar­ stellung der Fig. 2), so dass eine ringförmige Energieverteilung gegeben ist.

Zwischen der Austrittsstelle der Laserstrahlung und der Optik befindet sich eine Strahlfalle. Der Austritt der Laserstrahlung erfolgt über die Öffnung eines in der Richtung der Symmetrie­ achse der Einrichtung bewegbaren Hohlzylinders 6. Die Strahlfalle ist eine bewegbare Klappe 5. Bei dem größten Abstand zwischen Hohlzylinder 6 und Optik, dass bedeutet ausgefahrenem Hohlzylinder 6, ist die Öffnung des Hohlzylinders 6 durch die Klappe 5 vollständig verschlos­ sen (Darstellung in der Fig. 1). Der Verschluss wird durch eine Druckfeder zwischen dem Ge­ häuse und der Klappe 5 sichergestellt. Die Kraft, die die Druckfeder auf die Klappe 5 ausübt, ist mit einem Verstellring festlegbar. Die Lagerung der Klappe 5 ist so ausgeführt, dass bei einer Bewegung des Hohlzylinders 6 in Richtung der Optik die Klappe 5 in Richtung der Optik äquivalent aufgeklappt wird. Die Öffnung des Hohlzylinders 6 wird gegenüber der Optik frei­ gegeben.

An das Lager der Klappe 5 ist wenigstens ein Sensor angekoppelt, so dass die Positionen der geschlossenen und der vollständig geöffneten Klappe 5 erfassbar sind. Im einfachsten Fall ist das ein Schalter 16, der bei Berührung die Einrichtung freigibt.

Die Außenwandung des verschiebbaren Hohlzylinders 6 ist gegenüber dem Innenraum der Einrichtung vorzugsweise durch eine Manschette optisch abgedichtet.

Die auf dem Werkstück 7 aufsitzende Fläche des Hohlzylinders 6 ist mit einer Schutzschicht, vorzugsweise einem diamantähnlichen Kohlenstoff, versehen. Die Schutzschicht vermindert den Verschleiß des Hohlzylinders 6 und verbessert die Gleiteigenschaften.

Der Hochleistungsdiodenlaser, die Sensoren und ein Bedienpanel sind mit einem in der Einrich­ tung integrierten Mikrorechner als Steuer- und Regeleinrichtung verbunden. Damit wird ge­ währleistet, dass nur bei vollständig geöffneter Klappe 5 eine Laserstrahlung ausgesendet wird. Gleichzeitig erfolgt über den Mikrorechner die Steuerung des Hochleistungsdiodenlasers ent­ sprechend der Parametervorgabe am Bedienpanel.

Für einen optimalen Schweißprozess entsprechend dem Werkstück 7 lassen sich Pulsdauer und Pulsleistung variieren.

Für die Handführung sind am Gehäuse entsprechende Griffe angebracht, so dass eine Führung der Einrichtung gegeben ist. Zur Unterstützung einer leichten Führbarkeit ist die Einrichtung über Gegengewichte und Rollen schwebend aufgehangen.

Die Auslösung des Schweißpulses erfolgt wahlweise über einen am Griff angebrachten Taster oder durch Aufsetzen der Einrichtung auf die zu verschweißenden Werkstücke 7.

Zum Schutz der Optik vor den Schweißdämpfen wird im Innenraum der Einrichtung eine Gas­ strömung quer zur Optik erzeugt.

In einer weiteren Ausführungsform des Ausführungsbeispiels liefert der Hochleistungsdioden­ laser durch geeignete Zusammenführung der Einzellaserstrahlen bereits eine ringförmige Strahlverteilung. Dies führt zu einer Vereinfachung der Einrichtung, da im nachfolgenden Strahlengang das Axikon 3 weggelassen werden kann.

2. Ausführungsbeispiel

Die hand- und maschinenführbare Einrichtung zum Punktschweißen besteht in einem zweiten Ausführungsbeispiel im wesentlichen aus einem Gehäuse, in dem eine Laserstrahlen einkop­ pelnde Vorrichtung und eine die Laserstrahlen formende Optik angeordnet sind. Die Laser­ strahlen erzeugende Vorrichtung befindet sich außerhalb der Einrichtung und ist in diesem Ausführungsbeispiel ein gepulster Nd:YAG-Laser. Über Laserstrahlen führende Vorrichtun­ gen, vorzugsweise einer Lichtleitfaser 8, gelangen die Laserstrahlen 4 zu der die Laserstrahlen einkoppelnden Vorrichtung in Form eines Fasersteckers 9. Die Fig. 3 zeigt prinzipiell eine der­ artige Einrichtung.

In einem Gehäuse befindet sich der Faserstecker 9. Im Strahlengang nach diesem ist eine Fo­ kussierlinse 2 und die die Laserstrahlen formende Optik angeordnet. Diese Optik ist eine Tre­ panieroptik, die die Laserstrahlen 4 so formt, dass zum einen ein größerer Strahlfleck und zum anderen eine ringförmige Energieverteilung realisierbar sind. Eine derartige Energieverteilung ist in der Fig. 4 dargestellt. Die Trepanieroptik ist eine rotierende und gegenüber der Sym­ metrieachse der Laserstrahlen 4 leicht gekippt angeordnete Linse 10. Dadurch wird der Laser­ strahl 4 in Richtung des Außenrandes des Strahlflecks gebrochen (Darstellung der Fig. 3), so dass eine ringförmige Energiedichteverteilung gegeben ist.

Zwischen der Austrittsstelle der Laserstrahlung und der Optik befindet sich eine Strahlfalle. Der Austritt der Laserstrahlung erfolgt über die Öffnung eines Hohlzylinders 6, der in einer Ausführungsform aus mehreren gegeneinander bewegbaren und ineinander geführten Teilhohl­ zylindern (teleskopartig) besteht. Die Strahlfalle ist eine bewegbare Klappe 5, die die Öffnung des Hohlzylinders 6 oder des obersten und gegenüber dem Gehäuse feststehenden Teilhohl­ zylinders vollständig verschließt. Der Verschluss wird durch eine Druckfeder zwischen dem Gehäuse und der Klappe 5 sichergestellt. Die Lagerung der Klappe 5 ist so ausgeführt, dass bei einer Bewegung eines Stiftes gegenüber der Optik die Klappe 5 in Richtung der Optik äqui­ valent aufgeklappt wird. Die Öffnung des Hohlzylinders 6 oder des Teilhohlzylinders wird gegenüber der Optik freigegeben.

Am Stift ist eine zweite Feder angebracht, deren Druckkraft über einen von außen gut zugäng­ lichen Verstellring einstellbar ist.

Im Inneren der Einrichtung befinden sich zwei Sensoren, die auf die Position der Klappe 5 reagieren, so dass die Positionen der geschlossenen und der vollständig geöffneten Klappe 5 sicher erfassbar sind. In einer weiteren Variante ist das ein Schalter 16, der erst bei Berührung die Einrichtung freigibt (Darstellung in der Fig. 3).

Der Nd:YAG-Laser, die Sensoren und ein an der Einrichtung befindliches Bedienpanel sind mit einer Steuerungseinrichtung insbesondere einem in der Einrichtung integrierten Mikrorechner verbunden. Damit ist gewährleistet, dass nur bei vollständig geöffneter Klappe 5 eine Laser­ strahlung ausgesendet wird. Gleichzeitig erfolgt über den Mikrorechner die Steuerung des Nd:YAG-Lasers selbst entsprechend der Parametervorgabe am Bedienpanel.

Für einen optimalen Schweißprozess entsprechend des Werkstücks 7 sind Pulsdauer und Puls­ leistung variierbar.

Für die Handführung sind am Gehäuse entsprechende Griffe angebracht, so dass eine Führung der Einrichtung gegeben ist.

Das Auslösen des Laserpulses erfolgt durch Aufsetzen der Einrichtung mit genügend großer Kraft. Dadurch ist gewährleistet, dass die zu verschweißenden Werkstücke 7 aufeinander ge­ drückt werden und dass schnell gearbeitet werden kann.

3. Ausführungsbeispiel

Die hand- und maschinenführbare Einrichtung zum Punktschweißen besteht in einem dritten Ausführungsbeispiel im wesentlichen aus einem Gehäuse, in dem eine Laserstrahlen einkop­ pelnde Vorrichtung und eine die Laserstrahlen formende Optik angeordnet sind. Die Laser­ strahlen erzeugende Vorrichtung befindet sich außerhalb der Einrichtung und ist in diesem Ausführungsbeispiel ein gepulster Hochleistungsdiodenlaser. Über Laserstrahlen führende Vorrichtungen vorzugsweise einer Lichtleitfaser 8, gelangen die Laserstrahlen 4 zu der die Laserstrahlen einkoppelnden Vorrichtung. Die Fig. 3 zeigt prinzipiell eine derartige Einrich­ tung.

In einem Gehäuse befindet sich eine die Laserstrahlen 4 in die Einrichtung einkoppelnde Vor­ richtung z. B. in Form einer Kollimations-Fresnellinse. Im Strahlengang nach dieser ist die die Laserstrahlen formende Optik angeordnet. Diese Optik besteht aus einer Fresnellinse, die die Funktion eines Axikons und einer Fokussierlinse vereint. Dadurch ist ein äußerst kompak­ ter Aufbau von nur einigen mm Dicke möglich. Zur Einsparung von Gewicht bestehen die Optiken aus beschichtetem Kunststoff, z. B. einem Acryl. Die vorhandene Optik formt die Laserstrahlen 4 so, dass zum Einen ein größerer Strahlfleck und zum Anderen eine ringförmige Energieverteilung realisierbar sind. Eine derartige Energieverteilung ist in der Fig. 4 dargestellt. Zwischen der Austrittsstelle der Laserstrahlung und der Optik befindet sich eine Strahlfalle entsprechend Ausführungsbeispiel 1 oder 2.

Der Hochleistungsdiodenlaser, die Sensoren und ein an der Einrichtung angeordnetes Bedien­ panel sind mit einer Steuerungseinrichtung insbesondere einem in der Einrichtung integrierten Mikrorechner verbunden. Damit ist gewährleistet, dass nur bei vollständig geöffneter Klappe 5 eine Laserstrahlung ausgesendet wird. Gleichzeitig erfolgt über den Mikrorechner die Steue­ rung des Hochleistungsdiodenlasers selbst entsprechend der Parametervorgabe am Bedienpanel.

Für einen optimalen Schweißprozess entsprechend des Werkstücks 7 sind Pulsdauer und Puls­ leistung variierbar.

Das Auslösen des Laserpulses erfolgt durch Aufsetzen der Einrichtung mit genügend großer Kraft. Dadurch ist gewährleistet, dass die zu verschweißenden Werkstücke 7 aufeinander ge­ drückt werden und dass autonom und schnell gearbeitet werden kann.

Durch das am Gehäuse vorhandene Führungselement ist wahlweise ein Handgriff oder ein Adapter zur Befestigung an einen Roboterarm anbringbar. Das gewährleistet eine hohe Fle­ xibilität der Einrichtung. Zur Maschine in Form des Roboters ist keine steuerungstechnische Verkopplung nötig. Der Puls wird wie beim Handbetrieb durch Aufsetzen der Einrichtung auf das Werkstück 7 ausgelöst. Damit ist eine Arbeitsweise ähnlich dem elektrischen Punktschwei­ ßen möglich.

4. Ausführungsbeispiel

Die hand- und maschinenführbare Einrichtung zum Punktschweißen besteht in einem vierten Ausführungsbeispiel im wesentlichen aus einem Gehäuse, in dem eine Laserstrahlen einkop­ pelnde Vorrichtung angeordnet ist. Die Laserstrahlen erzeugende Vorrichtung befindet sich außerhalb der Einrichtung und ist in diesem Ausführungsbeispiel ein innengepumpter Hoch­ leistungsfaserlaser 11. Dieser besteht aus einer Doppelkernfaser. In die innere Faser 12 wird die Pumpstrahlung (z. B. von einem Hochleistungsdiodenlaser) eingekoppelt. Die äußere Faser 13 in Form eines Ringes besteht z. B. aus Nd:Glas und wird bei genügend großer Länge von der inneren Faser 12 gepumpt und zum Laserprozess angeregt. Als Resultat entsteht ein ring­ förmiger Laserstrahl. Die Fig. 5 zeigt prinzipiell eine derartige Einrichtung.

In einem Gehäuse befindet sich eine die Laserstrahlen 4 auf das Werkstück 7 abbildende Vor­ richtung z. B. in Form einer Kollimations- 14 und einer Fokussierlinse 15. Der innengepumpte Hochleistungsfaserlaser 11 liefert eine ringförmige Energieverteilung. Eine derartige Energie­ verteilung ist in der Fig. 4 dargestellt.

Die Strahlfalle und die Steuerungseinrichtungen können wie in den Beispielen 1 bis 3 ausgeführt sein.

Das Auslösen des Laserpulses erfolgt ebenfalls durch Aufsetzen der Einrichtung mit genügend großer Kraft. Dadurch ist gewährleistet, dass die zu verschweißenden Werkstücke 7 aufein­ ander gedrückt werden und dass schnell gearbeitet werden kann.

In weiteren Ausführungsformen des Ausführungsbeispiels wird der Faserlaser durch ein ring­ förmig angeordnetes Faserbündel oder einen im Ringmode betriebenen Festkörperlaser ersetzt. In das kompakte Faserbündel wird die Strahlung eines Nd:YAG- oder Hochleistungsdioden­ lasers eingekoppelt. Anschließend erfolgt eine Umformung des Faserbündels zu einem Faser­ ring. Das Ende des Faserringes wird auf das Werkstück 7 abgebildet.

Alternativ wird ein diodengepumpter Festkörperlaser durch eine geeignete Modenblende oder entsprechende Resonatoranordnungen im Ringmode betrieben und die Strahlung auf das Werk­ stück 7 fokussiert.

Claims (15)

1. Hand- und maschinenführbare autonome Einrichtung zum Punktschweißen in einem optisch dichten Gehäuse mit einer intern oder einer über Lichtwellenleiter angekoppelten extern angeordneten und Laserstrahlen erzeugenden Vorrichtung, dadurch gekennzeichnet, dass eine durch das Aufsetzen auf die zu verschweißenden Körper mechanisch über mindestens ein Stellelement betätigbare und dabei einen Gegendruck zu überwindende, eine Öffnung als Austrittsstelle der Laserstrahlen (4) freigebende und eine bei vollständiger Öffnung wenigstens einen Laserpuls auslösende Strahlfalle in dem optisch dichten Gehäuse angeordnet ist und dass in dem optisch dichten Gehäuse entweder zwischen einer laserstrahlauskoppelnden oder der einen Laserstrahl erzeugenden Vorrichtung und der Öffnung eine über den Querschnitt des Laserstrahles weitestgehend eine gleiche oder ringförmige Energieverteilung des Laserstrahles realisierende Optik oder eine Laserstrahlen mit über den Querschnitt des Laserstrahles eine weitestgehend gleiche oder ringförmige Energieverteilung des Laserstrahles liefernde Vorrichtung angeordnet ist und dass das eine feststehende oder eine rotierende Optik ist, dass wenigstens die Strahlfalle über mindestens einen Positionsgeber und die laserstrahlerzeugende Vorrichtung mit einer in das Gehäuse angeordneten Steuer- und/oder Regeleinrichtung verbunden sind und dass am Gehäuse wenigstens ein Führungselement angebracht ist.

2. Hand- und maschinenführbare autonome Einrichtung nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die feststehende Optik ein Axikon (3) ist und dass entweder eine Fokussierlinse nachgeordnet ist oder dass das Axikon (3) gleichzeitig die Fokussierlinse ist.

3. Hand- und maschinenführbare autonome Einrichtung nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die rotierende Optik eine Trepanieroptik ist.

4. Hand- und maschinenführbare autonome Einrichtung nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Optiken als Fresnel-Optiken und/oder dass die Optiken als Kunststoff-Optiken ausgeführt sind.

5. Hand- und maschinenführbare autonome Einrichtung nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die eine ringförmige Energieverteilung des Laserstrahles liefernde Vorrichtung ein im Inneren gepumpter Faserlaser ist.

6. Hand- und maschinenführbare autonome Einrichtung nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die eine ringförmige Energieverteilung des Laserstrahles liefernde Vorrichtung ein ringförmig angeordnetes Faserbündel ist.

7. Hand- und maschinenführbare autonome Einrichtung nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die eine ringförmige Energieverteilung des Laserstrahles liefernde Vorrichtung ein im Ringmode betriebener Festkörperlaser ist.

8. Hand- und maschinenführbare autonome Einrichtung nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Strahlfalle eine bewegbare Klappe (5) ist, dass zum einen die Klappe (5) über eine Druckfeder auf der Öffnung für den Laserstrahl sicher positioniert ist und dass zum anderen die Klappe (5) über einen gegenüber der Vorrichtung verschiebbarem Hohlzylinder (6) oder Stift als Stellelement bewegbar ist.

9. Hand- und maschinenführbare autonome Einrichtung nach Patentanspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Druckfederkraft über einen von außen betätigbaren Stellring einstellbar ist.

10. Hand- und maschinenführbare autonome Einrichtung nach Patentanspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Hohlzylinder (6) oder der Stift mit der Druckfeder gekoppelt ist und dass die Druckfederkraft über einen von außen betätigbaren Stellring einstellbar ist.

11. Hand- und maschinenführbare autonome Einrichtung nach Patentanspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Außenwandung des verschiebbaren Hohlzylinders (6) gegenüber dem Innenraum der Vorrichtung optisch abgedichtet ist.

12. Hand- und maschinenführbare autonome Einrichtung nach Patentanspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass der verschiebbare Hohlzylinder (6) über eine flexible Manschette mit dem Gehäuse der Vorrichtung verbunden ist.

13. Hand- und maschinenführbare autonome Einrichtung nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass an oder in die Strahlfalle ein Temperatursensor angeordnet ist und dass der Temperatursensor mit der Steuer- und/oder Regeleinrichtung verbunden ist.

14. Hand- und maschinenführbare autonome Einrichtung nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die intern angeordnete und Laserstrahlen erzeugende Vorrichtung ein Hochleistungsdiodenlaser ist.

15. Hand- und maschinenführbare autonome Einrichtung nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Führungselement so ausgebildet ist, dass wahlweise ein Handgriff oder eine Adaptervorrichtung zur Befestigung an einer Maschine insbesondere einen Roboterkopf anbringbar ist.