DE102011013210A1 - Apparatus and method for processing at least one workpiece - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Bearbeiten wenigstens eines Werkstücks (12, 14), die eine Strahlleitvorrichtung zum Leiten eines in die Vorrichtung eingestrahlten Laserstrahls (2) umfasst, die einen ersten Umlenkspiegel (6) zum Umlenken des eingestrahlten Laserstrahls (2) umfasst, der um eine Rotationsachse drehbar gelagert ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Strahlleitvorrichtung wenigstens einen ersten Ringspiegel (10) umfasst, der derart angeordnet ist, dass ein von dem ersten Umlenkspiegel (6) umgelenkter Laserstrahl (2) auf den wenigstens einen ersten Ringspiegel (10) trifft und reflektiert wird.The invention relates to a device for processing at least one workpiece (12, 14), which comprises a beam guiding device for guiding a laser beam (2) irradiated into the device, which device comprises a first deflecting mirror (6) for deflecting the irradiated laser beam (2) is mounted rotatably about an axis of rotation, characterized in that the beam guiding device comprises at least one first ring mirror (10) which is arranged such that a laser beam (2) deflected by the first deflecting mirror (6) onto the at least one first ring mirror (10) hits and is reflected.
Description
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Bearbeiten wenigstens eines Werkstücks, die eine Strahlleitvorrichtung zum Leiten eines in die Vorrichtung eingestrahlten Laserstrahls umfasst, die einen ersten Umlenkspiegel zum Umlenken des eingestrahlten Laserstrahls umfasst, der um eine Rotationsachse drehbar gelagert ist.The invention relates to a device for processing at least one workpiece, which comprises a beam guiding device for guiding a laser beam irradiated into the device, which comprises a first deflecting mirror for deflecting the irradiated laser beam, which is rotatably mounted about a rotation axis.
Die Erfindung betrifft zudem ein Verfahren zum Bearbeiten wenigstens eines Werkstücks, bei dem wenigstens ein Laserstrahl auf zumindest einen Bereich des zu bearbeitenden Werkstücks geleitet wird.The invention also relates to a method for processing at least one workpiece, in which at least one laser beam is directed onto at least one region of the workpiece to be machined.
Eine gattungsgemäße Vorrichtung ist beispielsweise aus der
Die in der genannten Druckschrift beschriebene Vorrichtung ist lediglich zum Fügen von hohlzylinderförmigen Werkstücken geeignet. Der Laserstrahl wird mittels einer Strahlungsleitvorrichtung in einen Innenraum der Werkstücke bzw. der Glaskomponenten geleitet und dort mittels eines Umlenkspiegels von innen auf die zu erwärmenden Anteile der Glaskomponenten geleitet. Die Strahlungsleitvorrichtung, an der sich der Umlenkspiegel befindet, ist dabei um die Längsachse, die mit der Längsachse der zylinderförmigen Glaskomponenten zusammenfällt, drehbar, so dass auch der Umlenkspiegel rotiert. Der Bereich, in dem der Laserstrahl auf die innere Oberfläche der zu fügenden Bauteile fällt, rotiert damit ebenfalls. Aufgrund der hohen Rotationsgeschwindigkeiten von beispielsweise 1000 Umdrehungen pro Minute kommt es zu einer nahezu homogenen Erwärmung des Fügebereichs der beiden miteinander zu verbindenden Bauteile.The device described in the cited document is only suitable for joining hollow cylindrical workpieces. The laser beam is conducted by means of a radiation guide into an interior of the workpieces or the glass components and passed there by means of a deflecting mirror from the inside to be heated portions of the glass components. The Strahlungsleitvorrichtung, at which the deflection mirror is, is rotatable about the longitudinal axis, which coincides with the longitudinal axis of the cylindrical glass components, so that the deflection mirror rotates. The area in which the laser beam falls on the inner surface of the components to be joined, thus also rotates. Due to the high rotational speeds of, for example, 1000 revolutions per minute, there is an almost homogeneous heating of the joining region of the two components to be joined together.
Die in der Druckschrift beschriebene Vorrichtung weist neben der ausschließlichen Verwendbarkeit für Glaskomponenten, die einen Hohlraum aufweisen, weitere Nachteile auf. Während der Laser die von ihm bestrahlten Anteile der zu bearbeitenden Glaskomponenten auf bis zu 1.200 bis 1.500°C erwärmt, wird ein Teil dieser Wärme von den Glasbauteilen wieder abgestrahlt. Im Innenraum der Glaskomponenten, in dem sich die Strahlungsleitvorrichtung mit dem Umlenkspiegel befindet, kommt es daher zu einem starken Temperaturanstieg. Da der Innenraum vollständig von Glas umgeben ist, kann diese Wärme nur schwer abgeführt werden. Zudem ist die Messung der Temperatur der Glaskomponente in dem bestrahlten Bereich nur schwer möglich, so dass sie zumeist von außen erfolgt. Dabei kann jedoch je nach Wandstärke des hohlzylinderförmigen Bauteils die gemessene Temperatur an der Außenseite der Glaskomponente von der Temperatur an der Innenseite deutlich abweichen. Eine genaue Steuerung des Verfahrens aufgrund der Temperatur der Glasbauteile ist somit schwer möglich.The device described in the publication has, in addition to the exclusive usability for glass components which have a cavity, further disadvantages. While the laser heats the irradiated portions of the glass components to be processed up to 1,200 to 1,500 ° C, part of this heat is radiated from the glass components again. In the interior of the glass components in which the Strahlungsleitvorrichtung is with the deflection mirror, therefore, there is a strong increase in temperature. Since the interior is completely surrounded by glass, this heat is difficult to dissipate. In addition, the measurement of the temperature of the glass component in the irradiated area is difficult, so that it is usually done from the outside. However, depending on the wall thickness of the hollow-cylindrical component, the measured temperature on the outside of the glass component may deviate significantly from the temperature on the inside. A precise control of the method due to the temperature of the glass components is thus difficult.
Nachteilig ist zudem, dass die Strahlungsleitvorrichtung als Ganzes drehbar ausgestaltet werden muss. Dadurch müssen relativ große Massen in Rotation versetzt werden. Zudem muss die Strahlungsleitvorrichtung ins Innere der zu bearbeitenden Glaskomponenten eingeführt werden. Dadurch wird der Bestückungsvorgang der in der genannten Druckschrift gezeigten Vorrichtung zeitaufwändig und fehleranfällig.Another disadvantage is that the Strahlungsleitvorrichtung must be designed to be rotatable as a whole. As a result, relatively large masses must be set in rotation. In addition, the Strahlungsleitvorrichtung must be introduced into the interior of the glass components to be processed. As a result, the assembly process of the device shown in the cited document is time-consuming and error-prone.
Zudem müssen die miteinander zu verbindenden Glaskomponenten insbesondere, wenn diese einen großen Durchmesser aufweisen, in Rotation versetzt werden, um zu verhindern, dass die erwärmten weichen Glasanteile während des Schmelzvorgangs nach innen zusammenfallen.In addition, the glass components to be joined together, in particular if they have a large diameter, must be set in rotation in order to prevent the heated soft glass components from collapsing inwards during the melting process.
Aus der
Aus der
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine gattungsgemäße Vorrichtung und ein Verfahren so weiter zu entwickeln, dass die Vorrichtung einfach und schnell bestückbar ist, der Prozess leicht steuerbar ist und auch sonstige Nachteile aus dem Stand der Technik abgeschwächt oder gänzlich behoben werden.The invention is therefore based on the object to develop a generic device and a method so that the Device can be fitted easily and quickly, the process is easily controllable and other disadvantages of the prior art are mitigated or completely eliminated.
Die Erfindung löst die gestellte Aufgabe durch eine Vorrichtung zum Bearbeiten wenigstens eines Werkstückes, die eine Strahlleitvorrichtung zum Leiten eines in die Vorrichtung eingestrahlten Laserstrahls umfasst, die einen ersten Umlenkspiegel zum Umlenken des eingestrahlten Laserstrahls umfasst, der um eine Rotationsachse drehbar gelagert ist, die sich dadurch auszeichnet, dass die Strahlleitvorrichtung wenigstens einen ersten Ringspiegel umfasst, der derart angeordnet ist, dass ein von dem ersten Umlenkspiegel umgelenkter Laserstrahl auf den wenigstens einen ersten Ringspiegel trifft und reflektiert wird.The invention achieves the stated object by a device for processing at least one workpiece, which comprises a beam guiding device for guiding a laser beam irradiated into the device, which comprises a first deflecting mirror for deflecting the incident laser beam, which is mounted rotatably about a rotation axis that extends therethrough characterized in that the Strahlleitvorrichtung comprises at least a first annular mirror, which is arranged such that a deflected from the first deflecting laser beam to the at least one first annular mirror and is reflected.
Vorzugsweise weist der erste Ringspiegel eine Mittelachse auf und ist derart ausgebildet und angeordnet, dass er den in die Vorrichtung eingestrahlten Laserstrahl in Richtung auf die Mittelachse reflektiert. Beim Umlenken kommt es zu einer Verzerrung des Laserspots, da die Umlenkung an einer gekrümmten Oberfläche erfolgt. Insbesondere bei im Querschnitt planaren Ringspiegeln findet die Verzerrung jedoch nur in Umfangsrichtung statt, während der Lasersport in einer Richtung senkrecht dazu im Wesentlichen nicht verzerrt wird. Da der Spot über den Umfang des Werkstückes rotiert, findet der Wärmeeintrag nahezu unabhängig von der Form des Spots in dieser Richtung statt.Preferably, the first annular mirror has a central axis and is designed and arranged such that it reflects the laser beam irradiated into the device in the direction of the central axis. When deflecting, the laser spot is distorted because the deflection takes place on a curved surface. However, especially with ring mirrors that are planar in cross-section, the distortion takes place only in the circumferential direction, while the laser sport is not distorted substantially in a direction perpendicular thereto. Since the spot rotates over the circumference of the workpiece, the heat input takes place almost independently of the shape of the spot in this direction.
Wird nun ein Werkstück, das es zu bearbeiten gilt, in die Vorrichtung eingebracht, wird ein Laserstrahl in die Vorrichtung eingestrahlt. Dieser wird von der Strahlleitvorrichtung an die gewünschte Position geleitet. Dabei trifft er zunächst auf den ersten Umlenkspiegel, der den Laserstrahl umlenkt. Dabei dreht sich der Umlenkspiegel, so dass die Richtung, in die der Laserstrahl vom ersten Umlenkspiegel umgelenkt wird, ebenfalls rotiert.If a workpiece which is to be processed is now introduced into the device, a laser beam is irradiated into the device. This is guided by the Strahlleitvorrichtung to the desired position. He first encounters the first deflecting mirror, which deflects the laser beam. In this case, the deflection mirror rotates, so that the direction in which the laser beam is deflected by the first deflection mirror, also rotates.
Der so umgelenkte Laserstrahl trifft nun auf einen Ringspiegel, der so angeordnet ist, dass während der Rotation des ersten Umlenkspiegels der von diesem umgelenkte Laserstrahl immer auf die Spiegelfläche des ersten Ringspiegels trifft. Von dort kann er dann beispielsweise direkt auf den zu erwärmenden Teil des wenigstens einen Werkstücks reflektiert werden. Wird der Laserstrahl, nachdem er vom Umlenkspiegel umgelenkt wurde, von dem Ringspiegel in Richtung auf dessen Mittelachse reflektiert, ist gewährleistet, dass er auf einen Teil der äußeren Oberfläche des zu bearbeitenden Werkstückes auftrifft.The thus deflected laser beam now impinges on an annular mirror, which is arranged so that during the rotation of the first deflecting mirror of the deflected by this laser beam always hits the mirror surface of the first annular mirror. From there it can then be reflected, for example, directly onto the part of the at least one workpiece to be heated. If the laser beam, after it has been deflected by the deflecting mirror, reflected by the annular mirror in the direction of the central axis, it is ensured that it impinges on a part of the outer surface of the workpiece to be machined.
Vorzugsweise umfasst die Vorrichtung wenigstens eine Haltevorrichtung zum Halten des wenigstens einen Werkstückes. Dies ist insbesondere bei dünnen Rohren bzw. Werkstücken vorteilhaft, die nicht einfach beispielsweise übereinander gestellt werden können.Preferably, the device comprises at least one holding device for holding the at least one workpiece. This is particularly advantageous for thin tubes or workpieces that can not be simply stacked, for example.
Die Vorrichtung ist besonders geeignet zum Fügen zweier Werkstücke, von denen wenigstens eines einen zu fügenden Bereich aufweist, der aus einem Glas bestehen kann. Beim Fügen der beiden Werkstücke werden diese aneinander angeordnet und der Kontaktbereich beider Werkstücke wird über den eingestrahlten Laserstrahl erwärmt. Im vorliegenden Fall trifft der eingestrahlte Laserstrahl durch die Umlenkung am Umlenkspiegel und die Reflektion am ersten Ringspiegel von außen auf die zu fügenden Werkstücke. Als besonders vorteilhaft hat sich dabei herausgestellt, wenn der Laserstrahl senkrecht oder nahezu senkrecht auf die äußere Oberfläche der zu fügenden Werkstücke auftrifft. Damit ist ein Einstrahlen auf den zu erwärmenden Bereich besonders gut möglich und ein besonders guter Wärmeübertrag gewährleistet. Dies ist beispielsweise dadurch zu erreichen, dass der in die Vorrichtung eingestrahlte Laserstrahl am Umlenkspiegel um weniger als 90° abgelenkt wird und beim Auftreffen auf den ersten Ringspiegel so reflektiert wird, dass er senkrecht auf die Oberfläche der zu fügenden Werkstücke auftrifft.The device is particularly suitable for joining two workpieces, of which at least one has an area to be joined, which may consist of a glass. When joining the two workpieces they are arranged together and the contact area of both workpieces is heated by the irradiated laser beam. In the present case, the incident laser beam impinges from the outside on the workpieces to be joined by the deflection at the deflection mirror and the reflection at the first ring mirror. It has proven to be particularly advantageous when the laser beam strikes perpendicular or almost perpendicular to the outer surface of the workpieces to be joined. In this way, it is particularly well possible to irradiate the area to be heated and to ensure particularly good heat transfer. This can be achieved, for example, by deflecting the laser beam irradiated into the device at the deflecting mirror by less than 90 ° and, upon impinging on the first annular mirror, being reflected so that it impinges perpendicularly on the surface of the workpieces to be joined.
Es ist jedoch mit einer derartigen Vorrichtung auch möglich, beispielsweise ein Werkstück zu schneiden oder dessen Geometrie, beispielsweise den Umfang, genau einzustellen. Dies ist insbesondere auch für Innenoberflächen eines hohlen Werkstückes möglich. Zudem können die zu bearbeitenden Werkstücke auch aus anderen Materialien als Glas, beispielsweise aus Metall wie etwa Stahl oder aus keramischem Werkstoff bestehen. Auch Werkstücke aus unterschiedlichen Materialien können miteinander verbunden werden. Denkbar ist beispielsweise das Fügen eines Metallrings mit einem Glaszylinder. Die Vorrichtung gewährleistet dafür eine nahezu homogene Umfangserwärmung des zu bearbeitenden Werkstückes. Dabei ist die ideale Drehzahl davon abhängig, wie schnell das zu bearbeitende Material die aufgenommene Wärme abstrahlt und lokal wieder auskühlt. Gegebenenfalls reicht bereits eine Umdrehung pro Sekunde aus. Je größer jedoch die Drehzahl ist, desto homogener wird das Werkstück über seinen Umfang erwärmt.However, it is also possible with such a device, for example, to cut a workpiece or to adjust its geometry, for example, the circumference, exactly. This is especially possible for inner surfaces of a hollow workpiece. In addition, the workpieces to be machined may also consist of materials other than glass, for example of metal such as steel or of ceramic material. Also workpieces made of different materials can be connected together. It is conceivable, for example, the joining of a metal ring with a glass cylinder. The device ensures a nearly homogeneous circumferential heating of the workpiece to be machined. The ideal speed depends on how quickly the material to be processed radiates the heat absorbed and cools down locally. If necessary, already one revolution per second is sufficient. However, the higher the speed, the more homogeneous the workpiece will be heated over its circumference.
Vorteilhafterweise ist jedoch ein zweiter Ringspiegel vorgesehen, der so angeordnet ist, dass ein von dem ersten Umlenkspiegel umgelenkter Laserstrahl auf den zweiten Ringspiegel trifft und auf den ersten Ringspiegel reflektiert wird. Damit kann gewährleistet werden, dass der Laserstrahl zwischen den beiden Ringspiegeln parallel zur äußeren Oberfläche des zu bearbeitenden Werkstückes verläuft, wodurch die Vorrichtung kompakt ausgebildet werden kann. Die Ringspiegel können im Querschnitt auch eine beispielsweise sphärische oder parabolische Form aufweisen, falls dies aus Fokussierungsgründen gewünscht ist.Advantageously, however, a second annular mirror is provided, which is arranged so that a deflected by the first deflecting laser beam impinges on the second annular mirror and is reflected on the first annular mirror. This can ensure that the laser beam runs parallel between the two ring mirrors to the outer surface of the workpiece to be machined, whereby the device can be made compact. The ring mirrors can also have an example spherical or cross-section parabolic shape, if desired for focusing reasons.
In einer bevorzugten Ausführungsform sind der erste Ringspiegel und/oder der zweite Ringspiegel in Richtung einer Längsachse der Vorrichtung verschiebbar gelagert. Damit kann der Bereich, der durch das Auftreffen des Laserstrahls auf das Werkstück erwärmt wird, sehr genau eingestellt werden. Bei im Querschnitt nicht planaren Ringspiegeln ist jedoch ein Verschieben des ersten Ringspiegels an Bedingungen gebunden, die einzuhalten sind, um wieder ein optimales Auftreffen des Laserstrahls auf die Oberfläche des wenigstens einen Werkstückes zu gewährleisten. Bei im Querschnitt planaren Ringspiegeln lässt sich einfach ein großer Bereich realisieren, in dem die Ringspiegel verschiebbar sind.In a preferred embodiment, the first annular mirror and / or the second annular mirror are displaceably mounted in the direction of a longitudinal axis of the device. Thus, the area which is heated by the impact of the laser beam on the workpiece can be set very accurately. In non-planar cross-section ring mirrors, however, a displacement of the first annular mirror is bound to conditions that are to be maintained in order to ensure an optimal impact of the laser beam on the surface of the at least one workpiece. With ring mirrors that are planar in cross-section, a large area can easily be realized in which the ring mirrors can be displaced.
Vorzugsweise wird der Laserstrahl beispielsweise parallel zu der Längsachse der Vorrichtung in die Vorrichtung eingestrahlt und am Umlenkspiegel in eine Richtung senkrecht dazu umgelenkt. Hier ist auch jeder andere Umlenkwinkel denkbar. Die Strahlrichtung, in die der Laserstrahl am Umlenkspiegel umgelenkt wird, rotiert dabei, da auch der Umlenkspiegel drehbar gelagert ist und im Betrieb der Vorrichtung rotiert. Befindet sich in der Vorrichtung beispielsweise ein zylinder- oder hohlzylinderförmiges Werkstück verläuft der Laserstrahl nach dem Umlenken durch den Umlenkspiegel beispielsweise senkrecht zu einer Symmetrieachse des zylinderförmigen Werkstücks. Hier trifft er auf den zweiten Ringspiegel und wird an diesem nach unten umgelenkt. In einem gewissen Abstand trifft er dann auf den ersten Ringspiegel, der ihn auf die äußere Oberfläche des umzuformenden bzw. zu erwärmenden Werkstückes umleitet.The laser beam is preferably radiated into the device, for example parallel to the longitudinal axis of the device, and deflected at a deflection direction in a direction perpendicular thereto. Here also every other deflection angle is conceivable. The beam direction, in which the laser beam is deflected at the deflection mirror, thereby rotates, as well as the deflection mirror is rotatably mounted and rotates during operation of the device. If, for example, a cylindrical or hollow-cylindrical workpiece is located in the device, the laser beam, after being deflected by the deflection mirror, for example, runs perpendicular to an axis of symmetry of the cylindrical workpiece. Here he meets the second ring mirror and is deflected at this down. At a certain distance, it then hits the first ring mirror, which redirects it to the outer surface of the workpiece to be reshaped or heated.
Um den umlaufenden Laserstrahl nicht zu stören oder zu behindern, ist die Haltevorrichtung vorzugsweise ausgebildet, um in einem Innenraum des Werkstücks angeordnet zu werden, so dass kein Kontakt der Haltevorrichtung mit einer äußeren Oberfläche des Werkstückes nötig ist. Dies ist natürlich nur bei Werkstücken möglich, die einen Innenraum aufweisen und beispielsweise hohlzylindrisch geformt sind. Auf diese Weise kann gewährleistet werden, dass der parallel zur äußeren Oberfläche verlaufende Laserstrahl nicht von einer Halterung des Werkstückes gestört, abgelenkt oder blockiert wird. Die Haltevorrichtung kann insbesondere über eine Mehrzahl von Klemmelementen verfügen, die beispielsweise konzentrisch an einer Achse angeordnet sind. Die Klemmelemente lassen sich nach außen verschieben und können somit auf die Innenseite eines Hohlzylinders einen Druck aufbauen, der dafür sorgt, dass die Haltevorrichtung bzw. die Klemmelemente relativ zum Hohlzylinder nicht mehr verschoben werden können, sondern sich im Innenraum des Hohlzylinders einklemmen.In order not to disturb or hinder the circulating laser beam, the holding device is preferably designed to be arranged in an inner space of the workpiece, so that no contact of the holding device with an outer surface of the workpiece is necessary. Of course, this is only possible with workpieces that have an interior and, for example, are shaped like a hollow cylinder. In this way it can be ensured that the parallel to the outer surface extending laser beam is not disturbed by a holder of the workpiece, deflected or blocked. The holding device may in particular have a plurality of clamping elements, which are arranged for example concentrically on an axis. The clamping elements can be displaced outwards and can thus build on the inside of a hollow cylinder pressure, which ensures that the holding device or the clamping elements can not be moved relative to the hollow cylinder, but pinch in the interior of the hollow cylinder.
Alternativ dazu ist natürlich auch eine Haltevorrichtung denkbar, die an einer äußeren Oberfläche des Werkstückes angreift und es so festhält. In diesem Fall müssen gegebenenfalls Teile der Haltevorrichtung mit Spiegelanordnungen oder Umlenkanordnungen für den Laserstrahl ausgerüstet sein, um ein Blockierung oder Umlenken des Laserstrahls durch die Haltevorrichtung zu verhindern. Der Laserstrahl wird dann um die Anteile der Haltevorrichtung herum geleitet.Alternatively, of course, a holding device is conceivable that engages an outer surface of the workpiece and holds it so. In this case, if necessary, parts of the holding device must be equipped with mirror arrangements or deflecting arrangements for the laser beam in order to prevent blocking or deflection of the laser beam by the holding device. The laser beam is then passed around the portions of the fixture.
Vorzugsweise ist die Haltevorrichtung derart ausgebildet, dass das Werkstück nichtdrehend lagerbar ist. Insbesondere wenn beispielsweise große zylindrische oder hohlzylindrische Glaskörper miteinander verbunden werden sollen, können diese aufrecht also vertikal oder im Wesentlichen vertikal stehend gelagert sein. Damit müssen die Werkstücke nicht mehr rotierend gelagert sein, um dem Einfluss der Schwerkraft auf das Erwärmte und damit weiche und leicht formbare Glasmaterial entgegen zu wirken. Ein Zerfließen des Materials, wie es bei einer horizontalen Lagerung im Stand der Technik beschrieben ist, ist damit ausgeschlossen und muss nicht durch eine Rotation der Werkstücke ausgeglichen werden. Insbesondere bei großen und schweren Werkstücken wird dadurch zum einen das Handling vereinfacht, da diese Werkstücke nun nicht mehr gedreht werden müssen, zum anderen kann die Vorrichtung dadurch baulich kleiner und kompakter und letztendlich kostengünstiger hergestellt werden.Preferably, the holding device is designed such that the workpiece is non-rotating storable. In particular, if, for example, large cylindrical or hollow-cylindrical glass bodies are to be connected to one another, then they can be supported upright vertically or substantially vertically. As a result, the workpieces no longer have to be mounted in a rotating manner in order to counteract the influence of gravity on the heated and thus soft and easily moldable glass material. A bleed of the material, as described in a horizontal storage in the prior art, is thus excluded and does not have to be compensated by a rotation of the workpieces. In particular, for large and heavy workpieces on the one hand the handling is simplified because these workpieces now no longer need to be rotated, on the other hand, the device can be structurally smaller and more compact and ultimately produced more cost-effectively.
Als besonders vorteilhaft hat sich herausgestellt, wenn der erste Umlenkspiegel ein halbdurchlässiger Spiegel ist. Vorzugsweise ist ein zweiter Umlenkspiegel vorgesehen, der derart angeordnet ist, dass ein vom ersten Umlenkspiegel nicht umgelenkter Anteil eines Laserstrahls auf den zweiten Umlenkspiegel trifft. Im Betrieb einer Vorrichtung könnte dies beispielsweise erreichen, dass ein Teil des Laserstrahls am ersten Umlenkspiegel umgelenkt und dem wenigstens einen Ringspiegel zugeführt wird. Dieser Teil des Laserstrahls wird auf die Außenseite bzw. eine äußere Oberfläche des zu erwärmenden Werkstückes geleitet. Ein zweiter Teil des Laserstrahls wird vom halbdurchlässigen Umlenkspiegel nicht umgeleitet. Dieser trifft in einem gewissen Abstand auf einen zweiten Umlenkspiegel und wird von diesem umgelenkt. Befindet sich in der Vorrichtung beispielsweise ein hohlzylindrisches Werkstück, befindet sich der zweite Umlenkspiegel vorteilhafterweise im Hohlraum dieses hohlzylindrischen Werkstückes. Damit ist es möglich, den zweiten Teil des Laserstrahls, der vom ersten Umlenkspiegel nicht abgelenkt wurde, auch einen Bereich der inneren Oberfläche des hohlzylindrischen Werkstückes auftreffen zu lassen. Über eine geeignete Wahl der Abstände ist es möglich, dass sich der Bereich der äußeren Oberfläche und der Bereich der inneren Oberfläche, in dem die beiden Anteile des Laserstrahls auftreffen, einander direkt gegenüber liegen, so dass es hier über die Wandstärke des hohlzylindrischen Werkstückes hinweg zu einer nahezu homogenen Erwärmung kommen kann. Insbesondere bei Werkstücken mit großer Wandstärke sind dieses Vorgehen und diese Ausgestaltung der Vorrichtung sinnvoll.It has proven to be particularly advantageous if the first deflecting mirror is a semipermeable mirror. Preferably, a second deflection mirror is provided, which is arranged such that a portion of a laser beam not deflected by the first deflection mirror strikes the second deflection mirror. During operation of a device, this could, for example, achieve that part of the laser beam is deflected at the first deflecting mirror and fed to the at least one annular mirror. This part of the laser beam is directed to the outside or an outer surface of the workpiece to be heated. A second part of the laser beam is not redirected by the semitransparent deflection mirror. This meets at a certain distance on a second deflection mirror and is deflected by this. If, for example, a hollow cylindrical workpiece is located in the device, the second deflection mirror is advantageously located in the hollow space of this hollow cylindrical workpiece. This makes it possible to make the second part of the laser beam, which was not deflected by the first deflecting mirror, also strike a region of the inner surface of the hollow cylindrical workpiece. By a suitable choice of the distances, it is possible that the area of the outer surface and the area of the inner surface, in which strike the two portions of the laser beam, lie directly opposite each other, so that it can come across the wall thickness of the hollow cylindrical workpiece away to a nearly homogeneous heating. Especially with workpieces with a large wall thickness, this procedure and this embodiment of the device makes sense.
Auch der zweite Umlenkspiegel ist um die Rotationsachse drehbar gelagert, so dass auch der Bereich der inneren Oberfläche des Werkstücks, auf den der zweite Teil des Laserstrahls auftrifft, rotiert. Damit ist gewährleistet, dass auch über den Umfang der inneren Oberfläche eine nahezu homogene Erwärmung des zu erwärmenden Bauteils erreicht wird.Also, the second deflection mirror is rotatably mounted about the rotation axis, so that also the portion of the inner surface of the workpiece, on which the second part of the laser beam impinges, rotates. This ensures that an almost homogeneous heating of the component to be heated is achieved even over the circumference of the inner surface.
Vorzugsweise ist der erste Umlenkspiegel und der zweite Umlenkspiegel miteinander über eine Welle verbunden. Damit lässt sich auch besonders einfache konstruktive Weise gewährleisten, dass die Rotationsgeschwindigkeit der beiden Umlenkspiegel identisch ist. An dieser Welle können beispielsweise auch die Klemmelemente der Haltevorrichtung angeordnet sein, die von innen an das Werkstück angreifen können und es so festhalten. Dabei können die Klemmelemente beispielsweise an einem gemeinsamen Lagerelement angeordnet sein, das sich an der Welle befindet. Die Welle ist in diesem Fall relativ zum Lagerelement drehbar ausgestaltet, so dass das Lagerelement selbst relativ zum Rest der Vorrichtung und auch relativ zu einem zu bearbeitenden Werkstück in Ruhe bleiben kann, also nicht mit der Welle mitdrehen muss. Damit kann erreicht werden, dass es zu einer Klemmwirkung der Klemmelemente von innen am Werkstück kommt und dennoch die Welle mit dem sich daran befindlichen zweiten Umlenkspiegel rotieren kann, so dass der vom ersten Umlenkspiegel nicht umgelenkte Anteil des Laserstrahls einen umlaufenden Anteil der inneren Oberfläche des Werkstückes bestrahlt.Preferably, the first deflecting mirror and the second deflecting mirror are connected to each other via a shaft. This makes it possible to ensure a particularly simple constructive manner that the rotational speed of the two deflecting mirrors is identical. On this shaft, for example, the clamping elements of the holding device can be arranged, which can attack from the inside to the workpiece and hold it so. The clamping elements may be arranged for example on a common bearing element, which is located on the shaft. The shaft is rotatably configured in this case relative to the bearing element, so that the bearing element itself can remain at rest relative to the rest of the device and also relative to a workpiece to be machined, so do not have to rotate with the shaft. This can be achieved that it comes to a clamping action of the clamping elements from the inside of the workpiece and yet the shaft can rotate with the second deflecting mirror located thereon so that the portion of the laser beam not deflected by the first deflecting mirror has a peripheral portion of the inner surface of the workpiece irradiated.
In einer Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung umfasst die Vorrichtung einen Temperatursensor, beispielsweise ein Pyrometer, zum Bestimmen einer Oberflächentemperatur des Werkstückes und die Vorrichtung umfasst zudem einen Laser zum Einstrahlen eines Laserstrahls in die Strahlleitvorrichtung und eine Steuereinheit, die beispielsweise elektrisch oder elektronisch ausgebildet und eingerichtet ist, eine von dem Laser abgestrahlte Laserleistung zu regeln. Dadurch, dass der Laserstrahl auf einen Bereich der äußeren Oberfläche des Werkstückes auftrifft, ist die Messung der Temperatur in diesem Bereich direkt von außen auf konstruktiv sehr einfache Weise möglich. Über den Vergleich der gemessenen Temperaturwerte mit einer vorher vorgegebenen Temperatursollkurve kann die abgestellte Laserleistung des Laserstrahls, der in die Strahlleitvorrichtung eingestrahlt wird, geregelt werden. Ein Sensor kann auch alternativ zu dem zweiten Umlenkspiegel so angeordnet werden, dass der vom ersten Umlenkspiegel nicht umgelenkte Strahlanteil auf den Sensor trifft und so zum Monitoring des Prozesses verwendet werden kann. Dann kann es vorteilhaft sein, wenn der überwiegende Anteil der Leistung des Laserstrahls, beispielsweise 90%, vom ersten Umlenkspiegel umgelenkt wird.In one embodiment of the present invention, the device comprises a temperature sensor, for example a pyrometer, for determining a surface temperature of the workpiece, and the device additionally comprises a laser for irradiating a laser beam into the beam guiding device and a control unit, which is designed and set up, for example, electrically or electronically, to regulate a laser power emitted by the laser. The fact that the laser beam impinges on a region of the outer surface of the workpiece, the measurement of the temperature in this area directly from the outside in a structurally very simple way possible. By comparing the measured temperature values with a previously predetermined temperature setpoint curve, the parked laser power of the laser beam which is radiated into the beam-guiding device can be regulated. A sensor can also be arranged as an alternative to the second deflecting mirror so that the beam portion not deflected by the first deflecting mirror strikes the sensor and can thus be used to monitor the process. Then it may be advantageous if the majority of the power of the laser beam, for example 90%, is deflected by the first deflection mirror.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist ein Kippwinkel des ersten und/oder zweiten Umlenkspiegels einstellbar. Damit ist auch der Winkel veränderbar, um den der Laserstrahl an dem jeweiligen Spiegel umgelenkt wird. So kann die Position geändert werden, an der der Laserstrahl auf die Oberfläche des Werkstückes auftrifft. Die Verstellung des Kippwinkels kann dabei beispielsweise durch einen feinen Stellmotor, gegebenenfalls sogar stufenlos, erfolgen, so dass die bestrahlte Fläche sehr genau eingestellt werden kann. Eine Veränderung des Kippwinkels führt jedoch im weiten Strahlengang zu Veränderungen. So ist dann gegebenenfalls nicht mehr gewährleistet, dass der Laserstrahl parallel zur Außenfläche des wenigstens einen Werkstücks zwischen den beiden Ringspiegeln verläuft oder noch senkrecht auf das Werkstück auftrifft.In a preferred embodiment, a tilt angle of the first and / or second deflection mirror is adjustable. Thus, the angle is changed by which the laser beam is deflected at the respective mirror. Thus, the position can be changed, at which the laser beam impinges on the surface of the workpiece. The adjustment of the tilt angle can be done, for example, by a fine servomotor, possibly even continuously, so that the irradiated surface can be set very accurately. However, a change in the tilt angle leads to changes in the wide beam path. In that case, it may then no longer be ensured that the laser beam runs parallel to the outer surface of the at least one workpiece between the two annular mirrors or still impinges perpendicularly on the workpiece.
Ein erfindungsgemäßes Verfahren zum Bearbeiten des wenigstens einen Werkstücks zeichnet sich durch die Schritte aus,
- a) Umlenken des Laserstrahls durch einen ersten um eine Rotationsachse rotierenden Umlenkspiegel und
- b) Umleiten des umgelenkten Laserstrahls durch wenigstens einen Ringspiegel, so dass der Laserstrahl auf einen Bereich einer äußeren Oberfläche des wenigstens einen Werkstücks trifft.
- a) deflecting the laser beam through a first about a rotation axis rotating deflection mirror and
- b) redirecting the deflected laser beam through at least one annular mirror so that the laser beam strikes a portion of an outer surface of the at least one workpiece.
Insbesondere kann der umgelenkte Laserstrahl durch zwei Ringspiegel umgeleitet werden.In particular, the deflected laser beam can be diverted through two annular mirrors.
Als vorteilhaft hat sich dabei herausgestellt, dass nur ein Teil des Laserstrahls durch den ersten Umlenkspiegel umgelenkt wird. Der verbleibende Teil wird dann vorzugsweise durch einen zweiten Umlenkspiegel derart umgelenkt, dass er auf einen Bereich der inneren Oberfläche des wenigstens einen Werkstücks trifft. Alternativ kann der verbleibende Teil auch auf einen Sensor gelenkt werden, der beispielsweise die in die Strahlleitvorrichtung eingestrahlte Laserleistung, beziehungsweise die Leistung des verbleibenden Teils misst. Diese Information kann zum Monitoring des Verfahrens verwendet werden. Vorzugsweise rotieren der erste Umlenkspiegel und der zweite Umlenkspiegel mit der gleichen Drehzahl und in die gleiche Richtung. Dies lässt sich, wie bereits dargelegt, besonders einfach realisieren, indem beide Spiegel über eine gemeinsame Welle miteinander verbunden sind.It has proven to be advantageous that only a part of the laser beam is deflected by the first deflection mirror. The remaining part is then preferably deflected by a second deflection mirror such that it strikes a region of the inner surface of the at least one workpiece. Alternatively, the remaining part can also be directed to a sensor which, for example, measures the laser power irradiated into the beam guiding device, or the power of the remaining part. This information can be used to monitor the process. Preferably, the first deflecting mirror and the second deflecting mirror rotate at the same speed and in the same direction. This can, as already stated, particularly easy to implement by both mirrors are connected to each other via a common shaft.
Das Verfahren ist vorteilhafterweise ein Verfahren zum Fügen eines ersten Werkstückes und eines zweiten Werkstückes, wobei das wenigstens eine erste Werkstück einen zu fügenden Bereich aufweist, der aus einem Glas bestehen kann, und der Laserstrahl auf den zu fügenden Bereich der Werkstücke trifft. Derartige Fügeverfahren sind beispielsweise bei der Herstellung von Glasrohrelementen für Solarkraftwerke einsetzbar. Dabei werden zunächst zwei kurze Glasrohrelemente mit je einem Metallring an einem äußeren Ende versehen, an dem später weitere Bauteile angeordnet werden können. Anschließend werden diese beiden Glaselemente auf jeweils ein Ende eines langen Glasrohres, das beispielsweise vier Meter lang sein kann, aufgesetzt. Dies kann beispielsweise mit einem hier beschriebenen Fügeverfahren geschehen. Vorteilhaft dabei ist, dass aufgrund des relativ geringen Durchmessers dieser Rohre, der beispielsweise 125 mm betragen kann, auch bei horizontaler Einspannung bzw. Halterung der zu verbindenden Glaswerkstücke eine Rotation der Werkstücke nicht notwendig ist, da der Einfluss der Schwerkraft hier nicht ausreicht, eine Verformung außerhalb der Toleranzbereiche hervorzurufen. Über die sehr einfache Temperaturüberwachung an der Außenseite der Glasrohre lässt sich die Temperatur sehr genau messen, so dass der Prozess durch einen Abgleich mit einer gewünschten Temperatur und einer entsprechenden Steuereinheit gut geregelt werden kann. Auf diese Weise kommt es zu einer schnellen und energieeffizienten Verbindung der verschiedenen Glasbauteile. Zudem muss dadurch, dass der Laserstrahl von außen auf die Werkstücke auftrifft, kein Umlenkspiegel, der insbesondere rotierbar ist, im engem Innenraum des Werkstückes angeordnet werden. Dadurch werden zum einen die Bestückzeiten reduziert und zum anderen die Vorrichtung konstruktiv einfacher und weniger fehleranfällig ausführbar.The method is advantageously a method for joining a first workpiece and a second workpiece, wherein the at least one first workpiece has an area to be joined, which may consist of a glass, and the laser beam strikes the area to be joined of the workpieces. Such joining methods can be used, for example, in the production of glass tube elements for solar power plants. In this case, two short glass tube elements are initially provided with one metal ring at an outer end, on which later further components can be arranged. Subsequently, these two glass elements are placed on one end of a long glass tube, which may be four meters long, for example. This can be done for example with a joining method described here. The advantage here is that due to the relatively small diameter of these tubes, which may be 125 mm, for example, even with horizontal clamping or holding the glass workpieces to be joined a rotation of the workpieces is not necessary, since the influence of gravity is not sufficient here, a deformation outside the tolerance ranges. Thanks to the very simple temperature monitoring on the outside of the glass tubes, the temperature can be measured very accurately, so that the process can be well controlled by balancing with a desired temperature and a corresponding control unit. In this way, there is a fast and energy-efficient connection of the various glass components. In addition, the fact that the laser beam impinges on the workpieces from the outside, no deflecting mirror, which is in particular rotatable, must be placed in the narrow interior of the workpiece. As a result, on the one hand reduces the placement times and on the other hand, the device structurally simple and less error-prone executable.
Alternativ lässt sich das Verfahren auch zum Verbinden größerer Bauteile, beispielsweise Glaszylinder mit einem Durchmesser von einem Meter, verwenden.Alternatively, the method can also be used for connecting larger components, for example glass cylinders with a diameter of one meter.
Diese können aufgrund ihrer Standfestigkeit vertikal gelagert werden, so dass auch hier eine Rotation, die insbesondere bei diesen schweren und großen Elementen sehr schwierig zu handhaben wäre, vermieden wird. Daher ist es vorteilhaft, wenn das wenigstens eine Werkstück vertikal gelagert werden kann. Natürlich können die Werkstücke auch horizontal oder in jeder anderen Orientierung gelagert werden. Dies stellt gegebenenfalls besondere Anforderungen an die jeweilige Haltevorrichtung.These can be stored vertically due to their stability, so that even here a rotation that would be very difficult to handle, especially in these heavy and large elements is avoided. Therefore, it is advantageous if the at least one workpiece can be stored vertically. Of course, the workpieces can also be stored horizontally or in any other orientation. This may make special demands on the respective holding device.
Erfindungsgemäß umfasst eine Glasröhre für Sonnenröhrenkollektoren wenigstens zwei Glasteilröhren, die mit einem der oben genannten Verfahren gefügt wurden. Dadurch wird im Vergleich zu einer Benutzung beispielsweise eines Gasbrenners zum Erwärmen der zu fügenden Bauteile eine chemische Veränderung der Bauteile wirksam verhindert. Werden die zu fügenden Bauteile mit einem Brenner, beispielsweise einem Gasbrenner erwärmt, lässt sich nicht sicher ausschließen, dass auch nicht gewünschte Bestandteile enthalten sind, die sich an den zu erwärmenden Oberflächen der Bauteile anhaften und diese sich chemisch verändern. Dieses schlägt sich in Materialspannungen und möglicherweise geringerer Bruchfestigkeit nieder. Werden die Glasröhren jedoch mit einem hier beschriebenen Verfahren gefügt, lassen sich diese Nachteile wirksam verhindern.According to the invention, a glass tube for solar tube collectors comprises at least two glass partial tubes which have been joined by one of the above-mentioned methods. Characterized a chemical change of the components is effectively prevented compared to a use, for example, a gas burner for heating the components to be joined. If the components to be joined are heated with a burner, for example a gas burner, it can not be reliably ruled out that unwanted constituents are also contained which adhere to the surfaces of the components to be heated and change chemically. This is reflected in material stresses and possibly lower breaking strength. However, if the glass tubes are joined by a method described herein, these disadvantages can be effectively prevented.
Anhand von Zeichnungen wird nachfolgend ein Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung näher erläutert. Es zeigtWith reference to drawings, an embodiment of the present invention will be explained in more detail below. It shows
Die
Nachdem der Laserstrahl
Wird nun der erste Umlenkspiegel
In den
Bei dem Umlenken des Laserstrahls
Die
Auch hier ist ein erstes Werkstück
Der Teil des Laserstrahls
Anders als in den
In den
In allen gezeigten Ausführungsformen ist eine besonders einfache konstruktive Ausgestaltung möglich, wenn ein Umlenken des Laserstrahls
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
- 22
- Laserstrahllaser beam
- 66
- erster Umlenkspiegelfirst deflecting mirror
- 88th
- zweiter Ringspiegelsecond ring mirror
- 1010
- erster Ringspiegelfirst ring mirror
- 1212
- erstes Werkstückfirst workpiece
- 1414
- zweites Werkstücksecond workpiece
- 1616
- Teilstrahlpartial beam
- 1818
- zweiter Umlenkspiegelsecond deflection mirror
- 2020
- Wellewave
- 2222
- Basisplattebaseplate
- 2424
- Haltevorrichtungholder
- 2626
- Stützelementsupport element
- 2828
- Ringring
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
R012 | Request for examination validly filed | ||
R120 | Application withdrawn or ip right abandoned |
Effective date: 20140520 |