DE102012215147A1

DE102012215147A1 - Laserbearbeitungskopf mit federbeweglichen Abschirmungsblechen

Info

Publication number: DE102012215147A1
Application number: DE102012215147.8A
Authority: DE
Inventors: Martin Huonker
Original assignee: Trumpf Laser GmbH
Current assignee: Trumpf Laser GmbH
Priority date: 2012-08-27
Filing date: 2012-08-27
Publication date: 2014-03-20
Anticipated expiration: 2032-08-28
Also published as: DE102012215147B4; KR20150046194A; CN104619458B; US20150190886A1; WO2014032869A1; CN104619458A

Abstract

Bei einem Laserbearbeitungskopf (1) zur Bearbeitung von Werkstücken (11) mittels eines Laserstrahls (2) mit einem am Laserbearbeitungskopf (1) befestigten, werkstückseitig offenen Abschirmungsgehäuse (5) zur Abschirmung des aus dem Laserbearbeitungskopf (1) austretenden Laserstrahls (2) ist erfindungsgemäß das Abschirmungsgehäuse (5) durch mehrere Abschirmungsbleche (6) gebildet, die voneinander unabhängig jeweils relativ zum Laserbearbeitungskopf (1) in Richtung des aus dem Laserbearbeitungskopf (1) austretenden Laserstrahls (2) federbeweglich gelagert sind.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Laserbearbeitungskopf zur Bearbeitung von Werkstücken mittels eines Laserstrahls mit einem am Laserbearbeitungskopf befestigten, werkstückseitig offenen Abschirmungsgehäuse zur Abschirmung des aus dem Laserbearbeitungskopf austretenden Laserstrahls.
Um bei der Laserbearbeitung den Arbeitsbereich lasersicher abzuschirmen, werden Schutzkabinen bzw. Schutzumhausungen eingesetzt, die den gesamten Arbeitsbereich der Laserbearbeitungsmaschine, also auch das komplette Bauteil, umschließen. Insbesondere bei Arbeiten an sehr großen Bauteilen, wie sie z. B. beim Schiffbau oder Stahlbau vorkommen, ist die Abschirmung des kompletten Bauteils nicht wirtschaftlich; andererseits ist es aber auch aus Gründen des Laserschutzes nicht zulässig, Laserschweißungen ohne Abschirmung vorzunehmen, wenn sich Menschen in der Umgebung des Laserstrahls befinden.
Ein gattungsgemäßer Laserbearbeitungskopf ist beispielsweise aus der DE 20 2009 013 899 U1 bekannt geworden. Der aus dem Laserbearbeitungskopf austretende Laserstrahl wird an einem Werkstück gegen die Umgebung mittels mehrerer kreisförmiger Bürsten abgeschirmt, deren elastisch verformbare Borsten am Werkstück lichtdicht anliegen. Zur zusätzlichen Abschirmung von gegebenenfalls zwischen den Bürsten entstehenden Lücken kann der Laserbearbeitungskopf ferner an einer abliegenden Außenseite der Borsten eine durchgehende, geschlossene Abdeckung bzw. ein einteiliges Abdeckgehäuse aufweisen.
Aus der DE 296 20 304 U1 ist weiterhin ein Laserbearbeitungskopf bekannt geworden, an dem eine Abschirmungseinheit in Form einer ringförmigen Schutzbürste aufweist. Die Schutzbürste ist konzentrisch zum Laserstrahl angeordnet und besitzt eine Basis, an der als Abschirmungselemente elastische Borsten angebracht sind. Diese Borsten erstrecken sich längs des Laserstrahls und schirmen den Laserstrahl und die Bearbeitungsstelle radial nach außen gegen die Umgebung ab. Die Schutzbürste ist am Bearbeitungskopf federnd aufgehängt, um der Oberflächenkontur eines Werkstücks zu folgen.
Schließlich ist aus der DE 10 2010 005 043 A1 eine Schweißeinrichtung mit einer Abschirmeinrichtung bekannt, die als eine den Laserstrahl umgebende einteilige Gehäusewand ausgebildet ist. Die Schweißeinrichtung weist eine Absaugvorrichtung auf, die mit der Abschirmeinrichtung kommunizierend verbunden ist und die während des Schweißvorgangs den Bereich der Schweißstelle absaugt.
Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Laserbearbeitungskopf der eingangs genannten Art dahingehend weiterzubilden, dass während der Laserbearbeitung ein Abheben des Abschirmungsgehäuses vom bearbeiteten Werkstück sicher verhindert ist.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass das Abschirmungsgehäuse durch mehrere Abschirmungsbleche gebildet ist, die voneinander unabhängig jeweils relativ zum Laserbearbeitungskopf in Richtung des aus dem Laserbearbeitungskopf austretenden Laserstrahls federbeweglich gelagert sind.
Erfindungsgemäß werden die einzelnen Abschirmbleche, wenn der Laserbearbeitungskopf mit seinem Abschirmgehäuse auf ein zu bearbeitendes Werkstück aufgesetzt ist, durch das Werkstück gegen eine Rückstellfederkraft in Richtung auf den Laserbearbeitungskopf verschoben und liegen mit entsprechendem Federdruck am Werkstück an. Beim Verfahren des Laserbearbeitungskopfes schleifen die Abschirmungsbleche dann federnd über die Oberfläche des Werkstücks, ohne dabei vom Werkstück abzuheben. Der erfindungsgemäße Laserbearbeitungskopf ist besonders für den Einsatz bei vergleichsweise großen Bauteilen mit langen, vorzugsweise geradlinigen I-Nähten (wie sie beispielsweise häufig im Schiffbau vorkommen) geeignet.
Die Abschirmungsbleche können auf jegliche bekannte Art und Weise jeweils gegen die Wirkung einer Rückstellfederkraft verschiebbar geführt sein. Konstruktiv besonders einfach sind die Abschirmungsbleche über Parallelogrammlager, z. B. in Form zweier paralleler Federbleche, an einem Gehäuseträger federbeweglich befestigt.
Vorzugsweise stehen an den Abschirmungsblechen werkstückseitig elastische Dichtungselemente einige wenige Millimeter über den Blechrand über und stellen somit die eigentliche Anlage der Abschirmungsbleche am Werkstück dar. Diese Dichtungselemente sind zur lichtdichten Abdichtung der Abschirmungsbleche gegenüber dem zu bearbeitenden Werkstück vorgesehen und können z. B. als lichtdichte Bürsten oder Schutzlappen aus laserresistentem und -absorbierendem Material ausgebildet sein.
Die Erfindung betrifft in einem weiteren Aspekt auch einen insbesondere wie oben ausgebildeten Laserbearbeitungskopf, bei dem das Abschirmungsgehäuse mindestens eine zur Umgebung offene Seitenöffnung aufweist, über die während des Bearbeitungsprozesses Gase und auch Schmauch aus dem Abschirmungsgehäuse nach außen in die Umgebung austreten können.
In einer vorteilhaften Weiterbildung ist die mindestens eine Seitenöffnung durch einen Spalt zwischen zwei benachbarten Abschirmungsblechen des Abschirmungsgehäuses gebildet, der durch einen Randabschnitt eines der beiden benachbarten Abschirmungsbleche abgedeckt sein kann. Der Randabschnitt verhindert, dass Laserstrahlung aus dem Inneren des Abschirmungsgehäuses nach außen austritt.
In einer anderen vorteilhaften Weiterbildung ist die mindestens eine Seitenöffnung durch ein oder mehrere im Abschirmungsgehäuse vorhandene Löcher (z. B. in Form eines Lochmusters oder -gitters) gebildet, die durch eine im Abstand davor und/oder dahinter angeordnete Abdeckung abgedeckt sein können. Beispielsweise kann eine Vielzahl von in einem siebartigen Muster angeordneten Bohrungen als Seitenöffnungen in einer oder mehreren Gehäusewänden des Abschirmungsgehäuses ausgebildet sein. Die Abdeckung verhindert, dass Laserstrahlung aus dem Inneren des Abschirmungsgehäuses nach außen austritt. Die Abdeckung ist hierzu bevorzugt aus einem laserresistenten und -absorbierenden Material gebildet oder auf der dem Laserstrahl zugewandten Seite mit einem solchen Material beschichtet.
Vorzugsweise sind im Abschirmungsgehäuse mindestens eine Crossjet-Düse zur Erzeugung einer den Laserstrahl durchdringenden Querströmung, die eine Bearbeitungsoptik des Laserbearbeitungskopfes vor bei der Werkstückbearbeitung auftretenden Materialspritzern schützt, und/oder eine Absaugöffnung zur Absaugung von im Inneren des Abschirmungsgehäuses befindlichen Gasen und Rauch angeordnet. Um im Abschirmungsgehäuse trotz der über die Crossjet-Düse zugeströmten Luft einen Unterdruck aufrechtzuerhalten, ist die Absaugung der Absaugeinrichtung größer als die Zuströmung der Crossjet-Düse einzustellen.
Weitere Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen, der Beschreibung und der Zeichnung. Ebenso können die vorstehend genannten und die noch weiter aufgeführten Merkmale je für sich oder zu mehreren in beliebigen Kombinationen Verwendung finden. Die gezeigten und beschriebenen Ausführungsformen sind nicht als abschließende Aufzählung zu verstehen, sondern haben vielmehr beispielhaften Charakter für die Schilderung der Erfindung.
Es zeigen:
1 einen erfindungsgemäßen Laserbearbeitungskopf mit einem aus vier federbeweglichen Abschirmungsblechen gebildeten Abschirmungsgehäuse in einer perspektivischen Ansicht ohne Abschirmungsdeckel;
2 den Laserbearbeitungskopf aus 1 mit lediglich zwei einander gegenüberliegenden Abschirmungsblechen in einer weiteren perspektivischen Ansicht;
3 das Abschirmgehäuse aus 1 in einer anderen perspektivischen Ansicht;
4 den Laserbearbeitungskopf aus 1 mit einem Abschirmungsdeckel; und
5 einen weiteren erfindungsgemäßen Laserbearbeitungskopf mit mehreren im Abschirmgehäuse vorgesehenen Luftöffnungen in einer perspektivischen Ansicht.
Der in 1 bis 5 gezeigte Laserbearbeitungskopf 1 dient zur Bearbeitung von Werkstücken mittels eines fokussierten Laserstrahls 2, der aus dem Laserbearbeitungskopf 1 über eine Bearbeitungsoptik 3 austritt. Zur Abschirmung des aus dem Laserbearbeitungskopf 1 austretenden Laserstrahls 2 ist am Laserbearbeitungskopf 1 ein werkstückseitig offenes Abschirmungsgehäuse 4 befestigt, das um den Laserstrahl 2 herum angeordnet ist und während der Laserbearbeitung mit seiner offenen Gehäuseseite 5 auf das zu bearbeitende Werkstück 6 aufgesetzt wird. Das Abschirmungsgehäuse 4 schirmt die Laserstrahlung lokal am Ort des Geschehens – direkt beim Laserbearbeitungskopf 1 bzw. an der Wechselwirkungszone – ab und ist besonders für die Anwendung an großen Bauteilen mit langen, vorzugsweise linearen Nähten, wie sie insbesondere im Schiffbau vorkommen, gedacht.
Das in 1 bis 4 gezeigte Abschirmungsgehäuse 4 ist durch einen fest mit dem Laserbearbeitungskopf 1 verbundenen, rahmenförmigen Gehäuseträger 7 und vier einzelne, zueinander jeweils rechtwinklig angeordnete Abschirmungsbleche 8 gebildet. Eine beispielsweise am Gehäuseträger 7 befestigte Abschirmungshaube 9 deckt den Laserbearbeitungskopf 1 vollständig und das Abschirmungsgehäuse 4 weitgehend ab.
Die Abschirmungsbleche 8 sind voneinander unabhängig am Gehäuseträger 7 jeweils in Richtung des aus dem Laserbearbeitungskopf 1 austretenden Laserstrahls 2 federbeweglich gelagert, wie in 2 durch Doppelpfeile 10 gezeigt ist. Diese federbewegliche Lagerung kann beispielsweise als ein Parallelogramm-Festlager in Form zweier paralleler Federbleche 11 aus dünnem Federblech ausgeführt sein, die jeweils als Einzelstreifen oder wie vorliegend gemeinsam aus einem zweifach abgekanteten Federblechstreifen gebildet sein können. Wie in 2 gezeigt, sind diese abgekanteten Federblechstreifen jeweils mit ihren beiden abgekanteten freien Enden am Gehäuseträger 7 und mit ihrem Mittelabschnitt innenseitig an dem Abschirmungsblech 6 befestigt (beispielsweise durch Nieten). Das Parallelogramm-Festlager ermöglicht eine Relativverschiebung des Abschirmungsblechs 8 in Richtung 10 gegen die Rückstellkraft der beiden elastischen Federbleche 11. Alternativ zum Parallelogramm-Festlager können die Abschirmungsbleche 8 auch am Gehäuseträger 7 jeweils gegen die Wirkung einer Rückstellfeder linear verschiebbar geführt sein.
Die vier Abschirmungsbleche 8 sind in einem Rechteck angeordnet, wobei jeweils zwei einander gegenüberliegende Abschirmungsbleche 8 gleichartig ausgebildet sind. Zwei einander gegenüberliegende Abschirmungsbleche 8 sind an ihren Seitenrändern abgekantet bzw. abgewinkelt, um mit diesen abgewinkelten Randabschnitten 12 den Seitenrand der jeweils benachbarten Abschirmbleche 8 beabstandet zu übergreifen bzw. diesen beabstandet zu überlappen. Zwischen benachbarten Abschirmungsblechen 8 ist jeweils ein Spalt 13 vorhanden, der durch den abgewinkelten Randabschnitt 12 nach außen abgedeckt ist. Der Spalt 13 bildet eine zur Umgebung offene Öffnung, durch die Luft aus der Umgebung ins Innere des Abschirmungsgehäuses 4 einströmen kann oder Gase und Schmauch aus dem Inneren des Abschirmungsgehäuses 4 nach außen in die Umgebung ausströmen können. Durch das teilweise Überlappen benachbarter Abschirmungsbleche 8 in den Eckbereichen des Abschirmungsgehäuses 4 kann über die Spalte 13 keine Laserstrahlung aus dem Inneren des Abschirmungsgehäuses 4 nach außen austreten. Für eine lichtdichte Abdichtung zum Werkstück 6 können die Abschirmungsbleche 8 an ihrem werkstückseitigen Ende jeweils Dichtungselemente 14, z. B. in Form von elastischen Schutzbürsten oder Schutzlappen aus laserresistentem und -absorbierendem Material, aufweisen, die einige wenige Millimeter über die Abschirmungsbleche 8 überstehen und somit die eigentliche Anlage der Abschirmungsbleche 8 am Werkstück 6 darstellen.
Wenn der Laserbearbeitungskopf 1 in der Sollposition über dem Werkstück 6 liegt, werden die Abschirmungsbleche 8 durch das Werkstück 6 gegen die Rückstellkraft der Federbleche 11 in Richtung auf den Laserbearbeitungskopf 1 verschoben und liegen mit ihren Dichtungselementen 14 mit entsprechendem Federdruck am Werkstück 6 an. Beim Verfahren des Laserbearbeitungskopfes 1 in Vorschubrichtung 15 schleifen die Abschirmungsbleche 8 mit ihren Dichtungselemente 14 dann federnd über die Oberfläche des Werkstücks 6.
Die werkstückseitigen Ränder der Abschirmungsbleche 8 bzw. die Dichtungselemente 14 sind zum Aufsetzen auf eine plane Werkstückoberfläche gerade ausgeführt und eignen sich somit besonders für das Schweißen von Stumpfstößen (I-Nähten). Zum Aufsetzen auf eckige oder runde Werkstückoberflächen weisen die Abschirmungsbleche 8 entsprechend konturierte werkstückseitige Ränder auf, also im Falle von Überlapp- oder T-Stößen (Kehlnähten) Abschirmungsbleche mit dreiecksförmigen Enden.
Innerhalb des Abschirmungsgehäuses 4 ist vorteilhaft eine Crossjet-Düse 16 zur Erzeugung einer parallel vor der Bearbeitungsoptik 3 verlaufenden, den Laserstrahl 2 durchdringenden Luftquerströmung 17 angeordnet, um die Bearbeitungsoptik 3 vor bei der Laserbearbeitung auftretenden Materialspritzern zu schützen. Zum Absaugen der Luftquerströmung 17 und/oder von Gasen und Schmauch ist am oder im Abschirmungsgehäuse 4 eine Absaugöffnung 18 einer Absaugeinrichtung (nicht gezeigt) angeordnet. Wie in 2 gezeigt, sind dabei die Crossjet-Düse 16 und die Absaugöffnung 18 im Abschirmungsgehäuse 4 bevorzugt auf etwa gleicher Höhe und einander gegenüberliegend angeordnet. Um im Abschirmungsgehäuse 4 trotz der über die Crossjet-Düse 16 zugeströmten Luft einen Unterdruck aufrechtzuerhalten, ist die Absaugung der Absaugeinrichtung größer als die Zuströmung der Crossjet-Düse einzustellen.
In 5 ist ein weiterer Laserbearbeitungskopf 1 mit einem daran unverschiebbar befestigten, werkstückseitig offenen Abschirmungsgehäuse 4 gezeigt. Das Abschirmungsgehäuse 4 ist einteilig ausgebildet, kann aber auch aus einzelnen Abschirmblechen zusammengesetzt sein. Wie beispielhaft an einer der vier Gehäusewände 20 gezeigt ist, weisen eine oder mehrere Gehäusewände 20 eine Vielzahl von zur Umgebung offenen Öffnungen (Bohrungen) 21 auf, durch die Luft aus der Umgebung ins Innere des Abschirmungsgehäuses 4 einströmen kann oder Gase und Schmauch aus dem Inneren des Abschirmungsgehäuse 4 nach außen in die Umgebung ausströmen können. Für eine lichtdichte Abdichtung zum Werkstück 6 kann das Abschirmungsgehäuse 4 an seinem werkstückseitigen Ende ein ringsum umlaufendes Dichtungselement 14, z. B. in Form von elastischen Schutzbürsten oder Schutzlappen aus laserresistentem und -absorbierendem Material, aufweisen.
Im Falle einer innerhalb des Abschirmungsgehäuses 4 vorgesehenen Crossjet-Düse können die Löcher 22 insbesondere in der der Crossjet-Düse gegenüberliegenden Gehäusewand vorgesehen sein. Im Falle einer im oder am Abschirmungsgehäuse 4 angeordneten Absaugöffnung der Absaugeinrichtung (nicht gezeigt) kann bei aktivierter Absaugvorrichtung über die Öffnungen 21 ausreichend Luft aus der Umgebung in das Abschirmungsgehäuse 4 nachströmen. Durch eine außenseitig (und/oder innenseitig) im Abstand vor den Öffnungen 21 angebrachte Abdeckung (z. B. Abdeckblech) 22 kann über die Öffnungen 21 keine Laserstrahlung aus dem Inneren des Abschirmungsgehäuses 4 nach außen austreten. Die Abdeckung 22 ist beispielsweise aus einem laserresistenten Material gebildet oder auf ihrer dem Laserstrahl 2 zugewandten Innenseite mit einem laserresistenten Material beschichtet.
An den Stellen, an denen das Abschirmungsgehäuse 4 über einen Roboterarm des Laserbearbeitungskopfes 1 ragt und Kabel/Leitungen in das Abschirmungsgehäuse 4 hinein führen, können noch flexible Elemente aus Laserschutzvorhangstoff vorgesehen sein, um Spalte, die an dieser Stelle unvermeidbar sind, besser abzudichten.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 202009013899 U1 [0003]
DE 29620304 U1 [0004]
DE 102010005043 A1 [0005]

Claims

Laserbearbeitungskopf (1) zur Bearbeitung von Werkstücken (6) mittels eines Laserstrahls (2), mit einem am Laserbearbeitungskopf (1) befestigten, werkstückseitig offenen Abschirmungsgehäuse (4) zur Abschirmung des aus dem Laserbearbeitungskopf (1) austretenden Laserstrahls (2), dadurch gekennzeichnet, dass das Abschirmungsgehäuse (4) durch mehrere Abschirmungsbleche (8) gebildet ist, die voneinander unabhängig jeweils relativ zum Laserbearbeitungskopf (1) in Richtung des aus dem Laserbearbeitungskopf (1) austretenden Laserstrahls (2) federbeweglich gelagert sind.
Laserbearbeitungskopf nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Abschirmungsbleche (8) jeweils über ein Parallelogrammlager an einem Gehäuseträger (7) des Abschirmungsgehäuses (4) befestigt sind.
Laserbearbeitungskopf nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Parallelogrammlager durch zwei parallele Federbleche (11) gebildet ist.
Laserbearbeitungskopf nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Abschirmungsgehäuse (4) durch vier, insbesondere in einem Rechteck angeordnete Abschirmungsbleche (8) gebildet ist.
Laserbearbeitungskopf nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass an den Abschirmungsblechen (8) werkstückseitig elastische lichtdichte Dichtungselemente (14) vorstehen.
Laserbearbeitungskopf nach einem der vorhergehenden Ansprüche oder gemäß Oberbegriff von Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Abschirmungsgehäuse (4) mindestens eine zur Umgebung offene Seitenöffnung (20, 23) aufweist.
Laserbearbeitungskopf nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Seitenöffnung durch einen Spalt (20) zwischen zwei benachbarten Abschirmungsblechen (8) des Abschirmungsgehäuses (4) gebildet ist.
Laserbearbeitungskopf nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Spalt (20) durch einen Randabschnitt (12) eines der beiden benachbarten Abschirmungsbleche (8) abgedeckt ist.
Laserbearbeitungskopf nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Seitenöffnung durch ein oder mehrere im Abschirmungsgehäuse (4) vorhandene Löcher (21) gebildet ist.
Laserbearbeitungskopf nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das oder die Löcher (21) durch eine im Abstand davor und/oder dahinter angeordnete Abdeckung (22) abgedeckt sind.
Laserbearbeitungskopf nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im Abschirmungsgehäuse (4) mindestens eine Crossjet-Düse (16) zur Erzeugung einer den Laserbearbeitungskopf (1) schützenden Querströmung (17) angeordnet ist.
Laserbearbeitungskopf nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im oder am Abschirmungsgehäuse (4) eine Absaugöffnung (18) angeordnet ist.
Laserbearbeitungskopf nach Anspruch 11 und 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Crossjet-Düse (16) und die Absaugöffnung (18) einander, insbesondere auf gleicher Höhe, gegenüberliegen.