DE102017220162A1

DE102017220162A1 - Bearbeitungskopf

Info

Publication number: DE102017220162A1
Application number: DE102017220162.2A
Authority: DE
Inventors: Tibor Paizs; Hans Stein
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV; ThyssenKrupp AG; ThyssenKrupp System Engineering GmbH
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV; ThyssenKrupp AG; ThyssenKrupp System Engineering GmbH
Priority date: 2017-11-13
Filing date: 2017-11-13
Publication date: 2019-05-16
Also published as: WO2019092270A1

Abstract

Bei dem Bearbeitungskopf wird ein von einer Strahlungsquelle emittierter Laserstrahl (6) durch ein Gehäuse (1) und eine Öffnung, die an der in Richtung einer zu bearbeitenden Werkstückoberfläche angeordneten Stirnseite des Gehäuses (1) angeordnet ist, auf die zu bearbeitende Werkstückoberfläche gerichtet. An dem Gehäuse (1) so eine Zuführung (3) für einen Gasstrom so vorhanden und angeordnet, dass der Gasstrom zuerst in Richtung der Öffnung, die an der in Richtung einer zu bearbeitenden Stirnseite des Gehäuses (1) angeordnet ist, geführt und der Gasstrom von dort in eine von einer zu bearbeitenden Werkstoffoberfläche weg weisenden Richtung durch das Gehäuse (1) oder aus dem Gehäuse (1) über eine Abführung (5) heraus geführt und mit dem Gasstrom ein Druck im Gehäuseinneren im Gehäusebereich zwischen der Zuführung (3) und der Öffnung, die an der in Richtung einer zu bearbeitenden Werkstückoberfläche angeordneten Stirnseite des Gehäuses (1) angeordnet ist, erreichbar, der kleiner als der Umgebungsdruck ist.

Description

Die Erfindung betrifft einen Bearbeitungskopf, bei der ein von einer Strahlungsquelle emittierter Laserstrahl durch ein Gehäuse auf eine zu bearbeitende Werkstückoberfläche gerichtet wird.
Bei Laserfügeprozessen mit und ohne Zusatzwerkstoff bilden sich häufig Spritzer oder Tropfen eines Werkstückwerkstoffs. Problematisch ist häufig auch bei der thermischen Bearbeitung gebildeter Rauch oder Schmauch.
Die Bildung von Spritzern wird wesentlich vom jeweiligen zu bearbeitenden Werkstoff oder einem Beschichtungswerkstoff begünstigt. Dies betrifft zum beispiel beschichtete Werkstoffe. Spritzer führen zu Quailitätseinbußen der Fügeverbindungen sowie Verunreinigung des Bearbeitungskopfes, des Werkstückes, der Vorrichtungen, Handlingsystmen und sonstigen Geräten. Daher sind durchzuführende Nachbearbeitungen/Reinigungen erforderlich. Ein weiteres Problem besteht in der möglichen Schädigung optischer Elemente, insbesondere dem hohen Verschleiß von Schutzgläsern durch die der Laserstrahl in Richtung zu einer zu bearbeitenden Werkstückoberfläche geführt ist. Spritzer setzen sich an den Oberflächen ab und führen zu lokal erhöhter Absorption der Laserstrahlung, was wiederum bis zu deren Zerstörung führen kann.
Es ist bekannt, dass die Spritzerbildung durch Fügen im Unterdruck/Vakuum vermindert werden kann.
Bisher wurde diesem Problem durch die Arbeit in Vakuumkammern entgegengetreten, bei der die Laserbearbeitung unter reduzierten Druckbedingungen durchgeführt werden kann. Ein Arbeiten unter diesen Bedingungen ist aber bei vielen Anwendungen und insbesondere im Fahrzeugbau bei der Karosseriefertigung nicht möglich oder extrem aufwändig.
Aus DE 10 2010 005 043 A1 ist eine Schweißeinrichtung bekannt, bei der eine Absaugvorrichtung vorgesehen ist, mit der eine Absaugung von Umgebungsluft mit einer Abschirmvorrichtung erfolgen soll. Dabei wird Umgebungsluft aus der Umgebung der jeweiligen Schweißposition durch die Abschirmung von der Schweißstelle weg abgesaugt und dann seitlich abgeführt. Für den Schutz der Optik ist eine Blende an der Abschirmvorrichtung vorgesehen, durch die Laserstrahl in Richtung Werkstück geführt wird.
Die Luft strömt also zumindest über einen entsprechend langen weg in Richtung optischer Elemente bevor sie seitlich abgeführt wird. Dadurch werden gebildete Spritzer, Rauch und Schmauch zuerst in Richtung optischer Elemente beschleunigt bevor eine seitliche Auslenkung erfolgt. Spritzer können dabei aber so beschleunigt werden, dass sie nicht seitlich abgelenkt werden, sondern durch die Blende in Richtung optischer Elemente gelangen können, was zu den bereits genannten Problemen führt.
Außerdem werden so auch Rauch und Schmauch in diese Richtung gesaugt und können zu einer Teilabsorption, Streuung oder Reflexion der Laserstrahlung und somit zu Leistungsverlusten führen.
Es ist daher Aufgabe der Erfindung, die Spritzerbildung bei einer Laserbearbeitung zu minimieren und Möglichkeiten für einen verbesserten Schutz optischer Elemente bei der Laserbearbeitung zu erreichen und Leistungsverluste zu vermeiden zumindest jedoch zu vermindern.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe mit einem Bearbeitungskopf, der die Merkmale des Anspruchs 1 aufweist, gelöst. Anspruch 9 definiert ein Verfahren. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung können mit in untergeordneten Ansprüchen bezeichneten Merkmalen realisiert werden.
Bei dem erfindungsgemäßen Bearbeitungskopf wird ein einen Unterdruck in einem bestimmten Bereich bildender Gasstrom genutzt. Dadurch kann eine Gasströmung von der zu bearbeitenden Werkstückoberfläche in das Innere des Bearbeitungskopfes hinein erreicht werden. Damit kann ein Schutz der optischen Komponenten, die im Bearbeitungskopf angeordnet sind, erreicht werden.
Bei dem erfindungsgemäßen Bearbeitungskopf wird ein von einer Strahlungsquelle emittierter Laserstrahl durch ein Gehäuse und eine Öffnung, die an der in Richtung einer zu bearbeitenden Werkstückoberfläche angeordneten Stirnseite des Gehäuses angeordnet ist, auf die zu bearbeitende Werkstückoberfläche gerichtet.
An dem Gehäuse ist eine Zuführung für einen Gasstrom vorhanden. Der Gasstrom wird zuerst in Richtung der Öffnung, die an der in Richtung einer zu bearbeitenden Stirnseite des Gehäuses angeordnet ist, geführt. Von dort wird der Gasstrom in eine von einer zu bearbeitenden Werkstoffoberfläche weg weisende Richtung durch das Gehäuse oder aus dem Gehäuse über eine Abführung heraus geführt. Mit dem Gasstrom wird ein Druck im Gehäuseinneren im Gehäusebereich zwischen der Zuführung und der Öffnung, die an der in Richtung einer zu bearbeitenden Werkstückoberfläche angeordneten Stirnseite des Gehäuses angeordnet ist, erreicht, der kleiner als der Umgebungsdruck ist.
Dadurch kann erreicht werden, dass Gas aus der Umgebung durch die Öffnung, die an der in Richtung einer zu bearbeitenden Werkstückoberfläche angeordneten Stirnseite des Gehäuses angeordnet ist, angesaugt und mit dem in eine von einer zu bearbeitenden Werkstoffoberfläche weg weisenden Richtung geführten Gasstrom abgeführt werden kann.
Der Gasstrom wird durch die Abführung aus dem Gehäuse abgeführt.
Mit dem in das Gehäuse ein und aus dem Gehäuse ausströmenden Gasstrom kann ein im Gehäuse angeordnetes optisches Element, insbesondere ein Schutzglas vor dem Auftreffen von Spritzern effektiv geschützt werden.
Die Öffnung, die an der in Richtung einer zu bearbeitenden Werkstückoberfläche angeordneten Stirnseite des Gehäuses angeordnet ist, kann mit einer Düsenöffnung einer Düse, gebildet sein, die einen kleineren Innendurchmesser als das Gehäuseinnere aufweist, und an dieser Stirnseite angeordnet ist
Allein oder zusätzlich dazu kann das Gehäuseinnere zumindest teilweise ausgehend von der Zuführung für den ersten Gasstrom bis zur Öffnung, die an der in Richtung einer zu bearbeitenden Werkstückoberfläche angeordneten Stirnseite des Gehäuses angeordnet ist, oder bis zur Düse sich konisch verjüngend ausgebildet sein.
Die Zuführung für den Gasstrom kann so an das Gehäuse angeschlossen und ausgebildet sein, dass der Gasstrom den durch das Gehäuseinnere, den geführten druch das Gehäuse gerichteten Laserstrahl im Gehäuseinneren umströmt. Dies kann beispielsweise dadurch erreicht werden, dass im Inneren des Gehäuses eine Ringspaltdüse, mehrere teilkreisförmige Spalte oder Düsenöffnungen ringförmig angeordnet sind oder der Gasstrom mit der Zuführung radial von außen in das Gehäuse einströmt und spiralförmig entlang der Gehäuseinnenwand bis zur Abführung strömt.
Die Abführung für den Gasstrom kann an mindestens eine Außenseite des Gehäuses angeflanscht und von dort über ein in einer von der Werkstückoberfläche weg weisenden Richtung ausgerichtetes Rohr oder einen Kanal abgeführt sein. Sie kann aber auch Bestandteil des Gehäuses sein.
Der in eine von der zu bearbeitenden Werkstückoberfläche weg weisenden Richtung strömende Gasstrom kann aber auch durch das Gehäuse geführt sein und im Gegenstrom zu dem Teil des Gasstromes bevorzugt neben diesem in Richtung Werkstückoberfläche strömenden Teil des Gasstromes strömen, der in das Gehäuse hinein geführt wird.
Zur Ausbildung des Gasstromes kann ein Verdichter druckseitig an die Zuführung und/oder saugseitig an die Abführung angeschlossen sein.
Der abgeführte Gasstrom kann zu einer Filtereinrichtung geführt sein.
Mit der Abführung für den Gasstrom sollte also ein Richtungswechsel, bevorzugt eine Umkehr der Bewegungsrichtung des aus dem Gehäuse austretenden Gasstroms erreicht werden. Dies kann mit einem entsprechend ausgerichteten an die Abführung angeschlossenen Rohr oder Kanal oder eine Umlenkung des zugeführten Gasstromes im Gehäuseinneren erreicht werden. Dabei können ein Rohr oder ein Kanal auch Bestandteil der Abführung sein.
Es ist also vorteilhaft, wenn der Gassstrom nach dem Austritt aus dem Gehäuseinneren oder der Umkehr der Strömungsrichtung im Gehäuseinneren in eine von der jeweiligen zu bearbeitenden Werkstückoberfläche weg weisende Richtung geführt wird. So können ggf. Partikel oder Spritzer sowie auch Rauch oder Schmauch, die bei einer Laserbearbeitung gebildet worden sind, effektiv abgeführt werden, so dass ein verbesserter Schutz eines optischen Elements oder insbesondere eines Schutzglases und eine verminderte Reduzierung des Wirkungsgrades infolge der reduzierten Laserstrahlungsabsorption durch Rauch oder Schmauch erreicht werden können.
In einer vorteilhaften Ausführung der Erfindung kann auch mindestens ein Drucksensor im Gehäuseinneren angeordnet sein, mit dem der durch den Gasstrom erreichte Druck im Gehäuse oder der Druck des in die Zuführung einströmenden Gasstromes detektiert werden kann.
Der Gasstrom sollte vorteilhaft bei der Bearbeitung mit einer Strömungsgeschwindigkeit und einem Volumenstrom so durch das Gehäuseinnere geführt werden, dass eine Druckdifferenz zwischen dem Gehäuseinneren, durch das der Gasstrom geführt wird, und der Umgebung erreicht werden kann.
Nachfolgend soll die Erfindung beispielhaft näher erläutert werden.
Dabei zeigt:

1 eine Schnittdarstellung eines Beispiels eines erfindungsgemäßen Bearbeitungskopfes, und
2 eine Schnittdarstellung durch ein weiteres Beispiel eines erfindungsgemäßen Bearbeitungskopfes.

Dabei wird ein von einer nicht dargestellten Laserstrahlungsquelle emittierter Laserstrahl 6 durch das Gehäuse 1 in Richtung einer Düse 2, die an der in Richtung einer zu bearbeitenden Werkstückoberfläche angeordneten Stirnseite des Gehäuses 1 vorhanden ist, auf die zu bearbeitende Werkstückoberfläche (nicht gezeigt) gerichtet. Im Gehäuse 1 ist ein Schutzglas 4 angeordnet und zum Schutz weiterer insbesondere optischer Komponenten für die Strahlführung und -formung des Laserstrahls 6 dient. Der Laserstrahl 6 trifft durch die Düsenöffnung auf die jeweilige zufügende Werkstückoberfläche auf.
In einem Abstand zur Düse 2 ist an das Gehäuse 1 eine Zuführung 3 für einen Gasstrom an mindestens einer Seite angeschlossen oder daran ausgebildet.
Der Gasstrom tritt so in das Gehäuseinnere ein und wird im Gehäuse 1 zuerst in Richtung der Düse 2 geführt. In Strömungsrichtung des Gasstromes ist vor der Düse 2 eine Abführung 5 für den Gasstrom am Gehäuse 1 seitlich angeordnet oder dort angeschlossen. Der Gasstrom wird durch die Abführung 5 aus dem Gehäuseinneren abgeführt.
Mit dem so geführten Gasstrom kann im Bereich zwischen Düse 2 und der Abführung 5 im Inneren des Gehäuses 1 ein Druck erreicht werden, der kleiner als der Umgebungsdruck ist. Dadurch kann Umgebungsluft durch die Düsenbohrung in der Düse 2 in das Innere des Gehäuses 1 angesaugt und mit dem umgelenkten Gassstrom in die Abführung 5 abgeführt werden kann.
Dadurch kann erreicht werden, dass Partikel oder Spritzer nicht bis zum Schutzglas 4 gelangen können und mit dem Gasstrom aus der Abführung 5 aus dem kritischen Bereich nach außen abgeführt werden können. Dies trifft auch auf bei der Laserbearbeitung gebildeten Rauch oder Schmauch zu.
Bei diesem Beispiel ist an die Abführung 5 für den Gasstrom ein Rohr 7 angeschlossen, durch das der Gasstrom nach einem Richtungswechsel seiner Strömungsrichtung senkrecht in Richtung von der jeweiligen zu bearbeitenden Werkstückoberfläche wegweisend abgeführt und zu einer nicht dargestellten Filtereinrichtung geführt werden kann.
Bei dem in 2 gezeigten Beispiel wird der Gasstrom über eine Zuführung 3 in das Gehäuse 1 eingeführt und strömt dann zumindest annähernd parallel zur und entlang der optischen Achse des Laserstrahls 6 in Richtung der Düsenöffnung der Düse 2, die an der in Richtung einer zu bearbeitenden Werkstückoberfläche angeordneten Stirnseite des Gehäuses 1 angeordnet ist.
Vor der Düse 2 erfolgt eine Richtungsumkehr des Gasstromes in zumindest nahezu die entgegengesetzte Strömungsrichtung und kann entweder entlang der sich konisch verjüngend ausgebildeten Wandung des Gehäuses 1 zu einer Abführung 5 strömen und dort aus dem Gehäuse 1 austreten.
Wie in 2 gezeigt, kann dazu ein Ringspalt mit einem Einsatz 7 in das Gehäuse 1 ausgebildet sein, durch den der Gasstrom in der von der jeweiligen zu bearbeitenden Werkstückoberfläche weg weisenden Richtung strömen kann. Der Einsatz 7 ist hohlzylindrisch und zumindest außenseitig konisch ausgebildet, so dass dadurch der Laserstrahl 6 durch die Düsenbohrung der Düse 2 geführt werden kann. Der umgelenkte Gasstrom kann durch den Ringspalt zwischen der äußeren Oberfläche des Einsatzes 7 und der Innenwand des Gehäuses 1 in Richtung Abführung 5 strömen. Infolge der Gasströmung im Gehäuse 1 kann ein Druck im Bereich oberhalb der Düse 2 erreicht werden, der kleiner als der Umgebungsdruck in der Umgebung ist. Dadurch ist es wiederum möglich, dass Umgebungsluft durch die Düsenbohrung der Düse 2 in das Gehäuse 1 eingesaugt wird und mit dem umgelenkten Gasstrom in die von der jeweiligen zu bearbeitenden Werkstückoberfläche weg weisende Richtung strömt.
Bei den beiden in den Figuren gezeigten Beispielen ist die jeweilige Strömungsrichtung des Gasstromes mit den Pfeilen anschaulich gemacht.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102010005043 A1 [0006]

Claims

Bearbeitungskopf, bei dem ein von einer Strahlungsquelle emittierter Laserstrahl (6) durch ein Gehäuse (1) und eine Öffnung, die an der in Richtung einer zu bearbeitenden Werkstückoberfläche angeordneten Stirnseite des Gehäuses (1) angeordnet ist, auf die zu bearbeitende Werkstückoberfläche gerichtet ist und an dem Gehäuse (1) eine Zuführung (3) für einen Gasstrom so vorhanden und angeordnet ist, dass der Gasstrom zuerst in Richtung der Öffnung, die an der in Richtung einer zu bearbeitenden Stirnseite des Gehäuses (1) angeordnet ist, geführt ist und der Gasstrom von dort in eine von einer zu bearbeitenden Werkstoffoberfläche weg weisenden Richtung durch das Gehäuse (1) oder aus dem Gehäuse (1) über eine Abführung (5) heraus geführt ist und mit dem Gasstrom ein Druck im Gehäuseinneren im Gehäusebereich zwischen der Zuführung (3) und der Öffnung, die an der in Richtung einer zu bearbeitenden Werkstückoberfläche angeordneten Stirnseite des Gehäuses (1) angeordnet ist, erreichbar ist, der kleiner als der Umgebungsdruck ist.
Bearbeitungskopf nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Öffnung, die an der in Richtung einer zu bearbeitenden Werkstückoberfläche angeordneten Stirnseite des Gehäuses (1) angeordnet ist, mit einer Düsenöffnung einer Düse (2), gebildet ist, die einen kleineren Innendurchmesser als das Gehäuseinnere aufweist, und an der in Richtung zur zu bearbeitenden Werkstückoberfläche des Gehäuses angeordnet ist und/oder sich das Gehäuseinnere zumindest in einem Teilbereich ausgehend von der Zuführung (3) für den ersten Gasstrom bis zur Öffnung, die an der in Richtung einer zu bearbeitenden Werkstückoberfläche angeordneten Stirnseite des Gehäuses (1) angeordnet ist, oder bis zur Düse (2) sich konisch verjüngend ausgebildet ist.
Bearbeitungskopf nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Abführung (5), die den Gasstrom aus dem Gehäuseinneren abführt, am Gehäuse (1) angeschlossen oder daran ausgebildet ist.
Bearbeitungskopf nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Abführung (5) für den Gasstrom aus dem Gehäuseinneren so an das Gehäuse (1) angeschlossen und ausgerichtet, dass der Gasstrom in eine von der Werkstückoberfläche weg weisenden Richtung durch die Abführung (5) außerhalb des Gehäuses (1) strömt.
Bearbeitungskopf nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Zuführung (3) für den Gasstrom so an das Gehäuse (1) angeschlossen und ausgebildet ist, dass der Gasstrom den durch das Gehäuseinnere geführten Laserstrahl (6) im Gehäuseinneren umströmt.
Bearbeitungskopf nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Abführung (5) für den Gasstrom an mindestens eine Außenseite des Gehäuses (1) angeflanscht und von dort über ein in einer von der Werkstückoberfläche weg weisenden Richtung ausgerichtetes Rohr (7) oder einen Kanal abgeführt ist.
Bearbeitungskopf nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zur Ausbildung des Gasstromes ein Verdichter druckseitig an die Zuführung (3) und/oder saugseitig an die Abführung (5) angeschlossen ist.
Bearbeitungskopf nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im Inneren des Gehäuses (1) ein Drucksensor angeordnet ist.
Verfahren zur Laserbearbeitung mit einem Bearbeitungskopf, bei dem ein von einer Strahlungsquelle emittierter Laserstrahl (6) durch ein Gehäuse (1) und eine Öffnung, die an der in Richtung einer zu bearbeitenden Werkstückoberfläche angeordneten Stirnseite des Gehäuses (1) angeordnet ist, auf die zu bearbeitende Werkstückoberfläche gerichtet wird und ein Gasstrom durch eine an dem Gehäuse (1) angeordnete Zuführung (3) in das Gehäuse (1) ein- und von der Zuführung (3) zuerst in Richtung der Öffnung, die an der in Richtung einer zu bearbeitenden Werkstückoberfläche angeordneten Stirnseite des Gehäuses (1) angeordnet ist, strömt und von dort der Gasstrom in eine von einer zu bearbeitenden Werkstoffoberfläche weg weisende Richtung durch das Gehäuse (1) oder aus dem Gehäuse (1) heraus geführt wird, und mit dem Gasstrom im Gehäuseinneren ein Druck im Gehäusebereich zwischen der Zuführung (3) und der Öffnung, die an der in Richtung einer zu bearbeitenden Werkstückoberfläche angeordneten Stirnseite des Gehäuses (1) angeordnet ist, eingestellt wird, der kleiner als der Umgebungsdruck ist.
Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass mit der Abführung (5) für den Gasstrom ein Richtungswechsel, bevorzugt eine Umkehr der Bewegungsrichtung des aus dem Gehäuse (1) austretenden zweiten Gasstroms erreicht wird.
Verfahren nach einem der zwei vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Gasstrom durch die Zuführung (3) so in das Gehäuse (1) einströmt, dass der Gasstrom im Gehäuseinneren den Laserstrahl (7) umströmt.
Verfahren nach einem der drei vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Gasstrom mit einer Strömungsgeschwindigkeit und einem Volumenstrom so durch das Gehäuseinnere geführt wird, dass eine Druckdifferenz zwischen dem Gehäuseinneren, durch das der Gasstrom geführt wird, und der Umgebung von mindestens - 0,1 bar erreicht wird.