DE102018211874A1

DE102018211874A1 - Ringfokusoptik zum Umfangschweißen rotationssymmetrischer Werkstücke

Info

Publication number: DE102018211874A1
Application number: DE102018211874.4A
Authority: DE
Inventors: Martin Huonker
Original assignee: Trumpf Laser GmbH
Current assignee: Trumpf Laser GmbH
Priority date: 2018-07-17
Filing date: 2018-07-17
Publication date: 2020-01-23
Also published as: WO2020015868A1; US20210141200A1

Abstract

Eine Ringfokusoptik (1) zum Bearbeiten, insbesondere Umfangschweißen oder -härten, rotationssymmetrischer oder nahezu rotationssymmetrischer Werkstücke (2, 3) mittels eines ringförmigen Laserstrahls (4) mit einem Kegelspiegel (10) zum Umlenken des ringförmigen Laserstrahls (4) radial nach innen oder nach außen auf den Umfang mindestens eines Werkstücks (2), dessen Rotationsachse kollinear zur optischen Achse (5) der Ringfokusoptik (1) ausgerichtet ist, weist erfindungsgemäß eine vom ringförmigen Laserstrahl (4) umgebene, am Gehäuse (12) der Ringfokusoptik (1) befestigte Halte-/Zentriervorrichtung (14) zum axialen Fixieren des mindestens einen Werkstücks (2) und/oder zum radialen Zentrieren des mindestens einen Werkstücks (2) bezüglich der optischen Achse (5) auf.

Description

Die Erfindung betrifft eine Ringfokusoptik zum Bearbeiten, insbesondere Umfangschweißen oder -härten, rotationssymmetrischer oder nahezu rotationssymmetrischer Werkstücke mittels eines Laserstrahls mit ringförmigem Strahlquerschnitt (im Folgenden „ringförmiger Laserstrahl“ genannt) mit einem Kegelspiegel zum Umlenken des ringförmigen Laserstrahls radial nach innen oder nach außen auf den Umfang eines Werkstücks, dessen Rotationsachse kollinear zur optischen Achse der Ringfokusoptik ausgerichtet ist.
Eine derartige Ringschweißoptik ist beispielsweise aus der WO 2008/080731 A1 bekannt.
Diese bekannte Ringschweißoptik dient zum Verschweißen von Werkstücken und umfasst ein Axicon, das einen kreisförmigen Laserstrahl in einen ringförmigen Laserstrahl umwandelt, und einen Innenkegelspiegel mit einer inneren Spiegelfläche, der den ringförmigen Laserstrahl radial nach innen auf eine seitliche Fügezone der Werkstücke umlenkt, um durch die resultierende ringförmige Fokusgeometrie eine Umfangsschweißnaht zu erzeugen. Anstelle eines Innenkegelspiegels kann auch ein Außenkegelspiegel eingesetzt werden, um den ringförmigen Laserstrahl radial nach außen auf eine seitliche Fügezone der Werkstücke umzulenken. Über eine dem Axicon vorgeordnete, in Richtung der optischen Achse der Ringschweißoptik verschiebbare Fokussieroptik kann der ringförmige Laserstrahl auf den jeweiligen Umfangsdurchmesser der Fügezone fokussiert werden. Zwei zu verschweißende Werkstücke liegen in axialer Richtung aneinander an und sind mittels einer Verstelleinrichtung, die außerhalb der Ringschweißoptik, z.B. an einem der Ringschweißoptik nachgeordneten Werkstücktisch, angeordnet ist, in allen Raumrichtungen verstellbar.
Zum Schweißen zylinderförmiger Werkstücke oder zum Erzeugen ringförmiger Schweißnähten auf zylindrischen Werkstücken (Schweißen von Rundnähten) ist es weiterhin auch bekannt, eine Rotationsoptik einzusetzen, bei welcher der Laserstrahl durch ein Drehgelenk über eine um das Werkstück rotierende Spiegelanordnung geführt wird. Diese Rotationsoptik hat allerdings den Nachteil, dass eine erhebliche Masse rotiert werden muss und dass die Geometrie bzw. der Durchmesser der erzeugten Schweißnaht nicht einfach veränderbar ist. Insbesondere bei Anwendungen, die eine hohe Bearbeitungsgeschwindigkeit erfordern, stellt die dabei erforderliche hohe Drehzahl sehr hohe Anforderungen an die Mechanik und Lagerung der Rotationsoptik. Weiterhin besteht das Problem, dass ein Halten oder Zentrieren des Werkstücks bzw. der zu fügenden Baugruppe aufgrund der um das Werkstück drehenden Rotationsoptik schwierig und aufwändig, wenn nicht sogar unmöglich ist.
Der vorliegenden Erfindung stellt sich demgegenüber die Aufgabe, eine Ringfokusoptik der eingangs genannten Art dahingehend weiterzubilden, dass das zu bearbeitende Werkstück bzw. die zu fügenden Werkstücke auf andere Art und Weise gehalten oder zentriert werden können.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine vom ringförmigen Laserstrahl umgebene, am Gehäuse der Ringfokusoptik befestigte Halte-/Zentriervorrichtung gelöst, die das mindestens eine Werkstück bezüglich der optischen Achse radial zentriert und/oder axial fixiert.
Erfindungsgemäß ist die Halte-/Zentriervorrichtung in die Ringfokusoptik integriert und in dem Innenraum der Ringfokusoptik angeordnet, der radial nach außen von dem ringförmigen Laserstrahl begrenzt ist.
Bei einer besonders bevorzugten Ausführungsform weist die Halte-/Zentriervorrichtung eine im Strahlengang des ringförmigen Laserstrahls angeordnete, für den Laserstrahl transmissive Trägerplatte (z.B. aus Quarzglas), welche außerhalb des ringförmigen Laserstrahls am Gehäuse der Ringfokusoptik befestigt ist, sowie ein an der Trägerplatte befestigtes Halte-/Zentrierelement zum Zentrieren und/oder Fixieren des mindestens einen Werkstücks auf. Vorzugsweise ist das Halte-/Zen-trierelement als ein an der Trägerplatte axial verschiebbar geführter, in Richtung auf das mindestens eine Werkstück vorgespannter (z.B. federbelasteter) Zentrierstempel ausgebildet, um das Werkstück während der Bearbeitung selbsttätig gegen einen Werkstücktisch zu drücken.
In einer vorteilhaften Weiterbildung dieser Ausführungsform weist die Trägerplatte oder eine daran befestigte Führungshülse mindestens ein, insbesondere mehrere Durchgangslöcher für ein Gas (z.B. saubere, staubfreie Luft oder auch ein Schutzgas) auf, das, gesehen in Richtung des Strahlengang des ringförmigen Laserstrahls, vor der Trägerplatte in die Ringfokusoptik eingeleitet und nach der Trägerplatte wieder aus der Ringfokusoptik, z.B. durch eine Öffnung des Kegelspiegels, aus der Ringfokusoptik herausgeleitet wird. Mittels dieser Luftspülung können die im Strahlengang des ringförmigen Laserstrahls angeordneten optischen Elemente durch Wegblasen des möglicherweise bei der Laserbearbeitung entstehenden Rauchs sauber gehalten werden.
Vorzugsweise lenkt der Kegelspiegel den ringförmigen Laserstrahl rechtwinklig oder schräg zur optischen Achse auf das mindestens eine Werkstück um. Sofern im letzteren Fall der Ringfokus, gesehen in Richtung des Strahlengang des ringförmigen Laserstrahls, dem Kegelspiegel nachgeordnet ist, liegt der Ringfokus außerhalb der Ringfokusoptik, und bei der Bearbeitung entstehende Spritzer, Rauch oder Dämpfe können besser von der Ringfokusoptik ferngehalten werden. Auch erlaubt es dieser Strahlverlauf, die Ringfokusoptik z.B. zum Härten der Innenfläche von wenig tiefen Bohrungen zu verwenden.
Die Lage des Kegelspiegels ist dabei in Richtung der optischen Achse verstellbar, so dass durch axiales Verschieben des Kegelspiegels der Durchmesser des erzeugten Laserstrahlfokusrings eingestellt werden kann.
Bevorzugt ist dem Kegelspiegel mindestens ein optisches Element vorgeordnet, das einen einfallenden Laserstrahl mit kreisförmigem Strahlquerschnitt (im Folgenden „kreisförmiger Laserstrahl“ genannt) in den ringförmigen Laserstrahl umwandelt. Bei diesem optischen Element kann es sich beispielsweise um ein diffraktives Element wie z.B. ein Axicon oder um eine Kombination eines Außen- und eines Innenkegelspiegels handeln.
Weiter bevorzugt ist dem Kegelspiegel eine Fokussieroptik vorgeordnet, die den ringförmigen Laserstrahl auf das mindestens eine Werkstück fokussiert. Diese Fokussieroptik kann beispielsweise noch vor dem optischen Element, das den kreisförmigen Laserstrahl in den ringförmigen Laserstrahl umwandelt, oder aber zwischen diesem optischen Element und dem Kegelspiegel angeordnet sein.
Weitere Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen des Gegenstands der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung, den Ansprüchen 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.
Die einzige 1 zeigt schematisch den Längsschnitt einer erfindungsgemäßen Ringfokusoptik 1 zum Umfangschweißen zweier zylindrischer Werkstücke 2, 3 mittels eines gepulsten, ringförmigen Laserstrahls 4. Die Rotationsachse der beiden Werkstück 2, 3 ist kollinear zur optischen Achse 5 der Ringfokusoptik 1 ausgerichtet.
Die Ringfokusoptik 1 umfasst eine Fokussieroptik 6, die einen einfallenden kreisförmigen Laserstrahl 7 fokussiert, einen inneren Kegelspiegel 8 mit einer kegelförmigen Außenspiegelfläche und einen äußeren Kegelspiegel 9 mit einer ringförmigen Innenspiegelfläche, die den kreisförmigen Laserstrahl 7 in den ringförmigen Laserstrahl 4 umwandeln, und einen Kegelspiegel 10 mit einer ringförmigen Innenspiegelfläche, der den ringförmigen Laserstrahl 4 radial nach innen auf die mantelseitige Fügezone 11 der beiden Werkstücke 2, 3 umlenkt, um dort durch die resultierende ringförmige Fokusgeometrie eine Umfangsschweißnaht zu erzeugen. Mittels des gleichzeitig auf die gesamte Fügezone 11 einwirkenden, ringförmigen Laserstrahls 4 bzw. Laserstrahlfokusrings entsteht eine gleichmäßige, symmetrische Umfangsschweißnaht.
Durch Verschieben des Kegelspiegels 10 entlang der optischen Achse 5 kann der Durchmesser des erzeugten Laserstrahlfokusrings variiert werden. Der ringförmige Laserstrahl 4 verläuft in einem Gehäuse 12, an dem die Fokussieroptik 6 und die drei Kegelspiegel 8-10 befestigt sind.
Statt der beiden Kegelspiegel 8, 9 kann im Strahlengang des einfallenden kreisförmigen Laserstrahls 7 auch ein Axicon mit einer kegelförmigen Auftrefffläche und einer ebenen, quer zum Strahlengang angeordneten Abstrahlfläche angeordnet sein, um den kreisförmigen Laserstrahl 7 in den ringförmigen Laserstrahl 4 umzuwandeln.
Die Ringfokusoptik 1 umfasst ferner in dem vom ringförmigen Laserstrahl 4 umgebenen Innenraum 13 zwischen den beiden Kegelspiegel 8, 9 einerseits und dem Kegelspiegel 10 eine Halte-/Zentriervorrichtung 14 zum axialen Fixieren der Werkstücke 2, 3 und zum radialen Zentrieren der Werkstücke 2, 3 bezüglich der optischen Achse 5. Die auf der optischen Achse 5 positionierte Halte-/Zentriervorrichtung 14 weist eine im Strahlengang des ringförmigen Laserstrahls 4 angeordnete, für den Laserstrahl transmissive Trägerplatte 15, welche außerhalb des ringförmigen Laserstrahls 4 am Gehäuse 12 der Ringfokusoptik 1 befestigt ist, sowie ein an der Trägerplatte 15 axial verschiebbar geführter Zentrierstempel 16 zum Zentrieren und Fixieren der Werkstücke 2, 3 auf. Dazu ist in einer zentralen Bohrung der Trägerplatte 15 eine Führungshülse 17 fixiert, in welcher der Zentrierstempel 16 gegen die Wirkung einer Druckfeder 18 in Pfeilrichtung 19 auf die Werkstücke 2, 3 vorgespannt ist, um die Werkstücke 2, 3 während der Bearbeitung selbsttätig gegen einen Werkstücktisch 20 und dadurch auch aneinander zu drücken. Der Zentrierstempel 16 trägt an seinem werkzugewandten Ende eine Zentrieraufnahme 21, in der das obere Werkstück 2 aufgenommen und dadurch zur optischen Achse 5 zentriert ist.
Die Trägerplatte 15 oder aber, wie in 1 gezeigt, die Führungshülse 17 weist eine Anzahl Durchgangslöcher 22 auf, durch welche saubere, staubfreie Luft (ggf. auch Schutzgas), die in der Nähe der Fokussieroptik 6 in die Ringfokusoptik 1 eingeleitet wird, bis in den werkstücknahen Bereich der Ringfokusoptik 1 und über eine zentrale Öffnung des Kegelspiegels 10 wieder aus der Ringfokusoptik 1 herausgeleitet wird. Mittels dieser Luftspülung können die Kegelspiegel 8-10 durch Wegblasen des möglicherweise bei der Laserbearbeitung entstehenden Rauchs sauber gehalten werden.
Eine modifizierte Ausführungsform sieht vor, den Kegelspiegel 10 so zu gestalten, dass der Laserstrahlfokusring unterhalb des Kegelspiegels 10 und somit außerhalb bzw. in 1 unterhalb der Ringfokusoptik 1zu liegen kommt. Diese Anordnung hat den Vorteil, dass bei der Laserbearbeitung entstehende Spritzer, Rauch oder Dämpfe besser von der Ringfokusoptik 1 ferngehalten werden können.
Anstelle der ringförmigen Innenspiegelfläche kann ein nicht gezeigter Kegelspiegel mit einer ringförmigen Außenspiegelfläche eingesetzt werden, um den ringförmigen Laserstrahl 4 nicht wie in 1 gezeigt nach radial innen, sondern radial nach außen umzulenken. Dieser Strahlverlauf erlaubt es, die Ringfokusoptik 1 z.B. zum Härten der Innenfläche von wenig tiefen Bohrungen zu verwenden.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

WO 2008/080731 A1 [0002]

Claims

Ringfokusoptik (1) zum Bearbeiten, insbesondere Umfangschweißen oder -härten, rotationssymmetrischer oder nahezu rotationssymmetrischer Werkstücke (2, 3) mittels eines ringförmigen Laserstrahls (4), mit einem Kegelspiegel (10) zum Umlenken des ringförmigen Laserstrahls (4) radial nach innen oder nach außen auf den Umfang mindestens eines Werkstücks (2), dessen Rotationsachse kollinear zur optischen Achse (5) der Ringfokusoptik (1) ausgerichtet ist, gekennzeichnet durch eine vom ringförmigen Laserstrahl (4) umgebene, am Gehäuse (12) der Ringfokusoptik (1) befestigte Halte-/Zentriervorrichtung (14) zum axialen Fixieren des mindestens einen Werkstücks (2) und/oder zum radialen Zentrieren des mindestens einen Werkstücks (2) bezüglich der optischen Achse (5).
Ringfokusoptik nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Halte-/Zentriervorrichtung (14) eine im Strahlengang des ringförmigen Laserstrahls (4) angeordnete, für den Laserstrahl (4) transmissive Trägerplatte (15), welche außerhalb des ringförmigen Laserstrahls (4) am Gehäuse (12) der Ringfokusoptik (1) befestigt ist, sowie ein an der Trägerplatte (15) befestigtes Halte-/Zentrierelement (16) zum Zentrieren und/oder Fixieren des mindestens einen Werkstücks (2) aufweist.
Ringfokusoptik nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Zentrierelement (16) als ein an der Trägerplatte (15) axial verschiebbar geführter, in Richtung (19) auf das mindestens eine Werkstück (2) vorgespannter Zentrierstempel ausgebildet ist.
Ringfokusoptik nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Trägerplatte (15) oder eine daran befestigte Führungshülse (17) mindestens ein, insbesondere mehrere Durchgangslöcher (22) für ein Gas aufweist, das, gesehen in Richtung des Strahlengang des ringförmigen Laserstrahls (4), vor der Trägerplatte (15) in die Ringfokusoptik (1) eingeleitet und nach der Trägerplatte (15) wieder aus der Ringfokusoptik (1) herausgeleitet wird.
Ringfokusoptik nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Kegelspiegel (10) den ringförmigen Laserstrahl (4) rechtwinklig oder schräg zur optischen Achse (5) auf das mindestens eine Werkstück (2) umlenkt.
Ringfokusoptik nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Kegelspiegel (10) in Richtung der optischen Achse (5) verstellbar ist.
Ringfokusoptik nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch mindestens ein dem Kegelspiegel (10) vorgeordnetes, optisches Element (8, 9) zum Umwandeln eines einfallenden, kreisförmigen Laserstrahls (7) in den ringförmigen Laserstrahl (4).
Ringfokusoptik nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine dem Kegelspiegel (10) vorgeordnete Fokussieroptik (6), die den ringförmigen Laserstrahl (4) auf das mindestens eine Werkstück (2) fokussiert.