DE10225347B4

DE10225347B4 - Vorrichtung zur Laserbearbeitung

Info

Publication number: DE10225347B4
Application number: DE10225347A
Authority: DE
Inventors: Matthias Busch; Kai-Uwe Lotz; Christian Schmid
Original assignee: MOBILLASERTEC GmbH
Current assignee: MOBILLASERTEC GmbH
Priority date: 2001-06-14
Filing date: 2002-06-06
Publication date: 2006-05-24
Anticipated expiration: 2022-06-07
Also published as: DE10225347A1

Abstract

Handführbare Vorrichtung (1) zur Laserbearbeitung eines Werkstückes (2), insbesondere zum Laserschweißen, mit einem Bearbeitungskopf (7), durch den das Laserlicht auf das Werkstück (2) lenkbar ist und mit einem der Zufuhr des Laserlichtes dienenden, formstabilen Schaft (5), durch den das Laserlicht dem Bearbeitungskopf (7) entlang einer optischen Achse (10) zuführbar ist, wobei der Schaft (5) mit einem ersten Abschnitt (9) an dem Bearbeitungskopf (7) um die optische Achse (10) schwenkbar angeordnet ist und der erste Abschnitt (9) mittels eines die optische Achse (10) ablenkenden optischen Elementes (12) mit einem zweiten Abschnitt (11) verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, daß durch eine Drehbewegung des Schaftes eine Änderung der Neigung des Bearbeitungskopfes relativ zu dem Schaft einstellbar ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine handführbare Vorrichtung zur Laserbearbeitung eines Werkstückes, insbesondere zum Laserschweißen, mit einem Bearbeitungskopf, durch den das Laserlicht auf das Werkstück lenkbar ist und mit einem der Zufuhr des Laserlichtes dienenden, formstabilen Schaft, durch den das Laserlicht dem Bearbeitungskopf entlang einer optischen Achse zuführbar ist, wobei der Schaft mit einem ersten Abschnitt an dem Bearbeitungskopf um die optische Achse schwenkbar angeordnet ist und der erste Abschnitt mittels eines die optische Achse ablenkenden optischen Elementes mit einem zweiten Abschnitt verbunden ist.

Ein solche Vorrichtung zur Laserbearbeitung ist durch die WO 97/15235 A1 bekannt. Der Schaft ist dabei mit einem ersten Abschnitt an dem Bearbeitungskopf um die optische Achse schwenkbar angeordnet. Hierdurch werden zwei Sektionen eines Prismas relativ zueinander gedreht, so dass der Austrittswinkel des Laserstrahls zwischen 0° und 30° einstellbar ist. Daher ist es möglich, einen bestimmten Fokuspunkt auf der Bearbeitungsfläche in verschiedenen Winkelstellungen des Bearbeitungskopfs gegenüber der Bearbeitungsfläche zu erreichen. Die Winkelstellung des Bearbeitungskopfes relativ zu dem Schaft ist dabei konstant, was jedoch in der Praxis häufig zu einer ungünstigen Handhabung durch den Bediener führt.

Bei der handführbaren Vorrichtung zur Laserbearbeitung gemäß der WO 98/18394 A1 ist zwar eine Neigung des Bearbeitungskopfes relativ zu dem Schaft einstellbar. Hierzu ist der Schaft jedoch gegenüber dem Bearbeitungskopf nicht um die optische Achse schwenkbar, sondern um eine senkrecht zu der optischen Achse verlaufende Achse schwenkbar angeordnet.

Aus dem Stand der Technik sind weiterhin verschiedene handführbare Vorrichtungen zur Laserbearbeitung eines Werkstückes, insbesondere zum Laserschweißen, bekannt, wobei die Vorrichtung beispielsweise mittels einer Lichtleitfaser mit einer Laserlichtquelle verbunden ist, die das Licht über den Schaft dem Bearbeitungskopf zuführt. In dem Bearbeitungskopf befindet sich eine Linse, die den divergent aus der Lichtleitfaser austretenden Laserstrahl kollimiert, also parallelisiert. Das Laserlicht trifft dann auf einen Umlenkspiegel oder eine gleichwirkende optische Einheit, die eine Umlenkung des Laserlichtes ermöglicht, wobei je nach Einsatzzweck auch auf die Umlenkung verzichtet werden kann. Im weiteren Verlauf des Strahlweges befindet sich eine Fokussiereinrichtung sowie ein Schutzglas. Zur Bearbeitung werden häufig Dioden-Laser oder Nd:YAG-Laser verwendet. Der Bearbeitungskopf dient der manuellen Lasermaterialbearbeitung, insbesondere dem Laserauftragsschweißen.

Laserbearbeitungsvorrichtungen der genannten Art sind beispielsweise auch durch die DE 198 17 629 A1 , die DE 39 06 336 A1 , die DE 195 19 150 A1 und die DE 196 15 633 C1 bekannt.

Als nachteilig hat sich bei den bekannten handführbaren Vorrichtungen in der Praxis erwiesen, daß die Zugänglichkeit des Werkstückes häufig bauartbedingt erheblich eingeschränkt ist. In Einzelfällen können daher die bekannten Vorrichtungen nicht eingesetzt werden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine handführbare Vorrichtung zur Laserbearbeitung zu schaffen, durch welche die Zugänglichkeit auch unter schwierigen Einsatzbedingungen wesentlich verbessert ist. Zugleich soll dabei die Handhabung für das Bedienpersonal erleichtert werden.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit einer Vorrichtung gemäß den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Die Unteransprüche betreffen besonders zweckmäßige Weiterbildungen der Erfindung.

Erfindungsgemäß ist also eine Vorrichtung vorgesehen, bei welcher durch eine Drehbewegung des Schaftes eine Änderung der Neigung des Bearbeitungskopfes relativ zu dem Schaft einstellbar ist. Hierbei führt eine Drehbewegung des Schaftes mit seinen zueinander geneigten Abschnitten zu einer Lageänderung des Bearbeitungskopfes relativ zu dem Schaft. Insbesondere ergibt sich daraus eine Neigung des Schaftes, die wahlweise nach oben oder unten weist und dadurch eine optimale Anpassung an unterschiedliche Einsatzbedingungen gestattet. Zugleich wird dabei durch die individuelle Einstellbarkeit die Ergonomie für das Bedienpersonal verbessert. Der erste Abschnitt kann dabei auch derart bemessen sein, daß dieser gegenüber dem Bearbeitungskopf nicht oder nur unwesentlich hervortritt.

Entscheidende Bedeutung bei der angestrebten Anwendung kommt der Integration des insbesondere mit Keilplatten oder Prismen ausgestatteten optischen Elementes zu, welches es erlaubt, einen Winkelversatz der optischen Achse zu realisieren, bevor das Laserlicht umgelenkt wird. Hierdurch läßt sich der als Griff ausgelegte Kollimator zur Anpassung an die jeweiligen Einsatz- bzw. Umgebungsbedingungen relativ zu dem Bearbeitungskopf in enger Geometrie drehen.

Gleichzeitig lassen sich relativ zum ersten Abschnitt die Bedienelemente verdrehen, die koaxial auf dem Schaft angeordnet sind. Die erforderliche Kontaktierung kann hierbei beispielsweise über Schleifkontakte erreicht werden.

Bei einem typischen Anwendungsfall, der Reparatur von Werkzeugen oder Formen, treten oftmals ungünstige Zugänglichkeiten auf. Daher ist auch ein an dem Bearbeitungskopf angeordneter Prozeßtechnikträger, welcher Elemente zur Steuerung Überwachung und Beeinflussung des Bearbeitungsprozesses aufnimmt, so ausgeführt, daß dieser in verschiedenen Positionen relativ zu der optischen Achse des fokussierten Strahles in definierten Schritten verdreht werden kann. Dies erfolgt durch die koaxial drehbare Anordnung des Prozeßtech nikträgers, an dem die gesamte Prozeßtechnik in Form von optischen Elementen, Sensoren, Abstandhaltern, Zusatzwerkstoffeinrichtungen und gasführenden Einrichtungen, wie insbesondere Düsen, Röhrchen, Kaskaden und Kammern, die ihrerseits einstellbar oder beweglich an dem Prozeßtechnikträger angeordnet sein können, angebracht sind.

Der Prozeßtechnikträger besitzt einen runden Kragen, Zylinder oder ein rotationsymmetrisches Polygonelement, welches durch ein geeignetes Klemmelement kraft- oder formschlüssig in der gewünschten Verdrehposition arretiert werden kann. Beispielsweise hat der Prozeßtechnikträger einen Kragen mit außenseitig angebrachten Aussparungen, beispielsweise Kerben, die im Abstand von 10° angeordnet sind, und in die ein als federbelasteter Waagebalken ausgeführtes Fixiermittel eingreift.

Um verschiedene Brennweiten und Arbeitsabstände zu gewährleisten, ist der Prozeßtechnikträger in Richtung des Laserstrahles nach oben und unten verschiebbar. Dies kann beispielsweise über ein Gewinde erfolgen.

Die Festlegung des Abstandes könnte mit einer Kontermutter geschehen, ist aber im Falle des Wechsels des Schutzglases zu zeitaufwendig. Die Arretierung erfolgt daher allein über den Waagebalken, dessen unterer Endabschnitt in die Aussparung eingreift. Hierdurch wird eine unerwünschte Beweglichkeit nach oben oder unten bzw. ein Herausfallen vermieden.

Der Waagebalken ist vorne am Kopf parallel zu der Strahlachse des fokussierten Strahles angeordnet. Zum Verdrehen des Prozeßtechnikträgers wird auf den am oberen Ende des Bearbeitungskopfes befindlichen Endabschnitt des Waagebalkens eine Betätigungskraft in Richtung des Bearbeitungskopfes ausgeübt. Der Waagebalken wird dadurch aus der Aussparung gelöst und der Prozeßtechnikträger kann verdreht oder herausgenommen werden. Damit auch verändert Arbeitsabstände problemlos eingestellt werden können, ist der Waagebalken mittels eines Gewindes in der Länge veränderlich.

Die Erfindung läßt verschiedene Ausführungsformen zu. Zur weiteren Verdeutlichung ihres Grundprinzips ist eine davon in der Zeichnung dargestellt und wird nachfolgend beschrieben. Diese zeigt in
1 eine teilweise geschnittene Seitenansicht der erfindungsgemäßen Vorrichtung;
2 eine Draufsicht auf die in 1 gezeigte Vorrichtung;
3 eine Seitenansicht der Vorrichtung in einer weiteren Stellung;
4 eine Vorderansicht der Vorrichtung.
Eine erfindungsgemäße Vorrichtung 1 zur Laserbearbeitung eines Werkstückes 2 wird nachstehend mit Bezug auf die 1 bis 4 erläutert. Die Vorrichtung 1 ist handführbar und eignet sich damit insbesondere zum individuellen Einsatz, beispielsweise für Reparaturzwecke. Ein Laserstrahl 3 ist der Vorrichtung 1 mittels eines im inneren wesentlichen formstabilen Schaftes 5 angeordneten Lichtleiters 6 von außen zuführbar und wird mittels eines Bearbeitungskopfes 7 einer Bearbeitungszone 8 des Werkstückes 2 zugeführt. Der Schaft 5 hat einen ersten Abschnitt 9, der an dem Bearbeitungskopf 7 um eine optische Achse 10 schwenkbar angeordnet ist. Zwischen dem ersten Abschnitt 9 und einem zweiten Abschnitt 11 ist ein die optische Achse 10 ablenkendes, als eine Keilplatte ausgeführtes, optisches Element 12 angeordnet. Durch eine Drehbewegung des Schaftes 5 ändert sich somit die relative Position des Schaftes 5 gegenüber dem Bearbeitungskopf 7 von der in 1 dargestellten nach unten weisenden Position in die in 3 gezeigte, nach oben weisende Position. Der Bearbeitungskopf 7 ist weiterhin mit einem Bedienelement 13 verbunden, welches am Umfang des ersten Abschnittes 9 beweglich angeordnet ist und weist eine als Waagebalken ausgeführtes, durch ein Federelement 14 vorgespanntes Fixiermittel 15 auf, durch welches ein Prozeßtechnikträger 16 in unterschiedlichen Positionen, insbesondere in verschiedenen Schwenkpositionen und zur Einstellung des Arbeitsabstandes zu dem Werkstück 2, festlegbar ist.

Claims

Handführbare Vorrichtung (1) zur Laserbearbeitung eines Werkstückes (2), insbesondere zum Laserschweißen, mit einem Bearbeitungskopf (7), durch den das Laserlicht auf das Werkstück (2) lenkbar ist und mit einem der Zufuhr des Laserlichtes dienenden, formstabilen Schaft (5), durch den das Laserlicht dem Bearbeitungskopf (7) entlang einer optischen Achse (10) zuführbar ist, wobei der Schaft (5) mit einem ersten Abschnitt (9) an dem Bearbeitungskopf (7) um die optische Achse (10) schwenkbar angeordnet ist und der erste Abschnitt (9) mittels eines die optische Achse (10) ablenkenden optischen Elementes (12) mit einem zweiten Abschnitt (11) verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, daß durch eine Drehbewegung des Schaftes eine Änderung der Neigung des Bearbeitungskopfes relativ zu dem Schaft einstellbar ist.
Vorrichtung nach den Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß durch die Schwenkbewegung um die optische Achse eine nach unten weisende oder eine nach oben weisende relative Position des Schaftes gegenüber dem Bearbeitungskopf einstellbar ist.
Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das optische Element (12) eine Keilplatte hat.
Vorrichtung nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das optische Element (12) ein Prisma hat.
Vorrichtung nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Bearbeitungskopf (7) mit einem Bedienelement (13) verbunden ist, welches am Umfang des ersten Abschnittes (9) beweglich angeordnet ist.
Vorrichtung nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung (1) einen in unterschiedlichen Positionen an dem Bearbeitungskopf (7) festlegbaren Prozeßtechnikträger (16) aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Prozeßtechnikträger (16) kraft- oder formschlüssig festlegbar ist.
Vorrichtung nach den Ansprüchen 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Prozeßtechnikträger (16) mittels eines durch ein Federelement (14) vorgespannten Fixiermittels (15) in unterschiedlichen Rastpositionen festlegbar ist.
Vorrichtung nach zumindest einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Prozeßtechnikträger (16) zur Einstellung des Arbeitsabstandes von dem Werkstück (2) verschiebbar an dem Bearbeitungskopf (7) angeordnet ist.
Vorrichtung nach zumindest einem Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Prozeßtechnikträger (16) relativ zu der optischen Achse (10) des aus dem Bearbeitungskopf (7) austretenden Laserlichtes schwenkbar angeordnet ist.