DE10235617B4

DE10235617B4 - Vorrichtung zur Laserbearbeitung

Info

Publication number: DE10235617B4
Application number: DE10235617A
Authority: DE
Inventors: Matthias Busch; Christian Schmid; Kai-Uwe Lotz
Original assignee: Individual
Current assignee: BUSCH, MATTHIAS, DIPL.-ING., 38302 WOLFENBUETT, DE; Lotz Kai-Uwe 30926 Seelze De; Schmid Christian 30926 Seelze De
Priority date: 2001-09-11
Filing date: 2002-08-02
Publication date: 2006-06-14
Anticipated expiration: 2022-08-03
Also published as: DE10235617A1

Abstract

Handführbare Vorrichtung (1) zur Laserbearbeitung eines Werkstückes (2), insbesondere zum Laserschweißen, mit einer Fokussieroptik (4) zum Fokussieren des Laserstrahls (3) auf dem Werkstück (2) und mit einer Zufuhreinrichtung (7) für einen Zusatzwerkstoff (9), die an der Vorrichtung (1) beweglich angeordnet ist, wobei die Vorrichtung (1) eine als Abstandhalter ausgeführte Führung (6) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Zufuhreinrichtung (7) an der Vorrichtung (1) mit mehreren Freiheitsgraden beweglich angeordnet ist und die Vorrichtung (1) mittels der Zufuhreinrichtung (7) manuell beweglich ist, wobei die Zufuhreinrichtung (7) mittels eines Griffes (10) handführbar ausgeführt ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine handführbare Vorrichtung zur Laserbearbeitung eines Werkstückes, insbesondere zum Laserschweißen, mit einer Fokussieroptik zum Fokussieren des Laserstrahls auf dem Werkstück und mit einer Zufuhreinrichtung für einen Zusatzwerkstoff.

Eine solche Laserbearbeitungsvorrichtung ist beispielsweise durch die DE 198 17 629 A1 bekannt, die zum Fügen oder Beschichten von Werkstücken vorgesehen ist. Die Vorrichtung hat dabei entweder eine eigene Laserquelle oder ist mittels eines flexiblen Lichtwellenleiters mit einer stationären Laserstrahlquelle koppelbar. Die Vorrichtung hat weiterhin eine auf einem Schlitten angeordnete Zufuhreinrichtung für einen Zusatzwerkstoff, der beispielsweise nach einer beschriebenen Ausführungsform stangenförmig, drahtförmig, pastenförmig oder auch pulverförmig ausgeführt ist. Durch die Zufuhreinrichtung kann der Zusatzwerkstoff dem Fokuspunkt des Laserstrahles auf dem Werkstück zugeführt werden. Der Zusatzwerkstoff wird dabei kontinuierlich mit einer adaptierten Richteinheit unter einem Winkel von ca. 15° bis 60° zur Werkstückoberfläche von oben in das Schmelzbad geführt.

Weiterhin sind durch die DE 39 06 336 A1 , die DE 195 19 150 A1 und die DE 196 15 633 C1 weitere handführbare Vorrichtungen zur Laserbearbeitung bekannt.

Als nachteilig hat sich bei den bekannten Vorrichtungen in der Praxis erwiesen, dass die durch die Zufuhreinrichtung erreichbare Genauigkeit bei der Zuführung des Zusatzwerkstoffes für spezielle Anwendungen, die höchste Anforderungen an den Schweißprozess stellen, nicht ausreicht. Insbesondere erweist sich dabei als hinderlich, dass die Zufuhrposition nur mit einem vergleichsweise hohen Steuerungsaufwand eingehalten werden kann.

Unter der Internet-Adresse www.scansonic.de ist weiterhin auch eine Fokussieroptik mit integrierter Online-Nahtführung und automatischer Drahtjustage für einen Laserstrahl-Lötkopf bekannt. Hierbei dient der nachgeführte Zusatzwerkstoff zugleich als 2-D-Taster. Hierzu wird zunächst ein Pilotlaser in den Strahlengang des späteren Bearbeitungslasers eingeführt, welcher auf den Zusatzwerkstoff trifft und einen sichtbaren Schatten auf das Werkstück wirft und damit eine visuelle Kontrolle gestattet. Der Zusatzwerkstoff kann dadurch relativ zu dem Laserstrahl zentriert werden und ermöglicht so eine Online-Steuerung der Optik. Durch den Bearbeitungslaser wird der Zusatzwerkstoff im Schmelzbad abgeschmolzen, der dabei gegen die Oberfläche des Werkstückes anliegt und durch den Drahtvorschub ständig erneuert wird. Durch die Abtastung im Randbereich des Schmelzbades liegt der Bezugspunkt im Bereich des Lötvorganges, wodurch eine unerwünschte Verzögerung zwischen dem Abtasten der Naht und dem Löten der Naht entfällt. Als nachteilig hat sich dabei erwiesen, dass der Laserstrahl-Lötkopf lediglich die Korrektur einer vorbestimmten, insbesondere robotergeführten Bewegungsbahn durch den 2-D-Taster ermöglicht und daher für eine Handführung ungeeignet ist.

Die DE 42 00 548 C1 offenbart eine Vorrichtung zur Schweißdrahtzuführung mit einem gebogenen Drahtzuführrohr, bei der sowohl der Anstellwinkel des Schweißdrahtes als auch der Abstand zwischen Schweißdrahtaustrittsöffnung und Elektrodenspitze einstellbar ist und damit mehrere Freiheitsgrade aufweist.

Durch die JP 11 34 7774 A (abstract) ist weiterhin auch eine gattungsgemäße handführbare Vorrichtung zur Laserbearbeitung eines Werkstückes bekannt, bei der eine Zufuhreinrichtung mit einem Griff versehen ist

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine handführbare Vorrichtung zur Laserbearbeitung zu schaffen, bei der die Zufuhr des Zusatzwerkstoffes vereinfacht wird. Dabei sollen insbesondere auch hohe Qualitätsanforderungen an die Schweißverbindung problemlos erfüllt 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 vorgesehen, dass die Vorrichtung eine als Abstandhalter ausgeführte Führung aufweist und die Zufuhreinrichtung an der Vorrichtung mit mehreren Freiheitsgraden beweglich angeordnet ist und die Vorrichtung mittels der Zufuhreinrichtung manuell beweglich ist, wobei die Zufuhreinrichtung mittels eines Griffes handführbar ausgeführt ist. Hierdurch wird die insbesondere richtungsstabile Handhabung des Zusatzwerkstoffes beim handgeführten Laserschweißen wesentlich verbessert. Die Vorrichtung stützt sich dabei mit einem Laserbearbeitungskopf über die als Abstandhalter ausgeführte Führung auf dem Werkstück ab und gewährleistet so einen konstanten Fokusabstand. Durch die an der Vorrichtung beweglich angeordnete Zufuhreinrichtung ist die Positionierung von der Ge schicklichkeit des Bedieners weitgehend unabhängig, so dass insbesondere eine unerwünscht starke Neigung, die zu schlechteren Nahteigenschaften führen kann, vermieden wird. Weiterhin ermöglicht die Zufuhreinrichtung eine in Position und Orientierung exakte Zufuhr des Zusatzwerkstoffes, wodurch insbesondere ein Vorbeischießen vermieden wird. Ein Bearbeitungskopf muss zur Positionierung des Laserstrahls lediglich in dem gewünschten Bearbeitungspunkt zentriert werden, weil die Vorrichtung mittels der Zufuhreinrichtung manuell beweglich ist. Um eine ergonomische Bedienung zu ermöglichen, ist die Zufuhreinrichtung mittels eines Griffes handführbar ausgeführt.

Eine besonders vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung wird auch dadurch erreicht, dass die Zufuhreinrichtung einen einstellbaren Abstand oder Neigungswinkel gegenüber der Vorrichtung aufweist. Hierdurch kann die Zufuhr des Zusatzwerkstoffes problemlos auch an unterschiedliche Werkstücke und Einsatzbedingungen angepasst werden. Dabei kann sowohl der Abstand in Richtung des Laserstrahles als auch der Abstand quer zum Laserstrahl eingestellt werden.

Eine weitere besonders günstige Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung wird auch dadurch erreicht, dass die Zufuhreinrichtung in unterschiedlichen Positionen an der Vorrichtung festlegbar ist. Hierdurch wird eine individuelle Adaption an unterschiedliche Werkstückgeometrien erreicht. Beispielsweise kann die Zufuhreinrichtung vorn oder seitlich an der Vorrichtung angeordnet werden.

Weiterhin ist es besonders praxisnah, wenn die Zufuhreinrichtung derart an der Vorrichtung beweglich angeordnet ist, dass sich diese selbsttätig der Oberflächenbeschaffenheit oder Topographie des Werkstückes anpasst. Hierdurch können beispielsweise auch stark zerklüftete Werkstücke ohne einen zusätzlichen manuellen Eingriff des Bedieners bearbeitet werden.

Hierzu hat sich in der Praxis eine Ausgestaltung als besonders günstig erwiesen, bei der die Zufuhreinrichtung ein Kugelgelenk aufweist, wodurch zugleich drei Freiheitsgrade erreicht werden, so dass kompakte äußere Abmessungen realisierbar sind.

Weiterhin ist es besonders Erfolg versprechend, wenn die Zufuhreinrichtung derart an der Vorrichtung beweglich fixiert ist, dass diese einer manuell auf die Zufuhreinrichtung aufgebrachten Führungsbewegung selbsttätig in einer Spur folgt, so dass eine zusätzliche Positionierung eines Bearbeitungskopfes der Vorrichtung nicht erforderlich ist.

Weiterhin wird bei einer anderen Ausführungsform, bei der mittels der Zufuhreinrichtung eine Vorspannung des Zusatzwerkstoffes gegenüber dem Werkstück einstellbar ist, der zuzuführende Zusatzwerkstoff unter einem flachen Winkel gegen das Werkstück gepresst. Hierdurch bindet der Zusatzwerkstoff optimal gegen den Werkstoff des Werkstückes an.

Weiterhin wird bei einer Abwandlung, bei der die Zufuhreinrichtung eine Schutzgaszuführung hat, das Schutzgas gezielt dem Zentrum des Schweißprozesses zugeführt, wodurch ein erhöhter Wirkungsgrad realisiert wird.

Eine andere, besonders zweckmäßige Weiterbildung wird dadurch erreicht, dass die Zufuhreinrichtung eine Führungshilfe für den Zusatzwerkstoff aufweist, um so das unerwünschte Ausweichen oder Abgleiten des Zusatzwerkstoffes durch die beispielsweise elastische verformbare Führungshilfe zu realisieren. Der Zuatzwerkstoff wird dabei beispielsweise in einem dünnen Kanal oder einem Röhrchen bis kurz vor dem Schmelzbad geführt.

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 der 1 eine erfindungsgemäße Vorrichtung 1 zur Laserbearbeitung eines Werkstückes 2. Die Vorrichtung 1 ist handführbar und eignet sich damit insbesondere zum individuellen Einsatz, beispielsweise für Reparaturzwecke. Ein Laserstrahl 3, welcher entweder unmittelbar in der Vorrichtung 1 mittels einer nicht dargestellten Laserstrahlungsquelle erzeugt wird oder mittels eines Lichtwellenleiters von außen zuführbar ist, wird mittels einer Fokussieroptik 4 in eine Bearbeitungszone 5 des Werkstückes 2 fokussiert. Die Vorrichtung 1 stützt sich dabei mittels einer Führung 6 auf dem Werkstück 2 ab. Zusätzlich hat die Vorrichtung 1 eine Zufuhreinrichtung 7, die an der Vorrichtung 1 mittels eines Kugelgelenkes 8 beweglich angeordnet ist. Durch die Zufuhreinrichtung 7 wird ein Zusatzwerkstoff 9 der Bearbeitungszone 5 zugeführt, wodurch die Positionierung des Zusatzwerkstoffes 9 weitgehend unabhängig von der Geschicklichkeit des Bedieners wird. Zur Einleitung einer Vorschubbewegung wird die Vorrichtung 1 mittels eines Griffes 10 der Zufuhreinrichtung 7 bewegt, wobei der Laserstrahl 3 einer nicht dargestellten Spur selbsttätig folgt. Neben dem Zusatzwerkstoff 9 wird der Bearbeitungszone 5 mittels einer Schutzgaszuführung 11 auch das erforderliche Schutzgas zugeführt.

Claims

Handführbare Vorrichtung (1) zur Laserbearbeitung eines Werkstückes (2), insbesondere zum Laserschweißen, mit einer Fokussieroptik (4) zum Fokussieren des Laserstrahls (3) auf dem Werkstück (2) und mit einer Zufuhreinrichtung (7) für einen Zusatzwerkstoff (9), die an der Vorrichtung (1) beweglich angeordnet ist, wobei die Vorrichtung (1) eine als Abstandhalter ausgeführte Führung (6) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Zufuhreinrichtung (7) an der Vorrichtung (1) mit mehreren Freiheitsgraden beweglich angeordnet ist und die Vorrichtung (1) mittels der Zufuhreinrichtung (7) manuell beweglich ist, wobei die Zufuhreinrichtung (7) mittels eines Griffes (10) handführbar ausgeführt ist.
Vorrichtung (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Zufuhreinrichtung (7) einen einstellbaren Abstand und/oder Neigungswinkel gegenüber der Vorrichtung (1) aufweist.
Vorrichtung (1) nach den Ansprüchen 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Zufuhreinrichtung (7) in unterschiedlichen Positionen an der Vorrichtung (1) festlegbar ist.
Vorrichtung (1) nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Zufuhreinrichtung (7) derart an der Vorrichtung (1) beweglich angeordnet ist, dass sich diese selbsttätig der Oberflächenbeschaffenheit oder Topographie des Werkstückes (2) anpasst.
Vorrichtung (1) nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Zufuhreinrichtung (7) ein Kugelgelenk (8) aufweist.
Vorrichtung (1) nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Zufuhreinrichtung (7) derart an der Vorrichtung (1) beweglich fixiert ist, dass diese einer manuell auf die Zufuhreinrichtung (7) aufgebrachten Führungsbewegung selbsttätig folgt.
Vorrichtung (1) nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mittels der Zufuhreinrichtung (7) eine Vorspannung des Zusatzwerkstoffes (9) gegenüber dem Werkstück (2) einstellbar ist.
Vorrichtung (1) nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Zufuhreinrichtung (7) eine Schutzgaszuführung (11) hat.
Vorrichtung (1) nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Zufuhreinrichtung (7) eine Führungshilfe für den Zusatzwerkstoff (9) aufweist.