DE1900335A1

DE1900335A1 - Einrichtung zum oertlich begrenzten willkuerlichen Erhitzen von Werkstuecken

Info

Publication number: DE1900335A1
Application number: DE19691900335
Authority: DE
Inventors: Weatherald Keith Baynes; Lunau Frank William
Original assignee: British Oxigen Ltd
Current assignee: BOC Group Ltd
Priority date: 1968-01-08
Filing date: 1969-01-07
Publication date: 1969-07-31
Also published as: DE1900335C3; DE1900335B2; BE726599A; US3594532A; GB1245751A

Description

The British Oxygen Company Limited, Hammersmith House, London W.6, England Einrichtung zum örtlich begrenzten willkürlichen Erhitzen

von Werkstücken

Die Erfindung betrifft Einrichtungen zum Erwärmen oder Erhitzen von Werkstücken, insbesondere zum örtlich begrenzten willkürlichen Erhitzen eines Werkstückes oder von Werkstücken längs eines gekrümmten oder in sich geschlossenen Weges.

Der Qrad der Erwärmung kann hierbei so gesteuert werden, daß zwei Werkstücke durch Schmelzschweißung zusammengefügt werden oder daß ein einzelnes Werkstück unter Schmelzen des Materiales des betreffenden Werkstückes längs eines gewünschten Weges getrennt oder geschnitten werden kann. Zwar

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umfaßt der Ausdruck "Erhitzen" im folgenden sowohl das Schweißen als auch das Schneiden, doch wird zur Erläuterung der erfindungsgemäßen Einrichtung unter Berücksichtigung des Haupt-Anwendungsgebietes der Erfindung der Ausdruck "Schweißen" verwendet, welcher das eigentliche Schweißen, das Schneiden und andere Erwärmungs- oder Erhitzungsvorgänge umfaßt.

Bei bekannten Schmelzschweißverfahren ist es notwendig, entweder die Schweißenergiequelle oder aber das Werkstück zu bewegen, wobei oft die widersprüchliche Forderung zu erfüllen ist, große Hassen mit verhältnismäßig hohen Geschwindigkeiten präzise längs eines genau bestirnten Weges su bewegung. Eine Erfüllung dieser Forderungen führt zu kostspieligen Einrichtungen.

Durch die Erfindung soll die Aufgabe gelöst werden, eine Einrichtung zum Schweißen bzw. Erhitzen von Werkstücken zu schaffen, bei welcher sowohl die Schweißenergiequelle als auch das Werkstück stillstehend angeordnet sind und die Lenkung der Sehweißenergie längs eines bestimmten Weges durch bewegliche Organe einer sehr billigen und leichten Konstruktion erfolgt.

<· An einer Einrichtung zum örtlich begrenzten willkürlichen

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Erhitzen eines stillstehenden Werkstückes mittels eines Strahlungsenergiestrahles wird die angegebene Aufgabe durch eine stillstehend angeordnete Energiequelle gelöst, welche bei Inbetriebsetzung den Strahlungsenergiestrahl erzeugt und von welcher dieser Strahl auf einen drehbaren ersten Spiegel hinleitbar ist, welcher den Strahl zu einem bewegbaren zweiten Spiegel reflektiert, der seinerseits einer bestimmten Bahn entsprechend dem Wege, längs welchem die Erhitzung des Werkstückes erfolgen soll, nachführbar ist.

Weitere zweckmäßige Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Einrichtung sind Gegenstand der anliegenden weiteren Ansprüche.

Im folgenden wird die Erfindung durch die Beschreibung von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beiliegende Zeichnung näher beschrieben, in welcher

Fig. 1 eine schematische, teilweise im

Schnitt gezeigte Seitenansicht einer erfindungsgemäßen Einrichtung zeigt, bei welcher ein Strahlungsenergiestrahl zur Schweißung längs kreisförmiger Wege dient und

Pig. 2 eine schematische Ansicht eines Teiles

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der Einrichtung nach Fig. 1 wiedergibt, welche jedoch zum Schweißen längs nichtkreisförmiger Wege abgewandelt ist.

Die Einrichtung nach Fig. 1 der Zeichnungen enthält einen Kohlendioxyd-Laser 2 zur Erzeugung kontinuierlicher Wellen, welcher auf eine öffnung 4 ausgerichtet ist, die in einer drehbaren Halterungsplatte 6 vorgesehen ist. Letztere kann mittels eines Ritzels 8, das am Außenrand der Halterungsplatte angreift und von einem Elektromotor 10 angetrieben ist, in Umdrehung versetzt werden. Die Drehachse der Halterungsplatte fällt mit der optischen Achse des Lasers 2 zusammen. An einem von der Halterungsplatte 6 nach abwärts ragenden starren Arm ist ein sich drehender, ebener, oberflächenversilberter Spiegel 14 angeordnet, welcher von der durch die öffnung 4 gelangenden kohärenten Strahlung getroffen wird und diese auf einen zweiten, ähnlichen, oberflächenversilberten Spiegel reflektiert, der vermittels eines Armes 18 ebenfalls an der Halterungsplatte 6 befestigt ist. Die von dem Spiegel 16 reflektierte Strahlung wird mit Hilfe einer Linse 20 fokusiert, die an dem Arm 18 über der Oberfläche eines Werkstückes 22 befestigt ist, welches auf die Teile des Werkstückes vor und während der Schweißung haltenden Blöcken 24 angeordnet ist.

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Man sieht, daß bei dieser Anordnung mittels der Strahlung des Lasers 2 ein Schweißen des Werkstückes 22 längs eines kreisförmigen oder kreisteilförmigen Wegee erfolgen kann, wobei der Radius dieses Weges durch den Radialabstand zwischen der Drehachse der Halterungsplatte 6 und dem wirksamen Mittelpunkt des Spiegels 16 bestimmt ist.

Um Schweißungen längs kreisförmiger Bahnen von jeweils unterschiedlichen Durchmessern vornehmen zu können, kann der Arm 18 einstellbar an der Halterungsplatte 6 befestigt sein, so daß er längs des radial gerichteten Weges verschieblich ist, auf welchem kohärente Strahlung von dem Spiegel 14 reflektiert wird.

Die Drehgeschwindigkeit der Halterungsplatte 6 und damit die Geschwindigkeit, mit welcher die Schweißspür auf dem Werkstück 22 von dem Einfallspunkt des Strahles 26 der kohärenten Strahlung verfolgt wird, wird so mit der Leistung des Strahlungsenergiestrahles und mit den Eigenschaften des Werkstückes sowie mit der Art der auszuführenden Schweißung abgestimmt, daß längs des gesamten Weges der gewünschten Schweißspur eine gute Schweißung erreicht wird.

Die Ausführungsform der Erfindung nach Fig. 2 der Zeichnungen dient zur Verfolgung und Schweißung längs nieht-

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kreisförmiger Spuren. Bei der in Fig. 2 gezeigten Anordnung kann der Spiegel 16 unabhängig von den Winkelbewegungen des erstgenannten Spiegels. 14 auf diesen zu bzw. von diesem weg bewegt werden, so daß jeder beliebige kreisförmige oder nichtkreisförmige Weg oder ein Teil eines solchen Weges verfolgt und unter Ausführung einer Schweißung beschritten werden kann.

In Fig. 2 der Zeichnungen sind diejenigen Teile, welche entsprechende Aufgaben wie bei der Ausführungsform nach Fig. ^ der Zeichnungen haben, auch mit gleichen Bezugssymbolen versehen.

Die Einrichtung nach Fig. 2 der Zeichnungen weist eine stillstehend angeordnete Halterungsplatte 6 auf, die ein Rollen- oder Kugellager 30 trägt, über welches mittels eines Armes 12 der Spiegel 14 an die Halterungsplatte 6 angeschlossen ist, so daß der Spiegel 14 gegenüber der Halterungsplatte 6 verdreht werden kann. Im Unterschied zu Fig. 1 der Zeichnungen ist jedoch der Spiegel 16 nicht unmittelbar an der Halterungs-" platte 6 befestigt,sondern ist mit dem Gehäuse eines Elektromotors 32 verbunden, dessen Ausgangswelle 34 mit einer Plattform 36 gekuppelt ist, auf der wiederum ein zweiter Elektromotor 38 angeordnet ist, der zum Antrieb eines Vorschubrades dient. Letzteres steht über nicht im einzelnen dargestellte

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Mittel in reibender Verbindung mit der Unterseite der Halterungsplatte 6.

Von der Halterung des Spiegels 14 ragt eine Stange 42 weg, die außerhalb des optischen Weges zwischen den beiden Spiegeln 14 und 16 gelegen ist, jedoch derart mit dem Spiegel 16 Verbindung hat, daß dieser Spiegel unter Verschiebung längs der Stange 42 einstellbar ist, wobei jedoch sichergestellt ist, daß die von dem Spiegel 14 reflektierte Strahlung stets auf den Spiegel 16 fällt. Vorzugsweise ist auch der Spiegel 16 so gelagert, daß die von ihm auf das Werkstück gelenkte Strahlung richtungsmäßig in der Ebene liegt, welche auch die Strahlungswege zu und von dem Spiegel 14 enthält. Normalerweise ist daher der Spiegel 16 so gelagert, daß die von ihm reflektierte Strahlung senkrecht auf das Werkstück fällt, doch kann der Spiegel 16 auch einstellbar gehaltert sein, so daß die reflektierte Strahlung auch unter einem gewissen spitzen Winkel auf das Werkstück hin gelenkt werden kann.

Während des Betriebes kann der Motor 38 mit konstanter Umdrehungsgeschwindigkeit angetrieben werden, welche so zu den anderen, veränderbaren Faktoren des Schweißvorganges in Beziehung steht, daß der Strahlungsstrahl 26 das Werkstück mit der für die Herstellung einer guten Schweißung geeigneten

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Geschwindigkeit überquert.

Im Gegensatz hierzu wird der Motor 32 mit wählbarer Geschwindigkeit angetrieben und die Geschwindigkeit dieses Motors kann auch Null sein. Der Motor 32 arbeitet tatsächlich als Lenkmotor. Durch geeignete Wahl dieser Geschwindigkeit im Verhältnis zu der Geschwindigkeit des Motors 38 kann der von dem Spiegel 16 reflektierte Strahl nach Belieben einem kreisförmigen Weg irgend eines gewünschten Durchmessers oder auch einem nichtkreisförmigen Weg nachgeführt werden. Das Antriebsrad 40 ist oberhalb des wirksamen Mittelpunktes des Spiegels 16, d.h. oberhalb des Punktes, von welchem der größte Teil der von dem Spiegel 14 her einfallenden Strahlung reflektiert wird, und außerdem fluchtend mit der Achse der Welle 34 des Motors 32 angeordnet, um sicherzustellen, daß die Wanderungsgeschwindigkeit des Spiegels und damit die Wanderungsgeschwindigkeit des Strahlungsstrahles 26 über das Werkstück hin bei senkrechtem Einfall des Strahles auf die Werkstückoberfläche der Wanderungsgeschwindigkeit des Rades 40 über die Unterseite der Halterungsplatte 6 hin gleich ist und daß der auf dem Werkstück verfolgte Weg in genauer Zuordnung zu dem Weg des Antriebsrades 40 gehalten wird.

Während der Antriebsmotor 38 vorzugsweise von einer Energiequelle konstanter Stärke betrieben wird, um den Motor

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mit einer bestimmten konstanten Geschwindigkeit laufen zu lassen, wird die Energiezufuhr zu dem Lenkmotor 32 in geeigneter Weise gesteuert. Dies kann zum Beispiel auf irgendeine bekannte Weise erfolgen, welche selbst nicht Teil der vorliegenden Erfindung bildet. Beispielsweise kann der Lenkmotor 32 durch eine zugehörige numerisch gesteuerte Einheit seinerseits gesteuert werden, wobei in dieser Einheit die dem gewünschten Weg der Schweißnaht entsprechenden Angaben auf Magnetband, Papierband bzw. Lochband gespeichert sind. Andererseits kann der Motor 32 aber auch durch ein zugehöriges Linienverfolgungsgerät gesteuert werden, welches in der von Brennschneidmaschinen bekannten Weise eine dem zu verfolgenden Weg entsprechende Linie abtastet. Vorzugsweise ist ein solches Linienverfolgungsgerät mit einer ähnlichen Anordnung von jeweils den Koordinaten zugeordneten Motoren ausgestattet, so daß die von diesem Motoren erzeugten Gebersignale unmittelbar zur Steuerung des bewegbaren Spiegels verwendet werden können, ohne daß eine Signalumwandlung notwendig ist.

Der Strahlungsenergiestrahl kann entweder zur Schweißung oder anderweitigen Behandlung des Werkstückes für sich allein verwendet werden oder aber er kann in Verbindung mit anderen Geräten eingesetzt werden, welche eine gewünschte Abwandlung

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der Reaktion bewirken, welche sonst zwischen dem Strahlungsenergiestrahl und dem Werkstück stattfände.

Durch die Erfindung wird also eine Anordnung von geringem Gewicht geschaffen, bei welcher nur wenige Bauteile bewegt zu werden brauchen um mit dem Strahlungsenergie-Schweißstrahl auf dem Werkstück einen bestimmten Weg zu verfolgen.

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Claims

Patentansprüche

1. Einrichtung zum örtlich begrenzten willkürlichen Erhitzen eines stillstehenden Werkstückes mittels eines Strahlungsenergiestrahles, gekennzeichnet durch eine stillstehend angeordnete Energiequelle (2), welche bei Inbetriebsetzung den Strahlungsenergiestrahl (26) erzeugt und von welcher dieser Strahl auf einen drehbaren ersten Spiegel (IM) hinleitbar ist, welcher den Strahl zu einem bewegbaren zweiten Spiegel (16) reflektiert, der seinerseits einer bestimmten Bahn entsprechend dem Wege, längs welchem die Erhitzung des Werkstückes erfolgen soll, nachführbar ist.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Strahlungsenergiestrahl (26) längs der Drehachse des genannten ersten Spiegels (I¹O auf diesen einfällt.

3· Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Spiegel (IM) an einer drehbaren Halterung (6) befestigt ist , mit welcher der zweite Spiegel (16) einstellbar derart verbunden (18) ist, daß er auf den ersten Spiegel hin bzw. von diesem weg bewegbar ist.

4. Einrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet,

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daß die Halterung (6) mittels eines Elektromotors (10) verdrehbar ist, welcher durch elektrische Signale erregbar ist, die der gewünschten Bewegungsgeschwindigkeit längs des zu verfolgenden Weges entsprechen (Pig. I).

5. Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Spiegel (14) an einer feststehenden Halterung (6) drehbar (30) gelagert ist, daß ferner der zweite Spiegel (16) unter dem Einfluß elektrischer Steuersignale in einem zweidimensionalen Bereich in beliebiger Richtung bewegbar (32, 38) ist und daß der erste Spiegel mit dem zweiten Spiegel derart gekuppelt ist, daß der von dem ersten Spiegel reflektierte Strahlungsenergiestrahl bei allen möglichen relativen Stellungen des zweiten Spiegels stets auf diesen fällt (Fig. 2).

6. Einrichtung nach Anspruch 5» dadurch gekennzeichnet, daß die Bewegungen des zweiten Spiegels (16) mittels zweier elektrischer Koordinatenmotoren (32, 38) steuerbar sind (Fig. 2)

7. Einrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß einer (38) der Koordinatenmotoren (32, 38) ein an einer ebenen Fläche anliegendes Antriebs-Reibrad (¹JO) trägt, welches von dem einen Motor mit einer konstanten, der Bewegungsgeschwindigkeit längs des zu verfolgenden Weges entsprechenden

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Geschwindigkeit antreibbar ist und daß der jeweils andere Koordinatenmotor (32) zur Veränderung der Wirkungsrichtung des Antriebs-Reibrades (40) entsprechend dem jeweiligen Verlauf des zu verfolgenden Weges dient (Fig. 2).

8. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7» dadurch gekennzeichnet, daß in dem Weg des Strahlungsenergiestrahles Einrichtungen (20) zur Fokussierung oder Kollimation des Strahles liegen.

9. Einrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Fokussierungs- bzw. Kollimationsmittel (20) mit Bezug auf die Richtung des Strahlungsenergiestrahles hinter dem bewegbaren Spiegel (16) liegen.

10. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Strahlungsenergiestrahl von einer kohärenten Strahlungsquelle abgeleitet ist.

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