DE3037981C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung geht aus von einer Vorrichtung zum Laser­ strahl-Schmelz- und Brennschneiden nach der Gattung des Anspruchs 1.

Die Bearbeitung von vorwiegend flächenhaften Werkstücken mittels Laserstrahl nimmt in der Fertigungstechnik bei der Formgebung von Metallen, Kunststoffen, Holz etc. einen im­ mer breiteren Raum ein. Dabei wird gewissermaßen in An­ lehnung an die altbekannte autogene Gasschweiß- und Schneidetechnik ein in einem optischen System geführter Laserstrahl auf die Werkstückoberfläche fokussiert und das zu bearbeitende Material örtlich derart erhitzt, daß es schmilzt bzw. verdampft oder verbrennt. In der Regel wird die Fokussierung des Laserstrahls durch einen Hohlspiegel oder eine Linse bewerkstelligt und koaxial zum Strahlenke­ gel eine meist ebenfalls kegelförmige Düse zur Zuführung von inertem oder reaktivem Gas auf die Werkstückoberfläche angeordnet. Verfahren und Vorrichtungen sind aus verschie­ denen Veröffentlichungen bekannt (z. B. VDI-Z 119 (1977) Nr. 20, Oktober, S. 967 u. ff.).

Wesentliche Vorraussetzung für ein einwandfreies Arbeiten nach dem Laserstrahlverfahren ist einerseits die größt­ mögliche Freiheit der Brennpunktlage bezüglich Werkstück und andere Bezugspunkte wie Düsenkopf etc. und größtmög­ liche Verringerung der Erwärmungszone des Werkstücks. Die­ se Bedingungen werden von herkömmlichen Vorrichtungen nur sehr mangelhaft erfüllt. Der ersten Forderung sucht man durch in einem Gewindering gefaßter und durch Verdrehen in der Höhe verstellbarer Linse gerecht zu werden. Durch die unvermeidlichen Unsymmetrien der Linse bzw. ihrer Fas­ sung sowie des in Kauf genommenen "Spiels" der Linsenbe­ festigung wird dadurch jedoch die Achslage des Laser­ strahls verändert und ein Nach-Einstellen und Nach-Richten der Apparatur ist unvermeidlich. Ansonst wird durch Strei­ fen und Reflektieren des Laserstrahls an der Innenwand der Düse dessen Energie zum Teil verbraucht und ein genaues Fokussieren auf der Werkstückoberfläche wird verunmög­ licht. Die zweite Forderung wird meistens nicht erfüllt, so daß in der Regel scharfkantige Ecken im Grundriß des Werkstücks wegen des auftretenden Wärmestaus nicht sauber und genau ausgeführt werden können. In der GB 13 60 380 ist eine konstruktive Lösung enthalten, bei der ein Teil in vertikaler Richtung (Fig. 5) oder zwei teleskopisch an­ geordnete Rohre (19; Fig. 2) gegenseitig bewegt werden. Der Nachteil dieser Lösung ist darin zu sehen, daß in beiden Fällen die lineare Bewegung mittels einer seitlich ange­ ordneten Spindel erreicht wird, so daß der bewegliche Teil oder die beweglichen Teile mechanisch unsymmetrisch belastet sind, was selbstverständlich eine mechanische De­ formation verursacht. Diese kann in einigen Fällen die Funktionsweise der Vorrichtung nicht stören, bei einer Vorrichtung zur Laserstrahlbearbeitung wäre diese Defor­ mation jedoch nicht akzeptierbar, weil sie eine ungewollte Bewegung des Brennpunktes verursacht. In einigen Fällen können sogar infolge der Deformation Verkantungen ent­ stehen, die selbstverständlich die Funktionsweise wesent­ lich stören werden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung anzugeben, welche es ermöglicht, die Lage des Brennpunkts (Brennfleck) des Laserstrahls relativ zur Werkstück­ oberfläche, relativ zur Düse und relativ zu den Auflage­ füßen oder dem Höhenabtaster oder einem anderen geeig­ neten Bezugspunkt auf einfache Weise in Richtung der La­ serstrahlachse ohne Nachjustierung bezüglich der Werk­ stückkoordinaten zu verschieben. Es soll also nicht nur die unerwünschte Verkantung verhindert werden, sondern auch die Bewegung des Brennflecks während der axialen Ein­ stellung der Fokussierlinie.

Die vorgenannte Aufgabe wird bei einer Laserstrahl-Vor­ richtung der eingangs genannten Art erfindungsgemäß da­ durch gelöst, daß die Fokussierungslinie fest in einer in ihrer Längsachse mittels eines Einstellrings in Form eines Gewinderings einstellbaren Hülse gefaßt ist, welche sich ihrerseits mit einer genauen Passung in einem Gehäuse be­ findet, dessen Innenquerschnit dem Außenquerschnitt der Hülse entspricht, wobei das Gehäuse oder die Hülse mit wenigstens einer längsachsparallelen Führungsnut und die Hülse oder das Gehäuse mit wenigstens einem der Nut ent­ sprechenden und in sie eingreifenden Führungsstutzen ver­ sehen sind. Der Vorteil dieser Lösung ist darin zu sehen, daß infolge der axialsymmetrischen Belastung der Hülse mit der Fokussierungslinse diese Hülse nicht unsymmetrisch deformiert wird, so daß auch die Lage der Zentralebene der Linse nicht geändert wird. Die Folge dieser stabilen Lage der Linse liegt darin, daß der Brennfleck bei der axialen Einstellung der Linse nicht bewegt wird und daß keine Verkantung der Hülse mit dem Gehäuse in Frage kommt.

Es ist vorteilhaft, wenn die Hülse und das Gehäuse je ei­ nen hohlzylindrischen Querschnitt aufweisen und daß die erstere mit einem durchgehenden Innengewinde zwecks Auf­ nahme der Linsenfassung versehen ist. Der Vorteil dieser Weiterausbildung liegt darin, daß die Vorrichtung her­ stellungstechnisch einfach ist und das Innengewinde zur Aufnahme der Linsenfassung die grobe Einstellung der Lage der Fokussierungslinse ermöglicht.

Es ist zweckmäßig, wenn der Einstellring aus Messing, die Innenhülse und das Gehäuse aus einer Aluminiumlegierung und die Außenhülse aus einem korrosionsbeständigen Stahl bestehen und daß zwischen der Innen- und der Außenhülse und zwischen der Außenhülse und dem Gehäuse je 2 bzw. 1 Dichtungsring vorgesehen sind. Diese Ausführungsform wurde in bezug auf die verschiedene Aufgaben der genannten Teile ge­ wählt und hat sich in praxi gut bewährt.

Die Erfindung wird anhand der nachfolgenden Figuren näher beschrieben. Dabei zeigt

Fig. 1 einen schematischen Längsschnitt durch eine La­ serstrahl-Vorrichtung,

Fig. 2 einen Längsschnitt durch den optischen Teil eines Laserstrahl-Schneidkopfes,

Fig. 3 eine perspektivische Darstellung eines Düsen­ stocks des Schneidkopfes mit 4 Zuführungsrohren für das Werkstück-Kühlmittel,

Fig. 4 einen Aufriß und teilweisen Längsschnitt durch einen Düsenstock mit Kegeldüse für das Werk­ stück-Kühlmittel und

Fig. 5 einen Querschnitt durch den Ring der Kegeldüse nach Fig. 4.

In Fig. 1 ist der schematische Längsschnitt durch eine ins­ besondere zum Schmelz- und Brennschneiden geeignete La­ serstrahl-Vorrichtung dargestellt. Die in einer Linsenfas­ sung 3 untergebrachte Fokussierungslinse 2 konzentriert den ankommenden Laserstrahl 1 im Brennfleck 4 im Bereich der Oberfläche des Werkstücks 5, welches beispielsweise im vorliegenden Fall ein ebenes Blech ist. Im Gehäuse 6 ist ein aus einer Außenhülse 7 und einer Innenhülse 8 beste­ hender Gleitkörper koaxial zum Laserstrahl 1 angeordnet, welcher in Längsrichtung des Laserstrahls 1 relativ zum Gehäuse 6 verschiebbar ist. Zwischen den beiden ineinan­ dergesteckten und dicht abschließenden Hülsen 7 und 8 be­ findet sich ein Kühlkanal 9 für die Linsenkühlung, der von einem flüssigen oder gasförmigen Kühlmittel 11 durchströmt wird, welches über den Kühlmittelanschluß 10 zugeführt wird, wobei letzterer gleichzeitig als Führungsstutzen in einer entsprechenden Nut im Gehäuse 6 dienen kann. Der Kühlkanal 9 kann als Ringkanal gestaltet sein, oder er kann aus einzelnen längsachsparallelen Nuten oder Riefen betehen oder sonst in irgendeiner Weise ausgebildet sein. Als Kühlmittel 11 wird vorzugsweise Wasser verwen­ det. Im Gehäuse 6 ist ein als Gewindering ausgeführter Einstellring 12 gelagert, dessen Innengewinde in ein ent­ sprechendes Außengewinde der Außenhülse 7 eingreift. Durch Verdrehen des Einstellrings 12 kann die Hülsenkombi­ nation 7/8 und somit die Fokussierungslinse 2 parallel zur Längsachse des Laserstrahls 1 relativ zu einen auf diesem angenommenen Bezugspunkt verschoben werden ohne daß sich die Fokussierungslinse dabei verkantet. Am unteren Flansch des Gehäuses 6 befindet sich die mit einem Anschluß 14 für die Gaszufuhr versehene Düse 13. Als Gas 15 kann je nach dem beabsichtigten Verfahren ein inertes Gas (Ar, N₂) oder ein reaktives Gas (O₂) Verwendung finden. An der un­ teren Partie der Düse 13 befindet sich der Kühlmittelan­ schluß 16 für die Werkstückkühlung. Der Anschluß 16 ist dergestalt, daß das Kühlmittel 17 für die Kühlung der Oberfläche des Werkstücks 5 in unmittelbarer Nähe des Brennflecks 4 konzentrisch auf diesen hin zugeführt wird. Demnach kann der Anschluß 16 aus mehreren auf einem Ke­ gelmantel liegenden Rohren bestehen oder als kegelförmiger Ringkanal gestaltet sein, wobei die Spitze des virtuellen Kegels im Brennfleck 4 liegt. Als Kühlmittel 17 ist prin­ zipiell ein gasförmiges oder flüssiges Medium, vorzugswei­ se Wasser, einsetzbar.

Fig. 2 zeigt einen Längsschnitt durch eine praktische Aus­ führung des optischen Teils eines Laserstrahl-Schneid­ kopfes, welcher die verschiebbare Linse 2 von Fig. 1 (hier nicht gezeichnet) aufnimmt. Das Gehäuse ist zweitilig ausgeführt und besteht aus dem eigentlichen Gehäuse 6 und dem Gehäuseoberteil 18, welcher mit sechs durch hier nicht gezeichnete Schrauben (vorzugsweise Innensechskantschrau­ ben parallel zur optischen Achse) zusammengehalten ist. 6 und 18 haben vorzugsweise innen kreisförmigen, außen qua­ dratischen Querschnit, können aber prinzipiell beliebige polygonale oder auch teils polygonale, teils kreisrunde oder elliptische Begrenzungsquerschnitte aufweisen. Im allgmeinen werden diese Bauteile in AL-Legierungen ausge­ führt zwecks Einsparung von Gewicht und Bearbeitungsko­ sten. Das Gehäuse 6 ist zwecks strenger Parallelführung der Hülsen 7 und 8 und zur Aufnahme der gleichzeitig als Führungsstutzen dienenden Kühlmittelanschlüsse 10 mit ei­ ner längsachsparallelen Führungsnut 31 versehen. Außerdem weist es eine rechteckige Aussparung 29 für eine Skala 30 auf, an welcher die relative Lage der Hülsen 7/8 abgelesen werden kann. Das Gehäuseoberteil 18 weist an zwei diame­ tral gegenüberliegenden Seiten je eine Aussparung 19 auf, durch welche der in 18 gelagerte Einstellring 12, welcher zu diesem Zweck mit einer Rändelung 21 versehen ist, von Hand gedreht werden kann. Seine relative Stellung kann an der Skala 22 gegenüber einer feststehenden Marke im Gehäu­ se 6 abgelesen werden. Der Einstellring 12 weist ein In­ nengewinde 20 auf, in welches das Außengewinde 23 der Außenhülse 7 eingreift. Letztere ist gegenüber dem Gehäu­ se 6 über einen Dichtungsring 24 (vorzugsweise O-Ring) ab­ gedichtet. Vorzugsweise wird 12 aus Messing (verchromt) und 7 aus korrosionsbeständigem Stahl gefertigt. Nach oben hin ist die Außenhülse 7 mit einem Abschlußring 25 (See­ gerring) versehen. Die Passung zwischen Gehäuse 6 und Au­ ßenhülse 7 ist dergestalt, daß sich letztere gut dichtend achsparallel von Hand über den Einstellring 12 verschieben läßt (vorzugsweise H 7). Die über die Dichtungsringe 26 (O-Ringe) streng eingepaßte Innenhülse 8 weist an ihrem äußeren Umfang Kühlkanäle 9 auf, welche im vorliegenden Fall als mäanderförmige Nuten 27 ausgebildet sind, wobei je ein gerader, auf einer Mantellinie liegender Teil mit einem bogenförmigen, am Umfang fortschreitenden Teil abwechselt. Diese Kühlkanäle können auch eine andere Form, beispielsweise parallele Nuten oder schraubenförmige Rillen aufweisen. Die Innenhülse 8 ist auf ihrer Innenflä­ che mit einem durchgehenden Innengewinde 28 zwecks Befe­ stigung der Linse 2 über die Fassung 3 (Fig. 1) versehen. Dies gestattet, Linsen sehr unterschiedlicher Brennweiten einzubauen, ohne die äußere Geometrie des ankommenden La­ serstrahls 1 (Fig. 1) anpassen zu müssen. Die Feineinstel­ lung geschieht mittels des Einstellrings 12. Vorzugsweise wird die Innenhülse 8 ebenfalls in AL-Legierung ausge­ führt. Die hier dargestellte Konstruktion bezieht sich auf hohlzylindrische Hülsen 7/8. Der Kreisquerschnitt ist je­ doch nicht die einzig gangbare Form und es können selbst­ verständlich auch quadratische, sechseckige, achteckige oder andere Querschnitte (z. B. aus Geraden und Kreisbogen zusammengesetzt) ausgeführt weden, wobei jedoch das Ge­ windeprinzip an den betreffenden Stellen (20 bzw. 23) bei­ behalten wird.

Fig. 3 zeigt eine perspektivische Darstellung (gegenüber Betriebslage umgedreht) eines Düsenstocks des Laserstrahl- Schneidkopfes mit 4 Zuführungsrohren für das Werkstück­ kühlmittel 17 (gemäß Fig. 1). Auf dem Gehäuse 6 sitzt der Düsenflansch 32, welcher die eigentliche Düse 13 mit der Düsenöffnung 33 für den Laserstrahl und den Austritt des inerten oder reaktiven Gases 15 (gemäß Fig. 1) trägt. Der Kühlmittelanschluß 16 für die Werkstückkühlung geht in die vier Zuführungsrohre 34 für die Kühlmittelstrahlen über, welche auf einem virtuellen Kegelmantel liegen, des­ sen Spitze im Brennfleck 4 (siehe Fig. 1) steht. Auf diese Weise werden die Kühlmittelstrahlen konzentrisch auf die in unmittelbarer Nähe des Brennfleckes 4 sich befindende Werkstückoberfläche geworfen.

Selbstverständlich kann die Anordnung auch mit einer ande­ ren Anzahl (beispielsweise 1, 2, 3, 6, 8 etc.) an Zufüh­ rungsrohren 34 ausgeführt werden. Die Wahl hängt vor allem von der Laserleistung und der Dicke des Werkstücks ab.

In Fig. 4 ist ein Aufriß mit teilweisem Längsschnitt durch eine andere Konstruktion eines Düsenstocks mit Kegeldüse dargestellt. Die Düse 13 ist mit dem Düsenflansch 32 fest und gasdicht mit dem Gehäuse 6 verbunden und weist wieder­ um die Düsenöffnung 33 auf. Der hier nicht gezeichnete La­ serstrahl 1 (siehe Fig. 1) erzeugt auf dem Werkstück 5 (siehe Fig. 1) den Brennfleck 4. Konzentrisch zur Düsenach­ se ist ein Ring 35 für die Kühlmittelzufuhr angeordnet, in welchen der Kühlmittelanschluß 16 mündet. In den Ring 35 ist ein torusförmiger Ringkanal 36 für ds Kühlmittel 17 (gemäß Fig. 1) eingearbeitet. Dieser geht in Richtung auf den Brennfleck 4 hin in eine Kegeldüse 37 zur Erzeugung eines kegelförmigen Kühlmittelschleiers über, welcher kon­ zentrisch auf die Werkstückoberfläche im Brennfleck 4 auf­ trifft.

Fig. 5 zeigt einen Querschnitt durch den Ring 35 der Kegel­ düse 37 gemäß Fig. 4. Die übrigen Bezugszeichen entspre­ chen der Fig. 4 und erklären sich von selbst.

Die anhand der Figuren aufgezeigte senkrechte Bearbei­ tungsweise gilt analog Weise auch für schiefwinklige An­ wendungen. In praxi wird die Vorrichtung, beispielsweise zum Bohren oder zur Feinbarbeitung in Winkeln bis zu ±80°, zu einer auf dem Werkstück ausgerichteten Normalen erfolgreich eingesetzt.

Claims (3)

1. Laserstrahl-Vorrichtung zum Schmelz- und Brennschnei­ den, Schweißen, Sublimierschneiden, Bohren, Markieren sowie zur Feinbearbeitung von Werkstoffen, mit einer axial verschiebbaren Fokussierungslinse (2) für den Laserstrahl und einer Düse für die Gaszufuhr, dadurch gekennzeichnet, daß die Fokussierungslinse (2) fest in einer in ihrer Längsachse mittels eines Einstell­ rings (12) in Form eines Gewinderings einstellbaren Hülse (7; 8) gefaßt ist, welche sich ihrerseits mit einer genauen Passung in einem Gehäuse (6) befindet, dessen Innenquerschnitt dem Außenquerschnitt der Hül­ se (7; 8) entspricht, wobei das Gehäuse (6) oder die Hülse (7; 8) mit wenigstens einer längsachsparallelen Führungsnut (31) und die Hülse (7; 8) oder das Gehäuse (6) mit wenigstens einem der Nut (31) entsprechenden und in sie eingreifenden Führungsstutzen (10) versehen sind.

2. Laserstrahl-Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Hülse (7; 8) und das Gehäuse (6) je einen hohlzylindrischen Querschnitt aufweisen und daß die erstere mit einem durchgehenden Innengewinde (28) zwecks Aufnahme der Linsenfassung versehen ist.

3. Laserstrahl-Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der Einstellring (12) aus Messing, die Innenhülse (8) und das Gehäuse (6) aus einer Alu­ miniumlegierung und die Außenhülse (7) aus einem kor­ rosionsbeständigen Stahl bestehen und daß zwischen der Innen- (8) und der Außenhülse (7) und zwischen der Außenhülse (7) und dem Gehäuse (6) je 2 bzw. 1 Dichtungsring (24; 25; 26) vorgesehen sind.