DE3037981C2 - - Google Patents
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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.
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