DE3111402A1 - "verfahren und vorrichtung zur laserstrahl-bearbeitung von werkstuecken" - Google Patents
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Description
William Maxwell S t e e η , 10 Nelson Road, New Maldon,
Surrey, Endland, und
Walter Winston D u 1 e y , P.O. Box 453, 136 Dew Street,
King City, Ontario, Canada LOG IKO
Verfahren und Vorrichtung zur Laserstrahl-Bearbeitung von
Werkstücken
Die Erfindung betrifft ein Verfahren nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 zur Laserstrahl-Bearbeitung von
Werkstücken sowie eine Vorrichtung zur Ausführung dieses Verfahrens.
Werkstücken sowie eine Vorrichtung zur Ausführung dieses Verfahrens.
Der Begriff "Bearbeitung" schließt insbesondere die Tätigkeiten des Schneidens, des Schweißens, des Bohrens,
des Oberflächenhartens, der Oberflächenlegierung und der
tt * · 4 ·
Wärmebehandlung ein, und der Begriff "Werkstück" ist, insbesondere im Zusammenhang mit Schweißen, im Sinne der
Gesamtheit der betroffenen Werkstückteile zu verstehen.
In der US-PS 1 5^7 172 und in der US-PS 4 167 662
ist bereits erwähnt, daß bei bekannten Verfahren zur Laserstrahl-Bearbeitung von Werkstücken die durch lineare
Extrapolation von aus dem Niedrigleistungsbereich in den Hochleistungsbereich an sich theoretisch erhaltenen Leistungen
tatsächlich nicht erreichbar sind. Zur Bewältigung dieses Problems ist in den eben genannten Druckschriften vorgeschlagen,
zusätzlich einen Lichtbogen zu verwenden, der zwischen einer Elektrode und der jeweils durch den auf das Werkstück
gerichteten Laserstrahl erhitzten Werkstückzone gezogen wird.
Es ist klar, daß diese bekannte Maßnahme nur anwendbar ■/*"*1 ist, sofern es sich bei den zu bearbeitenden Werkstücken um
elektrisch leitende Werkstücke handelt.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Laserstrahl-Bearbeitung zu schaffen, das auch
bei elektrisch nichtleitenden Werkstücken anwendbar ist.
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Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung durch die im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 angegebenen Maßnahmen
gelöst.
Unter elektrisch nichtleitenden Materialien sind in diesem Zusammenhang alle Werkstoffe zu verstehen, die nicht
als elektrisch leitende Werkstoffe gelten, also sowohl die Isolatoren als auch die Halbleiterwerkstoffe.
Zweckmäßigerweise wird das Werkstück zwischen den Elektroden bzw. zwischen mindestens zwei der Elektroden
angeordnet.
Vorzugsweise verläuft der Lichtbogen durch das Werkstück hindurch. Beispielsweise beim Schneiden kann der Lichtbogen
durch den Schnittspalt und beim Schweißen durch den zwischen den noch unverschweißten Teilen des Werkstücks vorhandenen
Pugenspalt unmittelbar vor der Schweißstelle hindurchverlaufen. Ist das Werkstück dünn und/oder porös, beispielsweise wenn
es sich um Papier oder Stoff handelt, kann der Lichtbogen durch kleine öffnungen im Werkstück hindurchverlaufen.
Alternativ dazu können zwei Lichtbogen Anwendung finden, von denen einer von einer ersten Elektrode zum
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Werkstück und der andere vom Werkstück zur zweiten Elektrode
verläuft, oder es kann ein einziger Lichtbogen von einer Elektrode zum Werkstück verlaufen. Der einzige Lichtbogen
kann auf der gleichen Seite des Werkstücks wie der Laserstrahl liegen oder, wenn die erhitzte Werkstückzone durch
das Werkstück zu dessen anderer Oberfläche hindurchverläuft,
kann der einzige Lichtbogen von dieser anderen Werkstückoberfläche zu einer der Elektroden verlaufen.
Der wesentliche Vorteil der Erfindung liegt darin, daß der Lichtbogen bevorzugt durch einen vom Laserstrahl erzeugten
Plasmabereich hindurch zur erhitzten Werkstückzone verläuft und daß das Werkstückmaterial in beherrschbarer Weise verbrennt
oder eine mit steigender Temperatur größer werdende elektrische Leitfähigkeit aufweist, wie beispielsweise beim Schneiden von
Glas oder Papier. In jedem Fall wird die vom Laserstrahl erzeugte Wärme durch die vom Lichtbogen auf das Werkstück übertragene
Wärme verstärkt.
Die Erfindung gestattet damit auch die lichtbogenunterstützte Laserstrahl-Bearbeitung von elektrisch nichtleitenden
Werkstücken, obwohl das Werkstück wegen seiner mangelnden elektrischen Leitfähigkeit selbst nicht in den Lichtbogenstromkreis
geschaltet werden kann. Beispielsweise läßt sich das Werkstück nicht wirksam erden.
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Ein weiterer Vorteil der Erfindung liegt darin, daß die durch den Lichtbogen zu dem elektrisch nichtleitenden
Werkstück zugeführte zusätzliche Energie beispielsweise beim Schweißen zu einer Schweißnaht mit eng begrenzter
erhitzter Werkstückzone und großem Tiefen/Breiten-Verhältnis
entsprechend einer großen Eindringtiefe führt.
Vorzugsweise wird außerdem ein Gasstrahl aus einer Düse auf die erhitzte Werkstückzone gerichtet, wobei ein
inertes Gas oder ein mit dem Werkstüekmaterial, der Elektrode (beim Schweißen) oder einem Flußmittel reagierendes Gas gewählt
werden kann.
Wie oben bereits erwähnt, kann die Erfindung beispielsweise zum Schneiden von Glas und Papier Anwendung finden,
und auch Textilstoffe, Karton, Leder, Kunststoffe, Keramik und Halbleiter können geschnitten werden. Weitere Anwendungsmöglichkeiten sind das Sehweißen von Glas und Kunststoff,
das Vulkanisieren von Gummi und das thermische Aushärten von Kunstharzen.
Das Verfahren nach der Erfindung kann auch die Erzeugung einer Relativbewegung zwischen der jeweils erhitzten
Werkstückzone und dem Werkstück einschließen, während der Lichtbogen oder die Lichtbögen zwischen einer der
Elektroden und dem Werkstück aufrechterhalten werden, so daß die betreffende Bearbeitung in der erforderlichen Weise
ausgeführt werden kann.
Zur Oberfläehenlegierung kann gemäß dem erfindungsgemäßen
Verfahren mit einem Teil bzw. Bereich der Werkstückoberfläche zu legierendes Material auf diesen Bereich aufgebracht
werden und gleichzeitig oder danach eine Relativbewegung zwischen der jeweils erhitzten Werkstückzone und
dem Werkstück herbeigeführt werden, so daß die jeweils erhitzte Werkstückzone jeden Punkt des zu legierenden Oberflächenbereiches
bestreicht. Zur Lichtbogenerzeugung kann eine mehrphasige Stromversorgung Anwendung finden, und in
diesem Fall können auch mehr als zwei Elektroden verwendet werden. Beispielsweise bei einer dreiphasigen Stromversorgung
können drei an die Außenleiter angeschlossene Elektroden auf einer Seite des Werkstücks und eine weitere,
an den Mittelpunktleiter angeschlossene Elektrode auf
der anderen Seite des Werkstücks angeordnet werden.
Eine Vorrichtung zur Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist Gegenstand des Anspruchs 11.
Vorzugsweise verläuft der Lichtbogen im Betrieb der Vorrichtung von der einen Elektrode durch das Werkstück
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hindurch zur anderen Elektrode, wobei der Lichtbogen
entweder durch einen Schnittspalt oder eine Fuge des Werkstücks verläuft oder das Werkstückmaterial durchdringt.
Die Vorrichtung kann Mittel zur Erzeugung eines Relativvorschubs zwischen der jeweils erhitzten Werkstückzone und
dem Werkstück aufweisen, wobei der Lichtbogen jeweils zwischen einer der Elektroden und der erhitzten Werkstückzone aufrechterhalten
wird.
Die Vorrichtung kann weiter Mittel zum Richten eines Gasstrahles aus einer Düse auf die jeweils erhitzte Werkstückzone
aufweisen, wobei der Gasstrahl von einer auf der gleichen Seite des Werkstücks wie die Laserstrahlquelle
gelegenen Stelle her auf das Werkstück geblasen wird. Alternativ dazu können auch Gasstrahlen aus zwei beiderseits
des Werkstücks angeordneten Düsen auf die erhitzte Werkstückzone gerichtet werden.
Das Gas kann exotherm mit dem Werkstückmaterial oder mit einem auf das Werkstück zugegebenen Flußmittel reagieren.
Die Vorrichtung kann weiter Mittel zum Ablenken mindestens eines Teils des von der Auftreffstelle des
Laserstrahls auf das Werkstück emittierten Gas- und/oder
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Teilchenwolke vom Laserstrahl weg aufweisen.
Bei dem Verfahren und der Vorrichtung nach der Erfindung können die Elektroden oder eine der Elektroden
in unmittelbarer Nähe einer Stelle des Werkstücks angeordnet sein, an welcher die jeweilige Bearbeitung im
nächsten Augenblick stattfindet.
Einige Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachstehend mit Bezug auf die anliegenden Zeichnungen
mehr im einzelnen beschrieben, in welchen zeigt:
Pig. I Eine erste Ausführungsform einer
Vorrichtung nach der Erfindung, und
Fig. 2 eine zweite Ausführungsform einer
Vorrichtung nach der Erfindung.
Fig. 1 zeigt eine Anordnung zum Sehweißen oder Schneiden
unter Verwendung eines Inertgases oder eines Reaktionsgases, beispielsweise Sauerstoff oder Chlor, das an einer exothermen
Reaktion teilnimmt. Ein Laserstrahl 10 wird mittels einer Linse 22 auf einen Punkt 16 eines Werkstücks 15 fokussiert.
Das Werkstück 15 besteht aus elektrisch nichtleitendem Werkstoff, und da die Darstellung nur die grundsätzliche
Anordnung der Vorrichtung und die grundsätzliche Arbeitsweise des erfindungsgemäßen Verfahrens erläutern soll, ist
das Werkstück nicht weiter im einzelnen, beispielsweise als bereits teilweise durchtrennt oder als aus zwei miteinander
zu verschweißenden Teilen bestehend, dargestellt und lediglich die Lage und die grundsätzliche Form des Werkstücks ist
gezeigt.
Das zum Schweißen verwendete Inertgas bzw. das zum Schneiden verwendete Reaktionsgas gelangt durch einen
Einlaß 23 in eine Kammer 24, die mit einer im Betrieb der Vorrichtung unmittelbar über dem Punkt 16 des Werkstücks
befindlichen Düse 25 versehen ist.
Eine erste Elektrode 17, beispielsweise ein Graphitoder
Wolframkörper, der gewöhnlich als Anode geschaltet ist,
ist auf der bezüglich des Laserstrahls entgegengesetzten Seite des Werkstücks angeordnet. Eine weitere, gewöhnlich
als Kathode geschaltete Elektrode 26 ist auf der bezüglich der ersteren Elektrode 17 entgegengesetzten Werkstückseite
angeordnet und wird von einem Inertgas abgeschirmt, das aus einer Düse 27 mit einem Einlaß 28 austritt.
Zwischen den beiden Elektroden 17 und 26 wird eine elektrische Spannung angelegt, um einen Lichtbogen zwischen
diesen Elektroden zu erzeugen, der durch den Schnitt oder Spalt in dem Werkstück hindurchverläuft. Wenn beispielsweise
das Werkstück geschnitten wird, verläuft der Lichtbogen an der Schnittstelle durch den Schnittspalt hindurch. Wenn
das Werkstück geschweißt wird, verläuft der Lichtbogen in entsprechender Weise an der Schweißstelle durch den Fugenspalt
zwischen den noch unverschweißten Werkstückteilen hindurch. Auf diese Weise wird Wärme vom Lichtbogen auf das
Werkstück übertragen, um das Schneiden, beispielsweise durch Verbrennen von Werkstoff, oder das Schweißen zu unterstützen.
Infolgedessen finden zur Bearbeitung zwei oder drei Wärmequellen Anwendung, nämlich der Laserstrahl, die Reaktion
zwischen dem Reaktionsgas (falls verwendet) und dem Werkstück, und der zwischen den Elektroden gezogene Lichtbogen.
In anderen Anwendungsfällen kann der Lichtbogen das Werkstück durchdringen, ohne einen Schnittspalt zu erzeugen,
beispielsweise wenn ein Werkstück aus Papier oder Stoff bearbeitet wird. Der Lichtbogen durchdringt dann winzige
Perforationen im Werkstück, ohne das Werkstück in zwei Teile zu zerschneiden. Der Lichtbogen kann auch von der
Elektrode 26 zum Werkstück und sodann in Form eines
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gesonderten weiteren Lichtbogens vom Werkstück zur Elektrode 17 verlaufen, und es ist auch möglich, daß
nur einer dieser beiden Lichtbogen bei der Bearbeitung vorhanden ist, je nach den relativen Abständen zwischen
der Elektrode 17 und dem Werkstück und zwischen der Elektrode 26 und dem Werkstück.
Bei der Vorrichtungsanordnung nach Fig. 2 finden die gleichen Komponenten wie in Fig. 1 Anwendung, jedoch ist
eine zusätzliche Elektrode 30 vorhanden, die in der gleichen Weise wie die Elektrode 26 durch ein Inertgas abgeschirmt
wird. Diese Elektrode 30 kann zusammen mit der Elektrode und noch einer weiteren, nicht dargestellten Elektrode aus
einer dreiphasigen Stromversorgung gespeist werden. Die Elektroden 26 und 30 sowie die weitere Elektrode sind über.
Zuleitungen, beispielsweise 31 und 32, an die Außenleiter der dreiphasigen Stromversorgung angeschlossen. Eine
Zuleitung 33 verbindet die Elektrode 17 mit dem Mittelpunktleiter der dreiphasigen Stromversorgung.
Eine weitere Düse 34 mit einem Einsatz 35 für
Reaktionsgas oder Inertgas richtet einen Gasstrahl auf der vom Laserstrahl 10 abgewandten Seite des Werkstücks 15
auf die jeweils erhitzte Werkstückzone.
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Ein Mechanismus zum Vorschub des Werkstücks relativ zum Laserstrahl ist schematisch in Form einer Spannpratze
36, einer Zugspindel 37 und eines Elektromotors 38 dargestellt. Das Werkstück kann beispielsweise in Richtung
des Pfeiles 39 vorgeschoben werden, während es geschnitten oder geschweißt wird, wobei die Elektrode 26 jeweils unmittelbar
an der Bearbeitungsstelle des Werkstücks liegt. Der Lichtbogen von dieser Elektrode bereitet daher jeweils
die unmittelbar nächstfolgende Werkstückstelle zur Bearbeitung vor. Damit der Laserstrahl das Werkstück leichter erreichen
kann, kann eine weitere Gasdüse oder eine der dargestellten Düsen dazu verwendet werden, die Gaswolke und/oder die
Teilchenwolke, die sich über der Bearbeitungsstelle bildet, wegzublasen.
über die oben beschriebenen konkreten Ausführungsbeispiele hinaus kann die Erfindung auch in vielfältiger
anderer Weise realisiert werden, beispielsweise mit Hilfe der eingangs erwähnten bekannten Vorrichtungen, die dann
entsprechend der Erfindung umgebaut werden müßten. Es ist klar, daß insbesondere bei manchen Anwendungsmöglichkeiten
des erfindungsgemäßen Verfahrens gewisse Beschränkungen hinsichtlich Größe und Art des zu bearbeitenden Werkstückes
gegeben sind. Das Werkstück darf natürlich nicht zu dick
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sein und die angelegte Spannung muß zum Ziehen des erforderlichen Lichtbogens ausreichend groß sein. Im
einzelnen lassen sich diese Parameter und die Anwendungsgrenzen durch einfache Versuche feststellen.
Leerseite
Claims (21)
- P at en t an s pr ü ehey Verfahren zur Laserstrahl-Bearbeitung von Werkstücken, dadurch gekennzeichnet, daß zur Bearbeitung elektrisch nichtleitender Werkstücke ein Lichtbogen zwischen zwei Elektroden derart gezogen wird, daß er auf die jeweils vom Laserstrahl erhitzte Werkstückzone einwirkt.
- 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Werkstück zwischen den beiden bzw. zwischen mindestens zweien der Elektroden angeordnet wird.
- 3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Lichtbogen durch das Werkstück hindurchverläuft .
- 4. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Lichtbogen in Form eines Teilbogens von einer der Elektroden zum Werkstück und in Form eines weiteren Teilbogens vom Werkstück zu einer weiteren Elektrode gezogen wird.
- 5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß ein Gas auf die erhitzte Werkstüokzone geleitet wird.-" 3-1IU
- 6. Verfahren nach Anspruch 5» dadurch gekennzeichnet, daß ein mit dem Werkstoff des Werkstücks oder mit einem auf das Werkstück aufgebrachten Flußmittel reagierendes Gas verwendet wird.
- 7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß eine Relativbewegung zwischen der jeweils erhitzten Werkstückzone und dem Werkstück erzeugt wird, wobei der Lichtbogen oder die Lichtbögen aufrechterhalten werden.
- 8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6 zur Oberflächenlegierung, wobei auf das Werkstück Material aufgebracht wird, das mit einem Oberflächenbereich des Werkstücks legiert werden soll, dadurch gekennzeichnet, daß gleichzeitig oder anschließend eine Relativbewegung zwischen der jeweils erhitzten Werkstückzone und dem Werkstück derart erzeugt wird, daß die erhitzte Werkstückzone jeden Punkt des zu legierenden Oberflächenbereiches bestreicht.
- 9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8 unter Verwendung mehrerer Lichtbögen, dadurch gekennzeichnet, daß eine mehrphasige elektrische Stromversorgung zur Erzeugung der Lichtbögen verwendet wird.-X-3
- 10. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eine Elektrode in unmittelbarer Nähe derjenigen Stelle des Werkstücks angeordnet wird, an welcher der Bearbeitungsvorgang jeweils im nächsten Augenblick stattfindet.
- 11. Vorrichtung zur Ausführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 10, mit einer Laserstrahlquelle, gekennzeichnet durch zwei Elektroden (26, 17)» die an eine, eine elektrische Spannung zur Erzeugung eines Lichtbogens zwischen ihnen anlegende Stromversorgung angeschlossen sind und derart angeordnet sind, daß der Lichtbogen (10) die vom Laserstrahl erhitzte Werkstückzone (16) eines Werkstücks (15) beeinflußt.
- 12. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Elektroden (26, 17) so angeordnet sind, daß der Lichtbogen durch das Werkstück (15) hindurch von der einen (26) zur anderen (17) Elektrode verläuft.
- 13. Vorrichtung nach Anspruch 11 oder 12, gekennzeichnet durch Mittel (37, 38) zur Erzeugung einer Relativbewegung zwischen der jeweils erhitzten Werkstüekzone (16) und dem Werkstück (15) unter Aufrechterhaltung des Lichtbogens.311U02
- 14. Vorrichtung nach Anspruch 13» dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eine (26) der Elektroden so angeordnet ist, daß der Abstand zwischen dem Werkstück und dieser Elektrode an derjenigen Stelle, an welcher die Bearbeitung im nächsten Augenblick stattfindet, den kleinsten Wert hat.
- 15. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 14, gekennzeichnet durch Mittel (25) zum Richten eines Gases auf die erhitzte Werkstückzone (16).
- 16. Vorrichtung nach Anspruch 15s dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel (25) zum Zuführen des Gases auf derselben Seite des Werkstücks (15) wie die Laserstrahlquelle angeordnet ist,
- 17. Vorrichtung nach Anspruch 15 3 dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel (25, 34) zur Gaszuführung Gas von beiderseits des Werkstücks (15) auf dieses leiten.
- 18. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 15 bis-17, dadurch gekennzeichnet, daß das Gas mit mindestens einem Werkstoff des Werkstücks (15) oder mit mindestens einem Flußmittel exotherm reagiert.-y-t
- 19. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 18, gekennzeichnet durch Mittel, welche mindestens einen Teil der Gas- und/oder Teilchenwolke, die von der Auftreffstelle (16) des Laserstrahls (10) auf das Werkstück (15) ausgeht, vom Laserstrahl weg ablenken.
- 20. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 19» dadurch gekennzeichnet, daß die Elektroden (26, 30, 17) an eine mehrphasige elektrische Stromquelle angeschlossen sind, wobei eine erste Elektrode (26) an einen Phasenleiter und mindestens eine weitere Elektrode (30) an einen weiteren Phasenleiter angeschlossen ist.
- 21. Vorrichtung nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, daß eine Elektrode (17) an den Mittelpunktleiter der mehrphasigen Stromversorgung angeschlossen ist.
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