DE3411140C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Arbeitskopf zur Bearbeitung eines Werkstücks durch einen Laser gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Derartige Arbeitsköpfe dienen zur Bearbeitung von Werk­ stücken mit einem fokussierten Laserstrahl, insbesondere einem CO₂-Laser. Dabei ist der Arbeitskopf üblicherweise mit einer Fokussiereinrichtung für den Laserstrahl ver­ bunden, nämlich der Fokussiereinrichtung in Richtung zum zu bearbeitenden Werkstück vorgeordnet. Entsprechend der zu erfolgenden Bearbeitung des Werkstücks ist der Ar­ beitskopf zusammen mit der Fokussiereinrichtung durch eine geeignete Einrichtung relativ zum Werkstück bewegbar.

Um eine exakte Bearbeitung eines Werkstücks mit einem fo­ kussierten Laserstrahl unabhängig von der Bewegungsrich­ tung des Arbeitskopfes ausführen zu können, ist es erfor­ derlich, daß der fokussierte Laserstrahl möglichst mittig durch die Austrittsöffnung im Arbeitskopf bzw. einer die­ sem zugeordneten Austrittsdüse austritt. Eine außermittige Lage der Austrittsöffnung zum Laserstrahlkegel bewirkt ei­ ne Ablenkung des Fokuspunktes von der Längsmittelachse des Laserstrahls. Einbußen in der Bearbeitungsqualität des Werkstücks sind die Folge. Daher ist es erforderlich, ent­ weder die Austrittsdüse oder den gesamten Arbeitskopf ge­ genüber dem Laserstrahl auszurichten. Außerdem ist es bei­ spielsweise beim Laserschweißen erforderlich, den Fokus­ punkt des Laserstrahls möglichst mittig auf die zu schwei­ ßende Schweißfuge auszurichten und besonders bei schwieri­ gen Nahtverläufen den Fokuspunkt stets so genau wie mög­ lich in der Mitte des Schweißspalts oder dgl. zu halten.

Bekannt ist aus der DE-OS 16 15 392 bereits ein Beobach­ tungsinstrument, das als integraler Bestandteil einer La­ seroptik ausgebildet ist. Dieses Beobachtungsinstrument verfügt über eine mittig in der Strahlengangbohrung für den Laserstrahl mündende Öffnung für ein optisches Beob­ achtungsinstrument. Mit diesem ist es durch einen in der Strahlengangbohrung angeordneten Klappspiegel bzw. Licht­ teiler möglich, das Werkstück zu beobachten, jedoch nur bei nicht eingeschaltetem Laser. Damit eignet sich das be­ kannte Beobachtungsinstrument nur zur Beobachtung des Werkstücks bei nicht erfolgender Laserbearbeitung. Es kann somit lediglich eine Ausrichtung vor der Bearbeitung des Werkstücks oder in Bearbeitungspausen erfolgen, nicht je­ doch auch während der Bearbeitung beispielsweise der Ver­ lauf einer Schweißnaht beobachtet werden.

Weiterhin ist bekannt aus der DE-OS 25 28 467 ein Gaslaser für die Bearbeitung von Werkstoffen, in den ein Meßfern­ rohr eingesetzt werden kann, und zwar zwischen der Laser­ optik und einem Arbeitskopf. Mit diesem Meßfernrohr soll eine Justage der in der Laseroptik angeordneten Spiegel oder dgl. erfolgen. Das Meßfernrohr eignet sich damit nicht zum Ausrichten des Laser in bezug auf das Werkstück, und zwar weder in Arbeitspausen noch während der Laserver­ arbeitung.

Der Erfindung liegt, ausgehend vom vorstehenden Stand der Technik, die Aufgabe zugrunde, einen Arbeitskopf zu schaf­ fen, der eine Kontrolle und Beobachtung des Laserstrahls, insbesondere während der Bearbeitung eines Werkstücks, er­ möglicht.

Diese Aufgabe wird gelöst durch einen Arbeitskopf mit den Merkmalen des Anspruchs 1.

Durch die außermittige Aufnahmeöffnung im Gehäuse ist es möglich, mit einem optischen Beobachtungsinstrument bei eingeschaltetem Laser, also während des Betriebs des Arbeitskopf, beispielsweise beim Schweißen oder Brennschneiden, eine Prozeßüberwachung vor­ zunehmen. Insbesondere beim Schweißen kann auf diese Weise eine Nahtüberwachung erfolgen. Bei komplizierten Nahtver­ läufen sind Korrekturen des Schweißkopfes in bezug auf den Schweißspalt möglich. Es kann sogar der Vorschub des Ar­ beitskopfes in Abhängigkeit vom Schweißspalt aufgrund der Beobachtung desselben gesteuert werden.

Weiterhin ist der Aufnahmeöffnung ein Durchbruch zur Strahlengangbohrung hin zugeordnet. Dadurch wird gewähr­ leistet, daß von der außermittig liegenden Aufnahmeöffnung eine ungehinderte Beobachtung der Austrittsöffnung in der Austrittsdüse möglich ist.

Zweckmäßigerweise ist die Aufnahmeöffnung als zylindrische Aufnahmebohrung ausgebildet, die neben der Strahlengang­ bohrung liegt und mit dieser über den Durchbruch verbunden ist.

Schließlich sieht die Erfindung eine Kühlung des Arbeits­ kopfes zum Schutz der optischen Beobachtungsinstrumente vor, und zwar insbesondere dann, wenn diese während der Bearbeitung in ihren Aufnahmebohrungen im Arbeitskopf ver­ bleiben. Zu diesem Zweck kann eine Kühlschlange das Gehäu­ se des Arbeitskopfes teilweise oder auch mehrmals umgeben. Als Kühlmedium einer solchen Kühlschlange kommt sowohl Wasser als auch Gas in Betracht. Des weiteren ist eine Kühlung des Arbeitskopfes dadurch denkbar, daß das übli­ cherweise zur Strahlengangbohrung zugeführte Schutzgas zu Kühlzwecken herangezogen wird. Dabei kann auch mit einem Überschuß von Schutzgas gearbeitet werden, d. h., es wird mehr Schutzgas als allgemein notwendig in die Strahlen­ gangbohrung eingeleitet und ein Teil des Schutzgasstromes wieder aus dem Arbeitskopf herausgeleitet, ohne daß dieser die Austrittsöffnung in der Austrittsdüse passiert. Durch diese Maßnahme stellt sich im Arbeitskopf eine quergerich­ tete Strömung ein, die in der Strahlengangbohrung eine Art Gasbarriere bildet zum Schutz der oberhalb des Arbeits­ kopfes angeordneten Laseroptik vor aufsteigendem Schweiß­ rauch oder dgl.

Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnung näher erläutert. In die­ ser zeigen:

Fig. 1 eine schematische Seitenansicht der Vorrichtung mit einem Arbeitskopf und einer darüber angeord­ neten Laseroptik,

Fig. 2 eine Seitenansicht eines Arbeitskopfes zum Laser­ schweißen im Vertikalschnitt, und

Fig. 3 eine Draufsicht auf den Arbeitskopf gemäß der Fig. 2.

In der Fig. 1 ist eine Laseroptik 10 gezeigt, an der ein Arbeitskopf 12 gemäß den Fig. 2 und 3 anbringbar ist. Die Befestigung des Arbeitskopfes 12 an der Laseroptik 10 er­ folgt bei den vorliegenden Ausführungsformen über eine Ge­ windeverbindung, nämlich ein Außengewinde 13, an dem Ar­ beitskopf 12, welches mit einem korrespondierend ausgebil­ deten Innengewinde in der Laseroptik 10 in Verbindung steht. Durch diese Anordnung lassen sich der auszuführen­ den Bearbeitung entsprechende Arbeitsköpfe an der Laserop­ tik 10 anbringen.

Hauptsächlich dient die Laseroptik 10 dazu, den von einem nicht dargestellten Laser kommenden Laserstrahl umzulenken und zu fokussieren in einen vertikal gerichteten Laser­ strahlkegel 14.

Ein Verfahren der Laseroptik 10 mit dem Arbeitskopf 12 ist durch ebenfalls in den Figuren nicht dargestellte Bewe­ gungseinrichtungen üblicher Bauart entsprechend der zu erfolgenden Bearbeitung relativ zur Werkstückoberfläche möglich. In den Fig. 1 und 2 sind als Platten 16 ausgebil­ dete Werkstücke unterhalb des Arbeitskopfes 12 darge­ stellt.

Der in den Fig. 2 und 3 dargestellte Arbeitskopf 12 ist zum Laserschweißen an der Platte 16 ausgebildet. Der Ar­ beitskopf 12 weist ein Gehäuse 45 mit einer unterhalb des­ selben angeordneten Austrittsdüse 46 auf. Die Befestigung der Austrittsdüse 46 am Gehäuse 45 erfolgt im vorliegenden Ausführungsbeispiel lösbar durch eine Überwurfmutter 47.

Das Gehäuse 45 weist in Richtung seiner vertikalen Längs­ mittelachse 51 drei hintereinander liegende Umfangsab­ schnitte unterschiedlichen Durchmessers auf, nämlich einen obenliegenden Bereich mit dem Außengewinde 13 zur Befesti­ gung des Arbeitskopfes 12 an der Laseroptik 10, einen mit­ tigen Zylinderbereich 62 größeren Durchmssers und einen untenliegenden Bereich mit einem weiteren Außengewinde 22.

Letzteres ist am größten Durchmesser des Gehäuses 45 ange­ ordnet zur Aufnahme der Überwurfmutter 47. Am Übergang des Außengewindes 13 zum Zylinderbereich 62 am Gehäuse 45 be­ findet sich eine umlaufende Freimachung 23. Diese Freima­ chung 23 bildet einerseits einen Abschluß des Außengewin­ des 13 gegenüber dem Zylinderbereich 62 und andererseite eine ringförmig umlaufende, horizontale Anschlagfläche 24 zur Justierung des Arbeitskopfes 12 gegenüber der Laserop­ tik 10.

Im Inneren weist das Gehäuse 45 eine zentrisch zur Längs­ mittelachse 51 des Arbeitskopfes 12 verlaufende Strahlen­ gangbohrung 52 für den Laserstrahlkegel 14 auf. Die Strah­ lengangbohrung 52 verläuft im oberen Bereich des Gehäuses 45 kegelstumpfförmig, und zwar mit einer in etwa dem Fo­ kuswinkel des Laserstrahlkegels 14 entsprechenden Verjün­ gung. Im unteren, zur Austrittsdüse 46 gerichteten Bereich ist die Strahlengangbohrung 52 in diesem Ausführungsbei­ spiel zylindrisch ausgebildet, d. h., die Strahlengangboh­ rung 52 verläuft nicht sich durchgehend verjüngend durch das Gehäuse 45. Von der Unterseite 26 des Gehäuses 45 her ist der zylindrische Bereich der Strahlengangbohrung 52 durch eine Ausdrehung 27 zur bereichsweisen Aufnahme der Austrittsdüse 46 aufgeweitet.

Wie die Fig. 2 ferner zeigt, weist die Austrittsdüse 46 eine zylindrische Gestalt mit einem umlaufenden, oberen Bund 56 auf. Mit dem Bund 56 ist die Austrittsdüse 46 ggf. mit der Ausdrehung 27 im Gehäuse 35 gegenüber demselben zentrierbar. Es kann aber auch ein geringfügiges Spiel zwischen dem Bund 56 der Austrittsdüse 46 und der vertika­ len Mantelfläche der Ausdrehung 27 vorhanden sein, wodurch die Austrittsdüse 46 geringfügig relativ zum Gehäuse 45 des Arbeitskopfes 12 verschiebbar ist zum Ausrichten ge­ genüber dem Laserstrahlkegel 14.

An der Unterseite weist die Austrittsdüse 46 eine zentri­ sche Austrittsöffnung 55 auf. Diese ist im vorliegenden Ausführungsbeispiel als dünne, zylindrische Bohrung ausge­ bildet. Vom Inneren des Arbeitskopfes 12 her ist die Aus­ trittsdüse 46 aufgebohrt durch eine in die Austrittsöff­ nung 55 mündende Freimachung 54 größeren Durchmessers. Letztere weitet als Fortsetzung der Strahlengangbohrung 52 den Strahlengang des Laserstrahlkegels 14 so weit auf, daß der vor einem Fokuspunkt 35 liegende Bereich größeren Durchmesser des Laserstrahlkegels 14 ungehindert den Ar­ beitskopf 12 passieren kann.

Die Überwurfmutter 47 ist im vorliegenden Ausführungsbei­ spiel rotationssymmetrisch ausgebildet. Sie besteht aus einem abgestuften zylindrischen Mantel, dem im Inneren auf halber Höhe ein Boden 37 zugeordnet ist. Durch diese Aus­ bildung weist die Überwurfmutter 47 auf dem Boden 37 ge­ genüberliegenden Seiten jeweils einen Kragen 38 bzw. 60 auf. Der untere Kragen 60 ist im Durchmesser kleiner als der obere Kragen 38 bemessen. Der obere Kragen 38 weist an seiner Innenseite ein Innengewinde 40 auf. Letzteres ist korrespondierend zum unteren Außengewinde 22 des Gehäuses 45 ausgebildet. Die Überwurfmutter 47 ist dadurch unter­ halb des Gehäuses 45 festschraubbar. Der untere Kragen 60 der Überwurfmutter 47 reicht bis kurz vor die Oberfläche der zu bearbeitenden Platte 16, und zwar so weit, daß der untere Rand des Kragens 60 in etwa eine Ebene mit der Un­ terseite der Austrittsdüse 46 bildet.

Im Boden 37 der Überwurfmutter 47 ist eine zentrische Boh­ rung 41 angeordnet. Der Durchmesser dieser Bohrung 41 ist derart gewählt, daß der (kleinere) Durchmesser der Aus­ trittsdüse 46 darin Aufnahme findet, und zwar mit gering­ fügigem Spiel. Der Rand der Bohrung 41 am Boden 37 stützt sich unterhalb des Bundes 56 an der Austrittsdüse 46 ab zum Halten derselben in axialer Richtung. Dadurch ist die Austrittsdüse 46 bei entsprechendem Andrehen der Überwurf­ mutter 47 über die Gewindeverbindung gegenüber dem Gehäuse 45 des Arbeitskopfes 12 festspannbar.

Des weiteren weist der Boden 37 der Überwurfmutter 47 eine Mehrzahl vorzugsweise gleichmäßig auf der Fläche des Bo­ dens 37 verteilter Durchströmbohrungen 42 für ein Schutz­ gas auf.

Im gezeigten Arbeitskopf 12 sind zwei parallel nebeneinan­ derliegende Aufnahmebohrungen 48 und 49 im Gehäuse 45 an­ geordnet. Die erste Aufnahmebohrung 48 mündet mit ihrer horizontalen Längsachse 50 auf der Längsmittelachse 51 der Strahlengangbohrung 52 im Gehäuse 45. Damit dient die er­ ste Aufnahmebohrung 48 zur Aufnahme eines optischen Beob­ achtungsinstruments bei unterbrochenem Laser. Dagegen ver­ läuft die zweite Aufnahmebohrung 49 seitlich im Gehäuse 45, derart, daß die Aufnahmebohrung 49 neben der Strahlen­ gangbohrung 52 verläuft, also nicht in derselben mündet. Dieses zeigt deutlich die Fig. 2. Um aber auch eine Beob­ achtung der Austrittsöffnung 55 in der Austrittsdüse 46 von der zweiten Aufnahmebohrung 49 zu ermöglichen, ist dieser ein schräggerichteter Durchbruch 53 zugeordnet, der kurz vor der Austrittsdüse 46 in der Strahlengangbohrung 52 des Gehäuses 45 mündet. Mit dieser seitlich neben der Strahlengangbohrung 52 liegenden, zweiten Aufnahmebohrung 49 und dem ihr zugeordneten Durchbruch 53 ist die Anord­ nung eines optischen Beobachtungsinstruments im Arbeits­ kopf 12 während der Bearbeitung möglich. Es ist damit eine ununterbrochene, integrierte Überwachung des Bearbeitungs­ prozesses möglich.

Die Austrittsöffnung 55 und ggf. auch die Freimachung 54 können geringfügig außermittig in der Austrittsdüse 46 an­ geordnet sein. Bei einer exakten Führung am Bund 56 gegen­ über dem Gehäuse 45 kann durch eine derartige Anordnung ein Ausrichten der Austrittsdüse 46 durch einfaches Drehen derselben erfolgen, indem dann nämlich die Austrittsdüse 46 sich relativ zum Laserstrahlkegel 14 verschiebt.

Aus der Fig. 3 sind deutlich die zum Arbeitskopf 12 füh­ renden Anschlüsse bzw. Versorgungsleitungen zu erkennen. Demnach ist beim Arbeitskopf 12 jeder Aufnahmebohrung 48 und 49 ein Führungsrohr 57 bzw. 58 zugeordnet. Zum unteren Teil großen Durchmessers des Gehäuses 45, an dem sich das Außengewinde für die Überwurfmutter 47 befindet, führt ei­ ne Schutzgaszufuhrleitung 59. Diese versorgt die Schweiß­ stelle auch in diesem Ausführungsbeispiel mit Schutzgas, welches durch die Durchströmbohrungen 42 der Überwurfmut­ ter 47 zur Platte 16 strömen kann.

Zusätzlich zur Schutzgaszufuhrleitung 59 und den Führungs­ rohren 57 und 58 weist der Arbeitskopf 12 dieses Ausfüh­ rungsbeispiels noch eine Kühlschlange 61 auf. Letztere steht mit einem (mittleren) Zylinderbereich 62 des Gehäu­ ses 45 in Kontakt, derart, daß sie von außen sich an einem Teil des Zylindermantels, nämlich hier etwa einem Drittel Umfang anschmiegt. Die Kühlschlange 61 kann mit Kühlwasser aber auch einem Kühlgas gespeist werden. Zum Zwecke inten­ siver Kühlung ist es auch denkbar, eine Kühlschlange mit mehreren Windungen um das Gehäuse 45 des Arbeitskopfes 12 herumzuführen.

Schließlich weist der Arbeitskopf 12 noch eine weitere, quer durch die Strahlengangbohrung 52 verlaufende Luft­ kühleinrichtung auf. Zu diesem Zweck ist unterhalb der Aufnahmebohrungen 48 und 49 eine Gaszufuhrbohrung 63 von außen in das Gehäuse 45 horizontal verlaufend hereinge­ führt. Dieser liegt eine ebenfalls horizontal verlaufende Gasaustrittsbohrung 64 in einer horizontalen Ebene gegen­ über. Von der Außenseite des Arbeitskopfes 12 sind der Gaszufuhrbohrung 63 ein Gaszufuhrstutzen 65 und der Gas­ austrittsbohrung 64 ein Gasabfuhrstutzen 66 zugeordnet. Diese können entweder durch Kleben, Löten oder auch Schrauben mit dem Gehäuse 45 verbunden sein. Durch diese horizontal verlaufende Kühlgaszu- und -abfuhr wird in der Strahlengangbohrung 52 ein quergerichtete Strömung er­ zeugt, die einerseits das während der Bearbeitung im Ge­ häuse 45 befindliche optische Beobachtungsinstrument und andererseits die Laseroptik 10 vor thermischen Einflüssen und Schweißgasen schützt.

Im vorliegenden Ausführungsbeispiel weist der Gasabfuhr­ stutzen 66 eine Drossel 67 in Form einer Durchmesserver­ engung auf. Dadurch kann durch den Gasabfuhrstutzen 66 weniger Gas entweichen, als vom Gaszufuhrstutzen 65 aus zugeführt wird. Es baut sich damit innerhalb der Strahlen­ gangbohrung 52 ein geringfügiger Überdruck auf, wodurch das überschüssige Kühlgas über die Austrittsöffnung 55 aus der Austrittsdüse 46 entweicht. Dadurch kann der Schweiß­ stelle ein zusätzlicher Schutzgasstrom zugeleitet werden. Das setzt jedoch voraus, daß ein Schutzgas als Kühlgas verwendet wird.

Claims (8)

1. Arbeitskopf zur Bearbeitung eines Werkstücks durch ei­ nen Laser mit einem eine Strahlengangbohrung und eine Aus­ trittsöffnung für den Laser aufweisenden Gehäuse, ge­ kennzeichnet durch eine außermittig im Gehäuse (45) angeordnete Aufnahmeöffnung (Aufnahmebohrung 49), die außermittig in der Strahlengangbohrung (52) mün­ det zum Einsatz eines außerhalb des Einflußbereiches des Laserstrahlkegels (14) in die Strahlengangbohrung (52) ra­ genden optischen Beobachtungsinstruments, wobei der außer­ mittigen Aufnahmeöffnung (Aufnahmebohrung 49) ein Durch­ bruch (53) zugeordnet ist, der in der Austrittsöffnung (55) für den Laserstrahlkegel (14) in einer Austrittsdüse (46) mündet zur Beobachtung des Laserstrahlkegels (14) mittels des optischen Beobachtungsinstruments durch die Austrittsöffnung (55) hindurch und ggf. einer weiteren in der Strahlengangbohrung (52) mündenden, mittigen Aufnah­ meöffnung (Aufnahmebohrung 48) zur Aufnahme eines einen Blick in die Längsmittelachse der Strahlengangbohrung (52) ermöglichenden optischen Beobachtungsinstruments.

2. Arbeitskopf nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die außermittige Aufnahmeöffnung als parallel zur aufrechten Längsmittelebene der Strahlengangbohrung (52) verlaufende Aufnahmebohrung (49) ausgebildet ist.

3. Arbeitskopf nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eine Aufnahmebohrung (48, 49) durch ein Führungsrohr (57, 58) verlängert ist.

4. Arbeitskopf nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Führungsrohr (57, 58) einem äußeren, freien Ende mindestens eine Aufnahmebohrung (48, 49) für das optische Beobachtungsinstrument zugeordnet ist.

5. Arbeitskopf nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß dem Gehäuse (45) eine Kühleinrichtung zugeordnet ist.

6. Arbeitskopf nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß dem Gehäuse (45) als Kühleinrichtung außen eine was­ sergespeiste Kühlschlange (61) zugeordnet ist.

7. Arbeitskopf nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekenn­ zeichnet, daß im Gehäuse (45) eine quer durch die Strah­ lengangbohrung (52) verlaufende Gaskühlung mit einer Gas­ zufuhrbohrung (63) und einer Gasaustrittbohrung (64) an­ geordnet ist.

8. Arbeitskopf nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das optische Beobachtungsinstrument ein Endoskop ist.