DE3941608A1 - Vorrichtung zum bearbeiten von werkstuecken mit laserstrahlen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Bear­ beiten von Werkstücken mit Laserstrahlen gemäß Oberbegriff des Anspruchs 1.

Aus der Zeitschrift "Lasermagazin", Ausgabe 3/85, Seiten 10 bis 14 und 5/88, Seite 57, sowie aus einem Pro­ spekt der Firma Weidmüller sind Laser-Bearbeitungsköpfe bekannt, die sehr starke Baugrößen aufweisen, insbesondere bezüglich der Durchmesser in der Nähe der Laserstrahlwirk­ stelle. Dies führt oft zu Einschränkungen in der dreidimen­ sionalen Materialbearbeitung, da häufig Zugänglichkeitspro­ bleme auftauchen.

Die Gaszufuhreinheiten sind vor allem bei Systemen zum Laserschweißen im wesentlichen rotationssymmetrisch ausgebildet. Die Wasserkühlungs- und Gaszufuhrrohre liegen außen und sind an den Teachköpfen nicht vorhanden, so daß sich bei der Bearbeitung von dreidimensionalen Konturen durch die Baugröße der Gaszufuhreinheiten bedingte Fehlposi­ tionen ergeben, die erst mit erheblichem zeitlichem Mehr­ aufwand und Positionierungskorrekturen beseitigt werden müssen.

Bei Beschädigung müssen größere Bauteilgruppen komplett ersetzt werden, da die Konstruktionen teilweise verlötet sind.

Bei Variation der Bearbeitungsart, wie Schweißen mit zum Laserstrahl koaxialer Arbeitsgaszufuhr zum dreidi­ mensionalen Laserschweißen, Schweißen mit Plasmajetgaszufuhr zur Erhöhung der Prozeßstabilität, der Einschweißtiefe und der Qualität der äußeren Schweißnahtmerkmale, Laserschneiden sowohl im zwei- als auch im dreidimensionalen Bereich, Oberflächenbehandeln, wie Härten oder Umschmelzen zur Stei­ gerung beispielsweise der tribologischen Eigenschaften, müssen in der Regel die kompletten Gaszufuhreinheiten - zum Teil auch die Strahlfokussierungseinheiten, beispiels­ weise Austausch von Fokussierspiegeln gegen Linsensysteme, gewechselt werden. Dies führt zu einer Vielzahl von ver­ schiedenen und oft nicht kompatibler Gaszufuhreinheiten und dementsprechend hohen Kosten in der Anschaffung und zu einem hohen Zeitaufwand beim Umrüsten. Laserschneiden im Raum mit Abstandsregelung über 2 kW Strahlleistung ist bisher nicht möglich, da die benutzten Fokussierlinsen dabei zerstört werden.

Die Gaszufuhreinheiten sind auf jeweils definier­ te Brennweiten der Fokussieroptiken abgestimmt und nicht variabel. Dies führt ebenfalls zu der oben angegebenen Vielzahl von verschiedenen Gaszufuhreinheiten mit den be­ schriebenen Nachteilen.

Systemkomponenten, die in der Nähe der von der Laserstrahlung beaufschlagten Wirkstelle liegen, sind teil­ weise aus konstruktiven und systembedingten Gründen durch Löten miteinander verbunden und erfahren durch die extrem hohen Temperaturen des Schweißplasmas und der reflektierten Laserstrahlung Schädigungen.

Eine Plasmajetgaszufuhr für die dreidimensionale Bearbeitung ist bis jetzt noch nicht möglich, da die bis jetzt realisierten Systeme mit externer Gaszufuhr für die Plasmajetbildung nicht bei räumlichen Konturen einsetzbar sind, da sich Probleme bei der Zugänglichkeit und Nachfüh­ rung der externen Rohre ergeben.

Eine Kühlung beispielsweise mit Wasser ist nicht bei allen Systemen möglich oder vorgesehen. Dies führt zu Schädigungen an durch Temperatur beaufschlagten Elementen der Konstruktionen.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine Vorrichtung zum Bearbeiten von Werkstücken mit Laserstrahlen der eingangs genannten Art so zu verbessern, daß die Nachteile der bekannten Vorrichtungen vermieden sind und insbesondere eine geringere Baugröße realisierbar ist und eine uneingeschränkte zwei- und dreidimensionale Materi­ albearbeitung ermöglicht wird.

Diese Aufgabe wird durch die Ausbildung gemäß Kennzeichen des Anspruchs 1 gelöst.

Vorteilhafte und zweckmäßige Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Aufgabenlösung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.

Durch die Erfindung werden folgende Vorteile er­ zielt:
Die Baugröße kann bezüglich des Durchmessers in der Nähe der Wirkstelle bis auf 50% reduziert werden, was eine höhere Zugänglichkeit an extrem konturierten Bauteilen, z. B. tiefgezogenen Karosserieblechen zur Folge hat.

Die erfindungsgemäße Konstruktion ist rotations­ symmetrisch. Somit sind Fehlpositionierungen aufgrund exter­ ner Gas- und Wasserleitungen bei Rotation der Düse oder bei geteachten Konturen ausgeschlossen. Dies wird erreicht durch die erfindungsgemäße Integration der Gas- und Wasserzufuhr in den erfindungsgemäß vorgesehenen Grundkörper und Kühlkör­ per zur Aufnahme des eigentlichen Schweißkopfes.

Die gesamte Vorrichtung ist modular aufgebaut, so daß die Einzelkomponenten schnell und leicht ausgewech­ selt werden können. Durch die erfindungsgemäße Aufgabenlö­ sung ist es beispielsweise möglich, ein einzelnes Bauteil, beispielsweise die über ein Gewinde fixierte Düse auszuwech­ seln und so zum einen eine für verschiedene Anwendungen optimierte Schweißgaszufuhr schnell und kostengünstig zu realisieren und zum anderen andere Bearbeitungsverfahren zu ermöglichen.

Der Stand der Technik beschränkt sich auf zweidi­ mensionales Laserschneiden im Multikilowattbereich ohne Abstandsregelung und dreidimensionales Laserschneiden bis zu 2 kW mit Abstandsregelung und Fokussierung durch für Schädi­ gungen empfindliche Linsensysteme. Die erfindungsgemäße Ausbildung ermöglicht dreidimensionales Laserschneiden im Multikilowattbereich mit Abstandsregelung und Fokussierung durch Spiegeloptiken. Eine Einsatzmöglichkeit ist hier beispielsweise das Laserschneiden von räumlich konturierten Blechen im Dickenbereich über 10 mm, z. B. in der Werftindu­ strie.

Mit Hilfe von Abstandsringen ist die erfindungs­ gemäße Vorrichtung für verschiedene Brennweiten einsetzbar.

Durch die erfindungsgemäße Aufgabenlösung sind Lötstellen nicht mehr gefährdet, da die Erfindung keine in der Nähe des Schweißplasmas befindliche oder durch reflek­ tierte Laserstrahlung möglicherweise beaufschlagte gelötete Module vorsieht.

Durch Auswechseln der Düsen ist es möglich, nicht nur die axiale Gaszufuhr, die die bis jetzt einzige Schweiß­ gaszufuhr für das dreidimensionale Schweißen darstellt, zu realisieren, sondern auch eine Plasmajetdüsung für die räumliche Bearbeitung zu realisieren, die nur zu geringen Zugänglichkeitseinschränkungen führt. Ein Plasmajet beim Laserschweißen ergibt tiefere Einschweißungen, höhere Schweißnahtoberraupenqualität und geringe Porosität der Naht.

Durch die erfindungsgemäße Aufgabenlösung ist eine Kühlung der durch Wärme beaufschlagten Teile immer und grundsätzlich möglich.

Die Erfindung soll nachfolgend anhand der beige­ fügten Zeichnung näher erläutert werden.

Es zeigt:

Fig. 1 eine schematische Darstellung einer Vorrichtung zum Bearbeiten von Werk­ stücken mit Laserstrahlen,

Fig. 2 einen bei der Vorrichtung nach Fig. 1 verwendeten Bearbeitungskopf im Schnitt,

Fig. 3 und 4 einen beim Bearbeitungskopf nach Fig. 2 verwendeten Kühlkörper im Schnitt und in der Vorderansicht,

Fig. 5 eine Laserschweißdüse mit koaxialer Gas­ zufuhr,

Fig. 6 eine Plasmajetschweißdüse,

Fig. 7 eine Spiegelschneiddüse und

Fig. 8 eine Schneiddüse.

Gleiche Bauteile in den Figuren der Zeichnung sind mit den gleichen Bezugszeichen versehen.

Die Fig. 1 zeigt eine Vorrichtung 2 zum Bearbei­ ten von Werkstücken 4 mittels Laserstrahlen 6 in modularer Bauweise. Die Laserstrahlen 6 werden durch eine nicht darge­ stellte Laserquelle erzeugt und fallen auf einen in einem Gehäuse 7 angeordneten Fokussierspiegel 8, der die Laser­ strahlen durch einen am Gehäuse angebrachten Bearbeitungs­ kopf 10 hindurch auf eine Wirkstelle 12 auf dem Werkstück 4 fokussiert.

Der Bearbeitungskopf 10 besteht aus einem Grund­ körper 14, an den ein Kühlkörper 16 mit Hilfe einer Über­ wurfmutter 18 anschraubbar ist, vgl. Fig. 1 und 2.

An den Kühlkörper 16 ist eine Düse 19, beispiels­ weise eine Schweißdüse (vgl. Fig. 1, 2, 5 und 6) oder eine Schneiddüse (vgl. Fig. 7 und 8) anschraubbar.

Der Grundkörper ist über einen Abstandsring 20 mit Hilfe eines Halteringes 22 mit dem Gehäuse 7 verbunden. Der Abstandsring dient zur Anpassung des Bearbeitungskopfes an verschiedene Brennweiten des Fokussierspiegels 8.

Der Haltering 22 dient zum Anbringen des Bear­ beitungskopfes an verschiedene Laserhandlingsysteme und muß dementsprechend konstruiert werden. Er kann beispielsweise zum magnetischen Anschluß ausgebildet sein.

Der Grundkörper 14 dient vor allem der Zuführung des Prozeßgases zur Düse 19 und der Zu- und Abfuhr eines Kühlmittels, in der Regel eines Kühlwassers. Dabei sind die Leitungen für das Prozeßgas und das Kühlmittel nicht extern angebracht, sondern als Gaszufuhrbohrungen 24 und Kühlwas­ serzu- und -abführbohrungen 26, 28 im Grundkörpermantel ausgeführt.

In den Fig. 1 und 2 ist nur eine der Kühlwasser­ bohrungen dargestellt.

Anschlußbohrungen 30, 32 zum Anschluß an die Ver­ sorgung der Gaszufuhreinheit (nicht dargestellt) sind dabei so weit wie möglich von der Düse 19 entfernt gelegen, bei­ spielsweise ca. 10 mm von einer Aufnahme 34 des Abstandsrin­ ges 20 am düsenabseitigen Ende.

Der Kühlkörper 16 besteht im wesentlichen aus einem Kühlringkanal 36, einem Gasverteilungsringkanal 38 und einer Aufnahme 40 für die eigentlichen Düsen 19.

In den Kühlringkanal 36 führen eine mit dem Kühlwasserzuführkanal 26 verbindbare Kühlwasserzufuhrbohrung 42 und eine mit dem Kühlwasserabführkanal 28 verbindbare Kühlwasserabführbohrung 44. In den Gasverteilungsringkanal führt eine mit dem Gaszuführkanal 24 verbindbare Gasbohrung 46. Außerdem ist ein Zentrierstift 48 vorgesehen, der in eine komplementäre Bohrung (nicht dargestellt) im Mantel des Grundkörpers 14 im zusammengebauten Zustand eingreift.

An der Seite, mit der der Kühlkörper 16 am Grund­ körper 14 aufgesetzt wird, befinden sich die Kühlwasserzu­ führbohrung 42, die Gasbohrung 46, der Zentrierstift 48 und die Kühlwasserabführbohrung 44 in einer Winkelentfernung von jeweils 10 bis 30°. Spiegelverkehrt münden die Wasserzufuhr und -abführkanäle 26, 28 und der Prozeßgaszuführkanal 24 in der dem Kühlkörper zugewandten Seite des Grundkörpers. Der Zentrierstift verhindert einen Winkelversatz zwischen Grund­ körper und Kühlkörper. Ein ringförmiger Absatz 48 am Grund­ körper und eine komplementäre Ausbildung 49 am Kühlkörper verhindern ein seitliches Verschieben der beiden Teile.

Die Düse 19 stellt hinsichtlich der Bearbeitung von Werkstücken das wichtigste modulare Einzelteil dar. In der Zeichnung sind verschiedene Bauformen dargestellt:
Die Fig. 5 zeigt eine Laserschweißdüse 47 mit ko­ axialer Gaszufuhr. In diesem Bauteil, vorzugsweise aus Kupfer wegen des hohen Temperaturleitkoeffizienten, sind drei bis acht Bohrungen 50 für das Prozeßgas unter definier­ ten Winkeln, beispielsweise 5° bis 15°, zur Wirkstelle der Laserstrahlung angebracht. Die Bohrungen an jeweils einer Düse können sowohl unter gleichen als auch verschiedenen Winkeln angebracht sein (Beispiel: Bei acht Bohrungen ab­ wechselnd jeweils vier unter 6° und 14°) . Dies ermöglicht eine optimale Anpassung an die Schweißaufgabe. Acht Bohrun­ gen unter 10° haben sich als besonders vorteilhaft für möglichst hohe Schweißgeschwindigkeit erwiesen. Der Gas­ punkt, d. h. der Punkt, in dem sich die theoretisch verlän­ gerten Bohrungen 50 schneiden, kann vom Fokuspunkt der Laserstrahlung, also der Wirkstelle 12, unterschiedlich sein.

Die Fig. 6 zeigt eine Plasmajetschweißdüse 51, die eine dreidimensionale Schweißbearbeitung mit einem einzigen seitlichen Prozeßgasstrom, dem sogenannten Plasma­ jet, ermöglicht. Das Gas wird über ein seitliches, gekrümm­ tes Gaszuführrohr 52 der Wirkstelle zugeführt. Der Winkel zwischen Laserstrahlachse 54 und Gaszuführrohr 52 kann zwischen 30° und 60° liegen, und der Abstand zwischen Rohr­ ende und Laserstrahlfokuspunkt (Wirkstelle 12) kann 2 bis 10 mm betragen. Dabei sollte das Gaszuführrohr 52 vorzugs­ weise am Ende in Richtung der Wirkstelle gerade ausge­ bildet sein. Dieses gerade Teil sollte dabei mindestens 5 mm betragen. Der Radius des Gaszuführrohres zur Gasversorgung durch den Kühlkörper sollte möglichst klein gehalten werden, um möglichst wenig in der Werkstückzugänglichkeit beschränkt zu sein.

Die Fig. 7 zeigt eine Spiegelschneiddüse 58, die im wesentlichen 3, 5 oder 6 unter einem Winkel von 20° bis 40° zur Laserstrahlachse 60 angeordnete und beispielsweise 0,5 mm starke Bohrungen 62 aufweist, deren Mittelachsen innerhalb der Düse zusammentreffen, d. h. der Punkt, in dem die einzelnen Gasströmungen sich zu einem axialen Gasstrahl vereinigen, liegt zum Unterschied zu herkömmlichen Systemen nicht frei im Raum außerhalb der Düse, sondern innerhalb der Düse. Durch Kombination mit einem Abstandssensor über ein Gewinde ist eine Abstandsregelung zum Werkstück möglich.

Die Fig. 8 zeigt eine Schneiddüse 64, die aus einer Spiegelschneiddüse 66 gemäß Fig. 7 und einem im Handel erhältlichen Abstandssensor 68 aufgebaut ist, mit dem die Entfernung zwischen Düse und Werkstück regelbar ist. Die Adaption des Sensors kann auf verschiedene bekannte Weisen erfolgen.

Claims (24)

1. Vorrichtung zum Bearbeiten von Werkstücken mit fokus­ sierten Laserstrahlen, mit einem Bearbeitungskopf, mit Mitteln zur Prozeßgaszufuhr und mit einer Bearbeitungsdüse, dadurch gekennzeichnet, daß der Bearbeitungskopf (10) einen Grundkörper (14) umfaßt, in dem Bohrungen (24, 26, 28) für die Prozeßgaszufuhr und für die Zu- und Abfuhr von Kühlmittel ausgebildet sind, sowie einen am Grundkörper lösbar befestigten Kühlkörper (16), mit dem die Bearbei­ tungsdüse (19) verbindbar ist, der einen Kühlringkanal (36), mit dem die Bohrungen (26, 28) für Kühlmittelzu- und -abfuhr in Verbindung bringbar sind, und einen Gasverteilungsringka­ nal (38) aufweist, der in Verbindung mit der Bohrung (24) zum Zuführen des Prozeßgases bringbar ist und der das Pro­ zeßgas in in der Bearbeitungsdüse (19) ausgebildete Gaszu­ führbohrungen (50, 52) verteilt.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sich der Kühlringkanal (36) über einen Winkel von we­ niger als 360° erstreckt.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sich der Gasverteilungsringkanal (38) über einen Bereich von 360° erstreckt.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Kühlringkanal (36) und der Gasver­ teilungsringkanal (38) auf verschiedenen, hintereinander angeordneten Schnittebenen ausgebildet sind.

5. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Kühlmittelzuführbohrung (42), die Prozeßgaszuführung (46), ein Zentrierstift (48) und die Kühlmittelabführbohrung (44) sowie die zugeordneten Bohrungen (24, 26, 28) und eine dem Zentrierstift zugeordne­ te Zentrierbohrung im Grundkörper (14) in einer Winkelent­ fernung von jeweils 10°-30° angeordnet sind.

6. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Grundkörper (14) und der Kühlkörper (16) mit Hilfe einer Überwurfmutter (18) unter Zwischenschaltung von Dichtungen (21) zur leckfreien Verbin­ dung der Bohrungen für das Kühlmittel und das Prozeßgas verbindbar sind.

7. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Bearbeitungskopf (10) mit Hilfe von Abstandsringen (20) an verschiedene Brennwei­ ten der Laserstrahlfokussiereinrichtung anpaßbar ist.

8. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Gas- und Kühlmittelan­ schlüsse (30, 32) am düsenabseitigen Ende des Bearbeitungs­ kopfes bzw. des Grundkörpers angeordnet sind.

9. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichent, daß zur Zentrierung von Grund­ körper und Kühlkörper im Grundkörper (14) ein ringförmiger Absatz (48) und im Kühlkörper (16) eine dazu komplementäre Ausbildung (49) vorgesehen sind.

10. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß am Kühlkörper (16) eine metallische Dichtfläche (48) zum leckfreien Anschluß der Düsen (19) ausgebildet ist.

11. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Düse (19) eine Laser­ schweißdüse (49) mit Gaszuführbohrungen (50) ist, die unter definierten oder verschiedenen Winkeln zur Wirkstelle (12) der Laserstrahlung angeordnet sind.

12. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeich­ net, daß der Winkel 5° bis 15° beträgt.

13. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeich­ net, daß drei bis sechzehn Gaszuführbohrungen (50) vorge­ sehen sind.

14. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Düse (19) eine Plasma­ jetschweißdüse (51) mit seitlichem Gaszuführrohr (52) ist.

15. Vorrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeich­ net, daß das Gaszuführrohr (52) gekrümmt ist.

16. Vorrichtung nach Anspruch 14 oder 15, dadurch ge­ kennzeichnet, daß das Gaszuführrohr ein gerades freies Ende aufweist.

17. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 14-16, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen Laserstrahlachse (54) und Gaszuführrohr (52) ein Winkel von 30° bis 60° vorgesehen ist.

18. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 14-17, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand zwischen Ende des Gaszu­ führrohres (52) und dem Laserstrahlfokuspunkt bzw. der Wirkstelle (12) 2 bis 10 mm beträgt.

19. Vorrichtung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeich­ net, daß die Länge des geraden freien Endes mindestens 5 mm beträgt.

20. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Düse (19) eine Spiegel­ schneiddüse (58) ist, die mehrere unter einem definierten Winkel zur Laserstrahlachse (60) angeordnete Bohrungen (62) aufweist.

21. Vorrichtung nach Anspruch 20, dadurch gekennzeich­ net, daß der Winkel 20° bis 40° beträgt.

22. Vorrichtung nach Anspruch 20, dadurch gekennzeich­ net, daß drei, fünf oder sechs Bohrungen vorgesehen sind.

23. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 20 bis 22, da­ durch gekennzeichnet, daß die Mittelachsen der Bohrungen innerhalb der Düse zusammentreffen.

24. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Düse eine Schneiddüse (64) ist, die aus einer Spiegelschneiddüse (58) gemäß An­ sprüchen 20 bis 23 und einem handelsüblichen Abstandssensor (68) aufgebaut ist, mit dem die Entfernung zwischen Düse und Werkstück regelbar ist.