DE4005453A1

DE4005453A1 - Einrichtung zur abstandsmessung bei der laser-materialbearbeitung

Info

Publication number: DE4005453A1
Application number: DE4005453A
Authority: DE
Inventors: Rainer Dipl Ing Benecke
Original assignee: LZH Laser Zentrum Hannover eV
Current assignee: LZH Laser Zentrum Hannover eV
Priority date: 1990-02-21
Filing date: 1990-02-21
Publication date: 1991-08-22

Description

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur Abstandsmessung bei der Laser-Materialbearbeitung gemäß Oberbegriff des Anspruchs 1.

Die heutzutage realisierten Abstandssensoriken bei der Abstandsregelung für Laser-Materialbearbeitung, die auf einer kapazitiven oder induktiven Messung des Abstandes zwischen Laserdüse und Werkstück zur Regelung des Abstandes basieren, können nur bei dem Verfahren "Laserschneiden" eingesetzt werden. Die Abstandsregelung ist vor allem bei der Bearbeitung tiefgezogener, dreidimensionaler Bauteile notwendig, um herstellungsbedingte Bautoleranzen ausgleichen zu können. Dabei wird die programmierte Sollbahn des Laser strahles abhängig von der real vorliegenden Geometrie des Bauteiles so geregelt, daß der Abstand zwischen Fokuspunkt des Laserstrahles sowie Bearbeitungsdüse und Werkstück nahezu konstant bleibt, um ein möglichst gutes Bearbeitungs ergebnis zu erzielen. Bedingt durch die erwähnten Meßverfah ren ist eine Messung des Abstandes beim sogenannten "Laser tiefschweißen" nicht oder kaum möglich, da sich über der Wirkstelle der Laserstrahlung ein thermisch induziertes Plasma aufbaut, durch dessen Temperatur und freie elektri sche Ladungen die genannten Arten der Abstandsmessung nicht sinnvoll durchführbar sind.

Es sind auch optische Abstandsmeßeinrichtungen an sich bekannt, die beispielsweise einen Abstand zum Meßla ser umfassen. Da aber beim Laserschweißen das oben erwähnte Plasma induziert wird, das elektromagnetische Strahlung in einem breiten Spektrum mit wesentlich höherer Intensität als die Intensität der Meßlaserstrahlung erzeugt, besteht die Gefahr von Fehlmessungen und der Zerstörung des Empfängers des Meßlasers.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine Einrichtung zur Abstandsmessung bei der Laser- Materialbearbeitung anzugeben, die die Nachteile der bekann ten Abstandssensoren nicht aufweist und die insbesondere den Einsatz eines Abstandsmeßlasers ermöglicht, ohne daß die Gefahr von Fehlmessungen oder der Zerstörung des Meßlasers besteht.

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

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

Mit der erfindungsgemäßen Einrichtung zur Ab standsmessung bei der Laser-Materialbearbeitung kann bei den Verfahren Laserschneiden, Laserschweißen, Laserschweißen mit Tiefschweißeffekt und Laser-Oberflächenbehandlung der Ab stand zwischen Arbeitsdüse und Fokuspunkt bzw. Werkstück zuverlässig geregelt werden. Dabei ist die Art der erfin dungsgemäßen Abstandskontrolle und -regulierung unabhängig von den physikalischen Größen, die die eingangs erwähnten Meßverfahren einschränken. Es ist kein definierter Abstand zwischen Meßlaser und Werkstück wie beispielsweise bei der kapazitiven Abstandssensorik notwendig; der Herstellungs preis für eine Abschirmdüse ist auch bei Einzelanfertigung wesentlich niedriger als für die bei der kapazitiven Ab standssensorik verwendeten Keramikteile.

Durch die erfindungsgemäße Aufgabenlösung wird die Plasmastrahlung wirkungsvoll vom Meßlaser abgeschirmt; gleichzeitig sichert die erfindungsgemäße Ausbildung, daß der Wirkstelle das Prozeßgas in der richtigen Weise zuge führt wird, wobei das Prozeßgas gleichzeitig die Abschirmdü se kühlt, so daß diese durch die Temperatur des Plasmas nicht zerstört werden kann.

Die Erfindung soll nachfolgend anhand der Zeichnung näher erläutert werden. Es zeigt

Fig. 1 eine Prinzipdarstellung einer opti schen Abstandsregelung mit erfin dungsgemäßer Einrichtung zur Ab standsmessung in der Seitenansicht,

Fig. 2 eine Ansicht einer bei der Einrich tung nach Fig. 1 verwendeten Halte rung für eine Abschirmdüse in der Ansicht von unten,

Fig. 3 die Halterung nach Fig. 2 im Schnitt A-A,

Fig. 4 die in Fig. 1 dargestellte Abschirmdüse im Längsschnitt und

Fig. 5 die Abschirmdüse nach Fig. 4 in einem Schnitt senkrecht zum Schnitt nach Fig. 4.

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

Die Fig. 1 zeigt eine Einrichtung 2 zur Abstands messung, die an einer Laserschweißdüse 4 angebracht ist.

Die Einrichtung 2 umfaßt einen Meßlaser 5 mit einem Empfänger 6 für den rückgestreuten Lasermeßstrahl 7, sowie eine Abschirmdüse 8, die auf dem werkstückseitigen Ende der Düse 4 angeordnet ist und wenigstens eine Aus trittsöffnung 10 aufweist, die mit einer in der Düse ausge bildeten Zuführbohrung 12 für Prozeßgas über wenigstens eine Bohrung 14 in Verbindung steht.

Die Abschirmdüse 8 kann auch in einer Halterung 38 angeordnet sein, wie sie in den Fig. 2 und 3 dargestellt ist und die in das untere Ende der Laserschweißdüse 4 ein schraubbar ist, was schematisch in der Fig. 1 durch die gestrichelte Linie 40 angedeutet ist. Die rohrförmige Halte rung 38 weist eine die Mantelwandung in Längsrichtung durch setzende Bohrung 13 auf, die mit der Prozeßgaszuführbohrung 12 im eingeschraubten Zustand ausgerichtet ist. Die Bohrung 13 mündet in der Ausnehmung 19, die zur Austrittsöffnung der Halterung 38 hin geneigt ausgebildet ist.

In den Fig. 4 und 5 ist eine Ausführungsform einer Abschirmdüse näher dargestellt.

Die Abschirmdüse 8 weist ein Befestigungsteil 16 auf, das in eine komplementär ausgebildete Ausnehmung 18, 19 in der stirnseitigen Ringfläche 20, 21 der Düse 4 bzw. der Halterung 38 einsteckbar und mittels einer Schraube 22 fixierbar ist, die in eine Gewindebohrung 23 der Düse 4 bzw. der Halterung 38 einschraubbar ist.

Die Länge der Abschirmdüse ist in Abhängigkeit von der Lage des Laserstrahlfokus bzw. der Wirkstelle 24 auf dem Werkstück 26 wählbar.

Die Abschirmdüse 8 weist hier zwei, das Befesti gungsteil 16 durchsetzende Bohrungen 14 auf, die im einge setzten Zustand der Abschirmdüse mit der Bohrung 13 der Laserstrahldüse 4 und der Bohrung 13 der Halterung 38 in Verbindung stehen. Die Bohrungen 14 münden in einer gemein samen, zur Bearbeitungsstelle 24 hin zeigenden Öffnung 42, die durch eine Ausnehmung 36 gebildet wird, deren untere Begrenzung als Umlenkkante 34 ausgebildet ist, die den Prozeßgasstrom in Richtung Bearbeitungsstelle umlenkt. Die Umlenkung wird dabei vorzugsweise so gewählt, daß der Pro zeßgasstrom unter einem Auftreffwinkel von 30 bis 60° rela tiv zur Senkrechten bzw. Waagerechten auf das Plasma 32 trifft. Das untere freie Ende 44 der Abschirmdüse 8 ist vorzugsweise, wie dargestellt, verjüngt ausgebildet. Außer dem weist die Abschirmdüse zum freien Ende hin etwa im Bereich der Bohrungsmündung 42, 36 eine Abschrägung 46 auf, wodurch die Abschirmdüse sehr nahe an die Bearbeitungsstelle herangebracht werden kann.

Zur Abschirmung der Wärmestrahlung des Plasmas ist die zum Plasma zeigende Fläche mit der Abschirmdüse 8 reflektierend ausgebildet.

Der Lasermeßstrahl 7 fällt auf einen Meßpunkt 30, der möglichst nahe an der Wirkstelle 24 liegen soll, bei spielsweise 1 bis 3 mm von der Wirkstelle entfernt.

An der Wirkstelle 24 bzw. dem Laserstrahlfokus entsteht beim Schweißen ein laserinduziertes Plasma 32. Mit Hilfe der Abschirmdüse 8 wird eine optische Entkopplung von laserinduziertem Plasma 32 und dem Abstandsmeßlaser 5 er reicht. Die Abschirmdüse trennt das Plasma und den Meßpunkt optisch voneinander.

Das durch die Düse 4 mit und ohne Halterung 38 bzw. die Prozeßgaszuführung 12, 13 strömende Prozeßgas 9 hat die eigentliche Aufgabe, die Wirkstelle 24 vor Oxidation zu schützen; das Gas bewirkt aber gleichzeitig eine Kühlung der Abschirmdüse 8, so daß diese nicht durch die Temperatur des Plasmas zerstört werden kann. Das Prozeßgas bewirkt ferner gleichzeitig eine Formung und Kontrolle des Plasmas.

Die Abschirmdüse 8 besteht vorzugsweise aus Mes sing, Kupfer, Keramik oder Wolfram. Sie ist ca. 2 mm dick und 5 bis 20 mm breit. Sie kann ein dünnes ebenes oder flaches, etwa teilkreisförmig zur Wirkstelle hin konkav gebogenes Bauelement sein. Der Krümmungsradius des konkav gebogenen Bauelements kann 5 bis 10 mm betragen. Die Ab schirmdüse 8 wird so an der Schweißdüse 4 oder der Halterung 38 befestigt, daß die untere Kante 0,5 bis 1,5 mm über der Werkstoffoberfläche zu liegen kommt. Die Durchmesser der Bohrungen 14 zur Kühlung und Plasmaformung und -kontrolle liegen zwischen 0,5 und 1,5 mm. Es werden in der Regel eine bis drei solcher Bohrungen 14 vorgesehen.

Claims

1. Einrichtung zur Abstandsmessung bei der Laser-Material bearbeitung mit einer optischen, einen Meßlaser aufweisenden Abstandsmeßanordnung, gekennzeichnet durch
eine Abschirmdüse (8), die auf der der Wirkstelle (24) zugewandten Seite (20) einer Laser-Bearbei tungsdüse (4) zwischen Wirkstelle der Laserstrah lung und Meßpunkt des Meßlasers (5) lösbar angebracht ist und wenigstens eine mit einer im Mantel der Be arbeitungsdüse (4) ausgebildeten Zuführbohrung (12) für Prozeßgas (9) in Verbindung stehende, zur Wirk stelle der Laserstrahlung hin mündende Bohrung (14, 10) aufweist, und so eine optische Entkopplung zwischen Meßlaser, Prozeßlaserstrahl und laserinduziertem Plasma ermöglicht.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Abschirmdüse (8) ein Befestigungsteil (16) aufweist, das in eine in der stirnseitigen Ringfläche (20) der Bear beitungsdüse (4) ausgebildete Ausnehmung (18) einsteckbar und mittels einer im Mantel der Bearbeitungsdüse befindli chen Schraube (22) fixierbar ist.

3. Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn zeichnet, daß die Abschirmdüse (8) ein dünnes ebenes oder flaches, etwa teilkreisförmig und zur Wirkstelle hin konkav gebogenes Bauelement ist.

4. Einrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Krümmungsradius der gebogenen Abschirmdüse (8) 5-10 mm beträgt.

5. Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Abschirmdüse (8) aus Messing, Kupfer, Keramik oder Wolfram besteht.

6. Einrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Bohrung (14) durch das Befestigungsteil (16) hin durchgeht.

7. Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Breite der Abschirmdüse (8) wenigstens 5 mm beträgt.

8. Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Abschirmdüse (8) zum freien Ende hin verjüngt ausgebildet ist.

9. Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke der Abschirmdüse gleich oder größer 1 mm ist.

10. Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Abschirmdüse (8) im Bereich der Mündung der Bohrung (14) zur Bearbeitungsseite bzw. zum Prozeßlaserstrahl hin abgeschrägt ist und am Ende dieser Mündung eine Umlenkkante (34) für das Prozeßgas aufweist.

11. Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Bohrungen (10) in einer Ausnehmung (36) münden, die eine Umlenkkante (38) für das Prozeßgas aufweist.

12. Einrichtung nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekenn zeichnet, daß die Umlenkkante geneigt zur Achse der Boh rung (14) angeordnet ist, derart, daß für den Prozeßgasstrom ein Auftreffwinkel von 30 bis 60° zum Plasma relativ zur waagerechten oder senkrechten Richtung erhalten wird.

13. Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die zum Plasma (32) hin zeigende Oberfläche der Abschirmdüse (8) für die Wärmestrah lung des Plasmas reflektierend ausgebildet ist.

14. Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Abschirmdüse (8) in einer separaten, in das untere Ende der Laserschweißdüse (4) einschraubbaren Halterung (38) angeordnet ist.