DE4212652C2 - Laserbearbeitungskopf mit induktivem Abstandssensor - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Laserbearbeitungskopf gemäß dem Oberbe­ griff des Patentanspruchs 1.

Ein derartiger Laserbearbeitungskopf ist bereits aus der EP 03 44 038 A1 bekannt. Dieser bekannte Laserbearbeitungskopf enthält einen metallischen Düsenkörper, entlang dessen Zentralachse ein Laserstrahl führbar ist, sowie eine an der Spitze des Düsenkörpers außen befestigte und koaxial zur Zentralachse liegende Spulenanordnung zur induktiven Messung des Abstands zwischen ihr und einem zu bearbeitenden Werkstück. Die Spulenanordnung ist dabei an ihrer dem Werkstück zugewandten Stirnseite mit einer Abdeckung versehen, die aus einer Aluminiumoxidkeramik besteht.

Aus der JP 1-122686 A in "Patent abstracts of Japan", 1989, Vol. 13, No. 365, Sec. M-859 ist ein weiterer Laserbearbeitungskopf bekannt, in den Temperatursensoren integriert sind, um bei der induktiven Abstandsmessung eine Temperaturkompensation durchführen zu können.

Ferner ist es aus der US 4 772 772 bekannt, einen Düsenkörper für einen Laserbearbeitungskopf dadurch aufzubauen, daß man ein Teil mit einem Innengewinde auf ein Außengewinde eines anderen Teils aufschraubt.

Mit Hilfe eines Laserbearbeitungskopfs können z. B. Schweiß­ arbeiten, Schneidarbeiten, usw., durchgeführt werden, wobei die Ab­ standsmessung unter Verwendung der Spulenanordnung unmittelbar im Bearbeitungsbereich des Werkstücks erfolgt. Hierbei besteht allerdings die Gefahr, daß die Spulenanordnung bei der Werkstückbearbeitung be­ schädigt wird, und zwar durch am Werkstück reflektierte Laserstrahlung oder durch heiße Materialspritzer, die durch die Werkstückbearbeitung verursacht werden.

Die Lebensdauer des Laserbearbeitungskopfs ist daher nur ge­ ring.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, den Laserbearbei­ tungskopf der eingangs genannten Art so weiterzubilden, daß insbesondere seine Spulenanordnung während eines Bearbeitungsvorgangs besser vor thermischen und mecha­ nischen Beanspruchungen geschützt und er somit länger verwendbar ist.

Die Lösung der gestellten Aufgabe findet sich im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind den Unteransprüchen zu entnehmen.

Üblicherweise besteht bei einem Laserbearbeitungskopf der genannten Art der Düsenkörper aus einem metallischen Material, beispielsweise aus Stahl oder aus Kupfer. Ein derartiges Material weist einen hohen Refle­ xionskoeffizienten und eine gute Wärmeleitfähigkeit auf, so daß Strah­ lungsenergie nur schwer eindringt und Wärme schnell abgeführt wird.

Wird die Spitze des Düsenkörpers von innen nach außen über die werk­ stückseitige Stirnfläche der Spulenanordnung gezogen, so wird auf diese Weise ein guter Schutz der Spulenanordnung gegenüber Laserstrahlung erzielt, die beim Bearbeiten des Werkstücks am Werkstück reflektiert wird. Zudem ergibt sich gleichzeitig auch ein Schutz der Spulenanordnung gegenüber heißen Materialspritzern, die beim Bearbeitungsvorgang er­ zeugt werden.

Durch die besondere Ausbildung des Düsenkörpers im Spitzenbereich der Spulenanordnung wird allerdings eine Art Wirbelstromkurzschluß gebil­ det, was zu relativ großen Verlustleistungen führt. Die Erfinder haben je­ doch erkannt, daß bei einem Abstand zwischen Laserbearbeitungskopf und Werkstück von einem oder wenigen Millimetern die Spulenanordnung noch eine hinreichend große Sensorempfindlichkeit aufweist, wenn allein mit dem Streufeld der Spule operiert wird und das Hauptfeld im Innern der Spule praktisch kurzgeschlossen ist.

Nach einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist der Düsenkörper auch über die dem Werkstück abgewandte Stirnseite der Spulenanord­ nung geführt, und zwar vorzugsweise so, daß ein möglichst symmetrischer Aufbau erhalten wird. Mit anderen Worten übergreift der Düsenkörper die Spulenanordnung an ihrer oberen und unteren Stirnseite in der gleichen Weise bzw. mit gleichen Materialstärken, so daß die Feldeinkoppelung in die Spulenanordnung möglichst symmetrisch ist. Das Ziel besteht darin, im oberen und unteren Bereich der Spulenanordnung eine gleiche Feldli­ nienführung zu erhalten.

Dies ist insbesondere dann von Vorteil, wenn die Spulenanordnung eine zentrale Sendespule und zwei Empfangsspulen aufweist, von denen je­ weils eine an einer Axialseite der Sendespule liegt. Die Empfangsspulen weisen dann bei gleicher Windungszahl die gleiche Empfindlichkeit auf, wodurch sich die Spulenanordnung in einfacher Weise abgleichen läßt, wenn sich kein Werkstück in der Nähe befindet. Beispielsweise können die Empfangsspulen in Differenzschaltung miteinander verbunden sein, um auf diese Weise einen Abgleich auf Null durchführen zu können.

Für den Fall eines noch besseren Abgleichs bei unsymmetrischer Feldein­ kopplung in die Empfangsspulen können diese auch mit unterschiedli­ chen Windungszahlen versehen werden.

Die Spulenanordnung muß nicht unbedingt aus drei Spulen bestehen, sondern kann auch nur eine Spule oder eine andere geeignete Anzahl von Spulen enthalten, je nach Bedarf. Aber auch bei nur einer einzigen Spule ist eine symmetrische Feldeinkopplung vorteilhaft, um eine hohe Spulen­ empfindlichkeit im Hinblick auf Abstandsänderungen zwischen Spulen­ anordnung und Werkstück zu erzielen.

Nach einer sehr vorteilhaften weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist die Spulenanordnung auf einem Spulenkörper angeordnet, der auf eine mit dem stirnseitigen Umfangsflansch versehene Hülse aufgesteckt ist, wel­ che an ihrem dem Umfangsflansch abgewandten Ende einen Ansatz des Düsenkörpers haltend übergreift.

Die Spulenanordnung kann somit in einfacher Weise auf die Spitze eines Laserbearbeitungskopfs aufgesetzt werden, indem lediglich die Hülse auf den genannten Ansatz aufgesetzt bzw. aufgeschraubt wird. Die Hülse und ihr stirnseitiger Umfangsflansch sind vorzugsweise einstückig miteinan­ der verbunden. Sie bestehen aus einem Metall, beispielsweise aus Kupfer oder Stahl, wobei der Umfangsflansch den thermischen und mechani­ schen Schutz des Stirnseitenbereichs der Spulenanordnung gewährlei­ stet, welcher beim Betrieb dem Werkstück gegenüber liegt.

Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist an der Seite des Umfangsflanschs eine Düsenspitze in die Hülse eingeschraubt. Diese Düsenspitze, die ebenfalls aus Kupfer hergestellt sein kann, läßt sich einerseits zur weiteren Bündelung eines Kühlgasstroms verwenden, der gegebenenfalls durch den Düsenkörper hindurchgeleitet wird, und an­ dererseits in begrenztem Maße zum weiteren Abgleich der Spulenanord­ nung. Er dient praktisch als Teil des Spulenkerns.

Nach einer sehr vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung sind wenig­ stens der Spulenkörper und die Spulenanordnung oder aber der Düsen­ körper, der Spulenkörper und die Spulenanordnung durch eine Verguß­ masse miteinander vergossen. Die Vergußmasse kann z. B. ein Epoxid­ harzkleber mit Keramikfüllstoff sein. Die Vergußmasse weist im ausgehär­ teten Zustand nicht nur eine hohe Hitzebeständigkeit und mechanische Festigkeit auf, sondern ist auch resistent gegenüber Flüssigkeiten und Gasen, so daß sich der Einsatzbereich des Laserbearbeitungskopfs bei gleichzeitigem Schutz seiner Spulenanordnung erheblich erweitern läßt.

Ein derartiger Laserbearbeitungskopf kann z. B. zum Unterwasserschnei­ den benutzt werden, wobei dann das zu bearbeitende Werkstück ganz oder teilweise unter Wasser liegt. Da Wasser die Laserstrahlung gut absorbiert, sollte der Schneidbereich weitgehend wasserfrei gehalten werden. Hierzu wird ein Schneidgas in den Raum zwischen Fokussierlinse und Schneid­ düse geführt, wobei es koaxial zum Laserstrahl aus der Spitze des Düsen­ körpers austritt. Wird die Spitze des Laserbearbeitungskopfs in diesem Zustand in das Wasser eingetaucht, so verhindert das Schneidgas, daß Wasser ins Innere des Laserbearbeitungskopfs eindringen kann. Das Schneidgas bildet dann am Werkstück eine um den Bearbeitungsbereich herum liegende Schutzglocke, so daß der Laserstrahl in einem eng be­ grenzten Bereich auf das Werkstück auftreffen und dieses bearbeiten kann.

Ähnlich wird auch beim Prinzip der Wasserdüsung gearbeitet. Hierbei liegt das Werkstück nicht gänzlich unter Wasser, sondern wird nur mit Hilfe ei­ ner außen am Laserbearbeitungskopf angeordneten Sprühdüse besprüht. Es kann z. B. auch in eine spezielle Schneiddüse injiziert werden, so daß es vermischt mit dem Schneidgas in eine Schnittfuge geblasen wird. Das Wasser gelangt so einerseits in den Wirkungsbereich des Laserstrahls, wo es sofort verdampft, und andererseits auf die Bearbeitungs- bzw. Schnitt­ fläche, um das Werkstück zu kühlen. Durch Verändern der Wassermenge kann diese Wirkung gezielt gesteuert werden.

In jedem Fall ist die Spulenanordnung vor Feuchtigkeitseinflüssen ge­ schützt, so daß sie beim Arbeiten in feuchter Atmosphäre nicht beschädigt wird.

Der genannte Laserstrahl kann z. B. mit Hilfe eines CO₂-Lasers erzeugt werden und zum Schneiden von Stahlblechen verwendet werden. Ganz all­ gemein ergeben sich beim Laserbrennschneiden mit Flüssigkeitszusatz, z. B. mit Wasserzusatz, folgende Möglichkeiten:

• a) Es können Werkstoffe getrennt werden, die aufgrund thermischer Über­ lastungen in die Kategorie "schwer oder nur bedingt laserschneidbar" ein­ zuordnen sind (z. B. Verbundwerkstoffe, etwa kunststoffbeschichtete Ble­ che, und dergleichen).
• b) Werkstoffe können getrennt werden, die durch thermisch bedingte Zer­ setzungsprodukte hohe Schadstoffbelastungen durch Emission gesund­ heitsgefährdender Stäube, Aerosole oder Gase hervorrufen.
• c) Es können sehr kleine Bauteile voneinander getrennt sowie Bauteile mit feinen Schnittstrukturen erzeugt werden.

Mit Hilfe des erfindungsgemäßen Laserbearbeitungskopfs können darü­ ber hinaus sämtliche Verfahren zur Schnittverbesserung, wie Regelung der Fokuslage, Pulsbetrieb und Laserleistungsregelung im Zusammen­ hang mit einer Objektkühlung durch Flüssigkeit kombiniert werden, was zu einer weiteren verbesserten Schnittqualität der bearbeiteten Werk­ stücke führt.

Die Abstandssignale der Spulenanordnung werden nach allgemein be­ kannten Methoden ausgewertet und schaltungstechnisch in eine Regel­ spannung umgewandelt, die den Laserbearbeitungskopf über einen Ab­ standsantrieb auf einen voreingestellten Abstand relativ zum Werkstück positioniert. Dadurch wird eine konstante Fokuslage des Laserstrahls ge­ währleistet, die ebenfalls direkten Einfluß auf das Schnittergebnis hat.

Die Erfindung wird nachstehend unter Bezugnahme auf die einzige Figur näher beschrieben.

Ein Laserbearbeitungskopf enthält gemäß dieser Figur einen Düsenkörper 1, mit einem sich konisch verjüngenden Innenkanal 2, dessen Zentralach­ se 3 die optische Achse des Düsenkörpers 1 bildet. Entlang dieser Zentral­ achse 3 verläuft ein fokussierter Laserstrahl 4, dessen Brennpunkt 5 au­ ßerhalb des Düsenkörpers 1 zu liegen kommt.

Der Düsenkörper 1 besteht aus einem düsenförmigen Basiskörper 6, der an seiner Lichteingangsseite mit einem Außengewinde 7 versehen ist, über das er in ein entsprechend ausgebildetes Innengewinde einer nicht darge­ stellten Trägereinrichtung eingeschraubt werden kann. Das andere Ende des Basiskörpers 6 trägt einen Ansatz 8 mit Außengewinde 9. Zwischen dem Außengewinde 7 und dem Außengewinde 9 weist der Basiskörper 6 ei­ nen äußeren Umfangsflansch 10 auf, der konstante Dicke und konstanten Durchmesser besitzt und sowohl das Außengewinde 7 als auch das Außen­ gewinde 9 in Radialrichtung überragt.

Auf das Außengewinde 9 des Ansatzes 8 ist mit einem entsprechenden In­ nengewinde eine Hülse 11 aufgeschraubt. Diese Hülse 11 ist einstückig mit einem Umfangsflansch 12 verbunden, der radial nach außen absteht und sich an dem dem Ansatz 8 abgewandten Ende der Hülse 11 befindet. Dieser Umfangsflansch 12 der Hülse 11 bildet die Stirnfläche des Düsen­ körpers 1, welche im Betrieb einem Werkstück 13 gegenüber liegt. Dabei weist der Umfangsflansch 12 dieselbe axiale Dicke und denselben Außen­ durchmesser wie der Umfangsflansch 10 auf.

Ein Spulenkörper 14 ist passend auf die Hülse 11 aufgesetzt und schlägt mit seiner dem Werkstück 13 zugewandten Seite gegen die Innenwand des Umfangsflanschs 12. Die axiale Länge des Spulenkörpers 14 ist dabei so gewählt, daß er mit dem dem Umfangsflansch 12 abgewandten Ende der Hülse 11 fluchtet. Mit anderen Worten liegt der Spulenkörper 14 passend zwischen den Umfangsflanschen 10 und 12 auf der Hülse 11, wenn die Hülse 11 vollständig auf das Außengewinde 9 des Ansatzes 8 aufge­ schraubt ist. Dabei kann der Spulenkörper 14 durch die Umfangsflansche 10 und 12 eingeklemmt werden.

Im vorliegenden Fall weist der Spulenkörper 14 auf seiner äußeren Um­ fangsfläche drei in Axialrichtung zueinander versetzt angeordnete, ring­ förmige Ausnehmungen 15, 16 und 17 auf, in denen sich Ringspulen 18, 19 und 20 befinden. Die Ringspule 19 dient als Sendespule und befindet sich zwischen den Ringspulen 18 und 20, die als Empfangsspulen dienen und in Differenzschaltung geschaltet sind. Die Windungszahl der jeweili­ gen Ringspulen 18, 19 und 20 ist geeignet gewählt, wobei stromführende Leitungen dieser Ringspulen über ein Kabel 21 nach außen geführt sind, das in Ausnehmungen des Spulenkörpers 14 verläuft und den Umfangs­ flansch 10 durchsetzt.

Die außen liegenden Umfangsflächen der Ringspulen 18, 19, 20 des Spu­ lenkörpers 14 und der Umfangsflansche 10 und 12 sind z. B. durch einen Epoxidharzkleber 22 mit Keramikfüllstoff abgedeckt, um auf diese Weise die durch die Ringspulen 18, 19 und 20 gebildete Spulenanordnung hermetisch abzudichten. Auf diese Weise wird gewährleistet, daß die Spu­ lenanordnung weder durch Feuchtigkeit noch durch Gase beschädigt werden kann. Darüber hinaus wird durch die Vergußmasse 22 auch noch ein mechanischer Schutz für die Spulenanordnung erhalten.

Gegen zu hohe Wärmeeinstrahlung und Materialspritzer, die z. B. beim Schneiden des metallischen Werkstücks 13 entstehen können, ist die Spu­ lenanordnung durch den Umfangsflansch 12 der Hülse 11 geschützt. Hülse 11 und Umfangsflansch 12 bestehen vorzugsweise aus Kupfer, das ein hohes Reflexionsvermögen aufweist, so daß nicht in so starkem Maße am Werkstück 13 reflektierte Laserstrahlung in den Düsenkörper 1 einge­ koppelt werden kann. Vorhandene Wärme in der Hülse 11 und im Um­ fangsflansch 12 wird andererseits schnell abgeführt, und zwar über den Ansatz 8 zum Basiskörper 6, der ebenfalls aus Metall be­ steht, beispielsweise aus Kupfer oder aus Stahl. Der Spulenkörper 14 be­ steht vorzugsweise aus Keramik.

In die dem Werkstück 13 zugewandte Stirnseite der Hülse 11 ist weiterhin eine Düsenspitze 24 hineingeschraubt, deren konisch sich zum Werk­ stück 13 hin verjüngender Innenkanal die Spitze des Innenkanals 2 bildet. Die Düsenspitze 24 besteht vorzugsweise ebenfalls aus Kupfer und dient einerseits dazu, eine Austrittsöffnung für den Innenkanal 2 zu bilden. Mit Hilfe der Düsenspitze 24 läßt sich darüber hinaus die Spulenanordnung abgleichen, je nachdem, wie weit die Düsenspitze 24 ins Innere der Hül­ se 11 geschraubt wird. Der Abgleich der Spulenanordnung erfolgt dabei so, daß bei nicht vorhandenem Werkstück 13 die einander entgegengesetzt geschalteten Empfängerspulen 18 und 20 ein Ausgangssignal von null Volt ausgeben, wenn die Sendespule 19 in Betrieb ist.

In den Düsenkörper 1 sind wenigstens an einer oder in Umfangsrichtung an mehreren unter gleichen Abständen voneinander liegenden Stellen ein oder mehrere Temperatursensoren 25 integriert. Sie sollen die Sensoran­ ordnung vor Überhitzung schützen. Der oder die Temperatursensoren überwachen die Sensoranordnung "online". Überschreitet die Temperatur einen vorbestimmten kritischen Wert, hervorgerufen z. B. durch einen auftreffenden Laserstrahl oder ungenügende Kühlung durch das Schneid­ gas, kann der Laser abgeschaltet werden. Temperatursensoren können auch im Spulenkörper 14 integriert sein, wobei auch jeweils einer im Be­ reich einer der Ringspulen 18, 19, 20 zu liegen kommen kann, beispiels­ weise unterhalb der jeweiligen Ringspulen. Auf diese Weise läßt sich das von den Ring- bzw. Empfangsspulen detektierte Signal hinsichtlich Tem­ peraturschwankungen zusätzlich kompensieren.

Claims (14)

1. Laserbearbeitungskopf, mit

• - einem metallischen Düsenkörper (1), entlang dessen Zentralachse (3) ein Laserstrahl (4) führbar ist, und
• - einer an der Spitze des Düsenkörpers (1) außen befestigten und koaxial zur Zentralachse (3) liegenden Spulenanordnung (18, 19, 20) zur induktiven Messung des Abstands zwischen ihr und einem zu bearbeitenden Werkstück (13),
• - wobei die Spulenanordnung (18, 19, 20) an ihrer dem Werkstück (13) zugewandten Stirnseite mit einer Abdeckung versehen ist,
  dadurch gekennzeichnet, daß
• - die Abdeckung durch einen metallischen Umfangsflansch (12) des Düsenkörpers (1) gebildet und
• - die Abstandsmessung nur unter Verwendung des elektromagnetischen Streufeldes der Spulenanordnung (18, 19, 20) durchführbar ist.

2. Laserbearbeitungskopf nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß ein weiterer metallischer Umfangsflansch (10) des Düsenkörpers (1) die dem Werkstück (13) abgewandte Stirnseite der Spulenanordnung (18, 19, 20) übergreift.

3. Laserbearbeitungskopf nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Umfangsflansch (12) und der weiteren Umfangsflansch (10) dieselbe axiale Dicke und denselben Außendurchmesser aufweisen.

4. Laserbearbeitungskopf nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Spulenanordnung (18, 19, 20) auf einem Spulenkörper (14) angeordnet ist, der auf eine mit dem stirnseitigen Umfangsflansch (12) versehene Hülse (11) aufgesteckt ist, welche an ihrem dem Umfangsflansch (12) abgewandten Ende einen Ansatz (8) des Düsenkörpers (1) haltend übergreift.

5. Laserbearbeitungskopf nach Anspruch 4, dadurch gekennzeich­ net, daß an der Seite des Umfangsflanschs (12) eine Düsenspitze (24) in die Hülse (11) eingeschraubt ist.

6. Laserbearbeitungskopf nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekenn­ zeichnet, daß wenigstens die Hülse (11) und der Umfangsflansch (12) aus Kupfer bestehen.

7. Laserbearbeitungskopf nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens Spulenkörper (14) und Spulenanord­ nung (18, 19, 20) durch eine Vergußmasse (22) miteinander vergossen sind.

8. Laserbearbeitungskopf nach Anspruch 7, dadurch gekennzeich­ net, daß die Vergußmasse (22) ein Epoxidharzkleber mit Keramikfüllstoff ist.

9. Laserbearbeitungskopf nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Spulenanordnung (18, 19, 20) eine zentrale Ringspule (19) als Sendespule und zwei Ringspulen (18, 20) als Empfangsspulen aufweist, von denen jeweils eine an einer Axialseite der Sendespule (19) liegt.

10. Laserbearbeitungskopf nach Anspruch 9, dadurch gekennzeich­ net, daß die Empfangsspulen (18, 20) unterschiedliche Windungszahlen aufweisen.

11. Laserbearbeitungskopf nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Empfangsspulen (18, 20) in Differenzschaltung geschaltet sind.

12. Laserbearbeitungskopf nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Spulenanordnung aus einer einzigen Spule be­ steht.

13. Laserbearbeitungskopf nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß in den Düsenkörper (1) wenigstens ein Temperatur­ sensor (25) integriert ist.

14. Laserbearbeitungskopf nach Anspruch 13, dadurch gekennzeich­ net, daß jeweils ein Temperatursensor im Bereich einer Empfangsspule (18, 20) angeordnet ist.