DE4329322A1 - Laser-Schweißvorrichtung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Laser-Schweißkopf zur Bearbei­ tung von metallischen Werkstücken und insbesondere einen Laser-Arbeitsschweißkopf, welcher mit einer Luftausstoßvor­ richtung zur Bildung eines Luftvorhangs zwischen einer Laserstrahl-Sammellinse und einem Werkstück ausgestattet ist.

Typischerweise sind Laser-Arbeitsschweißköpfe oder -geräte zur Bearbeitung oder zur Verarbeitung von metallischen Werkstücken mittels Laserstrahl, beispielsweise zum Schweißen von metallischen Werkstücken oder zum Schneiden eines metallischen Werkstückes, mit einer Strahlsammellinse versehen, welche innerhalb eines Gehäuses gehalten wird, das mit einer Öffnung ausgebildet ist, durch welche der Laserstrahl auf ein Werkstück gerichtet wird. Ein derartiges Laser-Arbeitsgerät fokussiert und richtet einen Hochenergie- Laserstrahl, der von einem Hochleistungs-Laser erzeugt wird, wie einem Kohledioxid-Laser, mit einer Sammellinse auf ein metallisches Werkstück, um einen angestrahlten Teil des metallischen Werkstücks zu schmelzen. Ein Laser- Arbeitsgerät dieser Art ist beispielsweise aus der japani­ schen ungeprüften Gebrauchsmusterveröffentlichung Nr. 63-127 794 bekannt.

Üblicherweise sind Laser-Arbeitsgeräte dieser Art mit einer Gaseinblasvorrichtung zum Einblasen eines Edelgases, wie Argongas, und zum Richten des Gasstrahles auf ein Werkstück versehen, so daß ein Bereich des Werkstücks in einer Edel­ gasatmosphäre gehalten wird, so daß auf diese Weise ver­ hindert wird, daß das Werkstück, insbesondere der gerade bearbeitete Teil, oxidiert.

Ein bei diesen Laser-Arbeitsvorrichtungen auftretendes Pro­ blem besteht darin, daß geschmolzene Teilchen von einem Werkstück abspritzen und an der Sammellinse anhaften. Aus diesem Grund ist die Laser-Arbeitsvorrichtung typischer­ weise mit einer Schutzglasscheibe, welche wiederum zwischen der Sammellinse und einem Werkstück angeordnet ist, sowie einer Lufteinblasvorrichtung versehen, durch welche ein Luftvorhang in der Weise gebildet wird, daß er sich durch die Achse des Laserstrahls erstreckt und diese unter etwa einem rechten Winkel schneidet. Durch die Schutzglasscheibe und den Luftvorhang wird die Sammellinse gegen streuende, geschmolzene Spritzer geschützt.

Obwohl sich ein Edelgas und ein Luftvorhang nicht stören, ermöglicht es jedoch der den Laserstrahl ungefähr recht­ winklig schneidende Luftvorhang ohne weiteres, daß ge­ schmolzene Teilchen, die in Richtung auf die Sammellinse spritzen, hindurchgehen. Um zu verhindern, daß geschmolzene Spritzer durch den Luftvorhang hindurchgehen, wird vorge­ schlagen, daß die Lufteinblasvorrichtung Luft mit Hochdruck einblasen muß. In diesem Fall erzeugt ein Hochdruck-Luft­ vorhang jedoch einen Unterdruck in der Umgebung, so daß das Problem entsteht, daß von einem Werkstück abspritzende Schmelze noch leichter durch den Luftvorhang hindurchgeht. Diese durch den Luftvorhang hindurchgegangenen, geschmolze­ nen Spritzer haften an der Schutzglasscheibe. Das erfordert das Reinigen der verschmutzten Schutzglasscheibe oder das Ersetzen der verschmutzten Schutzglasscheibe durch eine neue, wobei jede der Alternativen unerwünscht ist.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine neue Anord­ nung für ein Laser-Bearbeitungsgerät zu schaffen, welches mit einer Sammellinse zum Fokussieren eines Laserstrahls und zum Richten des Laserstrahls auf ein Werkstück versehen ist, bei welcher ein zwischen der Sammellinse und einem Werkstück mit besserer Wirkung ausgebildeter Luftvorhang verhindert, daß vom Werkstück abspritzende Schmelzteilchen die Sammellinse erreichen.

Diese Aufgabe der Erfindung wird dadurch gelöst, daß ein Laser-Bearbeitungsgerät zur Bearbeitung eines Werkstücks vorhanden ist, welches sich in eine Richtung bewegt, und ei­ nen Laserstrahl von einem Laser aufweist, welcher mittels einer Leitvorrichtung für die Laserstrahlung geführt wird. Das Gerät umfaßt ein Gehäuse, in welchem ein Laser-Arbeits­ kopf des Geräts eingebaut ist und welcher wiederum eine Sammellinse aufweist, die stationär in einem am Gerät befe­ stigten Gehäuse gehalten wird, welche einen Laserstrahl fo­ kusiert und ihn etwa vertikal auf ein Werkstück richtet, welches sich horizontal unterhalb des Laser-Arbeitsgerätes bewegt. Das Gerät ist mit einer Gaseinblasvorrichtung und einer Lufteinblasvorrichtung versehen, welche beide am Gehäuse oder Rahmen des Geräts befestigt sind. Die Gasein­ blasvorrichtung endet in einer Düse, die ein Edelgas ausbläst und richtet es nach vorne bezüglich der Richtung, in welcher das Werkstück sich während der Bearbeitung be­ wegt, und auf den Ort zu, wo der Laserstrahl fokussiert wird, um den Bereich des Werkstücks einzuschließen, welcher mit Edelgas bestrahlt wird. Ferner bläst die Lufteinblasvor­ richtung zumindest eine Laminar-Luftströmung, und vorzugs­ weise zwei, in der Art eines Luftvorhangs zwischen der Sam­ mellinse und dem Werkstück aus und richtet ihn in der Wei­ se, daß der Laminar-Luftstrom die Achse des vertikal nach unten gerichteten Laserstrahls zwischen der Sammellinse und dem Werkstück etwa unter einem spitzen Winkel zum Laser­ strahl kreuzt.

Der Laminar-Luftstrom ist auch unter einem spitzen Winkel auf die Werkstückoberfläche gerichtet und zwar an einem Punkt stromabwärts von dem bestrahlten Bereich des Werkstücks, dem Punkt, auf welchen der Laserstrahl fokus­ siert ist.

Die Lufteinblasvorrichtung umfaßt insbesondere eine Luftdüse, die mindestens eine, und bevorzugt zwei, schlitz­ artige Öffnungen aufweist, die sich horizontal erstrecken und vertikal beabstandet sind.

Das Gerät umfaßt ferner ein Abdeckteil, wie eine im wesent­ lichen vertikal ausgerichtete U-förmige Wand, welche so ge­ staltet und angeordnet ist, daß sie die Laminar- Luftströmung umgibt.

Gemäß dem erfindungsgemäßen Laser-Bearbeitungsgerät bläst die Gaseinblasvorrichtung ein Edelgas auf das Werkstück, während ein Laserstrahl auf das Werkstück gerichtet ist, und leitet das Edelgas auf einen Punkt auf dem Werkstück, auf welchen der Laserstrahl fokusssiert ist, und gleichzeitig bildet die Lufteinblasvorrichtung wenigstens eine Lami­ narströmung aus Hochdruckluft, d. h. einen Hochdruck-Luft­ vorhang, und leitet ihn auf die Weise, daß der Luftvorhang die Achse des Laserstrahls unter einem spitzen Winkel in Bezug auf den Strahl und das Werkstück schneidet. Da die Luft-Laminarströmung oder der Vorhang genau stromabwärts dorthin gerichtet ist, wo der Laserstrahl fokussiert und das Edelgas hingeleitet wird, wird weder eine Störung zwischen dem Edelgas und dem Luftvorhang noch das Streuen von Sprit­ zern vom Werkstück auf die Sammellinse verursacht. Da fer­ ner der Lufteinblaskopf innerhalb der U-förmigen Schutzab­ deckung liegt, so daß der Luftvorhang umschlossen wird, nimmt der Luftvorhang keine Schmelzspritzer in der umgeben­ den Luft auf.

Die vorstehend beschriebenen sowie andere Aufgaben und Merkmale der vorliegenden Erfindung werden aus der folgen­ den Beschreibung unter Bezugnahme auf ein bevorzugtes Aus­ führungsbeispiel der Erfindung noch deutlicher verständ­ lich, wenn man die Zeichnungen heranzieht. Es zeigen:

Fig. 1 eine Vorderansicht eines wesentlichen Teils einer Laser-Schweißvorrichtung gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung;

Fig. 2 eine Seitenansicht der Laser-Schweißvorrichtung gemäß Fig. 1; und

Fig. 3 eine Draufsicht auf die Laser-Schweißvorrichtung gemäß Fig. 1.

Gemäß Fig. 1 und 2 ist ein Laser-Arbeitsschweißkopf 10 gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt. Der Laser-Schweißkopf 10 ist Teil einer Schweißmaschine (nicht dargestellt). Unterhalb dieses Laser-Schweißkopfes 10 befindet sich ein als Schlit­ ten 2 ausgebildeter Tisch, auf welchem metallische Werkstücke, wie flache Aluminiumplatten 3 und 4, angeordnet sind, und zwar so, daß ihre Ränder als überlappte Naht auf­ einanderliegen. In diesem Ausführungsbeispiel geht es als spezielle Bearbeitung um das Schweißen von überlappten Nähten mittels des Laser-Schweißkopfes 10, aber es sind auch andere und verschiedenartige Bearbeitungen in Betracht zu ziehen. Insbesondere fokussiert der Laser-Schweißkopf 10 einen Laserstrahl Lb und richtet ihn auf die überlappte Naht 30 der übereinandergelegten, flachen Aluminiumplatten 3 und 4. Während des Schweißvorgangs bewegt sich der Schlit­ ten 2 horizontal und linear in eine durch einen Pfeil A ge­ zeigte Richtung, in welche sich die überlappte Naht 30 er­ streckt.

Auf diese Weise wird die überlappte Naht der flachen Alumi­ niumplatten 3 und 4 bezüglich des Laserstrahls Lb kontinu­ ierlich bewegt, wobei die flachen Aluminiumplatten 3 und 4 entlang ihrer Ränder mit einer überlappten Nahtschweißung verschweißt werden.

Der Laser-Schweißkopf 10 hat ein im wesentlichen zylindri­ sches Gehäuse 15, welches starr mittels eines Klemmarms 16 gehalten wird, der sich von einem vertikal ausgerichteten Stützarm 11 der Schweißmaschine erstreckt. Innerhalb des Gehäuses des Laser-Schweißkopfes 10 endet ein flexibles Fa­ serkabel 12. Das Kabel 12 kommt von einem Hochleistungs- Laser (nicht dargestellt), wie einem YAG (Yttrium Aluminium Granat) Laser, um eine YAG Laserstrahlung in den oberen Teil des Gehäuses 15 zu führen oder zu übertragen und den­ selben vertikal nach unten zu richten. Beim Gehäuse 15 han­ delt es sich im wesentlichen um einen am oberen Ende ge­ schlossenen Zylinder, dessen offenes unteres Ende 10a pas­ send mit einer Schutzglasscheibe 18 in einem bestimmten Ab­ stand über dem Schlitten 2 zu liegen kommt. Innerhalb des Gehäuses 10 ist eine Sammellinse 20 vorhanden, mit welcher der vom Faserkabel 12 geführte Laserstrahl Lb auf die über­ lappte Naht 30 der flachen Aluminiumplatten 3 und 4 foku­ siert wird, um diese zu schmelzen und zu verschweißen, während sich der Schlitten 2 in die Richtung A bewegt.

Eine im wesentlichen U-förmige Schutzabdeckwand 21 ist am unteren Ende des Stützrahmens 11 angebracht und erstreckt sich horizontal in der Weise, daß ein Raum unter dem Gehäuse 15 oberhalb des Tisches 2 umfaßt wird. Die Abdeck­ wand 21 ist aus einem oberen Wandteil oder Kragen, der nach außen geneigt hängt, und einem einstückigen unteren Wand­ teil oder Kragen zusammengesetzt, welcher nach innen ge­ neigt hängt, wobei die Verbindung oder der Rand zwischen beiden den größten Durchmesser hat.

Innerhalb der Schutzabdeckwand 21 sind ein Lufteinblaser 22 und ein Gaseinblaser 23 vorhanden, welche beide an der Schutzabdeckwand 21 befestigt sind. Wie im einzelnen in den Fig. 1 und 3 gezeigt ist, ist die Schutzabdeckwand 21 so gestaltet, daß sie in drei Richtungen öffnet. Das heißt, die Schutzabdeckwand 21 ist mit einer oberen Öffnung 21a im oberen Wandteil, welches dem Gehäuse 15 des Laser-Schweißkop­ fes 10 gegenüberliegt, einer unteren Öffnung 21b im unteren Wandteil, welches dem Schlitten 2 gegenüberliegt, und einer Öffnung (bestimmt durch die Öffnung des U) versehen, welche vorwärts in Richtung A gerichtet ist, in welcher sich der Schlitten 2 bewegt. Die auf diese Weise gestaltete Schutz­ abdeckwand 21 stört nicht den Durchgang oder das Fokussieren des Laserstrahls Lb, welcher zwischen der Sammellinse 20 und dem Schlitten 2 konvergiert und läuft.

Der Gaseinblaser 23, welcher aus einer Edelgasquelle (nicht dargestellt) gespeist wird, ist an der Schutzabdeckwand 21 in der Nähe der oberen Öffnung 21a befestigt und bläst ein Edelgas, wie ein Argongas, ein und leitet es auf die über­ lappte Naht 30 der flachen Aluminiumplatte 3 und 4. Insbe­ sondere hat der Gaseinblaser 23 eine Gaseinblasdüse 23b, welche sich durch die untere Öffnung 21b der Schutzabdeck­ wand 21 von einem Gasrohr 21a erstreckt. Die Düse 23b führt bis nahe an den Schlitten 2 und ist auf den Bereich der überlappten Naht 30 der flachen Aluminiumplatten 3 und 4 auf dem Schlitten 2 gerichtet, der bestrahlt und geschweißt wird, so daß ein Edelgasstrom Gi dorthin geleitet wird und den Bereich abdeckt, wo der Laserstrahl Lb auf die über­ lappte Naht 30 der flachen Aluminiumplatten 3 und 4 auf dem Schlitten 2 fokusssiert ist. Dementsprechend ist der Bereich der überlappten Naht 30 der flachen Aluminiumplatten 3 und 4, welcher der Bestrahlung mit Laserenergie ausgesetzt ist, in einer Edelgasatmosphäre abgedeckt oder geschützt.

Der Lufteinblaser 22, welcher wiederum Hochdruckluft zu ei­ nem Raum zwischen dem Laserschweißkopf 10 und dem Schlitten 2 bläst, ist innerhalb der Schutzabdeckwand 21 angeordnet und am unteren Ende des Stützrahmens 11 befestigt. Der Lufteinblaser 22 endet in einem Lufteinblaskopf 22a, der nach unten geneigt und so gerichtet ist, daß Hochdruckluft leicht vor die Stelle geblasen wird, wo der Laserstrahl Lb auf die überlappte Naht 30 der flachen Aluminiumplatten 3 und 4 auf dem Schlitten 2 fokusiert ist. Dieser Luftein­ blaskopf 22a ist mit wenigstens zwei vertikal beabstandeten Schlitzen oder schlitzartigen Lufteinblasdüsen 22a verse­ hen, so daß wenigstens zwei dünne, parallele Laminar­ luftströme Ap, wie Luftvorhänge, gebildet werden, welche den Laserstrahl Lb unter einem spitzen Winkel schneiden und die Oberflächen der flachen Aluminiumplatten 3 und 4 unter einem spitzen Winkel etwas vor dem Punkt oder dem Bereich der Bestrahlung erreichen.

Während der Laserstrahl Lb durch die Sammellinse 20 auf die überlappte Naht 30 der flachen Aluminiumplatten 3 und 4 fo­ kussiert ist, bläst der Gaseinblaser 23 von oben ein Edelgas auf die überlappte Naht 30 der flachen Aluminiumplatten 3 und 4 und richtet es auf einen Punkt Gi, auf welchen der Laserstrahl Lb fokussiert ist, und gleichzeitig bläst der Lufteinblaser 22 mindestens zwei dünne Laminarluftströme Ap, wie Luftvorhänge, ein und leitet die Laminarluftströme Ap, welche den Laserstrahl Lb unter einem spitzen Winkel bezüglich der Oberflächen der flachen Aluminiumplatten 3 und 4 schneiden. Da sich die Gasleitung 23a nahe zum Schlitten 2 erstreckt und ein vom Lufteinblaser 22 gebilde­ ter Luftvorhang den Laserstrahl Lb oberhalb des Bestrah­ lungspunktes kreuzt, gibt es keine Störung zwischen dem Edelgas und dem Luftvorhang.

Die Bildung von mindestens zwei Preßluftvorhängen unter ei­ nem spitzen Winkel bezüglich der flachen Aluminiumplatten 3 und 4 zwischen den flachen Aluminiumplatten 3 und 4 und dem Gehäuse 15 des Laserschweißkopfes 10 verhindert wirkungs­ voll, daß Schmelzspritzer, welche von der überlappten Naht 30 beim Schweißvorgang erzeugt werden, auf die Schutzglas­ scheibe 18 des Laserschweißkopfes 10 streuen und somit dort haften bleiben. Da ferner der Lufteinblaskopf 22a innerhalb der U-förmigen Schutzabdeckwand 2 angeordnet ist, nehmen die vom Lufteinblaser 22 erzeugten Luftvorhänge keine Schmelzspritzer in der umgebenden Luft auf, wobei der Luft­ einblaser von der U-förmigen Schutzabdeckwand 21 umgeben ist.

Obwohl die vorliegende Erfindung in Bezug auf ein bevorzug­ tes Ausführungsbeispiel beschrieben wurde, versteht sich das so, daß auch verschiedene andere Ausgestaltungen und Weiterbildungen, die im Rahmen und innerhalb des Grundge­ dankens der Erfindung liegen, von der Fachwelt entwickelt werden können. Derartige andere Ausgestaltungen und Weiter­ bildungen sollen gleichfalls von den Patentansprüchen abge­ deckt sein.

Claims (6)

1. Laser-Arbeitsgerät zur Bearbeitung eines sich un­ terhalb und relativ dazu bewegenden Werkstücks mit folgenden Merkmalen:
Einem Gehäuse (15), welches an seiner Unterseite eine Öffnung festlegt;
einer in diesem Gehäuse (15) angeordneten Laserstrahl-Vorrichtung, um Laserstrahlung aus der Öffnung dieses Gehäuses (15) zu richten;
einer in dieses Gehäuse (15) eingebauten Sammellinse (20), um den Laserstrahl (Lb) etwa vertikal in Bezug auf einen Bereich in der Werkstückebene durch die Öffnung zu leiten und den denselben auf diesen Bereich in der Ebene des Werkstücks zu fokussieren, welches sich unterhalb und relativ zum Gehäuse (15) bewegt;
einer Gaseinblasvorrichtung, welche zum Leiten eines Edelgases nach vorne in Richtung der Relativbewegung des Werkstücks und zum Abdecken des Bereichs eingebaut ist, auf welchen der Laserstrahl (Lb) fokussiert ist;
und einer Lufteinblasvorrichtung, welche zur Bildung eines Laminar-Luftstroms (Ap) und zum Leiten des Laminar-Luftstroms (Ap) in der Weise eingebaut ist, daß er den vertikalen Laserstrahl (Lb) unter einem spitzen Winkel kreuzt und die Ebene des Werkstücks vor dem Bereich schneidet, auf welchen der Laserstrahl (Lb) fokussiert ist, wobei ein nach unten gerichteter Luftvorhang zwischen der Sammellinse (20) und dem Werkstück gebildet wird.

2. Laser-Arbeitsgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Lufteinblasvorrichtung eine nach unten geneigte Lufteinblasdüse mit einem sich horizontal erstreckenden Schlitz aufweist.

3. Laser-Arbeitsgerät nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Luftdüse eine Vielzahl von derartigen Schlitzen aufweist, welche ungefähr vertikal beabstandet sind.

4. Laser-Arbeitsgerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine Abdeckvorrichtung zum Einschließen des Laminar-Luftstroms (Ap) vorhanden ist.

5. Laser-Arbeitsgerät nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Abdeckvorrichtung mit einer U-Form gestaltet ist.

6. Laser-Arbeitsgerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ferner eine Schutzglasscheibe (18) vorhanden ist, die in dem Gehäuse (15) auf der gleichen Seite wie die Sammellinse (20) und entfernt von der Laserstrahl­ vorrichtung eingebaut ist.