DE4331856A1 - Vorrichtung zur Bearbeitung von Werkstücken mittels eines Laserstrahls - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Bearbeitung von Werkstücken mittels eines Laserstrahls, insbesondere Hochleistungs-CO₂-Laserstrahls, dessen Verlauf über eine Fokussierung und einen beweglichen, auswechselbaren Umlenkspiegel derart einstellbar ist, daß sich die Lage des Laserstrahl-Brennflecks zumindest in Laserstrahl- Längsrichtung verändern läßt.

Unter "Bearbeitung" sind dabei die mittels eines Laserstrahls zu verwirklichenden Einwirkungsmöglichkeiten auf ein Werkstück, insbesondere auch Schweiß-, Beschichtungs- und Härtungsvorgänge, zu verstehen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine gattungsgemäße Bearbeitungsvorrichtung in der Weise auszugestalten, daß auch die Innenflächen verhältnismäßig klein dimensionierter Werkstücke bearbeitet werden können, und zwar im Dauerbetrieb erforderlichenfalls mit Laserleistungen oberhalb von 10 kW. Die Bearbeitungsvorrichtung soll also bei kleinen Abmessungen quer zu ihrer Längserstreckung so beschaffen sein, daß der Laserstrahl-Brennfleck sich erforderlichenfalls dennoch auf die zu bearbeitende Innenfläche fokussieren läßt und daß trotz hoher Laserleistung eine Überhitzung des Umlenkspiegels vermieden wird.

Die gestellte Aufgabe wird durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.

Dabei ist die auf den Laserstrahl einwirkende Fokussierung - in Richtung des Laserstrahls gesehen - vor dem Umlenkspiegel angeordnet und der Abstand zwischen diesem und der Fokussierung stufenlos einstellbar.

Der um eine bezüglich der Laserstrahl-Längsachse geneigte Drehachse umlaufende, gasgekühlte Umlenkspiegel weist in dem vom Laserstrahl erfaßten Bereich eine ebene Spiegelfläche oder mehrere jeweils in sich ebene Spiegelflächen auf. Mit Rücksicht auf die Herabsetzung der Temperaturbelastung ist der Laserstrahl derart geführt, daß er exzentrisch auf den Umlenkspiegel auftrifft. Zweckmäßigerweise ist die Lage und Bemessung des Laserstrahls bezüglich des Umlenkspiegels derart gewählt, daß die Auftrefffläche des Laserstrahls außerhalb der Umlenkspiegel-Drehachse liegt mit der Folge, daß die Temperaturbelastung des Umlenkspiegels sich auf einen Kreisring verteilt. Es versteht sich von selbst, daß die Laserstrahl-Auftrefffläche sich nach Möglichkeit in dem Bereich befinden sollte, in dem der Umlenkspiegel einen möglichst großen Durchmesser aufweist.

Nach einem weiteren Merkmal des Anspruchs 1 ist der Umlenkspiegel in der Weise angetrieben, daß er in dem vom Laserstrahl erfaßten Bereich (Auftreffbereich) eine Umfangsgeschwindigkeit von mindestens 5 m/sec aufweist. Versuche haben erkennen lassen, daß eine Verschmutzung der Spiegelfläche durch Spritzer u. dgl. sich zumindest weitgehend bereits dann vermeiden läßt, falls die zuvor erwähnte Untergrenze der Umfangsgeschwindigkeit eingehalten wird.

Bedingt durch die Anordnung der Fokussierung vor dem Umlenkspiegel läßt sich der Abstand des Brennpunktes zum Umlenkspiegel kontinuierlich verändern und einstellen, ohne daß dadurch die Außenabmessung der Bearbeitungsvorrichtung quer zu ihrer Längsachse eine Änderung erfährt.

Bei einer besonders einfachen Ausgestaltung des Erfindungsgegenstandes besteht die Fokussierung aus einem Fokussierspiegel (Anspruch 2). Dieser ist vorteilhaft aus Kupfer, insbesondere hochreinem Elektrolytkupfer, gefertigt. Erforderlichenfalls weist der Umlenkspiegel auf seiner die Vorderseite bildenden polierten Spiegelfläche eine widerstandsfähige Beschichtung aus Molybdän auf; statt dessen können auch andere Beschichtungswerkstoffe zum Einsatz kommen.

Die Rückseite des Umlenkspiegels ist zweckmäßig mit ihre Kühlfläche vergrößernden Vertiefungen ausgestattet (Anspruch 3). Diese können insbesondere als ringförmige oder spiralförmig verlaufende Rillen ausgebildet sein, deren Tiefe mindestens einige Zehntel Millimeter beträgt. Im Rahmen der erfindungsgemäßen Lehre sollten die Vertiefungen so beschaffen sein, daß durch sie - im Vergleich zu der keine Vertiefungen aufweisenden Rückseite - die zur Verfügung stehende Kühlfläche zumindest verdoppelt wird.

Bei einer Weiterbildung des Erfindungsgegenstandes liegt der Rückseite des Umlenkspiegels mit Abstand eine Kühlplatte mit einer an eine Kühlgasquelle angeschlossenen Kammer gegenüber, von der auf die Rückseite ausgerichtete Kühlbohrungen ausgehen (Anspruch 4).

Der Umlenkspiegel kann als Antrieb einen Elektromotor, insbesondere Gleichstrommotor, mit vorwählbarer Drehzahl aufweisen.

Es ist jedoch auch möglich, den Umlenkspiegel mittels des schräg auf seine Rückseite auftreffenden Kühlgases anzutreiben (Anspruch 5). Dabei wird die Drehzahl des Umlenkspiegels vorzugsweise mittels eine Tachogenerators erfaßt (Anspruch 6) und durch dessen Schaltung als Antrieb oder Bremse beeinflußt (Anspruch 7). Falls also die Drehzahl des Umlenkspiegels beispielsweise zu hohe Werte annimmt, wird der Tachogenerator durch zusätzliche elektrische Beaufschlagung als Bremse eingesetzt; falls zu niedrige Drehzahlen festgestellt werden, wird die Schaltung des Tachogenerators entsprechend angepaßt.

Die Erwärmung des Umlenkspiegels läßt sich durch berührungslose Abtastung seines Außendurchmessers überwachen, welche ein Signal auslöst, falls die temperaturbedingte Außendurchmesseränderung einen vorgegebenen Grenzwert erreicht (Anspruch 8). Auf diese Weise läßt sich eine - beispielsweise durch Verunreinigungen auf der Spiegelfläche hervorgerufene - Spiegelüberhitzung feststellen und vermeiden. Das von der Abtastung hervorgerufene Signal kann mittels einer optischen und/oder akustischen Anzeige erkennbar gemacht werden; es kann jedoch vorteilhaft auch dazu eingesetzt werden, die Bearbeitungsvorrichtung - beispielsweise durch Ausschalten des Laserstrahls - stillzusetzen. Dieses Stillsetzen kann bei Einsatz eines zwischengeschalteten Zeitgliedes mit vorwählbarer Zeitdauer auch verzögert ausgelöst werden.

In Weiterbildung des Erfindungsgegenstandes kann die Abtastung mittels eines induktiven Abstandsmeßgebers oder Näherungsschalters vorgenommen werden (Anspruch 9), welcher Bewegungen des Außendurchmessers des Umlenkspiegels quer zu dessen Drehachse erfaßt und in Meßsignale umwandelt.

Vorzugsweise ist die Drehachse bezüglich des Umlenkspiegels exzentrisch angeordnet (Anspruch 10). Diese Ausbildung ermöglicht es gleichzeitig, aus den durch die Exzentrizität hervorgerufenen fort laufenden Abstandsveränderungen durch Abtastung die Drehzahl zu ermitteln und ggf. über Zusatzeinrichtungen im Sinne einer Nachregelung zu beeinflussen.

Die Spiegelfläche des Umlenkspiegels kann bezüglich seiner Drehachse auch eine von 90° abweichende Ausrichtung aufweisen (Anspruch 11); bei einer derartigen Ausführungsform mit taumelnder Spiegelfläche führt der Laserstrahl-Brennpunkt eine kreisförmige Bewegung aus, deren Kreisdurchmesser einerseits durch den Taumelwinkel, andererseits durch den Abstand zwischen Umlenkspiegel und Laserstrahl-Brennpunkt vorgegeben ist.

Abweichend von seiner einfachsten Ausführungsform (mit einer einzigen, ebenen Spiegelfläche) kann der Umlenkspiegel auch mehrere jeweils in sich ebene Spiegelflächen aufweisen, die bezüglich der Drehachse geneigt sind und die Spiegelfläche - abgesehen eventuell von der Umgebung der Drehachse - in Halb-, Drittel-, Viertel-Kreisausschnitte usw. unterteilen. Dies hat zur Folge, daß sich mittels des auswechselbaren Umlenkspiegels Brennpunktbewegungen in Form von Halb-, Drittel-, Viertelkreisen usw. erzeugen lassen.

Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung des Erfindungsgegenstandes ist dadurch gekennzeichnet, daß der Umlenkspiegel über ein Gehäuse nach Art eines Teleskopzylinders an dem Tragteil befestigt ist, welches die Fokussierung - beispielsweise einen Fokussierspiegel - aufnimmt (Anspruch 12). Auf diese Weise läßt sich durch eine einfache Linearbewegung der Abstand zwischen der Fokussierung und dem Umlenkspiegel verändern mit der Folge, daß die Lage des Laserstrahl-Brennpunktes außerhalb der Bearbeitungsvorrichtung entsprechend angepaßt wird. Insbesondere in den Fällen der Oberflächenbehandlung von Innenflächen wird die Brennweite der Fokussierung relativ groß gewählt und beträgt beispielsweise zwischen 400 bis 1000 mm.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand in der Zeichnung dargestellter Ausführungsbeispiele im einzelnen erläutert.

Es zeigen:

Fig. 1 schematisiert einen Längsschnitt durch die Bearbeitungsvorrichtung ohne Lasereinheit,

Fig. 2 in verändertem Maßstab eine Ansicht der Bearbeitungsvorrichtung in Richtung des Pfeiles A bei abgenommenem Umlenkspiegel,

Fig. 3a, b eine Ansicht der Spiegelfläche eines Umlenkspiegels mit zwei bezüglich seiner Drehachse geneigten, in sich ebenen, halbkreisförmigen Teilflächen bzw. eine teilweise geschnittene Seitenansicht des Umlenkspiegels, dessen Rückseite mit Ringnuten ausgestattet ist, und

Fig. 4 ein Schaltschema für eine berührungslose Abtastung eines exzentrisch gelagerten Umlenkspiegels.

Ein von einer (in Fig. 1 nicht dargestellten) CO₂- Hochleistungs-Lasereinheit (vgl. dazu Fig. 4) ausgehender Laserstrahl 1 mit der Längsachse 1a gelangt in ein Tragteil 2, welches einen als Fokussierung dienenden Fokussierspiegel 3 aufnimmt, verläßt unter dessen Einwirkung um 90° umgelenkt das Tragteil 2 durch eine Öffnung 2a und durchläuft einen an dem Tragteil 2 befestigten Teleskopzylinder 4 mit in Längsrichtung gegeneinander beweglichen Teleskopteilen 4a, 4b, bevor er - durch einen rotierenden Umlenkspiegel 5 nochmals um 90° umgelenkt - auf die zu bearbeitende Oberfläche 6a eines Werkstücks 6 auftrifft. Die Brennweite des Fokussierspiegels 3 und sein Abstand zum Umlenkspiegel 5 sind dabei derart bemessen, daß der Brennpunkt 1b des den Umlenkspiegel 5 verlassenden Laserstrahls exakt mit der Oberfläche 6a zusammenfällt; bei dieser handelt es sich um die Innenfläche des weiter nicht dargestellten, rohrförmigen Werkstücks 6.

Das - in Richtung des Laserstrahls 1 - erste Teleskopteil 4a ist auf seiner dem Umlenkspiegel 5 zugewandten Seite mit zwei Klemmarmen 4c ausgestattet, welche das zweite Teleskopteil 4b auf einem Teil seiner Längserstreckung nach Art einer Schelle umgreifen; durch Anziehen einer die beiden Klemmarme 4c miteinander verbindenden Klemmschraube 7 kann das Teleskopteil 4b in der gewünschten Lage bezüglich des Teleskopteils 4a festgehalten werden.

An dem Teleskopteil 4b ist eine Kühlplatte 8 (über nicht dargestellte Schrauben) abnehmbar befestigt, an der sich als Antrieb für den Umlenkspiegel 5 ein Gleichstrommotor 9 abstützt. Der Umlenkspiegel ist bezüglich der Längsachse des auf ihn auftreffenden Laserstrahls 1 um 45° geneigt angeordnet und über einen an seiner Rückseite 5a angebrachten Befestigungsflansch 10 auswechselbar an der Antriebswelle 9a des Gleichstrommotors 9 gehalten. Die von dem Laserstrahl 1 beaufschlagte Spiegelfläche wird von einer nicht weiter dargestellten Molybdän- Beschichtung gebildet; im übrigen besteht der Umlenkspiegel 5 aus hochreinem Elektrolytkupfer.

Die Kühlplatte 8 ist auf ihrer vom Umlenkspiegel 5 abgewandten Seite mit einer nach außen hin verschlossenen, ringförmigen Kammer 11 ausgestattet, welche über eine Zuführbohrung 12 an eine nicht dargestellte Kühlgasquelle angeschlossen ist. Von der Kammer 11 gehen auf die Rückseite 5a des Umlenkspiegels 5 gerichtete Kühlbohrungen aus; diese sind durch strichpunktierte Linien 13 schematisch dargestellt. Zur Vergrößerung der zur Verfügung stehenden Kühlfläche sind in die Rückseite 5a des Umlenkspiegels Vertiefungen in Form von Ringnuten 14 eingearbeitet (vgl. dazu Fig. 3b).

Nach der Darstellung in Fig. 1 ist an der Unterseite des zweiten Teleskopteils 4b und unterhalb der Kühlplatte 8 - parallel zur Längsrichtung des Teleskopzylinders 4 - eine ebenfalls gasgekühlte Austrittsplatte 20 angeschraubt, durch deren Austrittsdüse 20a der Laserstrahl in Richtung auf das Werkstück 6 austritt.

Bei der in Rede stehenden Darstellung ist der Laserstrahl 1 aus Gründen der Übersichtlichkeit derart angeordnet und ausgerichtet, daß er mittig auf die Spiegelfläche 5b auftrifft. Abweichend davon ist die erfindungsgemäße Bearbeitungsvorrichtung derart ausgebildet, daß der Umlenkspiegel 5 außerhalb des Bereichs seiner Drehachse 5c (vgl. dazu Fig. 3a) beaufschlagt wird. Mit Rücksicht auf die angestrebte Herabsetzung der Temperaturbelastung des Umlenkspiegels sollte dieser relativ zum auftreffenden Laserstrahl derart angeordnet sein, daß die Spiegelfläche 5b möglichst weit außerhalb des Bereichs der Drehachse 5c, also in der Nähe seines Außendurchmessers, beaufschlagt wird.

Die den Umlenkspiegel aufnehmende Öffnung in dem Teleskopteil 4b ist in Fig. 2 mit 4d bezeichnet. Die Drehzahl des Umlenkspiegels ist über den Gleichstrommotor 9 derart eingestellt, daß seine Umfangsgeschwindigkeit in dem Bereich, in dem der Laserstrahl 1 auftrifft, mindestens 5 m/sec beträgt. Diese Einstellung hat zur Folge, daß eine Verschmutzung der Spiegelfläche 5b durch auftreffende Spritzer weitgehend auch dann vermieden wird, falls das Werkstück 6 - mit Rücksicht auf die vorgegebenen geometrischen Verhältnisse - mit geringem Abstand neben der Austrittsplatte 20 und der Austrittsdüse 20a liegt.

Abweichend von der soeben beschriebenen Ausführungsform kann der Umlenkspiegel 5 auch in der Weise ausgebildet sein, daß seine Spiegelfläche sich aus mehreren in sich ebenen Teilflächen zusammensetzt, die bezüglich der Drehachse 5c geneigt sind.

Bei der Ausführungsform gemäß Fig. 3a und 3b besteht die Spiegelfläche aus zwei Teilflächen 5d.

Der Einsatz eines derartig ausgebildeten Umlenkspiegels hat zur Folge, daß der austretende Laserstrahl 1 auf der Oberfläche 6a des Werkstücks 6 halbkreisförmige Bewegungen ausführt.

Im Rahmen der Erfindung kann die Spiegelfläche auch eine größere Anzahl andersartig ausgebildeter, in sich ebener Teilflächen aufweisen, wodurch entsprechende Bewegungen des austretenden Laserstrahls hervorgerufen werden.

Bei der in Fig. 4 dargestellten Ausführungsform des Erfindungsgegenstandes ist der Umlenkspiegel 5 bezüglich der Drehachse 9a des Gleichstrommotors 9 exzentrisch angeordnet, d. h. die Drehachse 9a weist bezüglich der Achse 5c des Umlenkspiegels eine Exzentrizität e auf. Diese Ausgestaltung ermöglicht es, einerseits die Drehzahl des Umlenkspiegels zu ermitteln und andererseits durch Einsatz von Zusatzeinrichtungen eine Überhitzung des Umlenkspiegels auszuschließen.

Zu diesem Zweck wird der Außendurchmesser 5e des Umlenkspiegels berührungslos mittels eines induktiven Abstandsmeßgebers 15 abgetastet, welcher die Abstandsveränderungen zwischen dem Außendurchmesser 5e und seinem Meßkopf 15a über Signale mittels einer Anzeige 16 erkennbar macht. Der Mittelwert der von dem Abstandsmeßgeber gelieferten Signale wird dabei in einen Drehzahlmeßwert umgewandelt.

Falls sich der Abstand des Außendurchmessers 5e zum Meßkopf 15a - bedingt durch eine zu starke Erwärmung des Umlenkspiegels 5 - über einen vorgegebenen Wert hinaus vermindert, erzeugt der Abstandsmeßgeber 15 ein Grenzwertsignal, welches über ein Zeitglied 17 mit einstellbarer Verzögerungsdauer einen Notschalter 18 ansteuert. Dieser greift im gegebenen Fall seinerseits in die Energieversorgung der CO₂-Hochleistungs-Lasereinheit 19 ein und schaltet den von dieser erzeugten Laserstrahl ab.

Die soeben beschriebene Schaltung stellt also sicher, daß keine unerwünschte Überhitzung des Umlenkspiegels 5 - hervorgerufen beispielsweise durch eine Verschlechterung des Reflexionsverhaltens der Spiegelfläche - vermieden wird, ohne daß das Temperaturverhalten des Umlenkspiegels fortlaufend von einer Bedienungsperson beobachtet werden müßte.

Abweichend von der zuletzt beschriebenen Ausgestaltung kann das vom Abstandsmeßgeber 15 gelieferte Signal auch dazu verwendet werden, das Erreichen eines Grenzwertes lediglich optisch und/oder akustisch anzuzeigen. Die Erfassung der Drehzahl mittels der Anzeige 16 kann - ggf. auch zusätzlich - dazu verwendet werden, die Drehzahl des Umlenkspiegels in der gewünschten Weise nachzuregeln.

Falls die Bearbeitungsvorrichtung mit einer CO₂- Lasereinheit ausgestattet ist, finden Umwandlungshärtungsvorgänge zweckmäßig unter Einsatz eines absorptionsverstärkenden coating statt.

Beim Schweißen wird dem Bereich der Schweißstelle ein Arbeits- oder Prozeßgas zugeführt, um die sich über der Schweißstelle bildende Plasmawolke wegzublasen. Zweckmäßigerweise findet dabei ein Inertgas (insbesondere Helium) Verwendung.

Die Beschichtung von Oberflächen erfolgt üblicherweise mit nichtfokussiertem Laserstrahl, so daß dieser im Auftreffbereich eine Fläche erfaßt. Durch geeignete Verfahrensparameter, die zu einer geringen Leistungsflußdichte führen, läßt sich dabei sicherstellen, daß kein den Beschichtungsvorgang störendes Plasma entsteht. Der Oberflächenbereich, in dem der Beschichtungsvorgang abläuft, wird zweckmäßigerweise durch eine Schutzgaswolke (insbesondere aus Argon oder Stickstoff) gegen die Umgebung abgeschirmt.

Claims (12)

1. Vorrichtung zur Bearbeitung von Werkstücken mittels eines Laserstrahls, insbesondere Hochleistungs-CO₂- Laserstrahls, dessen Verlauf über eine Fokussierung und einen beweglichen, auswechselbaren Umlenkspiegel derart einstellbar ist, daß sich die Lage des Laserstrahl-Brennflecks zumindest in Laserstrahl- Längsrichtung verändern läßt,
gekennzeichnet durch die Merkmale:

• - die Fokussierung (3) ist - in Richtung des Laserstrahls (1) gesehen - vor dem Umlenkspiegel (5) angeordnet;
• - der Abstand zwischen der Fokussierung (3) und dem Umlenkspiegel (5) ist stufenlos einstellbar;
• - der um eine bezüglich der Laserstrahl-Längsachse geneigte Drehachse (5c) umlaufende, gasgekühlte Umlenkspiegel (5) weist in dem vom Laserstrahl (1) erfaßten Bereich eine ebene oder mehrere jeweils in sich ebene Spiegelflächen (5b; 5d) auf;
• - der Laserstrahl (1) ist derart ausgebildet, daß er exzentrisch auf den Umlenkspiegel (5) auftrifft, und
• - der Umlenkspiegel (5) weist in dem vom Laserstrahl (1) erfaßten Bereich eine Umfangsgeschwindigkeit von mindestens 5 m/sec auf.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Fokussierung aus einem Fokussierspiegel (3) besteht.

3. Vorrichtung nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Rückseite (5a) des Umlenkspiegels (5) mit ihre Kühlfläche vergrößernden Vertiefungen (11) ausgestattet ist.

4. Vorrichtung nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Rückseite (5a) des Umlenkspiegels (5) mit Abstand eine Kühlplatte (8) mit einer an eine Kühlgasquelle angeschlossenen Kammer (11) gegenüberliegt, von der auf die Rückseite (5a) ausgerichtete Kühlbohrungen (13) ausgehen.

5. Vorrichtung nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Umlenkspiegel (5) mittels des schräg auf seine Rückseite (5a) auftreffenden Kühlgases angetrieben ist.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Drehzahl des Umlenkspiegels (5) mittels eines Tachogenerators erfaßt wird.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Drehzahl des Umlenkspiegels (5) durch Schaltung des Tachogenerators als Antrieb oder Bremse beeinflußt wird.

8. Vorrichtung nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Erwärmung des Umlenkspiegels (5) durch berührungslose Abtastung seines Außendurchmessers (5e) überwacht wird, welche ein Signal auslöst, falls die temperaturbedingte Außendurchmesserveränderung einen vorgegebenen Grenzwert erreicht.

9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Abtastung mittels eines induktiven Abstandsmeßgebers (15) oder Näherungsschalters vorgenommen wird.

10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Drehachse (9a) bezüglich des Umlenkspiegels (5) exzentrisch angeordnet ist.

11. Vorrichtung nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Spiegelfläche (5b) des Umlenkspiegels (5) bezüglich seiner Drehachse (5c) eine von 90° abweichende Ausrichtung aufweist.

12. Vorrichtung nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Umlenkspiegel (5) über ein Gehäuse nach Art eines Teleskopzylinders (4) an dem Tragteil (2) befestigt ist, welches die Fokussierung (3) aufnimmt.