DE4331856A1 - Device for machining workpieces by means of a laser beam - Google Patents
Device for machining workpieces by means of a laser beamInfo
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Abstract
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.The invention relates to a device for processing of workpieces using a laser beam, in particular High-performance CO₂ laser beam, the course of which Focusing and a movable, interchangeable Deflecting mirror is adjustable so that the position of the laser beam focal spot at least in laser beam Can change longitudinal direction.
Unter "Bearbeitung" sind dabei die mittels eines Laserstrahls zu verwirklichenden Einwirkungsmöglichkeiten auf ein Werkstück, insbesondere auch Schweiß-, Beschichtungs- und Härtungsvorgänge, zu verstehen.Under "processing" are the means of a Possible effects of laser beam to be realized on a workpiece, especially welding, Understand coating and curing processes.
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.The invention has for its object a generic processing device in the way To design that the inner surfaces are proportionate small-sized workpieces can be processed can, in continuous operation if necessary with Laser powers above 10 kW. The Processing device should therefore be small in size transversely to their longitudinal extent so that the laser beam focal spot itself if necessary nevertheless focus on the inner surface to be processed lets and that despite high laser power overheating of the deflecting mirror is avoided.
Die gestellte Aufgabe wird durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.The task is accomplished by a device with the Features of claim 1 solved.
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. The one that acts on the laser beam Focusing - seen in the direction of the laser beam - in front the deflecting mirror arranged and the distance between this and the focus are infinitely adjustable.
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.The one inclined with respect to the longitudinal axis of the laser beam Gas-cooled deflecting mirror revolving around the axis of rotation points in a plane in the area covered by the laser beam Mirror surface or several each in a plane Mirror surfaces on. In consideration of the reduction The temperature of the laser beam is such led that he was eccentric on the deflecting mirror hits. The location and dimensioning are expedient of the laser beam with respect to the deflecting mirror in such a way chosen that the impact surface of the laser beam lies outside the deflection mirror axis of rotation with the Consequence that the temperature load of the deflecting mirror is distributed on a circular ring. It goes without saying even that the laser beam impingement surface follows Possibility should be in the area where the Deflecting mirror the largest possible diameter having.
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.According to a further feature of claim 1 Deflecting mirror driven in such a way that it in the Laser beam detected area (impact area) Has peripheral speed of at least 5 m / sec. Experiments have shown that pollution the mirror surface by splashes and. the like at least largely can already be avoided if that before mentioned lower limit of the peripheral speed is observed.
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.Due to the arrangement of the focus in front of the Deflecting mirror can be the distance of the focal point to Continuously change and adjust the deflection mirror, without the outer dimension of the Processing device transverse to its longitudinal axis Undergoes change.
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.In a particularly simple embodiment of the Subject of the invention consists of a Focusing mirror (claim 2). This is advantageous Copper, especially high-purity electrolytic copper, manufactured. If necessary, the deflecting mirror on its polished front Mirror surface made of a resistant coating Molybdenum on; instead others can Coating materials are used.
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.The back of the deflecting mirror is useful with her Cooling surface enlarging recesses (Claim 3). These can be in particular ring-shaped or spiral grooves are formed, the depth of which is at least a few tenths of a millimeter. Within the framework of the teaching according to the invention Be deepened so that through them - in Comparison to the one with no recesses Rear - the available cooling surface is at least doubled.
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).In a further development of the subject of the invention the back of the deflecting mirror by a distance Cooling plate with a cooling gas source opposite chamber, from which to the Back out cooling holes aligned (claim 4).
Der Umlenkspiegel kann als Antrieb einen Elektromotor, insbesondere Gleichstrommotor, mit vorwählbarer Drehzahl aufweisen.The deflection mirror can drive an electric motor, especially DC motor, with pre-selectable speed exhibit.
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.However, it is also possible to use the cooling gas hitting its back at an angle to drive (claim 5). The speed of the Deflecting mirror preferably by means of a tachometer generator detected (claim 6) and by its circuit as Drive or brake influenced (claim 7). So if the speed of the deflecting mirror, for example, too high Assumes values, the tachometer generator is replaced by additional ones electrical application used as a brake; if If the speeds are found to be too low, the Circuit of the tachometer generator adapted accordingly.
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.The deflection mirror can be heated by contactless scanning of its outside diameter monitor which triggers a signal if the temperature-related outside diameter change one predetermined limit reached (claim 8). To this One way can be done - for example Contamination caused on the mirror surface - Identify and avoid mirror overheating. That from the Sampled signal can be by means of a visual and / or acoustic display made recognizable become; however, it can also be used to advantage be the processing device - for example by switching off the laser beam - to stop. This shutdown can occur when using a Intermediate timer with preselectable Duration can also be triggered with a delay.
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.In a further development of the subject matter of the invention Scanning by means of an inductive distance sensor or Proximity switches are made (claim 9), what movements of the outside diameter of the Deflecting mirror detected across its axis of rotation and in Converts measurement signals.
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. The axis of rotation is preferably relative to the Deflecting mirror arranged eccentrically (claim 10). This training enables at the same time from the continuous caused by the eccentricity Distance changes by scanning the speed determine and if necessary via additional devices in the sense to influence a readjustment.
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.The mirror surface of the deflecting mirror can be related its axis of rotation also deviates from 90 ° Have alignment (claim 11); at such Embodiment with wobbling mirror surface leads Laser beam focal point a circular motion from whose circle diameter on the one hand by the wobble angle, on the other hand by the distance between the deflecting mirror and Laser beam focal point is specified.
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.Deviating from its simplest embodiment (with a single, flat mirror surface) Deflecting mirror also several in each plane Have mirror surfaces with respect to the axis of rotation are inclined and the mirror surface - apart from possibly from the surroundings of the axis of rotation - in half, third, Divide quarter-circle sections etc. This has to Consequence that by means of the interchangeable Deflecting mirror focus movements in the form of half, Let third, quarter circles etc. be created.
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.Another advantageous embodiment of the Subject of the invention is characterized in that the deflecting mirror via a housing like a Telescopic cylinder is attached to the support member, which focusing - for example a focusing mirror - records (claim 12). This way you can a simple linear movement of the distance between the Focusing and the deflection mirror change with the Consequence that the location of the laser beam focal point outside of the processing device accordingly is adjusted. Especially in the cases of Surface treatment of interior surfaces becomes the Focal length of the focus chosen relatively large and is, for example, between 400 and 1000 mm.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand in der Zeichnung dargestellter Ausführungsbeispiele im einzelnen erläutert.The invention is described below in the drawing illustrated embodiments in detail explained.
Es zeigen:Show it:
Fig. 1 schematisiert einen Längsschnitt durch die Bearbeitungsvorrichtung ohne Lasereinheit, Fig. 1 schematically shows a longitudinal section through the processing apparatus without a laser unit,
Fig. 2 in verändertem Maßstab eine Ansicht der Bearbeitungsvorrichtung in Richtung des Pfeiles A bei abgenommenem Umlenkspiegel, Fig. 2 in a different scale a view of the processing apparatus in the direction of arrow A with removed deflecting mirror,
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. 3a, b is a view of the mirror surface of a deflecting mirror with two inclined with respect to its axis of rotation, in itself flat, semicircular partial surfaces or a partially sectioned side view of the deflecting mirror, the back of which is equipped with annular grooves, and
Fig. 4 ein Schaltschema für eine berührungslose Abtastung eines exzentrisch gelagerten Umlenkspiegels. Fig. 4 is a circuit diagram for a contactless scanning of an eccentrically mounted deflection mirror.
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.A (not shown in Fig. 1) CO₂ high-power laser unit (see. Fig. 4) outgoing laser beam 1 with the longitudinal axis 1 a enters a support member 2 , which receives a serving as a focusing mirror 3 , leaves under it Action deflected by 90 °, the support part 2 through an opening 2 a and passes through a telescopic cylinder 4 fastened to the support part 2 with telescopic parts 4 a, 4 b movable in the longitudinal direction against one another before being deflected again by a rotating deflecting mirror 5 by 90 ° the surface to be machined 6 a of a workpiece 6 strikes. The focal length of the focusing mirror 3 and its distance from the deflecting mirror 5 are dimensioned such that the focal point 1 b of the laser beam leaving the deflecting mirror 5 coincides exactly with the surface 6 a; this is the inner surface of the tubular workpiece 6, which is not shown.
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.The - in the direction of the laser beam 1 - first telescopic part 4 a is equipped on its side facing the deflecting mirror 5 with two clamping arms 4 c, which encompass the second telescopic part 4 b on part of its longitudinal extent in the manner of a clamp; by tightening a clamping screw 7 connecting the two clamping arms 4 c to one another, the telescopic part 4 b can be held in the desired position with respect to the telescopic part 4 a.
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.On the telescopic part 4 b, a cooling plate 8 is removably attached (via screws, not shown), on which a DC motor 9 is supported as a drive for the deflecting mirror 5 . The deflecting mirror is arranged inclined at 45 ° with respect to the longitudinal axis of the laser beam 1 striking it and is held interchangeably on the drive shaft 9 a of the direct current motor 9 via a mounting flange 10 attached to its rear side 5 a. The mirror surface acted upon by the laser beam 1 is formed by a molybdenum coating (not shown further); otherwise the deflection mirror 5 consists of high-purity electrolytic copper.
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).On its side facing away from the deflecting mirror 5, the cooling plate 8 is equipped with an annular chamber 11 which is closed to the outside and which is connected via a feed bore 12 to a cooling gas source (not shown). From the chamber 11 go to the back 5 a of the deflecting mirror 5 directed cooling holes; these are shown schematically by dash-dotted lines 13. To enlarge the available cooling surface, recesses in the form of ring grooves 14 are incorporated in the rear 5 a of the deflecting mirror (cf. FIG. 3 b).
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. . As shown in Figure 1 is at the bottom of the second telescopic member 4 b and below the cooling plate 8 - screwed on a likewise gas-cooled outlet plate 20, a laser beam toward the workpiece 6 exits through the outlet nozzle 20 - parallel to the longitudinal direction of the telescopic cylinder 4 .
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.In the illustration in question, the laser beam 1 is arranged and aligned for reasons of clarity such that it strikes the mirror surface 5 b in the center. Deviating from the processing apparatus according to the invention is designed such that the deflecting mirror 5 outside the range of its axis of rotation 5 c (see FIG. To FIG. 3) is applied. In view of the intended reduction in the temperature load of the deflecting mirror, it should be arranged relative to the incident laser beam in such a way that the mirror surface 5 b is acted upon as far as possible outside the region of the axis of rotation 5 c, that is to say in the vicinity of its outer diameter.
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.The deflection mirror receiving opening in the telescopic part 4 is designated in FIG. 2 4d b. The speed of the deflecting mirror is set via the direct current motor 9 such that its peripheral speed in the area in which the laser beam 1 strikes is at least 5 m / sec. The result of this setting is that contamination of the mirror surface 5 b by impinging splashes is largely avoided even if the workpiece 6 - with regard to the given geometric conditions - lies at a short distance next to the outlet plate 20 and the outlet nozzle 20 a.
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.Deviating from the embodiment just described, the deflecting mirror 5 may be formed in such a manner that its mirror surface is composed of several plane located in partial areas to the rotational axis are inclined with respect to 5 c.
Bei der Ausführungsform gemäß Fig. 3a und 3b besteht die Spiegelfläche aus zwei Teilflächen 5d.In the embodiment of Fig. 3a and 3b, the mirror surface of two part surfaces 5 is d.
Der Einsatz eines derartig ausgebildeten Umlenkspiegels hat zur Folge, daß der austretende Laserstrahl 1 auf der Oberfläche 6a des Werkstücks 6 halbkreisförmige Bewegungen ausführt.The use of a deflection mirror designed in this way has the result that the emerging laser beam 1 executes semi-circular movements on the surface 6 a of the workpiece 6 .
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.In the context of the invention, the mirror surface can also be a larger number of differently trained, more even in itself Have partial areas, which causes corresponding movements of the emerging laser beam.
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.In the embodiment of the subject matter shown in FIG. 4, the deflection mirror 5 is arranged eccentrically with respect to the axis of rotation 9 a of the direct current motor 9 , ie the axis of rotation 9 a has an eccentricity e with respect to the axis 5 c of the deflection mirror. This configuration makes it possible, on the one hand, to determine the rotational speed of the deflecting mirror and, on the other hand, to prevent overheating of the deflecting mirror by using additional devices.
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.For this purpose, the outer diameter 5 e of the deflecting mirror is scanned contactlessly by means of an inductive distance sensor 15 , which makes the changes in distance between the outer diameter 5 e and its measuring head 15 a recognizable by signals by means of a display 16 . The mean value of the signals supplied by the distance sensor is converted into a speed measured value.
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.If the distance between the outer diameter 5 e and the measuring head 15 a - due to excessive heating of the deflection mirror 5 - decreases beyond a predetermined value, the distance sensor 15 generates a limit signal which controls an emergency switch 18 via a timer 17 with an adjustable delay time. This in turn intervenes in the given case in the energy supply of the CO₂ high-power laser unit 19 and switches off the laser beam generated by it.
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.The circuit just described thus ensures that no undesired overheating of the deflection mirror 5 - caused, for example, by a deterioration in the reflection behavior of the mirror surface - is avoided without the temperature behavior of the deflection mirror having to be continuously monitored by an operator.
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.In a departure from the configuration described last, the signal supplied by the distance measuring sensor 15 can also be used to indicate the reaching of a limit value only optically and / or acoustically. The detection of the speed by means of the display 16 can - if necessary also additionally - be used to readjust the speed of the deflecting mirror in the desired manner.
Falls die Bearbeitungsvorrichtung mit einer CO₂- Lasereinheit ausgestattet ist, finden Umwandlungshärtungsvorgänge zweckmäßig unter Einsatz eines absorptionsverstärkenden coating statt. If the processing device with a CO₂ Laser unit is equipped Conversion hardening processes are expediently used an absorption-enhancing coating instead.
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.When welding, the area of the weld is one Working or process gas supplied to the over the Blow away the plasma cloud forming the weld. An inert gas (in particular Helium) use.
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.Surfaces are usually coated with unfocused laser beam, so that this in Impact area covers an area. By suitable Process parameters leading to a low Power flux density can be make sure none the coating process disruptive plasma arises. The surface area in which the coating process is expedient through a protective gas cloud (in particular from argon or Nitrogen) from the environment.
Claims (12)
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.
characterized by the characteristics:
- - The focusing ( 3 ) is - seen in the direction of the laser beam ( 1 ) - arranged in front of the deflecting mirror ( 5 );
- - The distance between the focusing ( 3 ) and the deflecting mirror ( 5 ) is infinitely adjustable;
- - The gas-cooled deflecting mirror ( 5 ) revolving around an axis of rotation ( 5 c) inclined with respect to the longitudinal axis of the laser beam has one or more flat mirror surfaces ( 5 b; 5 d) in the area covered by the laser beam ( 1 );
- - The laser beam ( 1 ) is designed such that it strikes the deflecting mirror ( 5 ) eccentrically, and
- - The deflecting mirror ( 5 ) has a peripheral speed of at least 5 m / sec in the area detected by the laser beam ( 1 ).
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| DE4331856A DE4331856A1 (en) | 1993-09-20 | 1993-09-20 | Device for machining workpieces by means of a laser beam |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| DE4331856A DE4331856A1 (en) | 1993-09-20 | 1993-09-20 | Device for machining workpieces by means of a laser beam |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| DE4331856A1 true DE4331856A1 (en) | 1995-03-23 |
Family
ID=6498084
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| DE4331856A Withdrawn DE4331856A1 (en) | 1993-09-20 | 1993-09-20 | Device for machining workpieces by means of a laser beam |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| DE (1) | DE4331856A1 (en) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| DE19955574B4 (en) * | 1999-11-18 | 2005-07-14 | Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V. | Mass-optimized mirror for laser processing and method for cooling the mass-optimized mirror in laser processing |
Citations (5)
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| US4387962A (en) * | 1981-10-06 | 1983-06-14 | The United States Of America As Represented By The Secretary Of The Air Force | Corrosion resistant laser mirror heat exchanger |
| US4797532A (en) * | 1986-03-26 | 1989-01-10 | Maiorov Vladimir S | Apparatus for laser treatment of materials |
| DE4024299A1 (en) * | 1990-07-31 | 1992-02-06 | Fraunhofer Ges Forschung | Multi-point optical focusing arrangement with movable faceted mirror - from which portions of incident beam are reflected with adjustable intensities to foci at variable spacing |
| DE3939577C2 (en) * | 1989-11-30 | 1992-05-27 | Fraunhofer-Gesellschaft Zur Foerderung Der Angewandten Forschung Ev, 8000 Muenchen, De | |
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-
1993
- 1993-09-20 DE DE4331856A patent/DE4331856A1/en not_active Withdrawn
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