DE69301759T2

DE69301759T2 - Laserstrahltaster

Info

Publication number: DE69301759T2
Application number: DE69301759T
Authority: DE
Inventors: Akio Asai; Hideki Kamogawa; Masao Kishi; Kazuhiro Totsuka
Original assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd; Toyota Motor Corp
Current assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd; Toyota Motor Corp
Priority date: 1992-05-15
Filing date: 1993-05-06
Publication date: 1996-11-07
Anticipated expiration: 2013-05-07
Also published as: DE69301759D1; US5303081A; EP0570152A2; EP0570152A3; JP2829192B2; JPH05318161A; EP0570152B1

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung, mit der ein Laserstrahl, insbesondere ein CO&sub2;-Laserstrahl oder ein YAG-Laserstrahl dazu gebracht wird, ein Objekt nach rechts und nach links abzutasten, wenn das Objekt durch die Hitze des Laserstrahls bearbeitet wird. Ein CO&sub2;- oder YAG-Laser hoher Leistung dient für verschiedene Arten von Bearbeitung, beispielsweise zum Schweißen von Metallen, zum Wärmebehandeln oder Schneiden von Gegenständen, da der CO&sub2;-Laser oder der YAG-Laser mit Hilfe eines fokussierten Strahls stark erhitzen kann.
Im folgenden wird der Fall des Schweißens mit Laserstrahlen erläutert. In Fig. 9 werden 2 Objekte 13 und 13 durch den Strahl eines CO&sub2;-Lasers oder YAG-Lasers zusammengeschweißt. Eine erste Art der Strahlführung ist die statische Betriebsweise, bei der sich der Strahl linear in bezug auf eine Stoßlinie bewegt, wie dies in Fig. 9(a) dargestellt ist. In der Praxis ist der Laserstrahl fixiert, und die Objekte werden entlang der Stoßlinie transportiert. Da der Laserstrahl sich nicht bewegt und der fokussierte Strahl lokal eine schmale Zone an der Stoßlinie erhitzt, wird die Tiefe der Schmelzzone der Objekte tiefer als bei anderen Betriebsweisen. Das tiefe Anschmelzen der Objekte ermöglicht es dem statischen Strahl, zwei Objekte schnell und mit geringer Verformung zusammen zu schweißen. Außerdem erübrigt der statische Strahl eine komplizierte Optik zum Führen des Laserstrahls von dem Laser zu den Objekten. Eine einfache Optik ist ein weiterer Vorteil der Betriebsweise mit statischem Strahl. Allerdings geht die Betriebsweise mit statischem Strahl mit folgenden Nachteilen einher, da hierbei ein schmaler, fokussierter Ruhestrahl verwendet wird:
1) Der Strahl wandert leicht von der Stoßlinie ab, wenn es sich um Stoßschweißen handelt (es werden die Seiten von Objekten zusammengeschweißt);
2) die Schweißstärke ist häufig zu schwach im Fall des Überlappungsschweißens (Seitenbereiche der Flächen werden in Überlappung gebracht und von oben und unten verschweißt).
Um diese Nachteile zu vermeiden, wurden das Wirbeln eines Laserstrahls (Wirbel- Betrieb) und ein Rasterbetrieb für den Laserstrahl vorgeschlagen.
Fig. 9(b) veranschaulicht die Bewegung in der Wirbelbetriebsweise, wobei ein Laserstrahl einer durchgehenden Kreiselbewegungsbahn entlang einer Stoßlinie der Objekte folgt. Fig. 9(c) zeigt die Bewegung einer Rasterbetriebsweise, bei der ein Laserstrahl einer Zickzacklinie folgt. In beiden Fällen werden die Objekte entlang einer Stoßlinie transportiert. Damit macht es die Wirbelbetriebsweise erforderlich, daß die Laseroptik den Laserstrahl in eine kreisende Bewegung versetzt. Die Rasterbetriebsart wird dadurch erreicht, daß der Laser nach rechts und nach links oszillierend bewegt wird. Das Oszillieren oder Drehen von Spiegeln oder Linsen geht mit der Wirbelbetriebsart oder mit der Rasterbetriebsart einher. Die Erfindung zielt auf die Rasterbetriebsart ab und schlägt eine dazugehörige Verbesserung vor.
Fig. 10 zeigt einen grundlegenden Aufbau der Optik eines CO&sub2;-Lasers zum Abtasten von Objekten mit einem Strahl. Der Aufbau ist z.B. gemäß der japanischen Patent- US 61-292122 vorgeschlagen. Jede Laseroptik, die einen Strahl von einem Laser zu einem Objekt leitet, ist mit zwei Spiegeln ausgestattet, sogar im Fall der statischen Betriebsweise. Beim statischen Betrieb stehen die Spiegel fest. Im Fall einer Wirbelbetriebsweise werden zwei Spiegel 32 und 32' synchron um Achsen 33 und 34 gedreht. Die Winkelgeschwindigkeiten und die Phasen der Spiegel stehen in einer speziellen Relation zueinander. Es erscheint überraschend, daß die Drehungen der Spiegel den Strahl dazu bringen, ohne Drehung nach links und nach rechts zu oszillieren. Allerdings wird die Umsetzung der Drehungen in die Oszillation sicher in der in der japanischen Patent-US 61-2921 22 beschriebenen Weise erreicht. Die Vorrichtung erfreut sich des Vorteils einer geringen Belastung einer Antriebsvorrichtung, weil die Spiegel eine geringe Trägheit besitzen. Allerdings leidet die Vorrichtung an dem Nachteil, daß zwei Spiegel synchron gedreht werden müssen. Außerdem ist es schwierig, die Spiegel durch umgewälztes Kühlwasser in Spiegelhalterungen zu kühlen, da sich die Spiegel vollständig drehen.
Fig. 11 zeigt einen weiteren zugehörigen Stand der Technik zum Abtasten von Objekten mit einem Laserstrahl. Gleitlager sind in der Fig. aus Gründen der Einfachheit weggelassen. Ein Zwischenglied 38 und ein Linsenhalter 41 werden von Gleitlagern getragen, die es ihnen ermöglichen, nach links und nach rechts zu gleiten. Ein Motor 35 dreht einen Exzenternocken 36, der über ein Lager mit einer Kurbel 37 verbunden ist. Die Kurbel 37 ist am anderen Ende mit einem Stift 39 an ein Zwischenglied 38 angeschlossen. Das Zwischenglied 38 besitzt einen weiteren Stift 40 für die Kopplung an einen Linsenhalter 41, der eine Linse 42 trägt. Die Exzentrizität des Nockens 36 wandelt die Drehung in eine Schwingbewegung der Kurbel 37 und des Zwischenglieds 38 nach rechts und nach links um. Damit oszilliert die Linse 42 wiederholt nach rechts und nach links. Ein Laserstrahl 5, der zwischen den Punkten B und C sowie den Punkten RS ein paralleler Strahl war, wird von der Linse 42 auf die Objekte 13 und 13 in der Nähe der Stoßlinie 15 zum Konvergieren gebracht. Wenn sich die Linse 42 nach links und nach rechts hin- und herbewegt, bewegt sich auch der fokussierte Strahl hin und her. Eine solche Abtastvorrichtung wurde beispielsweise erläutert von Hirosaki et al "Application of a beam scanner to laser welding", Japanese Society of High Temperature vol 15, Nr.6, Seite 286 (1989).
Dieser Linsentyp-Abtaster hat den Vorteil, daß die Antriebsvorrichtung einfacher ist als bei den bereits beschriebenen Doppelspiegel-Abtastern. Allerdings hat der Linsentyp-Abtaster Nachteile. Eine schwere Linse bedeutet eine Zunahme der Motorlast. Eine Dehnung der Linse bedingt eine Zunahme der Absorption von Infrarotlicht und erzeugt beträchtliche Wärme. Die Wärme weitet die Linse aus. Eine Ausdehnung der Linse rückt den Brennpunkt der Strahlen von dem vorgesehenen Punkt auf den Objekten weg. Dieses Phänomen bezeichnet man als "thermischen Linseneffekt". Ein fataler Schwachpunkt ist die fehlende Möglichkeit der Kühlung, da die Linse nicht durch umgewälztes Wasser in einem inneren Hohlraum der Linse abgekühlt werden kann. Eine realisierbare Kühlung besteht lediglich darin, Wasser in einen Hohlraum einer Linsenhalterung umzuwälzen oder die Linse selbst anzublasen. Die direkte Wasserkühlung verbietet sich für den Linsentyp-Abtaster, lediglich eine indirekte Wasserkühlung oder eine Luftkühlung ist möglich.
Neben dem Doppelspiegel-Abtaster und dem Linsentyp-Abtaster wurde ein Schwingspiegel-Abtaster vorgeschlagen. Ein Galvanometer dreht einen Spiegel innerhalb einer kleinen Amplitude hin und her. Ursprünglich war ein Galvanometer ein Fühler zum Nachweisen eines Stroms, das mit einem Permanentmagneten, einer Spule und einem Rotor versehen war. Wird ein Strom in die Spule eingespeist, dreht sich der Rotor im Verhältnis zu dem Strom. Das Einspeisen eines Wechselstroms dreht den Rotor sukzessive im Uhrzeiger- und Gegenuhrzeigersinn. Dieser Einsatz eines Galvanometers entspricht nicht einem Sensor, sondern einem Antrieb. Es gibt bereits einige Abtastvorrichtungen, die von einem Galvanometer Gebrauch machen. Allerdings eignet sich ein von einem Galvanometer getriebener Abtaster nur für Laser niedriger Leistung, der einen breiten Strahl von mehr als 1kW Leistung abgibt.
Wenn der Durchmesser eines Strahls groß ist, muß der Spiegel breit sein. Ein breiter Spiegel erhöht die Belastung für das Galvanometer, weil er ein hohes Gewicht aufweist. Wenn die Laserausgangsleistung hoch ist, steigt die Wärmeerzeugung in den Spiegeln drastisch an. Eine starke Wärmemenge überträgt sich von dem Spiegel über eine Spiegelwelle auf das Galvanometer. Wellen und Lager des Galvanometers dehnen sich thermisch aus. Die thermische Ausdehnung der Wellen und Lager erhöht den Drehwiderstand.
Wenn ein ferromagnetischer Stoff erwärmt wird, sinkt seine Permeabilität Damit verlieren die Elektromagneten in dem Galvanometer ihre magnetische Kraft, wenn sie erwärmt werden. Aus diesen Gründen ist eine starke Wärmeentwicklung an dem Spiegel mit hoher Wahrscheinlichkeit Grund dafür, daß die oszillierende Bewegung des Spiegels beeinflußt wird. Eine Zwangskühlung würde die durch die Wärmeentwicklung entstehenden Schwierigkeiten beseitigen. Es ist allerdings schwierig, den Spiegel durch Umwälzen von Kühlwasser in einem Innenraum des Spiegels zu kühlen, da der Spiegel sich mit hoher Frequenz hin- und herbewegt. Damit verbleibt das Kühlen des Spiegels durch Aufblasen von Luft auf seine Oberfläche.
Die Aufgabe der früheren Erfindung betrifft eine Strahlabtastvorrichtung mit einer Optik für einen CO&sub2;-Laser oder einen YAG-Laser mit einer Ausgangsleistung von mehr als 3 kW zum Schweißen, Schneiden und Glühen. Der Strahldurchmesser ist groß. Die Optik des Lasers muß mit einem breiten, starken Strahl fertig werden. Ein Linsentyp-Abtaster wäre insgesamt schwer und sperrig, weil er die breite Linse besitzt. Die Gleitteile, d.h. eine Linse, eine Linsenhalterung, eine Kurbelanordnung und dergleichen wären ebenfalls schwer. Der Motor würde mit einer beträchtlichen Last beaufschlagt. Die gleitenden Teile würden bei einer erheblichen Reibungskraft einem Abrieb ausgesetzt. Der Kurbelmechanismus würde starke Geräusche hervorrufen. Eine übliche Glaslinse kann in der Abtastvorrichtung deshalb nicht eingesetzt werden, da übliches Glas Infrarotlicht eines CO&sub2;-Lasers absorbiert. Selbst eine ZnSe- Linse würde, falls sie als Sammellinse verwendet würde, mehr als 0,4 % der Lichtleistung absorbieren. Die erhebliche Leistung von mehr als 3kW würde eine starke Ausdehnung der Linse hervorrufen, mit einem starken thermischen Linseneffekt. Darüber hinaus kann eine Linse aufgrund der baulichen Beschränkungen nicht vollständig gekühlt werden.
Der Abtaster mit dem hin- und herbeweglichen Spiegel, der einen Spiegel mit einem Galvanometer hin- und herbewegt, wurde für Laser niedriger Leistung eingesetzt. Die Anwendung des Abtasters mit hin- und hergehendem Spiegel bei einem Laser hoher Leistung erfordert eine ausgiebigere Kühlung. Ansonsten würde die in dem Spiegel entwickelte Wärme auf die Wellen und die Lager des Galvanometers geleitet, und die ausgedehnten Wellen und Lager würden die Hin- und Herbewegung anhalten.
Die US-A-4644126 beschreibt einen Abtaster mit einem flachen schwingenden ersten Spiegel zum Reflektieren eines einfallenden Laserstrahls, und einem zweiten, parabolischen Spiegel zum Sammeln der von dem ersten Spiegel reflektierten Strahlen. Die Ausgestaltung ist derart, daß der Strahl etwas oberhalb eines abzutastenden Objekts fokussiert wird.
Ziel der vorliegenden Erfindung ist die Schaffung einer Vorrichtung zum abtastenden Führen eines Laserstrahls, die auch bei einem Laser hoher Leistung einsetzbar ist, der einen breiten Strahl mit einem Durchmesser von mehr als 50 mm von mehr als 3kW abgibt. Der Laserstrahlabtaster gemäß der Erfindung (5 Anspruch 1) enthält einen Parabolspiegel, zum Reflektieren und Sammeln eines parallelen, breiten Laserstrahls, einen hin- und herschwenkenden Schwenkspiegel zum Reflektieren des konvergierten Strahls, ein Galvanometer, um den Schwenkspiegel in eine oszillierende Bewegung zu versetzen, und eine Kühleinrichtung zum Kühlen des Schwenkspiegels durch Umwälzen von Wasser in einem Innenraum des Schwenkspiegels.
Das Kühlen des Schwenkspiegels mit Wasser ist eines der Kennzeichnungsmerkmale der erfindungsgemäßen Ausführungsformen. Um den Schwenkspiegel wirksam abzukühlen, kann der Spiegel auf einer Kühlplatte befestigt werden, die einen Innenraum für Wasser besitzt. Ein Einlaß und ein Auslaß für Kühlwasser sind in Mittelzonen auf der Rückseite der Kühlplatte eingelassen. Wasser wird über den Einlaß in den Innenraum eingeleitet und wird über den Auslaß aus dem Innenraum abgeführt. Wasserschläuche sind mit dem Einlaß und dem Auslaß verbunden, um Wasser zuzuleiten oder Wasser aus der Kühlplatte abzuziehen. Die Wasserschläuche sind gewendelt ausgeführt, so daß sie sich leicht verformen. Das Material der Wasserschlauchwendel ist vorzugsweise Urethan, weil Urethan Elastizität besitzt und die Elastizität sich durch Temperaturänderung nur geringfügig ändert. Die Form (Spule) und das Material (Urethan) der Wasserschläuche stört die Schwenkbewegung des Spiegels kaum. Die Achsenlinie des Parabolspiegels ist parallel bezüglich des einfallenden Laserstrahls eingestellt. Darüber hinaus sollen die Objekte an einem Brandpunkt des Parabolspiegels positioniert werden. Der Schwenkspiegel wird vorzugsweise aus Silizium (Si) gefertigt, weil Si ein leichtes Material ist.
Die Funktion eines Laserstrahlabtasters gemäß den Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung wird im folgenden erläutert. Der Laserstrahlabtaster enthält einen Parabolspiegel, einen Schwenkspiegel, ein Galvanometer und eine Kühleinrichtung Der Laserstrahl wird um den Parabolspiegel und den Schwenkspiegel zweimal reflektiert und bestrahlt Objekte. Das Galvanometer oszilliert den Schwenkspiegel hin und her in einer Winkerichtung geringer Amplitude. Die Kühleinrichtung kühlt den Schwenkspiegel mit einer Kühlflüssigkeit, beispielsweise Wasser. Der Parabolspiegel ist ein statischer Spiegel, der an einem geeigneten (in den Figuren nicht gezeigten) Träger befestigt ist. Der einen großen Durchmesser aufweisende Laserstrahl wird von dem ersten Parabolspiegel geringfügig konvergiert. Durch die Konvergenz des ersten Spiegels verringert sich der Strahldurchmesser an dem zweiten Schwenkspiegel geringfügig. Die Verringerung des Strahls macht es mäglich, den Durchmesser des zweiten Spiegels zu verkleinern. Die Abnahme des Durchmessers führt zu einem geringen Gewicht und einem geringen Trägheitsmoment des Spiegels. Das kleine Trägheitsmoment des Spiegels senkt die Belastung für das Galvanometer.
Der Schwenkspiegel kann ausreichend abgekühlt werden, und zwar direkt mit Hilfe von Wasser, welches in einem Innenraum der Kühlplatte zirkuliert. Der Wassereinlaß und der Wasserauslaß werden durch die Schwenkbewegung des Spiegels kaum gestört, weil der Wassereinlaß und der Wasserauslaß sich in den Mittelzonen auf der Rückseite der Kühlplatte befinden. Deshalb behindern die Wasserschlauchwendeln die Schwenkbewegung der Kühlplatte kaum. Die vollständige Kühlung macht es möglich, die Sammeloptik anzupassen an einen Strahlabtaster für einen Laser hoher Leistung.
Man könnte sich vorstellen, daß die Lage des Parabolspiegels und des Schwenkspiegels austauschbar sind, wodurch der Laserstrahl zunächst verschwenkt und dann konvergiert wird. In diesem Fall allerdings ruft die Schwenkbewegung des ersten Spiegels eine Änderung des Einfallwinkels des Strahls am Parabolspiegel hervor. Die Form des Strahls an einem Brennpunkt verändert sich entsprechend der Winkeländerung. Damit wird mit der umgekehrten Version möglicherweise nicht die angemessene Leistung zum Schweißen und Glühen erreicht, so daß sie aus diesem Grund nicht im Schutzumfang der Ansprüche liegt.
Vorteile der Erfindung werden im folgenden erläutert. Die Erfindung macht es möglich, daß ein CO&sub2;-Laser oder ein YAG-Laser einen Laserstrahl in einer abtastenden Bewegung nach rechts oder nach links führt, um zu Schweißen oder zu Glühen. Da die erhitzte Zone sich durch die Rasterbewegung vergrößert, wird das Problem einer möglichen Abweichung des Strahls von einer Stoßlinie im Fall des Stoßschweißens gelöst. Die Schweißstärke einer überlappten Verbindungslinie wird beim Überlappungsschweißen deshalb verstärkt, weil sich die erhitzte Schmelzzone verbreitert.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung verschwenkt einen Spiegel, damit ein Laserstrahl eine Rasterabtastung durchführen kann. Da allerdings ein Galvanometer zum Oszillieren des Spiegels in einem kleinen Winkel verwendet wird, erzeugt die Hin- und Herbewegung nur wenig Rauschen oder Vibration, dies deshalb, weil das Galvanometer eine Hin- und Herbewegung durch elektromagnetische Wirkung ohne mechanische bauliche Anordnung hervorrufen kann, die ansonsten Geräusche und Vibrationen entstehen lassen würde.
Ein Laserstrahl hoher Leistung erwärmt einen Spiegel durch geringe Absorption von Infrarotlicht. Würde die Wärme von dem Spiegel auf das Galvanometer übertragen, so würde die Wärme die mechanische Leistungsfähigkeit und die magnetische Eigenschaft des Galvanometers beeinträchtigen. Allerdings kühlt die erfindungsgemaße Vorrichtung den Schwenkspiegel effektiv durch Zirkulieren von Wasser in einem Innenraum des Spiegels. Die effektive Kühlung schützt das Galvanometer vor Beschädigung durch überhöhte Temperatur. Das Galvanometer kann kontinuierlich gut arbeiten, ohne daß seine Leistungsfähigkeit abnimmt. Der Einlaß und der Auslaß für das Kühlwasser sind in mittleren Zonen auf der Rückseite der Kühlplatte ausgebildet. Die mit dem Einlaß und dem Auslaß in Verbindung stehenden Wasserschläuche stören die hin- und hergehende Schwenkbewegung des Spiegels nicht.
Die Erfindung wird besser verstanden aus der nachfolgenden Beschreibung in Verbindung mit den zahlreichen Figuren der begleitenden Zeichnung. Es zeigen:
Fig. 1 eine schematische Ansicht eines Laserstrahlabtasters gemäß der Erfindung;
Fig. 2 eine anschauliche Darstellung, welche die Relation zwischen einem Parabolspiegel, einer Spiegelachse, einem Brennpunkt des Spiegels, einem Schwenkspiegel und zusammenzuschweißenden Objekten zeigt;
Fig.3 eine perspektivische Ansicht eines Schwenkspiegels und eines Galvanometers;
Fig. 4 eine Bodenansicht des Schwenkspiegels;
Fig. 5 eine Rückansicht des Schwenkspiegels;
Fig. 6 eine Schnittansicht der Fig. 5 entlang einer Linie X-X;
Fig. 7 eine Schnittansicht der Fig. 6 entlang einer Linie Y-Y;
Fig. 8 eine Schnittansicht der Fig. 6 entlang einer Linie Z-Z;
Fig. 9 beispielhafte Skizzen zum Veranschaulichen der Bewegungen von Laserstrahlen;
Fig. 10 eine schematische Ansicht eines herkömmlichen Abtasters, der zwei Spiegel synchron dreht;
Fig. 11 eine schematische Ansicht eines herkömmlichen Abtasters, der eine Linse nach rechts und nach links bewegt.
Im folgenden wird ausführlich erläutert, wie die vorstehend genannten Ziele erfindungsgemäß erreicht werden.
Fig. 1 zeigt eine Ausführungsform der Erfindung. Ein Gehäuse list eine Aufnahme für optische Elemente. Wenngleich das Gehäuse 1 eine Vorrichtung zum Leiten von Kühlwasser oder eine Vorrichtung zum Einspalten von Gas für die Laserverarbeitung ist, sind Einzelheiten des Gehäuses in der Figur weggelassen. Die Optik besitzt einen ersten, parabolischen Spiegel 2 und einen zweiten, Schwenkspiegel 3. Das Gehäuse 1 besitzt eine Öffnung an seinem Boden. Eine Brennerdüse 4 ist an der Öffnung ausgebildet. Ein (in den Figuren nicht dargestellter) CO&sub2;-Laser oder ein YAG- Laser gibt einen schmalen, parallelen Strahl ab. Eine (in den Figuren nicht gezeigte) Aufweitoptik wandelt den schmalen, parallelen Strahl um in einen breiten, parallelen Strahl 5. Einige CO&sub2;-Laser oder YAG-Laser erzeugen einen breiten, parallelen Strahl. In diesem Fall kann die Aufweitoptik entfallen.
Der breite, parallele Strahl muß durch eine geeignete Sammeloptik zu einem Strahlfleck zusammengeführt werden. Ein einfacher konkaver, sphärischer Spiegel kann aufgrund der Aberration den parallelen Strahl nicht zu einem Fleck konvergieren. Nur ein Parabolspiegel kann einen breiten parallelen Strahl zu einem Fleck konvergieren. Folglich wird der Parabolspiegel 2 benutzt. Die Hauptachse des Parabolspiegels 2 ist so angelegt, daß sie parallel zur Achse des auftreffenden Laserstrahls verläuft. Der parallele Strahl 5 wird von dem Parabolspiegel 2 reflektiert, um einen reflektierten Strahl 6 zu bilden. Der optische Weg des Strahls wird in fast einem rechten Winkel bezüglich des Parabolspiegels 2 abgelenkt. Der reflektierte Strahl 6 verläuft zu dem Schwenkspiegel 3. Dies ist ein flacher Spiegel. Wiederum wird der Strahl von dem Schwenkspiegel 3 abgelenkt und wird auf einem Punkt auf Objekten 13 fokussiert. Der Punkt, an dem ein konvergierender Strahl 7 zusammenläuft, wird im folgenden als Aufstrahlpunkt 14 bezeichnet. Da der Schwenkspiegel 3 mit geringer Amplitude hin- und herschwenkt, oszilliert der Aufstrahlpunkt 14 nach rechts und nach links über eine Stoßlinie 15. Diese Bewegung wird als "Rastern" bezeichnet.
Was den Schwenkspiegel 3 antreibt, ist ein (in Fig. 1 nicht gezeigtes) Galvanometer, welches an einer Seite des Schwenkspiegels 3 angeordnet ist. Der Schwenkspiegel 3 enthält eine Spiegelplatte 8 und eine die Spiegelplatte 8 tragende Kühlplatte 9. Die Kühlplatte 9 besitzt einen Innenraum, in welchem Wasser (12) zum Kühlen der Spiegelplatte 8 umgewälzt wird. Ein Wasseranschluß 11 besfindet sich auf der Rückseite der Kühlplatte 9.
Die Sammel- und Oszillieroptik umfaßt den Parabolspiegel 2 und den flachen Schwenkspiegel 3. Wie oben erläutert, muß die Achse des Parabolspiegels 2 parallel zu dem einfallenden parallelen Laserstrahl 5 verlaufen. Vorzugsweise sollte der Brennpunkt des Parabolspiegels 2, der von dem Flachspiegel 3 reflektiert wird, mit einem Punkt auf der Oberfläche der zu schweißenden Objekte 13 zusammenfallen. In einigen Fällen jedoch könnte der konvergierende Strahl vorzugsweise auf der Objektoberfläche nicht im Brennpunkt sein, abhängig vom jeweiligen Anwendungsfall.
Die Relation zwischen dem Parabolspiegel 2, dem Schwenkspiegel 3 und den Objekten 13 ist in Fig. 2 dargestellt. BC bedeutet die Breite des einfallenden breiten Laserstrahls 5. Der Strahl 5 trifft auf die Zone DE auf dem Parabolspiegel 2 auf, dessen Hauptachse als Y-Achse bezeichnet ist. J ist der Koordinatenursprung. Die X-Achse verläuft parallel zur Oberfläche der Objekte 13. Der Ursprung J ist der Mittelpunkt der Parabel, die den Parabolspiegel 2 teilweise enthält. Achsenlinien CE und BD sind parallel zur Y-Achse (Achse der Parabel), und deshalb konvergiert der an der Zone DE reflektierte Strahl im Brennpunkt F, der auf der Y-Achse liegt. Allerdings fängt der Schwenkspiegel 3 den reflektierten Strahl 6 ab. Der Schwenkspiegel 3 befindet sich an einem Kreuzungspunkt O des reflektierten Strahls 6 mit einer Mittelsenkrechten eines Segments, welches den Punkt F mit einer Mitte des Objekts verbindet. Natürlich bestimmt sich die Richtung des Spiegels 3 auch in der Weise, daß er im Gleichgewichtszustand entlang der Halbierenden verläuft. Der Schwenkspiegel 3 schwingt mit kleiner Amplitude.
Der Schwenkspiegel 3 reflektiert den Strahl 6 in Richtung auf Oberflächen der Objekte 13. Der doppeltreflektierte Strahl 7 läuft an einem Punkt auf den Objekten 13 zusammen, z.B. P oder Q. Der Punkt ist ein ebenen-symmetrisches Gegenstück zu dem imaginären Brennpunkt F in Bezug auf den Spiegel 3. Wenn der Schwenkspiegel 3 sich in der Stellung HG befindet, wird der imaginäre Brennpunkt auf den Punkt P projiziert. Wenn sich der Spiegel 3 in der Position H'G' befindet, wird der Brennpunkt F auf den Punkt Q reflektiert. Damit läßt das Schwingen des Spiegels 3 zwischen GH und G'H' den Strahl die Stoßlinie zwischen P und Q abrastern. Das Objekt wird in Z-Richtung vorgeschoben, senkrecht sowohl zu der X- als auch der Y-Achse.
Das oben Gesagte bezieht sich auf die normale Lage, in der der Ort der Brennpunkte mit der Objektoberfläche zusammenfällt. Allerdings ist auch eine Außer-Fokus-Anordnung anwendbar, um die Leistungsdichte des Laserstrahls an den Objekten einzustellen. In der Außer-Fokus-Betriebsweise würden die Objekte in Y-Richtung auf eine geeignete Höhe versetzt.
Der Spiegel 3 wird mit kleiner Amplitude von dem Galvanometer 16 zwischen GH und G'H' hin- und herbewegt. Auftreffpunkte des Strahls ändern sich zwischen G und G' sowie zwischen H und H'. Deshalb ändert sich das Abbild des Punktes F zwischen den Punkten P und Q.
Fig. 3 ist eine perspektivische Ansicht des Schwenkspiegels 3. Der Schwenkspiegel 3 besitzt eine Spiegelplatte 8 und eine Kühlplatte 9. Die Kühlplatte 9 ist auf einen Ausgangsstab 17 eines Galvanometers 16 aufgesetzt. Das Galvanometer 16 besitzt einen Permanentmagneten, einen Rotor und eine Spule. Der Rotor dreht sich im Verhältnis zum Spulenstrom. Das Galvanometer besitzt Lager für den Rotor, eine Welle für den Rotor und einen Detektor zum Erfassen des Drehwinkels des Rotors neben dem Permanentmagneten und dem Rotor. Das Zuführen eines Wechselstroms kann den Rotor hin- und herdrehen. Die Amplitude und die Frequenz der Schwingung lassen sich beliebig einstellen, abhängig von dem jeweiligen Anwendungsfall. Ein Kühlwassereinlaß 18 und -auslaß 19 sind an der Rückseite der Kühlplatte 9 ausgebildet, und zwar ausgerichtet entlang einer mittleren axialen Linie, auf der Rückseite der Kühlplatte. Gewendelte Kühlwasserschläuche 20 und 21 sind mit dem Wassereinlaß 18 und dem Wasserauslaß 19 verbunden.
Indem die Kühlplatte 9 mit Teilen für die Kühlung ausgestattet wird, erhöht sich das Gewicht sowie das Drehmoment des Spiegels 3. Allerdings sind bei dieser Ausführungsform der Wassereinlaß 18 und der Wasserauslaß 19 auf der Schwenkachse angeordnet. Eine solche Anordnung minimiert die Zunahme des Trägheitsmoments insgesamt. Die Wasserschläuche 20 und 21 sind als Wendel ausgeführt und bestehen aus elastischem Material. Das Wendeln der Kühlschläuche 20 und 21 ermöglicht deren leichte Verformung, so daß die Schwenkbewegung des Spiegels 3 nicht behindert wird. Das Drehmoment T zum Drehen eines Festkörpers ist gegeben durch T = f² θ l, wobei l das Sekundärmoment des Körpers, 0 die Amplitude und f die Drehfrequenz ist. Das Sekundärmoment des Schwenkspiegels 3 wird mit lo bezeichnet. Damit wird das Gesamt-Sekundärmoment 1 dargestellt durch l = lo + mk², wobei m die Masse des Wassereinlasses und des Wasserauslasses und k die Abweichung der Teile von der Schwenkachse ist. Die Positionen entlang der Mittellinie auf der Rückseite ergeben eine minimale Abweichung kW. Damit minimiert die Anordnung das Sekundärmoment, und deshalb wird das Antriebsmoment zum Hin- und Herbewegen des Spiegels minimiert. Die Orte für die Wasserumwälzteile in Ausrichtung mit der Mittellinie sind deshalb wünschenswert, weil der Spiegel dann das Galvanometer nur zu einem Minimum beeinflußt und das Galvanometer die Wasserumwälzung nur minimal beeinflußt.
Fig. 4 ist eine Bodenansicht des Schwenkspiegels. Fig. 5 ist eine Rückansicht des Schwenkspiegels. Eine Silizium-Spiegelplatte 8 ist am Boden einer Kühlplatte 9 befestigt. Silizium wird deshalb eingesetzt, um das Gewicht des Spiegeis niedrig zu halten. Außerdem steht als Material für den Spiegel neben Si, Beryllium (Be), Aluminium (Al), Kupfer (Cu) oder Molybdän (Mo) zur Verfügung, weil diese Materialien ein hohes Reflektionsvermögen und hohe Wärmebeständigkeit aufweisen. Allerdings ist Silizium (Si) aufgrund der Gewichtsreduktion am besten geeignet.
Die Spiegelplatte 8 ist eben. Die Kühlplatte 9 ist vorzugsweise aus Leichtmetall hergestellt, beispielsweise Aluminium. Am Boden der Kühlplatte 9 ist eine Bodenplatte befestigt. Die Kühlplatte 9 besitzt einen inneren, spiraligen Raum 26 zum Umwälzen von Wasser. Der Innenraum 26 ist ein Kanal, der an dem Wassereinlaß 18 beginnt und am Wasserauslaß 19 endet. Eine Trennwand 27 verläuft entlang einer Kurve von einem Seitenpunkt zu dem Innenraum, um den spiraligen Raum zu bilden. Eine Bodenplatte ist an den Hauptteil der Kühlplatte 9 angeschweißt.
Schrauben 25 fixieren die Spiegelplatte 8 in der Kühlplatte 9. Ein dreieckiges Druckstück 22 ist an eine Vorderseite der Kühlplatte 9 angesetzt. Ein Stabhalteloch 24 ist jeweils zur Hälfte in die seitlichen Enden der Kühlplatte 9 und des Druckstücks 22 eingearbeitet. Der Ausgangsstab 17 wird in das Stabhalteloch 24 eingeführt. Dann wird das Druckstück 22 mit Schrauben 25 an der Kühlplatte 9 befestigt.
Die Bodenplatte der Kühlplatte 9 besitzt zwei Schraubenbohrungen 30 und 31, mit deren Hilfe der Wassereinlaß 18 und der Wasserauslaß 19 befestigt werden. Wasser tritt in den Innenraum 26 über den Wassereinlaß 18 ein, läuft in dem spiraligen Raum um und tritt aus dem Wasserauslaß 19 aus. Obschon das Wasser nicht direkt die Spiegelplatte 8 kühlt, kühlt das Wasser dennoch die Spiegelplatte 8 wirksam über die dünne obere Wand der Kühlplatte 9.
Das Aufstrahlen von Laserstrahlen auf den Schwenkspiegel erzeugt eine beträchtliche Wärmemenge aufgrund eines kleinen Absorptionskoeffizienten. Allerdings zirkuliert Wasser im Innenraum 26 und führt die Wärme von dem Spiegel 3 ab. Die Wärmeableitung durch Wasser verhindert einen Temperaturanstieg des Spiegels. Die Wärme gelangt kaum über den Ausgangsstab 17 an das Galvanometer 16. Die Wellen oder Lager des Galvanometers 16 werden nicht erwärmt. Mechanische Reibung nimmt nicht zu, weil die Welle und die Lager auf geringer Temperatur gehalten werden. Ferromagnetisches Material verliert nicht seine magnetische Kraft durch Temperaturanstieg, da das ferromagnetische Material nicht erwärmt wird.
Gewendelte Kühlwasserschläuche sollten vorzugsweise aus Urethan bestehen, um die Steifigkeit herabzusetzen. Urethan ist ein weiches, elastisches Material. Die Elastizität ändert sich auch bei einer Temperaturänderung kaum. Das Kühlen mit Wasserschläuchen verringert die effektive Steifigkeit der Schläuche, um den Spiegel nicht an einer Hin- und Herbewegung zu hindern.
Im folgenden wird eine Ausführungsform der Erfindung beschrieben:
CO&sub2;-Laser ... 3 kW Ausgangseistung, Strahldurchmesser 52 mm
Schweißmaterialien ... Schweißgut: Kaltgewalztes Stahlblech (SPCC, SGACD, SGACE, SGMCF, SPFC, etc.)
Dicke der Objekte ... 1,5 mm - 3 mm
Schweißart ... Stoßschweißen, Überlappungsschweißen, etc.
Abtastfrequenz ... 10 Hz - 150 Hz
Abtastamplitude ... 0,5 mm
Vorschubgeschwindigkeit ... 1 m/min - 10 m/min
Die Atmosphäre für das Schweißen entspricht nicht einer Laborumgebung für optische Versuche, sondern entspricht der Atmosphäre in einer Fabrik. Selbst in einer fabriktypischen Atmosphäre liefert das Schweißexperiment gute Ergebnisse. Die Festigkeit der Schweißung ist zufriedenstellend. Die Schweißgeschwindigkeit (Vorschubgeschwindigkeit) ist ebenfalls ausreichend. Langzeitbetrieb führt praktisch nicht zu einem Versagen der Optik. Das Galvanometer und der Mechanismus zum Verschwenken des Spiegels fallen im Betrieb nicht aus. Die hin- und hergehende Bewegung erzeugt nur wenig Geräusche und Vibration.

Claims

1. Laserstrahlabtaster, der in einer Vorrichtung zum Schweißen oder zur Wärmebehandlung von Objekten durch Bestrahlen der Objekte mit einem von einem Laser, insbesondere einem CO&sub2;-Laser oder einem YAG-Laser, abgegebenen Strahl eingebaut ist, umfassend:

- einen Parabolspiegel (2) zum Reflektieren und Konvergieren eines einfallenden Laserstrahls,

- einen Schwenkspiegel (3) zum Reflektieren des Laserstrahis in Richtung auf zu bearbeitende Objekte,

- eine Galvanometeranordnung zum Lagern und Schwingen des Schwenkspiegels (3) in einem kleinen Winkel,

- eine Kühleinrichtung zum Kühlen (9) des Schwenkspiegels, indem ein Kühlfluid in einem Innenraum des Schwenkspiegels umgewälzt wird, wobei die Kühleinrichtung einen Kühlfluideinlaß (18) und einen Kühlfluidauslaß besitzt, die sich in mittleren Bereichen der Rückseite des Schwenkspiegels befinden, und

- eine Leitungsanordnung (20, 21), die mit dem Kühlfluideinlaß und dem Kühlfluidauslaß verbunden ist, um der Kühleinrichtung des Schwenkspiegels Kühlfluid zuzuleiten oder abzuziehen.

2. Laserstrahlabtaster nach Anspruch 1, bei dem das Kühlfluid Wasser ist.

3. Laserstrahlabtaster nach Anspruch 1 oder 2, bei dem die Leitungsanordnung (20, 21) Tubuswendeln aufweist.

4. Laserstrahlabtaster nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem der Schwenkspiegel (3) eine Spiegelplatte (8) und eine Kühlplatte (9) mit einem Innenraum, in dem Kühlfluid umgewälzt wird, aufweist.

5. Laserstrahlabtaster nach Anspruch 3 oder 4, bei dem die Tubuswendeln (20, 21) aus Urethan gebildet sind.

6. Laserstrahlabtaster nach Anspruch 4 oder 5, bei dem die Spiegelplatte (8) aus Silicium gefertigt ist.

7. Laserstrahlabtaster nach einem der Ansprüche 4 bis 6, bei dem die Kühlplatte (9) aus Aluminium besteht.