WO2006125413A1 - Verfahren und vorrichtung zur behandlung von werkstückoberflächen mittels laserstrahlung - Google Patents

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WO2006125413A1
WO2006125413A1 PCT/DE2006/000809 DE2006000809W WO2006125413A1 WO 2006125413 A1 WO2006125413 A1 WO 2006125413A1 DE 2006000809 W DE2006000809 W DE 2006000809W WO 2006125413 A1 WO2006125413 A1 WO 2006125413A1
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axis
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laser head
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Andreas Mootz
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Emag Laser Tec Gmbh
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B08—CLEANING
    • B08B—CLEANING IN GENERAL; PREVENTION OF FOULING IN GENERAL
    • B08B7/00—Cleaning by methods not provided for in a single other subclass or a single group in this subclass
    • B08B7/0035—Cleaning by methods not provided for in a single other subclass or a single group in this subclass by radiant energy, e.g. UV, laser, light beam or the like
    • B08B7/0042—Cleaning by methods not provided for in a single other subclass or a single group in this subclass by radiant energy, e.g. UV, laser, light beam or the like by laser
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K26/00—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring
    • B23K26/08—Devices involving relative movement between laser beam and workpiece
    • B23K26/0823—Devices involving rotation of the workpiece

Definitions

  • the present invention relates to a method and a device for the treatment of workpiece surfaces by means of laser beams, in particular for cleaning and welding.
  • a suitable method for cleaning surfaces such as e.g. Descaling, derusting, degreasing, de-oiling or paint stripping is the treatment using a laser beam. In this case, a mostly focused laser beam is directed onto the workpiece surface. This will be
  • a method for cleaning is known from DE 199 00 910 A1, wherein the laser radiation emerging from a radiation source is fed via a light guide to a machining head.
  • a beam deflection is provided with two deflection mirrors which are variable in angle by means of a control device. , ,
  • the core idea of the invention is to produce the desired Relativbewegu ⁇ g between the workpiece surface and the laser beam by moving the workpiece.
  • a workpiece spindle which can be transported and Positioning the workpiece is controlled movable, in addition to perform the necessary for cleaning movements.
  • the laser head is fixedly arranged on the machine frame and required in the prior art oscillating deflecting mirror with the associated drive and adjusting mechanisms accounts for replacement.
  • the method can be used particularly advantageously for cleaning rotationally symmetrical surfaces.
  • the relative movement between the workpiece surface and the laser beam is generated by rotation of the workpiece and a superimposed linear feed motion. This motion sequence is comparable to the movement during workpiece machining by turning.
  • the Einstrahlachse of the laser relative to the axis of rotation is preferably inclined by an inclination angle of 45 °.
  • the laser is power-modulated depending on the angle.
  • corresponding patterns can be generated or switched on and off.
  • the centrifugal force from the workpiece thrown dirt particles are collected by a shield.
  • a further embodiment provides to support the effect of the laser beam by a blown air jet.
  • a laser beam source a CO2 laser is used.
  • solid state lasers or high power diode lasers may also be used.
  • the processing cell 2 carries on its upper side guideways 3, on which the horizontal slide 4 is movably guided in the direction of the X-axis.
  • the drive takes place via a ball screw 7 with a motor 8.
  • the horizontal slide 4 carries a vertical slide 9, which along the guide tracks 10 in the vertical direction along the Z-axis is movable.
  • the workpiece spindle 11 is rotatably mounted. It carries at its lower end the clamping means 12.
  • a transport device 14 transports workpieces 13 to be machined into the effective range of the workpiece spindle 11 and finished workpieces 13 out of the effective range.
  • the workpiece spindle 11 operates according to the So-called pick-up principle, ie it grips workpieces 13 of the transport device 14 and leads to the processing position 15. There, the workpiece surface is acted upon by the laser head 13 with laser beams. The workpiece 13 rotates about the C-axis and is stored again on the transport device 14 after processing.
  • the laser head 16 is fixedly connected to the processing cell 2 and is not moved.
  • Fig. 2 shows the motor spindle 11 in an enlarged view.
  • the Einstrahlachse 19 is inclined at an angle ⁇ relative to the axis of rotation 20.
  • ⁇ At an angle of inclination ⁇ of approximately 45 °, workpiece surfaces 17 extending in the direction of the axis of rotation 20 as well as plane surfaces 18 arranged perpendicular thereto can be machined without the laser head 16 having to be moved.

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  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Plasma & Fusion (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Laser Beam Processing (AREA)

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Behandlung von Werkstückoberflächen mittels Laserstrahlen, insbesondere zum Reinigen und Schweißen, mit einem Laserkopf (16) und diesem zugeordneter Werkstückspindel (11 ), die zum Greifen, Transportieren, Positionieren, Antreiben und Ablegen von Werkstücken (13) dient, wobei zur Erzielung einer für das Reinigen erforderlichen Relativgeschwindigkeit zwischen Werkstück (13) und Laserkopf (16) das Werkstück (13) um die Rotationsachse (20) rotiert.

Description

Verfahren und Vorrichtung zur Behandlung von Werkstückoberflächen mittels
Laserstrahlung
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Behandlung von Werkstückoberflächen mittels Laserstrahlen, insbesondere zum Reinigen und Schweißen.
Beim Verbindungsschweißen von metallischen Werkstücken besteht i.d.R. die Forderung nach metallisch blanken Oberflächen. Ein geeignetes Verfahren zur Reinigung von Oberflächen, wie z.B. Entzundern, Entrosten, Entfetten, Entölen oder Entlacken ist die Behandlung mittels Laserstrahl. Dabei wird ein meist fokussierter Laserstrahl auf die Werkstückoberfläche gerichtet. Hierdurch werden
Oberflächenschichten lokal aufgeschmolzen und verdampft. Sie können dann abgeblasen werden. Um ein Anschmelzen der zu reinigenden Oberfläche zu vermeiden, sind die Prozessparameter wie Laserwellenlänge, Leistungsdichte und Relativgeschwindigkeit zwischen Werkstück und Laserstrahl exakt einzustellen. Aus der DE 199 00 910 A1 ist ein Verfahren zum Reinigen bekannt, wobei die von einer Strahlenquelle austretende Laserstrahlung über Lichtleiter einem Bearbeitungskopf zugeführt wird. Um eine an die Anwendungsprozesse angepasste Ablenkungsbahn des Laserstrahls auf der zu behandelnden Oberfläche zu erzeugen, ist eine Strahlablenkung mit zwei über eine Steuereinrichtung winkelveränderlichen Ablenkspiegeln vorgesehen. . .
Es ist die Aufgabe der Erfindung ein Verfahren anzugeben, mit dem die Oberflächen von Werkstücken wirtschaftlicher gereinigt und geschweißt werden können. Es ist auch die Aufgabe der Erfindung eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens anzugeben. . . •' ■ .
Der Kerngedanke der Erfindung besteht darin die gewünschte Relativbeweguήg zwischen Werkstückoberfläche und Laserstrahl durch Bewegen des Werkstücks zu erzeugen. Hierzu kann eine Werkstückspindel, die zum Transportieren und Positionieren des Werkstücks gesteuert beweglich ist, zusätzlich die für das Reinigen erforderlichen Bewegungen ausführen. Dabei ist der Laserkopf ortsfest am Maschinengestell angeordnet und die im Stand der Technik erforderlichen oszillierenden Ablenkspiegel mit den dazugehörigen Antriebs- und Stellmechanismen entfallen ersatzlos. Besonders vorteilhaft lässt sich das Verfahren zur Reinigung rotationssymmetrischer Flächen einsetzen. Die Relativbewegung zwischen Werkstückoberfläche und Laserstrahl wird dabei durch Rotation des Werkstücks und eine überlagerte lineare Vorschubbewegung erzeugt. Dieser Bewegungsablauf ist mit der Bewegung bei der Werkstückbearbeitung durch Drehen vergleichbar. Bei einer vorteilhaften Ausführung ist die Einstrahlachse des Lasers gegenüber der Rotationsachse vorzugsweise um einen Neigungswinkel von 45° geneigt. Auf diese Weise können sowohl konzentrisch zur Werkstückachse verlaufende zylindrische Flächen als auch senkrecht dazu angeordnete Planflächen gereinigt werden. Bei einer weiteren Ausführung des Verfahrens wird der Laser winkelabhängig leistungsmoduliert. Hierdurch lassen sich bzw. durch Ein- und Ausschalten entsprechende Muster erzeugen. Bei einer weiteren Ausführung werden die durch Fliehkraft vom Werkstück abgeschleuderten Schmutzpartikel von einer Abschirmung aufgefangen. Eine weitere Ausführung sieht vor, die Wirkung des Laserstrahls durch einen Blasluftstrahl zu unterstützen. Als Laserstrahlquelle wird ein CO2 -Laser eingesetzt. Es können jedoch ebenso Festkörperlaser oder Hochleistungsdiodenlaser verwendet werden.
Bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 sind die Bearbeitungszelle 2, die Laserquelle 5 und der die Energieversorgung und die Steuerung aufnehmende
Schaltschrank 6 auf einem Trägerelement 1 montiert. Die Bearbeitungszelle 2 trägt an ihrer Oberseite Führungsbahnen 3, auf denen der Horizontalschlitten 4 in Richtung der X-Achse beweglich geführt ist. Der Antrieb erfolgt über eine Kugelrollspindel 7 mit einem Motor 8. Der Horizontalschlitten 4 trägt einen Vertikalschlitten 9, welcher entlang von Führungsbahnen 10 in vertikaler Richtung entlang der Z-Achse verfahrbar ist. Am Vertikalschlitten 4 ist die Werkstückspindel 11 drehbar gelagert. Sie trägt an ihrem unteren Ende das Spannmittel 12. Eine Transporteinrichtung 14 transportiert zu bearbeitende Werkstücke 13 in den Wirkbereich der Werkstückspindel 11 hinein und fertig bearbeitete Werkstücke 13 aus dem Wirkbereich heraus. Die Werkstückspindel 11 arbeitet nach dem sogenannten Pick-Up-Prinzip, d.h. sie greift Werkstücke 13 von der Transporteinrichtung 14 und führt zur Bearbeitungsposition 15. Dort wird die Werkstückoberfläche über den Laserkopf 13 mit Laserstrahlen beaufschlagt. Dabei rotiert das Werkstück 13 um die C-Achse und wird nach erfolgter Bearbeitung wieder auf der Transporteinrichtung 14 abgelegt. Der Laserkopf 16 ist ortsfest mit der Bearbeitungszelle 2 verbunden und wird nicht bewegt.
Fig. 2 zeigt die Motorspindel 11 in vergrößerter Darstellung. Die Einstrahlachse 19 ist um einen Winkel α gegenüber der Rotationsachse 20 geneigt. Bei einem Neigungswinkel α von ca. 45° lassen sich sowohl in Richtung der Rotationsachse 20 verlaufende Werkstückoberflächen 17 als auch senkrecht dazu angeordnete Planflächen 18 bearbeiten, ohne dass der Laserkopf 16 bewegt werden muss.
Bezugszeichenliste
1 Trägerelement
2 Bearbeitungszelle
3 Führungsbahn
4 Horizontalschlitten
5 Laserquelle
6 Schaltschrank
7 Kugelrollspindel
8 Motor
9 Vertikalschlitten
10 Führungsbahnen
11 Werkstückspindel
12 Spannmittel
13 Werkstück
14 Transporteinrichtung
15 Bearbeitungsposition
16 Laserkopf
17 Werkstückoberfläche
18 Planfläche
19 Einstrahlachse
20 Rotationsachse
21 Abschirmung
22 Blasluftstrahl

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zum Behandeln, insbesondere zum Reinigen, von Werkstückoberflächen mittels Laserstrahlung, mit einem Laserkopf (16.) und diesem zugeordneter Werkstückspindel (11 ), die zum Greifen, Transportieren,
5 Positionieren, Antreiben und Ablegen von Werkstücken (13) dient, dadurch gekennzeichnet, dass zur Erzielung einer für das Reinigen erforderlichen Relativgeschwindigkeit zwischen Werkstück (13) und Laserkopf (16) das Werkstück (13) um die Rotationsachse (20) rotiert. 10
2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass zur Vergrößerung der Reinigungsfläche die Rotationsbewegung des Werkstücks (13) durch eine Vorschubbewegung der Werkstückspindel (11) gegenüber dem Laserkopf (16) überlagert wird.
15
3. Verfahren nach Anspruch 2, wobei die Einstrahlachse (19) unter einem Winkel α gegenüber der Rotationsachse (20) geneigt ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Laserstrahl durch eine Vorschubbewegung der Werkstückspindel (11 ) gegenüber dem Laserkopf (16) sowohl parallel zur Rotationsachse (20)
20 verlaufende Werkstückoberflächen (17) als auch orthogonal dazu angeordnete Planflächen (18) beaufschlagt.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Wirkung des Laserstrahls durch einen Blasluftstrahl (22) unterstützt wird.
25
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass zur Erzeugung von Mustern der Laser winkelabhängig leistungsmoduliert wird.
3.0
6. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 5, mit einem ortsfest an der Bearbeitungszelle (2) angeordneten Laserkopf (16) und mit einer Werkstückspindel (11), die zum Greifen, Transportieren, Positionieren, Antreiben' und Ablegen von Werkstücken (13) dient, die in Richtung der vertikal verlaufenden Z-Achse verfahrbar ist und in -einem Schlitten (4) angeordnet ist, der auf horizontal verlaufenden Führungen (3) in X-Achsenrichtung verfahrbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Einstrahlachse (19) des Laserkopfes (16) gegenüber der Rotationsachse (20) um einen Winkel α geneigt ist, und dass durch Bewegen der Werkstückspindel (11 ) in Richtung der X- und/oder Z-
Achse sowohl parallel zur Rotationsachse (20) verlaufende Werkstückoberflächen (17) als auch orthogonal dazu angeordnete Planflächen (18) mit Laserstrahlung beaufschlagbar sind.
7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der
Neigungswinkel α zwischen Einstrahlachse (19) und Rotationsachse (20) circa 45° beträgt.
8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass zum Auffangen vom abgeschleuderten Schmutzpartikeln eine Abschirmung (21 ) vorgesehen ist.
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