DE10126032C1

DE10126032C1 - Vorrichtung zur Laserbearbeitung

Info

Publication number: DE10126032C1
Application number: DE10126032A
Authority: DE
Inventors: Matthias Busch; Christian Schmid; Kai-Uwe Lotz
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2001-05-28
Filing date: 2001-05-28
Publication date: 2002-07-25
Anticipated expiration: 2021-05-29

Abstract

Die Erfindung betrifft eine handführbare Vorrichtung (1) zur Laserbearbeitung eines Werkstückes (2), insbesondere zum Laserschweißen, mit einer Zufuhreinrichtung (6) für einen Zusatzwerkstoff (7). Die Zufuhreinrichtung (6) hat eine an die Kontur des Zusatzwerkstoffes (7) angepaßte Führung (8), mit der sich die Vorrichtung (1) während der Bearbeitung auf dem Zusatzwerkstoff (7) abstützt. Die Führung (8) hat dabei einen derart auf den Zusatzwerkstoff (7) abgestimmten Reibwert, daß bei einer aufgebrachten Vorschubbewegung der Vorrichtung (1) die Führung (8) auf dem Zusatzwerkstoff (7) entlang gleitet. Der Antrieb für eine konstante Vorschubgeschwindigkeit kann daher mittels einer zusätzlich vorgesehenen Fördereinheit für den Zusatzwerkstoff (7) erfolgen.

Description

Die Erfindung betrifft eine handführbare Vorrichtung zur Laserbearbeitung eines Werkstüc kes, insbesondere zum Laserschweißen, mit einer Fokussieroptik zum Fokussieren des La serstrahls auf dem Werkstück und mit einer Zufuhreinrichtung für einen Zusatzwerkstoff.

Eine solche Laserbearbeitungsvorrichtung ist beispielsweise durch die DE 198 17 629 A1 bekannt, die zum Fügen oder Beschichten von Werkstücken vorgesehen ist. Die Vorrichtung hat dabei entweder eine eigene Laserquelle oder ist mittels eines flexiblen Lichtwellenleiters mit einer stationären Laserstrahlquelle koppelbar. Die Vorrichtung hat weiterhin eine auf ei nem Schlitten angeordnete Zufuhreinrichtung für einen Zusatzwerkstoff, der beispielsweise nach einer beschriebenen Ausführungsform stangenförmig, drahtförmig, pastenförmig oder auch pulverförmig ausgeführt ist. Durch die Zufuhreinrichtung kann der Zusatzwerkstoff dem Fokuspunkt des Laserstrahles auf dem Werkstück zugeführt werden. Der Zusatzwerkstoff wird dabei kontinuierlich mit einer adaptierten Richteinheit unter einem Winkel von ca. 15° bis 60° zur Werkstückoberfläche von oben in das Schmelzbad geführt.

Weiterhin sind durch die DE 39 06 336 A1, die DE 195 19 150 A1 und die DE 196 15 633 C1 weitere handführbare Vorrichtungen zur Laserbearbeitung bekannt.

Als nachteilig hat sich bei den bekannten Vorrichtungen in der Praxis erwiesen, daß die durch die Zufuhreinrichtung erreichbare Genauigkeit bei der Zuführung des Zusatzwerkstof fes für spezielle Anwendungen, die höchste Anforderungen an den Schweißprozeß stellen, nicht ausreicht. Insbesondere erweist sich dabei als hinderlich, daß die Zufuhrposition nur mit einem vergleichsweise hohen Steuerungsaufwand eingehalten werden kann.

Unter der Internet-Adresse www.scansonic.de ist weiterhin auch eine Fokussieroptik mit in tegrierter Online-Nahtführung und automatischer Drahtjustage für einen Laserstrahl-Lötkopf bekannt. Hierbei dient der nachgeführte Zusatzwerkstoff zugleich als 2-D-Taster. Hierzu wird zunächst ein Pilotlaser in den Strahlengang des späteren Bearbeitungslasers eingeführt, welcher auf den Zusatzwerkstoff trifft und einen sichtbaren Schatten auf das Werkstück wirft und damit eine visuelle Kontrolle gestattet. Der Zusatzwerkstoff kann dadurch relativ zu dem Laserstrahl zentriert werden und ermöglicht so eine Online-Steuerung der Optik. Durch den Bearbeitungslaser wird der Zusatzwerkstoff im Schmelzbad abgeschmolzen, der dabei ge gen die Oberfläche des Werkstückes anliegt und durch den Drahtvorschub ständig erneuert wird. Durch die Abtastung im Randbereich des Schmelzbades liegt der Bezugspunkt im Be reich des Lötvorganges, wodurch eine unerwünschte Verzögerung zwischen dem Abtasten der Naht und dem Löten der Naht entfällt. Als nachteilig hat sich dabei erwiesen, daß der Laserstrahl-Lötkopf lediglich die Korrektur einer vorbestimmten, insbesondere roboterge führten Bewegungsbahn durch den 2-D-Taster ermöglicht und daher für eine Handführung ungeeignet ist.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine handführbare Vorrichtung zur Laserbearbei tung zu schaffen, bei der die Zufuhr des Zusatzwerkstoffes vereinfacht wird. Dabei sollen insbesondere auch hohe Qualitätsanforderungen an die Schweißverbindung problemlos er füllt werden.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit einer Vorrichtung gemäß den Merkmalen des Pa tentanspruchs 1 gelöst. Die Unteransprüche betreffen besonders zweckmäßige Weiterbil dungen der Erfindung.

Erfindungsgemäß ist also eine Vorrichtung vorgesehen, bei welcher die Zufuhreinrichtung eine Führung aufweist, durch die der Zusatzwerkstoff kraftschlüssig gegen das Werkstück anlegbar ist. Hierdurch wird der Zusatzwerkstoff bis zur Erwärmung durch den Laserstrahl in seiner vorbestimmten Position fixiert, so daß ein Abgleiten oder eine unerwünschte Verlage rung, die zu einer Verminderung der Qualität führen könnte, ausgeschlossen ist. Der Zusatzwerkstoff kann hierzu bereits in einem vorbereitenden Arbeitsschritt entlang der ge wünschten Schweißnaht ausgelegt werden, so daß die Führung lediglich der Fixierung bzw. der Korrektur der Endposition dient. Die Führung stützt sich dabei insbesondere ausschließ lich auf dem Zusatzwerkstoff ab, der hierbei eine beliebige Beschaffenheit aufweisen kann und dadurch zugleich gegenüber dem Werkstück spaltfrei anliegt. Mehrere übereinanderlie gende Werkstückschichten werden zudem zuverlässig mechanisch gegeneinander gepreßt, und es wird dadurch eine Spaltbildung zwischen mehreren Werkstückschichten vermieden.

Als besonders erweist es sich dabei auch, wenn die Führung als ein Abstandhalter ausge führt ist, um so einen definierten Abstand zu dem Werkstück zuverlässig einhalten zu kön nen. Zugleich entfällt dabei der nach dem Stand der Technik erforderlich hohe Steuerungs aufwand zur Einhaltung der Fokuslage, so daß neben der Herstellung auch die Handhabung vereinfacht wird.

Die Führung kann flach ausgeführt sein, um so eine breite Auflagefläche zu ermöglichen. Besonders vorteilhaft ist hingegen eine Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung, bei der die Führung eine Ausformung für den Zusatzwerkstoff aufweist. Hierdurch wird eine uner wünschte Verlagerung des Zusatzwerkstoffes unter dem Einfluß der Anpreßkraft vermieden. Die Ausformung entspricht hierzu im wesentlichen der Kontur des Zusatzwerkstoffes und schließt diesen auf mehreren Seiten ein.

Eine andere Weiterbildung der vorliegenden Erfindung wird auch dadurch erreicht, daß die Führung eine Ausnehmung für den Zusatzwerkstoff aufweist. Durch diese Ausnehmung wird der Zusatzwerkstoff hindurchgeführt, wodurch eine zuverlässige Überwachung der Zufüh rung erreicht und eine fehlerhafte Anwendung ausgeschlossen wird. Der beispielsweise drahtförmige Zusatzwerkstoff wird dabei durch die Vorschubbewegung von einer Spule ab gewickelt und durch die Ausnehmung unmittelbar der Erwärmungszone zugeführt. Der Be diener kann dabei die Zuführung des Zusatzwerkstoffes visuell kontrollieren.

Die Führung kann mit einer reibungsmindernden Oberflächenbeschaffenheit ausgestattet sein. Eine andere besonders günstige Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird hingegen dann erreicht, wenn die Führung einen drehbaren Wälzkörper aufweist, durch den der Zusatzwerkstoff gegen das Werkstück anpreßbar ist. Hierbei wird die Anpreßkraft mittels der frei drehbaren oder angetriebenen Wälzkörper auf den Zusatzwerkstoff übertragen, so daß bei der Vorschubbewegung der Vorrichtung eine Relativbewegung zwischen der Füh rung und dem Zusatzwerkstoff sichergestellt ist. Eine unerwünschte, vorschubbedingte Ver lagerung des Zusatzwerkstoffes, mit der eine ungeeignete Menge des Zusatzwerkstoffes in der Verbindungszone verbunden ist, wird dadurch vermieden. Die Wälzkörper können hierzu beispielsweise als Rolle mit einer Einschnürung am Umfang ausgeführt sein, die auf dem Zusatzwerkstoff entlang gerollt werden können.

Eine weitere besonders praxisnahe Abwandlung der vorliegenden Erfindung wird auch dann erreicht, wenn die Führung zur Anpassung an unterschiedliche Abmessungen oder Quer schnittsformen des Zusatzwerkstoffes einstellbar ist, um dadurch einen flexiblen Einsatz un terschiedlicher Zusatzwerkstoffe mit verschiedenen Formgebungen zu ermöglichen. Die Füh rung kann hierzu beispielsweise schwenk- oder verschiebbare Seitenteile aufweisen, die manuell im unbelasteten Zustand eingestellt werden können. Weiterhin können auch einzel ne Abschnitte der Führung austauschbar sein.

Die Vorrichtung könnte zusätzlich eine oder mehrere Rollen aufweisen, um sich auf dem Werkstück abzustützen oder die als Abstandhalter dienen. Besonders praxisnah ist es hin gegen auch, wenn die Vorrichtung ausschließlich mittels der Zufuhreinrichtung auf dem Werkstück abstützbar ist. Hierdurch wird durch die Zufuhreinrichtung zugleich auch die Posi tionierung der Führung der Vorrichtung übernommen, so daß eine fehlerhafte Vorschubbe wegung im wesentlichen ausgeschlossen ist. Die Führung wird dabei auf dem Zusatzwerk stoff verschoben, wobei zugleich die nötige Anpreßkraft gegenüber dem Werkstück aufge bracht wird. Die Qualität der Schweißverbindung läßt sich auf diese Weise weiter erhöhen.

Dabei erweist es sich als besonders vorteilhaft, wenn mittels der Führung die Zufuhr des Zusatzwerkstoffes entsprechend der Vorschubbewegung erfolgt, um so eine Relativbewe gung zwischen der Zusatzwerkstoff und dem Werkstück ausschließen zu können.

Hierzu eignet sich besonders auch eine Weiterbildung der Erfindung, bei der die Zufuhrein richtung eine Fördereinheit für den Zusatzwerkstoff aufweist. Der Zusatzwerkstoff wird dabei durch die Fördereinheit in Abhängigkeit der Vorschubgeschwindigkeit in der entsprechenden Menge zugeführt, so daß eine gleichbleibend optimale Zufuhr des Zusatzwerkstoffes in die Bearbeitungszone sichergestellt ist.

Dabei erweist sich eine Ausgestaltung dadurch als besonders einfach, daß mittels der För dereinheit für den Zusatzwerkstoff zugleich auch die Vorschubbewegung der Vorrichtung erreichbar ist. Dabei gleitet die Vorrichtung mit der Führung entsprechend der durch die För dereinheit bestimmten Geschwindigkeit auf dem Zusatzwerkstoff, wodurch sich die er wünschte Relativbewegung zwischen dem Laser und dem Werkstück ergibt. Ein zusätzlicher Antrieb für die Vorrichtung ist daher nicht erforderlich, so daß sich der Aufwand für die Her stellung der Vorrichtung wesentlich verringern läßt. Dabei wird die Relativbewegung zuverlässig eingehalten, da sich die Vorschubbewegung als definierte Größe (Fördergeschwindig keit des Drahtes) zwischen Bearbeitungskopf und Zusatzwerkstoff ergibt, wobei sich der Zu satzwerkstoff kraftschlüssig auf dem Werkstück befindet.

Eine andere besonders günstige Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung wird auch da durch geschaffen, daß die Vorrichtung zur Erzeugung einer Differenz zwischen der Zufuhr geschwindigkeit und der Vorschubgeschwindigkeit in Abhängigkeit von einer manuell durch einen Bediener aufgebrachten Betätigungskraft ausgeführt ist. Auf diese Weise kann der Bediener bei der Durchführung der Laserbearbeitung jederzeit in den Ablauf eingreifen. Ins besondere kann dieser die Vorschubgeschwindigkeit verringern, indem er eine erhöhte Be tätigungskraft aufbringt. Diese Betätigungskraft kann dann beispielsweise mittels einer Sen sorik der Vorrichtung erfaßt und durch eine Steuereinheit in geänderte Parameter für die Vorschubgeschwindigkeit bzw. die Zufuhrgeschwindigkeit umgesetzt werden.

Eine ebenfalls besonders praxisnahe Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung wird auch dadurch geschaffen, daß die Zufuhreinrichtung den Laserstrahl einschließt. Hier durch wird eine Gefährdung der Umgebung durch unbeabsichtigt austretende Laserstrahlung vermieden. Der Laserstrahl ist hierbei im Inneren einer als Hohlkörper ausgeführten Zufuh reinrichtung angeordnet, wobei eine Öffnung zur Beobachtung der Wärmeeinflußzone vor gesehen sein kann.

Vorteilhaft ist es auch, wenn die Zufuhreinrichtung eine zusätzliche Gasdüse aufweist, um hierdurch ein Reaktionsgas der Bearbeitungszone auf dem Werkstück zuführen zu können. Die Eigenschaften der Schweißverbindung können somit zusätzlich verbessert werden.

Die Erfindung läßt verschiedene Ausführungsformen zu. Zur weiteren Verdeutlichung ihres Grundprinzips ist eine davon in der Zeichnung dargestellt und wird nachfolgend beschrieben. Diese zeigt in

Fig. 1 eine Seifenansicht der erfindungsgemäßen Vorrichtung;

Fig. 2 eine Vorderansicht der in Fig. 1 gezeigten Vorrichtung.

Fig. 1 zeigt eine erfindungsgemäße Vorrichtung 1 zur Laserbearbeitung eines Werkstückes 2. Die Vorrichtung 1 ist handführbar und eignet sich damit insbesondere zum individuellen Einsatz, beispielsweise für Reparaturzwecke. Ein Laserstrahl 3, welcher entweder unmittel bar in der Vorrichtung 1 mittels einer nicht dargestellten Laserstrahlungsquelle erzeugt oder mittels eines Lichtwellenleiters von außen zuführbar ist, wird mittels einer Fokussieroptik 4 in eine Bearbeitungszone 5 des Werkstückes 2 fokussiert. Die Vorrichtung 1 stützt sich dabei mittels einer Zufuhreinrichtung 6 auf einem Zusatzwerkstoff 7 ab. Hierzu hat die Zufuhrein richtung 6 eine Führung 8, welche eine unerwünschte Verlagerung des Zusatzstoffes 7 aus der Sollposition verhindert. Die Führung 8 ist dabei derart auf den Zusatzwerkstoff 7 abge stimmt, daß die Vorschubbewegung in Vorschubrichtung 9 zu einer Gleitbewegung der Vor richtung 1 auf dem Zusatzwerkstoff 7 führt, der somit zugleich die Vorschubrichtung 9 fest legt. Hierbei kann der Zusatzwerkstoff 7 zusätzlich durch eine nicht dargestellte Förderein heit der Vorrichtung 1 mit einer vorbestimmten Fördergeschwindigkeit zuführbar sein, wo durch zugleich die Vorschubgeschwindigkeit der Vorrichtung 1 festgelegt ist. Der Bediener kann jedoch jederzeit manuell in die Vorschubbewegung der Vorrichtung 1 eingreifen und eine Differenz zwischen der Fördergeschwindigkeit und der Vorschubgeschwindigkeit erwir ken. Hierbei kann zudem die Betätigungskraft erfaßt und in ein geändertes Steuerprogramm der Vorschubbewegung umgesetzt werden.

Die Vorrichtung 1 wird ergänzend auch anhand der Fig. 2 erläutert, die eine Vorderansicht der Vorrichtung 1 darstellt. Zu Erkennen ist die Zufuhreinrichtung 6 mit der Führung 8, durch die sich die Vorrichtung 1 bei der Bearbeitung auf dem Zusatzwerkstoff 7 abstützt und diesen bis zur Schmelze in der Position auf dem Werkstück 2 fixiert. Dabei wird zugleich das Werk stück 2 gegen eine nicht dargestellte Auflage oder weitere Werkstücke gepreßt. Die Führung 8 hat eine an die Kontur des Zusatzstoffes 7 angepaßte Ausformung 10, um so eine ausrei chende seitliche Abstützung der Vorrichtung 1 bei der Vorschubbewegung zu erreichen.

Bezugszeichenliste

1

Vorrichtung

2

Werkstück

3

Laserstrahl

4

Fokussieroptik

5

Bearbeitungszone

6

Zufuhreinrichtung

7

Zusatzwerkstoff

8

Führung

9

Vorschubrichtung

10

Ausformung

Claims

1. Handführbare Vorrichtung (1) zur Laserbearbeitung eines Werkstückes (2), insbesondere zum Laserschweißen, mit einer Fokussieroptik (4) zum Fokussieren des Laserstrahls (3) auf dem Werkstück (2) und mit einer Zufuhreinrichtung (6) für einen Zusatzwerkstoff (7), dadurch gekennzeichnet, daß die Zufuhreinrichtung (6) eine Führung (8) aufweist, durch die der Zu satzwerkstoff (7) kraftschlüssig gegen das Werkstück (2) anlegbar ist.

2. Vorrichtung (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Führung (8) als ein Abstandhalter ausgeführt ist.

3. Vorrichtung (1) nach den Ansprüchen 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Führung (8) eine Ausformung (10) für den Zusatzwerkstoff (7) aufweist.

4. Vorrichtung (1) nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenn zeichnet, daß die Führung (8) eine Ausnehmung für den Zusatzwerkstoff (7) aufweist.

5. Vorrichtung (1) nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenn zeichnet, daß die Führung einen drehbaren Wälzkörper aufweist, durch den der Zusatzwerk stoff gegen das Werkstück anpreßbar ist.

6. Vorrichtung (1) nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenn zeichnet, daß die Führung (8) zur Anpassung an unterschiedliche Abmessungen oder Quer schnittsformen des Zusatzwerkstoffes (7) einstellbar ist.

7. Vorrichtung (1) nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenn zeichnet, daß die Vorrichtung (1) ausschließlich mittels der Zufuhreinrichtung (6) auf dem Werkstück (2) abstützbar ist.

8. Vorrichtung (1) nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenn zeichnet, daß mittels der Führung (8) die Zufuhr des Zusatzwerkstoffes (7) entsprechend der Vorschubbewegung erfolgt.

9. Vorrichtung (1) nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenn zeichnet, daß die Zufuhreinrichtung (6) eine Fördereinheit für den Zusatzwerkstoff (7) auf weist.

10. Vorrichtung (1) nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß mittels der Fördereinheit für den Zusatzwerkstoff (7) zugleich auch die Vorschubbewegung der Vorrichtung (1) er reichbar ist.

11. Vorrichtung (1) nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenn zeichnet, daß die Vorrichtung (1) zur Erzeugung einer Differenz zwischen der Zufuhrge schwindigkeit und der Vorschubgeschwindigkeit in Abhängigkeit von einer manuell durch einen Bediener aufgebrachten Betätigungskraft ausgeführt ist.

12. Vorrichtung (1) nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenn zeichnet, daß die Zufuhreinrichtung (6) den Laserstrahl (3) einschließt.

13. Vorrichtung (1) nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenn zeichnet, daß die Zufuhreinrichtung (6) eine zusätzliche Gasdüse aufweist.