DE102011121420A1

DE102011121420A1 - Vorrichtung und Verfahren zur Bearbeitung zumindest eines Werkstücks mittels eines auf eine Werkstückoberfläche gerichteten Laserstrahls.

Info

Publication number: DE102011121420A1
Application number: DE102011121420A
Authority: DE
Inventors: Knut Winzek; Holger Grund; Helge Messer; Sebastian Rother
Original assignee: Volkswagen AG
Current assignee: Volkswagen AG
Priority date: 2011-12-17
Filing date: 2011-12-17
Publication date: 2013-06-20

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung (1) zur Bearbeitung zumindest eines Werkstücks (2) mittels eines auf eine Werkstückoberfläche (3) gerichteten Laserstrahls (4), insbesondere zum Laserschweißen von zwei Werkstücken. Die Vorrichtung (1) umfasst eine Düse (5) zur Erzeugung einer Luft- bzw. Gasströmung (6), welche derart gerichtet ist, dass die Luft- bzw. Gasströmung (6) zumindest in einem Auftreffpunkt (17) des Laserstrahls (4) auf der Werkstückoberfläche (3) parallel zu der Werkstückoberfläche (3) ausgerichtet ist. Die Luft- bzw. Gasströmung (6) weist in Strömungsrichtung (7) zumindest zwei nebeneinander und in einem Abstand (a') zueinander angeordnete Austrittsöffnungen (10, 11) auf, durch welche zwei separate, in Strömungsrichtung (7) parallele Luft- bzw. Gasströme (8, 9) erzeugbar sind. Während der Bearbeitung des Werkstücks (2) ist der Laserstrahl (4) zwischen den beiden beabstandeten Luft- bzw. Gasströmen (8, 9) angeordnet. Der Abstand (a') der Austrittsöffnungen (10, 11) ist dabei derart ausgestaltet, dass sich zwischen den beiden parallelen Luft- bzw. Gasströmen (8, 9) ein Unterdruck ausbildet, welcher bewirkt, dass sich die beiden Luft- bzw. Gasströme (8, 9) in einem in Strömungsrichtung (7) unmittelbar hinter dem Auftreffpunkt (17) des Laserstrahls (4) auf die Werkstückoberfläche (3) angeordneten Vereinigungsbereich (18) aneinander anlegen.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Bearbeitung zumindest eines Werkstücks mittels eines auf eine Werkstückoberfläche gerichteten Laserstrahls.
Aus der EP 1 018 395 A2 ist eine derartige Vorrichtung und ein derartiges Verfahren bekannt. Hierbei werden mittels eines auf eine Werkstückoberfläche gerichteten Laserstrahls Löcher in das Werkstück gebohrt oder in das Werkstück geschnitten. Die Vorrichtung weist einen koaxial zum Laserstrahl ausgerichteten Arbeitsgasstrahl und einen quer zum Arbeitsgasstrahl ausgerichteten Blasgasstrahl zum Abtransport von aufgeschmolzenem Material auf.
Weitere Vorrichtungen zur Bearbeitung eines Werkstücks mittels eines Laserstrahls sind aus der DE 101 38 867 A1 , und der DE 198 58 681 A1 bekannt.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung und ein Verfahren der eingangs genannten Art derart auszuführen, dass aus der Bearbeitung des Werkstücks mittels des Laserstrahls resultierende Verschmutzungen auf dem Werkstück und auf bzw. an benachbarten Bauteilen und Einrichtungen reduziert werden.
Diese Aufgabe wird gelöst mit einer Vorrichtung gemäß den Merkmalen des Patentanspruchs 1. Die Unteransprüche betreffen besonders zweckmäßige Weiterbildungen der Erfindung.
Erfindungsgemäß ist also eine Vorrichtung zur Bearbeitung zumindest eines Werkstücks mittels eines auf eine Werkstückoberfläche gerichteten Laserstrahls, insbesondere zum Laserschweißen von zwei Werkstücken, vorgesehen, welche eine Düse zur Erzeugung einer Luft- bzw. Gasströmung umfasst, die derart gerichtet ist, dass die Luft- bzw. Gasströmung zumindest in einem Auftreffpunkt des Laserstrahls auf der Werkstückoberfläche parallel zu der Werkstückoberfläche ausgerichtet ist, und welche in Strömungsrichtung der Luft- bzw. Gasströmung zumindest zwei nebeneinander und in einem Abstand zueinander angeordnete Austrittsöffnungen aufweist, durch welche zwei separate, in Strömungsrichtung parallele Gasströme erzeugbar sind, wobei der Laserstrahl während der Bearbeitung des Werkstücks zwischen den beiden beabstandeten Luft- bzw. Gasströmen angeordnet ist und der Abstand der Austrittsöffnungen derart ausgestaltet ist, dass sich zwischen den beiden parallelen Luft- bzw. Gasströmen ein Unterdruck ausbildet, welcher bewirkt, dass sich die beiden Luft- bzw. Gasströme in einem in Strömungsrichtung unmittelbar hinter dem Auftreffpunkt des Laserstrahls auf die Werkstückoberfläche angeordneten Vereinigungsbereich aneinander anlegen. Den beiden parallel zueinander ausgerichteten Gas- bzw. Luftströmen kann durch die erfindungsgemäße Anordnung und Ausgestaltung der Düse nur von außen Sekundärluft zuströmen, sodass sich zwischen den Luft- bzw. Gasströmen ein Unterdruck ausbildet, welcher die Ablenkung der Luftströme bewirkt. Die als Luftströmung ausgebildete Gasströmung transportiert die bei der Bearbeitung des bzw. der Werkstücke entstehenden und austretenden Partikel, wie beispielsweise Spritzer oder Schmauch, aus dem Bearbeitungsbereich des Laserstrahls heraus, sodass sich diese nicht auf dem Werkstück, der Bearbeitungsoptik der Laserstrahlquelle und anderen Anlagenteilen niederschlagen können. Hierdurch können die kostenintensiven, nachgelagerten Arbeits- bzw. Prozessschritte, beispielsweise Bürst- oder Waschprozesse zur Reinigung des Werkstücks, minimiert werden. Außerdem können die Reinigungsumfänge und -vorgänge der benachbarten Bauteile und Einrichtungen, wie beispielsweise der die Vorrichtung umgebenden Laserkabine, erheblich reduziert werden. Somit werden auch die Stillstandszeiten der Anlage und die aus den Stillstandszeiten resultierenden Stückzahlverluste minimiert. Durch die Anordnung des Laserstrahls zwischen den beiden Luft- bzw. Gasströmen wird der Laserstrahl bzw. das Schweißbad während der Bearbeitung des Werkstücks in keinster Weise durch die beiden Luft- bzw. Gasströme beeinflusst oder negativ beeinträchtigt, sodass keine Prozessschwankungen zu erwarten sind. Eine weitere erhebliche Reduzierung der Verschmutzung wird auch dadurch erreicht, dass sich die beiden Gas- bzw. Luftströme in Strömungsrichtung unmittelbar hinter dem Laserstrahl aneinander anlegen, sodass Spritzer oder Schmauch auch aus diesem Bereich zuverlässig abtransportiert werden können.
Weiterhin ist vorgesehen, dass ein Abstand zwischen den beiden Gasströmen veränderbar ist. Durch die Veränderung des Zwischenraums zwischen den beiden Gasströmen kann der die Ablenkung der Gasströme verursachende Unterdruck variiert werden und dadurch der Abstand des Vereinigungsbereichs der beiden Gasströme von den Austrittsöffnungen der Düse bzw. vom Laserstrahl festgelegt werden. Weiterhin kann der Abstand auch in Abhängigkeit der Parameter des Laserstrahls bzw. des Schweißbads und des Bearbeitungsprozesses verändert werden, sodass eine Beeinflussung des Laserstrahls zuverlässig ausgeschlossen werden kann und die Verunreinigungen prozesssicher abgeführt werden können.
Der Abtransport der Verunreinigungen aus dem Bearbeitungsbereich des Laserstrahls und die Prozesssicherheit des Verfahrens werden auch dadurch verbessert, dass die Luft- bzw. Gasströme im Bereich des Auftreffpunkts des Laserstrahls auf die Werkstückoberfläche senkrecht zu der Laserstrahlachse angeordnet sind.
Eine zweckmäßige Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung sieht vor, dass zwischen den beiden Austrittsöffnungen der Düse eine Blende angeordnet ist oder dass sich zwischen den beiden Austrittsöffnungen ein variabler Bereich der Länge a befindet, in welchem keine Luft- bzw. Gasströmung austritt. Hierdurch wird eine Unterteilung der Luft- bzw. Gasströmung in zwei einzelne, in einem Abstand zueinander angeordnete Luft- bzw. Gasströme gewährleistet.
Erfindungsgemäß ist weiter vorgesehen, dass den beiden Austrittsöffnungen jeweils eine Gitterstruktur mit mehreren Durchbrechungen zugeordnet ist oder dass den beiden Austrittsöffnungen mehrere Düsenöffnungen zugeordnet sind. Hierdurch besteht jede der Austrittsöffnungen aus mehreren kleinen und parallel zueinander angeordneten Luftkanälen. Selbstverständlich ist es auch möglich, pro Auslassöffnung eine einzige, sich über die gesamte Querschnittsfläche der Auslassöffnung erstreckende Durchbrechung für den Durchtritt der Gas- bzw. Luftströmung vorzusehen.
Die Parameter der beiden Luft- bzw. Gasströme lassen sich auch dadurch verändern, dass die Abmessungen der Austrittsöffnungen und/oder der Blende und/oder ein Abstand der Durchbrechungen zueinander und/oder die Abmessungen der Durchbrechungen einstellbar sind.
Hierbei hat es sich als besonders vorteilhaft erwiesen, dass die beiden Gasströme die gleiche Strömungsgeschwindigkeit und den gleichen Druck aufweisen. Hierdurch kann eine Beeinflussung des Bearbeitungsprozesses durch die beiden Luft- bzw. Gasströme verhindert werden und gewährleistet werden, dass sich die beiden Luft- bzw. Gasströme unmittelbar hinter dem Laserstrahl aneinander anlegen.
In diesem Fall erweist es sich als besonders vorteilhaft, dass die Düse einen einzigen, mit beiden Austrittsöffnungen verbunden Zuführabschnitt für die Gaszuführung aufweist. Durch einen einzigen Zuführabschnitt für beide Austrittsöffnungen kann auf einfache Art und Weise gewährleistet werden, dass beide Gasströme die gleiche Strömungsgeschwindigkeit und den gleichen Druck aufweisen.
Eine andere besonders zweckmäßige Weiterbildung der vorliegenden Erfindung wird auch dadurch geschaffen, dass eine Absaugeinrichtung vorgesehen ist, welche der Düse in Strömungsrichtung gegenüberliegend und in Strömungsrichtung hinter dem Vereinigungsbereich der beiden Luft- bzw. Gasströme angeordnet ist. Durch die Absaugeinrichtung können die bei der Bearbeitung entstehenden Verunreinigungen und durch die beiden Luft- bzw. Gasströme aus dem Bearbeitungsbereich geblasenen Verschmutzungen effektiv aus dem Bereich der Vorrichtung bzw. aus der Laserkabine abgesaugt und abgeführt werden. Hierdurch wird eine deutliche Reduzierung der Verschmutzung des Werkstücks, der Bearbeitungsoptik, der Vorrichtung und anderer Anlagenteile erreicht.
Weiterhin wird die Aufgabe gelöst mit einem Verfahren gemäß den Merkmalen des Patentanspruchs 10.
Erfindungsgemäß ist also ein Verfahren zur Bearbeitung zumindest eines Werkstücks mittels eines auf eine Werkstückoberfläche gerichteten Laserstrahls, insbesondere zum Laserschweißen von zwei Werkstücken, vorgesehen, welches mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung durchgeführt wird.
Die Erfindung lässt zahlreiche Ausführungsformen zu. Zur weiteren Verdeutlichung ihres Grundprinzips ist eine davon in der Zeichnung dargestellt und wird nachfolgend beschrieben. Diese zeigt in
1 eine Vorrichtung zur Bearbeitung eines Werkstücks mittels eines auf eine Werkstückoberfläche gerichteten Laserstrahls in einer Seitenansicht;
2 die in 1 dargestellte Vorrichtung in einer Draufsicht;
3 eine zweite Ausführungsform der Vorrichtung mit einer Absaugeinrichtung in einer Draufsicht.
1 zeigt eine Vorrichtung 1 zur Bearbeitung zumindest eines Werkstücks 2 mittels eines auf eine Werkstückoberfläche 3 gerichteten Laserstrahls 4 in einer Seitenansicht und 2 die in 1 dargestellte Vorrichtung 1 in einer Draufsicht. Die Vorrichtung 1 umfasst eine Düse 5 zur Erzeugung einer parallel zur Werkstückoberfläche 3 gerichteten Luft- bzw. Gasströmung 6. Die Düse 5 ist als Mehrkanal-Flachstrahldüse ausgebildet. Die Luft- bzw. Gasströmung 6 und eine Strömungsrichtung 7 der Luft- bzw. Gasströmung 6 sind in den 1 und 2 durch
Richtungspfeile dargestellt. Die Luft- bzw. Gasströmung 6 besteht aus zwei separaten, in einem Abstand a, parallel zueinander ausgerichteten Luft- bzw. Gasströmen 8, 9, welche die Düse 5 durch zwei in einem Abstand a' zueinander und in Strömungsrichtung 7 nebeneinander angeordneten Austrittsöffnungen 10, 11 verlassen. Die beiden Austrittsöffnungen 10, 11 der Düse 5 werden jeweils durch eine Gitterstruktur 12 mit mehreren, nebeneinander angeordneten Durchbrechungen 13 gebildet, wobei zwischen den beiden Austrittsöffnungen 10, 11 eine Blende 14 vorgesehen ist. Die Düse 5 weist einen mit den beiden Austrittsöffnungen 10, 11 verbundenen Zuführabschnitt 15 auf, welcher mit einer nicht dargestellten Gasdruckquelle bzw. Luftdruckquelle verbunden ist. Weiterhin weist die Düse 5 im Bereich der Austrittsöffnungen 10, 11 eine geneigte Anlagefläche 16 auf, die während der Bearbeitung des Werkstücks 2 parallel zu der Werkstückoberfläche 3 angeordnet ist, sodass die Luft- bzw. Gasströmung 6 bzw. die beiden Luft- bzw. Gasströme 8, 9 parallel zur Werkstückoberfläche 3 über dieselbe strömen.
Der Laserstrahl 4 ist, wie in 2 dargestellt, während der Bearbeitung des Werkstücks 2 zwischen den beiden, in einem Abstand a zueinander angeordneten separaten Luft- bzw. Gasströmen 8, 9 angeordnet. Hierbei ist der Abstand a zwischen den beiden Luft- bzw. Gasströmen 8, 9 bzw. der Abstand a' zwischen den beiden Austrittsöffnungen 10, 11 der Düse 5 derart gewählt, dass sich zwischen den beiden parallelen Luft- bzw. Gasströmen 8, 9 ein Unterdruck ausbildet, welcher bewirkt, dass sich die beiden Luft- bzw. Gasströme 8, 9 in einem in Strömungsrichtung 7 unmittelbar hinter einem Auftreffpunkt 17 des Laserstrahls 4 auf die Werkstückoberfläche 3 angeordneten Vereinigungsbereich 18 aneinander anlegen. Durch die beiden Luft- bzw. Gasströme 8, 9 werden bei der Bearbeitung des Werkstücks 2 entstehende Spritzer und Schmauch aus dem Bearbeitungsbereich des Laserstrahls 4 abgeführt und Verschmutzungen auf der Werkstückoberfläche 3 können verhindert werden. Im Bearbeitungsbereich des Laserstrahls 4 bzw. im Bereich des Auftreffpunkts 17 des Laserstrahls 4 auf die Werkstückoberfläche 3 sind die beiden Luft- bzw. Gasströme 8, 9 senkrecht zu einer Laserstrahlachse 19 angeordnet, welche wiederum senkrecht zur Werkstückoberfläche 3 ausgerichtet ist.
3 zeigt eine Draufsicht der Vorrichtung 1 während des Laserschweißens von zwei rotationssymmetrischen Werkstücken 20, 21. Hierbei ist eine Absaugeinrichtung 22 vorgesehen, welche der Düse 5 in Strömungsrichtung 7 gegenüberliegend und in Strömungsrichtung 7. hinter dem Vereinigungsbereich 18 der beiden Luft- bzw. Gasströme 8, 9 angeordnet ist. Die mittels der Luft- bzw. Gasströme 8, 9 aus dem Bearbeitungsbereich des Laserstrahls 4 abgeführten Spritzer werden durch die Absaugeinrichtung 22 abgesaugt. Hierdurch wird eine Verschmutzung der die Vorrichtung 1 umgebenden und nicht dargestellten Laserkabine minimiert.
Bezugszeichenliste

1: Vorrichtung
2: Werkstück
3: Werkstückoberfläche
4: Laserstrahl
5: Düse
6: Luft- bzw. Gasströmung
7: Strömungsrichtung
8: Luft- bzw. Gasstrom
9: Luft- bzw. Gasstrom
10: Austrittsöffnung
11: Austrittsöffnung
12: Gitterstruktur
13: Durchbrechung
14: Blende
15: Zuführabschnitt
16: Anlagefläche
17: Auftreffpunkt
18: Vereinigungsbereich
19: Laserstrahlachse
20: Werkstück
21: Werkstück
22: Absaugeinrichtung

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

EP 1018395 A2 [0002]
DE 10138867 A1 [0003]
DE 19858681 A1 [0003]

Claims

Vorrichtung (1) zur Bearbeitung zumindest eines Werkstücks (2) mittels eines auf eine Werkstückoberfläche (3) gerichteten Laserstrahls (4), insbesondere zum Laserschweißen von zwei Werkstücken (20, 21), umfassend eine Düse (5) zur Erzeugung einer Gasströmung (6), welche derart gerichtet ist, dass die Gasströmung (6) zumindest in einem Auftreffpunkt (17) des Laserstrahls (4) auf der Werkstückoberfläche (3) parallel zu der Werkstückoberfläche (3) ausgerichtet ist, und welche in Strömungsrichtung (7) der Gasströmung (6) zumindest zwei nebeneinander und in einem Abstand (a') zueinander angeordnete Austrittsöffnungen (10, 11) aufweist, durch welche zwei separate, in Strömungsrichtung (7) parallele Gasströme (8, 9) erzeugbar sind, wobei der Laserstrahl (4) während der Bearbeitung des Werkstücks (2) zwischen den beiden beabstandeten Gasströmen (8, 9) angeordnet ist und der Abstand (a') der Austrittsöffnungen (10, 11) derart ausgestaltet ist, dass sich zwischen den beiden parallelen Gasströmen (8, 9) ein Unterdruck ausbildet, welcher bewirkt, dass sich die beiden Gasströme (8, 9) in einem in Strömungsrichtung (7) unmittelbar hinter dem Auftreffpunkt (17) des Laserstrahls (4) auf die Werkstückoberfläche (3) angeordneten Vereinigungsbereich (18) aneinander anlegen.
Vorrichtung (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein Abstand (a) zwischen den beiden Gasströmen (8, 9) veränderbar ist.
Vorrichtung (1) nach den Ansprüchen 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Gasströme (8, 9) im Bereich des Auftreffpunkts (17) des Laserstrahls (4) auf die Werkstückoberfläche (3) senkrecht zu einer Laserstrahlachse (19) angeordnet sind.
Vorrichtung (1) nach zumindest einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen den beiden Austrittsöffnungen (10, 11) der Düse (5) eine Blende (14) vorgesehen ist.
Vorrichtung (1) nach zumindest einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass den beiden Austrittsöffnungen (10, 11) jeweils eine Gitterstruktur (12) mit mehreren Durchbrechungen (13) zugeordnet ist.
Vorrichtung (1) nach zumindest einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Abmessungen der Austrittsöffnungen (10, 11) und/oder der Blende (14) und/oder ein Abstand der Durchbrechungen (13) zueinander und/oder die Abmessungen der Durchbrechungen (13) einstellbar sind.
Vorrichtung (1) nach zumindest einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Gasströme (8, 9) die gleiche Strömungsgeschwindigkeit und den gleichen Druck aufweisen.
Vorrichtung (1) nach zumindest einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Düse (5) einen einzigen, mit beiden Austrittsöffnungen (10, 11) verbundenen Zuführabschnitt (15) für die Gaszuführung aufweist.
Vorrichtung (1) nach zumindest einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Absaugeinrichtung (22) vorgesehen ist, welche der Düse in Strömungsrichtung (7) gegenüberliegend und in Strömungsrichtung (7) hinter dem Vereinigungsbereich (18) der beiden Gasströme (8, 9) angeordnet ist.
Verfahren zur Bearbeitung zumindest eines Werkstücks (2) mittels eines auf eine Werkstückoberfläche (3) gerichteten Laserstrahls (4), insbesondere zum Laserschweißen von zwei Werkstücken (20, 21), dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren mit einer Vorrichtung (1) nach zumindest einem der vorangehenden Ansprüche 1 bis 9 durchgeführt wird.