DE2325173A1

DE2325173A1 - Mit einem schutzsystem ausgeruestetes laserstrahl-geraet

Info

Publication number: DE2325173A1
Application number: DE2325173A
Authority: DE
Inventors: David Sciaky
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1972-07-03
Filing date: 1973-05-18
Publication date: 1974-01-24
Also published as: IT980573B; GB1360380A; FR2190568A1; FR2190568B1; CA991277A; BE797709A; JPS4958497A

Description

Dipl.-Ing. E- E. Rnkener
Dipl.-Ing. W. Ernesti

Patentanwälte . David

"' „ ⁴⁶³ _A *^ocil^uf Chicago, Illinois

Hemridi-König-Straße 12 .

Fernsprecher 4 IS 50, 423 27 TT O Λ

Telegrammadresse: Kadtpafertt Bochum

73 111

EEF/US

Mit einem Schutzsystem ausgerüstetes Laserstrahl-Gerät

Die Erfindung "bezieht sich auf eine Las er strahl-Maschine zum Bearbeiten von Werkstoffen durch Fokussieren eines Laserstrahls an einem bestimmten Punkt an dem oder in der Nähe des Werkstückes mit dem Ziel, die Energie des Strahls zum Schweißen, Schneiden, Bohren oder zur Wärmeübertragung auf das Werkstück zu benutzen. Die Erfindung betrifft insbesondere Vorrichtungen, mit denen große Teile durch den Laserstrahl bearbeitet werden können und mit denen es möglich ist, Teile mit unregelmäßiger Form und Höhe kontinuierlich durch automatisches Fokussieren des Strahls an der gewünschten Stelle des Werkstückes zu bearbeiten. Dabei sind Einrichtungen vorgesehen, durch die der Laserstrahl längs seines gesamten Weges so abgeschirmt wird, daß Personen, die in derKahe der Maschine arbeiten, davor geschützt werden, daß Teile ihres Körpers in die Bahn des Laserstrahls gelangen.

Bisher sind Blechtafeln bis zu einer Stärke von etwa 5 mm mit Erfolg mittels eines Laserstrahls bearbeitet worden. Dabei wurden meist pulsierende Strahlen benutzt, die in'einem fiubin- oder Heodymglas-Lasergerät erzeugt wurden. Bei dieser Art von Lasergeräten ist die mittlere Strahlleistung, die erzeugt werden kann, begrenzt. Die Leistung dieser Geräte wird in Form i£Oß- Hochleistungsimpulsen erzeugt, die auf das Werkstück gerichtet werden, um dieses zu bearbeiten oder zu schweißen. Infolge

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der begrenzten mittleren Ausgangsleistung dieser Vorrichtungen ist ihre Verwendung auf einige wenige Anwendungsgebiete begrenzt, für die übliche andere Methoden sich nicht eignen. Bei Benutzung dieser Art von Lasergeräten ist die Schweiß- oder Schneidgeschwindigkeit äußerst langsam, da die Bearbeitung nicht kontinuierlich durchgeführt werden kann.

Es sind in letzter Zeit Vorrichtungen entwickelt worden, die in der Lage sind, eine kohärente Strahlung mit außerordentlich hohen Leistungen zu erzeugen, beispielsweise GOp-Laser-Geräte, die einen 10 kW-Strahl bei einer Wellenlänge von 10,6 Mikron erzeugen. Mit einem derartigen Laser-Gerät und einer geeigneten Ausrüstung zum Handhaben des Gerätes und zum Fokussieren des Strahls ist es jetzt möglich, 12,6 mm dicke Bleche aus rostfreiem Stahl mit einer Geschwindigkeit von 660 mm pro Minute und 6,5 starken rostfreien Stahl mit einer Geschwindigkeit von 2 54-0 mm pro Minute .zu schweißen. Mit der gleichen Laserleistung wurde eine 12,6 mm starke ETi-Cr-Legierung (Inconel 718) mit einer Geschwindigkeit von 1 500 mm pro Minute geschnitten.

Infolge der äußerst hohen Leistungsdichte des Laserstrahls, insbesondere in dem Bereich, in dem der Strahl auf das oder in der Nähe des Werkstückes fokussiert wird, ist es wichtig, Einrichtungen an dem Laser-Gerät vorzusehen, durch die die Bedienungsperson vor Verletzungen durch StrahlVerbrennungen geschützt wird, indem man den Laserstrahl so abschirmt, daß er nicht auf irgendeinen Teil des Körpers der Bedienungsperson auftreffen kann. Ferner ist es, da das zu schweißende oder zu bearbeitende Werkstück eine unregelmäßige Gestalt oder Höhe haben kann, notwendig, Einrichtungen, die dafür sorgen, daß der Strahl der zu schweißenden oder schneidenden Uaht

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folgt und Vorrichtungen·zum kontinuierlichen Fokussieren des Laserstrahls vorzusehen, so daß der Brennpunkt jeder Unregelmäßigkeit in der Höhe der zu "bearbeitenden Teile folgt.

Ein Ziel der Erfindung ist es daher, zu verhindern₃ daß ein Körperteil der Bedienungsperson von dem Strahl -während seines Weges vom Laser-Generator zum Werkstück getroffen wird. Eine andere Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine Schutzvorrichtung für den Laserstrahl so auszubilden, daß sie sich automatisch entsprechend der Bahn des Laserstrahls ausrichtet.

Die Erfindung betrifft ferner Einrichtungen zum kontinuierlichen Einstellen der Brennweite des Fokussiersystems, derart, daß der Laserstrahl selbsttätig an einem vorbestimmten Punkt der Oberfläche des zu bearbeitenden Werkstückes fokussiert wird.

Ein weiteres Ziel der Erfindung ist es, eine Schutzvorrichtung für den Laserstrahl vorzusehen, die mit der Fokus si er einrichtung zusammenwirkt, so daß ein vollständiger Schutz längs der Bahn des Laserstrahls, unabhängig von Änderungen der Höhe oder der Form der zu bearbeitenden Teile, erreicht wird. Ferner sollen Mittel vorgesehen werden, die den Laserstrahl dann abschalten, wenn die Schutzeinrichtungen verschoben oder beschädigt werden. Die Erfindung betrifft ferner Einrichtungen zum Messen von Änderungen der Form und der Gestalt der zu bearbeitenden Teile sowie Einrichtungen, durch die mittels dieser Messungen Änderungen der Brennweite der Fokussiereinrichtung mit Hilfe eines Servomechanismus hervorgerufen werden, der durch die, diesen Messungen analoge Spannung gesteuert wird. Diese Messungen werden ferner dazu benutzt, kontinuierlich die Gestalt oder Länge der

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Schutzeinrichtung zu steuern.

Auf der Zeichnung sind Ausführungsformen der Erfindung dargestellt. Es zeigen:

Figur 1 eine perspektivische Darstellung eines Laser-• strahl-Gerätes,

Figur 2 die Einrichtungen zum Abschirmen des Laserstrahls , .

Figur 3 ein Blockdiagramm des Steuersystems, das dazu benutzt werden kann, die Einrichtung zum Abschirmen des Strahls und das Fokussiersystem zu steuern,

Figur 4- eine schematische Darstellung einer Einrichtung zur Übertragung eines Laserstrahls als Draufsicht ,

Figur 5 eine Anordnung mit einem senkrecht angeordneten Teleskop und

Figur 5a ein. Detail einer Befestigungsart des Laserstrahl-Schutz Schildes an dem Teleskop*

Bei dem auf Figur 1 dargestellten Gerät tritt der Laserstrahl 1, der mittels der Strahlquelle 2 erzeugt wird, aus dieser aus und wird über drei ebene, wassergekühlte Spiegel 5, 4- und 5 so übertragen und abgelenkt, daß er durch den Mittelpunkt der beweglichen teleskopischen Einrichtung 6, die eine. Linse darstellt, tritt. Der Strahl kann auf ein Werkstück gerichtet und fokussiert werden, das senkrecht zur Bahn des Strahls angeordnet ist oder mit einem Spiegel 7 nach unten abgelenkt und

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auf ein Werkstück 14 fokussiert und gerichtet werden, das auf einer Platte oder einem Tisch 15 "befestigt ist. Um den Strahl auf ein Werkstück zu fokussieren, das eine unregelmäßige Gestalt und eine ungleichmäßige Höhe von. der Oberfläche des Tisches 15 hat, wird das Teleskop 6 "benutzt, das an einer Schiene 17 mit Gleitstücken 16 befestigt ist. MLt Hilfe einer Spindel 8, die von dem Motor 9 angetrieben wird, und einer Spindelmutter, die.an den Gleitstücken 16 .befestigt ist, kann das Teleskop 6 mit großer Genauigkeit an irgendeiner Stelle längs der Schiene 17 angeordnet werden, um den Laserstrahl an dem gewünschten Punkt innerhalb des Fokussierbereiches der Vorrichtung zu fokussieren. Beispielsweise läßt sich durch eine Bewegung des Teleskops um 50 cm der Punkt, an dem der Strahl projiziert wird, um eine Entfernung von 50 cm längs der senkrechten Bahn des Strahls im Arbeitsbereich verschieben.

TJm den Strahl auf der Oberfläche des Werkstückes zu fokussieren, das eine unregelmäßige Höhe hat, iet es notwendig, die Entfernung von der Oberfläche des Werkstückes an dem Punkt, an dem der Strahl auf treffen soll, zur Achse des Teleskops 6 zu messen und diese Messung dazu zu benutzen, das Teleskop in die richtige Stellung zu bewegen, so daß der Strahl auf der Oberfläche des Werkstückes fokussiert wird. Da man die Beziehung zwischen der fokussierten Stellung des Strahls und der Stellung des Teleskops an der Schiene vorher kennt, kann das Teleskop 6 durch Verwendung einer Fokussiersonde, die mittels eines Meß wer tumwandler s die Lage des Werkstückes in bezug auf die waagerechte Achse des Teleskopes bestimmt, und über einen Servo verstärker, der auf den Mo- , tor 9 einwirkt, kontinuierlich so verschoben werden, daß der Strahl immer auf das Werkstück fokussiert ist, obschon dieses eine unregelmäßige Höhe hat. Der Durchgang

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des Laserstrahls längs der Balm 1 ist insofern gefährlich, als Laserstrahlen mit einem,irequenzbereich außerhalb des sichtbaren Bereiches benutzt werden, und eine Bedienungsperson unabsichtlich mit dem Arm in die Strahlenbahn geraten kann, wodurch sehr unangenehme Verbrennungen auftreten können. Um dies zu verhindern, wird die auf E¹IgUr 2 dargestellte Schutzeinrichtung benutzt. Das mit einem Motor angetriebene Teleskoprohr 19 umgibt den Strahl vollständig längs seines senkrechten Weges vom Spiegel 7 zum Werkstück 14-. .Mittels eines Servomotors 20 und der Spindel 21 kann die Länge der teleskopischen Schutzeinrichtung so eingestellt werden, daß sie sich den Veränderungen der Höhe des Werkstückes anpaßt. Der Servomotor 20 ist so ausgebildet, daß er mit dem Servomotor 9 zusammenarbeitet, der.die Stellung des Teleskops steuert. Die Analogspannung, die der Entfernung Spiegel-Werkstück entspricht, wirkt auf den. Servomotor 9 ein, der das Teleskop antreibt und wird auch auf den Servoverstärker gegeben, der den Motor 20 steuert und die teleskopische Schutzeinrichtung 19 so einstellt, daß das Werkstück und das Ende der Schutzein- · -richtung nicht in Eingriff kommen.

Das auf Figur 1 dargestellte Gerät dient dem Zweck, den von dem Laser-Schweißkopf kommenden Strahl über eine bestimmte Entfernung längs des gewünschten Weges entweder zum Schweißen oder zum Schneiden eines Werkstückes zu übertragen. Der Laser-Kopf einschließlich des Teleskops mit den Gleitstücken, dem Servomechanismus und der Schiene, wird an einem Ausleger, an dem sich der Schweißkopf verschiebt, sowie einer Stütze 23 innerhalb der die Spiegel 5* 4- und 5 befestigt sind, gehalten. Der Ausleger besteht aus einem Querbaum 22 und parallel laufenden Trägern 2M- und 25, zwischen denen eine mit einem Motor angetriebene Einrichtung angeordnet ist, mit der der Laser-Kopf über eine bestimmte Entfernung entlang der

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waagerechten, durch den Mittelpunkt des -Teleskops 6 gehenden Achse vor- und zurückbewegt werden kann..Der laserstrahl kann daher längs des Werkstückes 14 von links nach rechts "bewegt und dazu benutzt werden, entweder zwei Werkstücke zusammenzuschweißen oder die Werkstücke längs einer bestimmten Naht zu trennen₅ wobei der Strahl auf die Oberfläche oder an einem bestimmten, auf die Oberfläche bezogenen Punkt des Werkstückes fokussiert ist, wenn der Strahl diesen überquert.

Die auf 3?igur 2 dargestellte teleskopische Schutzeinrichtung "verändert kontinuierlich ihre Länge, wenn sich der Laser-Kopf von einer Seite zur anderen bewegt, so daß sich das Werkstück und das Ende der Schutzeinrichtung nicht berühren.

Die Schutzeinrichtung ist auf !"igur 2 dargestellt und besteht aus teleskopischen Rohren 19? die der Strahl durchläuft. Der Strahl.tritt durch eine Öffnung in der Stützplatte 12 aus und gelangt auf das Werkstück 14, auf das er fokussiert worden ist. Die Platte 12, an der das Ende d'es teleskopischen Hohres mit kleinerem Durchmesser befestigt ist, trägt eine Sonde 10, die die Oberfläche des Werkstückes 14 abtastet und die Gesamthöhe der Teleskoprohre einreguliert, wenn die Höhe des Merkstückes sich ändert, so daß die Stützplatte 12 in einer bestimmten Entfernung von dem Werkstück gehalten wirdo Hierzu dient eine Eückführvorrichtung, die aus einem Motor 20, einer Mutter 11 und einer Spindel 21 besteht, die an ihrem unteren Ende an der Stützplatte 12 angebracht ist.

An der Platte 12 ist ferner eine G-asdüse 13 befestigt, durch die inertes Schutzgas auf den Bereich gerichtet wird, der mittels des Laserstrahls geschweißt worden ist, um eine Oxydation an der Oberfläche des Werkstückes längs

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der Schweißnaht zu vermeiden. Wenn der Laserstrahl zum Schneiden oder Bohren von Werkstücken verwendet wird, werden mittels der Düse 13 Gase in diesen Bereich gebracht, die die .Schneidgeschwindigkeit und die Schneidtiefe des Laserstrahls erhöhen können.

An den teleskopischen Rohren können ferner Einrichtungen zum Anzeigen eines Verzugs oder einer übermäßigen Beanspruchung der Rohre, während die Maschine arbeitet, angebracht werden. Dies könnte auftreten, wenn das Rohr das Werkstück infolge eines mechanischen Fehlers der Rückführeinrichtung oder infolge menschlichen Versagens berührt. Geräte zum. Messen der Beanspruchung, die an geeigneten Stellen an der Schutzeinrichtung angebracht sind, können jede übermäßige Beanspruchung anzeigen und über geeignete Steuereinrichtungen kann der Laserstrahl unterbrochen und das Gerät angehalten werden.

!Figur 3 ist ein Blockdiagramm eines Rückführ-Steuersy- stems, das benutzt werden kann, um die Schutzeinrichtung und das Teleskop bei .Änderungen der Höhe des Werkstückes in die richtige Stellung zu bringen.

Signale von der Sonde 10 zum .Anzeigen der Werkstückhöhe und der Bezugsgröße 26 für die Entfernung vom Werkstück zum Teleskoprohr werden einem Summierer 29 zugeleitet. Wenn dort eine Differenz zwischen den beiden Signalen festgestellt wird, treibt der Servo verstärker 28 den Antrieb 27 für die Schutzvorrichtung an, so daß diese sich verlängert oder verkürzt, und der Bezugswert 26 für die Entfernung zum Werkstück der Analogspannung angepaßt wird, die der neuen Entfernung des Werkstückes entspricht. Der neue Wert der Bezugs spannung für die Entfernung des Werkstückes wird mit der Bezugs spannung für die Stellung des Teleskoprohres in dem Summierer 31 summiert und der

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Fehler mittels des Servoverstärkers 32 verstärkt, der den Antrieb 33 für das Teleskoprohr speist, so' daß das Teleskoprohr und sein Bezugswert in die richtige Richtung bewegt werden, bis der Fehler auf 0 verringert ist.

Figur 4 zeigt eine andere Ausführungsform der Erfindung zum Bewegen des Teleskops, um den Strahl zu fokussieren. Auf. Figur 4 ist schematisch dargestellt, wie das Teleskop 6 und die damit verbundenen Spiegel längs zweier Achsen bewegt werden können, die senkrecht auf einander stehen. Das Teleskop 6 wird mit vier Lagern 41 an Schienen 38 gehalten, so daß es sich längs der Schienen frei vor- und zurückbewegen kann, um den Laserstrahl auf das Werkstück zu fokussieren, wenn sich die Hohe des Werkstückes ändert. Die Einrichtung zum Halten des Teleskops und der Schienen

38 ist ihrerseits mittels Lagern 42 so befestigt, daß sie sich frei längs der X-Achse auf Schienen 39 bewegen kann. Die Einrichtung zum Halten der Schienen 39 ist mittels Lagern 43 so befestigt, daß sie längs der X-Achse auf Schienen 40 verfahrbar ist. Auf diese Weise kann der Laserstrahl auf das Werkstück fokussiert werden und längs jedes gewünschten Weges laufen, um ein Werkstück zu schweißen, zu schneiden oder auf das Werkstück Wärme zu übertragen. Der Laserstrahl 1 tritt aus der Laser-Quelle aus und wird durch Spiegel 3 * 4 und 5 au.f den Spiegel 49 reflektiert, der an dem Lager 43 angebracht ist. Der Strahl gelangt von da auf den Spiegel 48, der an der X-Achse des Wagens befestigt ist, der sich an den Schienen

39 verschiebt.

Figur 5 zeigt eine Ausführungsform, bei der das Teleskop 6 senkrecht angeordnet und in senkrechter Richtung beweglich ist, um den Strahl auf das Werkstück zu fokussieren. Die Bewegung des Teleskops 6 nach oben oder unten erfolgt mittels des Motors 9_? der die Spindel 8 dreht,

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die durch eine Spindelmutter geführt ist, die an einer der Halterungen 35 des Teleskops angebracht ist, die in der Mut 36 der Stütze 34 geführt werden. Die Stütze 34 kann an geeigneten Einrichtungen angebracht sein, um die gesamte "Vorrichtung längs einer oder zweier Achsen zu "bewegen, so daß der Strahl jeden gewünschten Weg auf dem Werkstück zurücklegen kann. Der Laserstrahl -1 tritt durch eine öffnung in der Stütze 34- und wird mittels des Spiegels 5 nach unten durch den Mittelpunkt des Teleskops 6 abgelenkt; er. gelangt von dort zu dem Brennpunkt an oder in der Nähe der Oberfläche des Werkstückes. Die Schutzeinrichtung 19 umgibt den Laserstrahl, der anderenfalls austreten würde, vollständig. Es wurde auch Torsorge dafür getroffen, Personen zu schützen, wenn die Schutzeinrichtungen 19 unbeabsichtigt beschädigt werden. Falls die Schutzeinrichtung 19 sich so bewegen würde, daß sie auf das Werkstück auf trifft, könnte sie verbogen werden, so daß der Strahl auf die Schutzeinrichtung auftreff en und dadurch eine Bedienungsperson möglicherweise verletzen könnte. Um dies zu verhindern, ist das Schutzrohr 19» - wie es in Figur 5& dargestellt ist, mittels dreier Bolzen 44, Federn 45 und Unterlegscheiben 47 befestigt, die symmetrisch an dem Teleskop angebracht sind. Eine Abtasteinrichtung 37 ist ebenfalls an dem Teleskop angebracht " und in Kontakt mit dem Flansch 46 des Schutzrohres. SoIL-te das Bohr 19 auf das Werkstück oder einen anderen Körper auf treffen, würde sich der Flansch, der nur durch die durch die Federn 45 ausgeübte Kraft gehalten wird, von dem Teleskop trennen\ diese Verschiebung würde durch die Abtasteinrichtung 37 aufgefangen, die ein Signal erzeugen würde, das auf einen geeigneten Kreis einwirkt, so daß die Erzeugung des Laserstrahls unterbrochen würde.

Patentansprüche

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Claims

- 11 at'entansprüche

Laserstrahl-Gerät, bei dem der Laserstrahl mittels einer Linse auf ein Werkstück fokussiert wird, um dieses zu schweißen oder zu schneiden, dadurch gekennzeichnet , daß es ein Linsensystem (6), mit dem der Strahl (1) auf einen Brennpunkt abgelenkt wird, Einrichtungen (10) zum Abtasten der Lage der Oberfläche des Werkstückes (14) in bezug auf das Linsensystem, Einrichtungen zum automatischen Verschieben des Linsen— systems, um den Brennpunkt des Strahls an einem bestimmten Punkt in bezug auf die Oberfläche des Werkstückes zu halten, sowie Schutzeinrichtungen (19) enthält, die mit den Abtasteinrichtungen (10) zusammenwirken, um sicherzustellen, daß nur das Werkstück von dem Strahl getroffen wird.
2. Laserstrahl-Gerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß es Einrichtungen zum Unterbrechen des Laserstrahls enthält, wenn die Schutzeinrichtungen (19) aus ihrer normalen Stellung verschoben werden*

3'. Laserstrahl-Gerät nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Schutzeinrichtungen (19) um die Bahn des Strahls (1) angeordnet sind und ihre Länge veränderbar ist.

4-. Laserstrahl-Gerät nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Schutzeinrichtungen (19) aus teleskopischen Rohren bestehen, die mit Einrichtungen zum selbsttätigen Einregulieren ihrer Gesamtlänge in Abhängigkeit von der Veränderung der Entfernung zwischen dem Linsensystem und der Oberfläche des Werkstückes versehen sind. '

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