DE3036427C2 - Laserstrahl-Reflexionsvorrichtung - Google Patents

Description

— daß drei Planspiegel (9, 1OG 10D^ vorgesehen sind, von denen der erste (9) das einfallende Strahlenbündel quer zur Drehachse (19) auf einen dem ersten gegenüberliegenden zweiten Planspiegel (IOC) umlenkt, von wo aus das Strahlenbündel parallel zur Drehachse verlaufend Auf den dritten Planspiegel (IOD; auftrifft, wobei das auf den dritten Planspiegel (IOC/einfallende und das von diesem Spiegel reflektierte Strahlenbündel einen spitzen Winkel bildet und

— daß der Hohlspiegel (23), der den vom dritten Planspiegel (10D^ auftreffenden Laserstrahl zur Behandlungsfläche umlenkt, als sphärischer Spiegel ausgebildet und quer zur Drehachse (19) bewegbar ist

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, da? ein feststehender, unter 45° zur Gehäusedrehachse (19) geneigter Eintrittsspiegel (21) vorgeschaltet ist

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Die Erfindung bezieht sich auf eine Laserstrahl-Reflexionsvorrichtung gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.

Eine derartige Vorrichtung ist bekannt und in F i g. 1 zum besseren Verständnis dargestellt Diese Vorrichtung ist dazu bestimmt, Schweißarbeiten längs einer kreisrunden Schweißlinie durchzuführen. Bei dieser Vorrichtung wird der in ein drehbares Gehäuse 2 eingelei'ete Laserstrahl 1 unter einem rechten Winkel durch einen reflektierenden Spiegel 3 zurückgeworfen, der eine parabolische Fläche hat, so daß der Laserstrahl in Richtung der Eindringtiefe gegenüber dem zu schweißenden Material durch einen gehäusefesten reflektierenden Spiegel 4 konzentriert bzw. fokussiert wird. Um eine Schweißnaht längs einer Kreislinie herzustellen, wird der drehbare Laserstrahlkopf 2 in seiner Lagerung 5 in Richtung des Pfeils 7 gedreht

Bei dieser bekannten Vorrichtung ist es jedoch nicht möglich, den Abstand zwischen der Drehachse und dem Brennpunkt des fokussierten Laserstrahls 1 kleiner zu machen als den Durchmesser des in den drehbaren Laserstrahlkopf 2 eintretenden Laserstrahls. Demzufolge ist es daher nicht möglich, an der Umfangsfläche ein Rohr zu verschweißen, dessen Durchmesser kleiner ist als der Durchmesser des Laserstrahls.

Es ist Aufgabe der Erfindung, eine Laserstrahl-Reflexionsvorrichtung zu schaffen, die bei einfachem Aufbau einen Schweißvorgang längs einer Kreislinie von beliebig kleinem Durchmesser ermöglicht und bei der der Laserstrahl ohne Rücksicht auf den Durchmesser der Schweißlinie in der SchweiUzone eine große Eindring

tiefe erzielen kann.

Diese Aufgabe wird durch die im Patentanspruch 1 beschriebenen Merkmale gelöst

Dabei ist es aus der DE-PS 23 35 565 bekannt den Laserstrahl auf einen die Strahlfokussierung bewirkenden Hohlspiegel spitzwinklig auftreffen zu lassen. Der spitze Winkel bezweckt jedoch im Gegensatz zur Erfindung, daß der Brennpunkt des Hohlspiegels vor der Stirnfläche des Schneidkopfes liegt, so daß sich ein Abstreifen der Schleif hülsen vom Schneidkopf erübrigt.

Eine bevorzugte V/eiterbildung der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist Gegenstand des Patentanspruches 2.

Da bei der Erfindung als Fokussierspiegel ein sphärischer Spiegel Verwendung finden kann, können die für eine Laserstrahl-Reflexionsvorrichtung aufzuwendenden Herstellungskosten gesenkt werden. Außerdem können Schweißvorgänge mit beliebig kleinem Durchmesser und großer Eindringtiefe ermöglicht werden.

Die Erfindung wird im folgenden anhand der Zeichnung näher erläutert Es zeigt

Fig. 1 einen bekannten drehbaren Laserstrahlkopf;

F i g. 2 ein Ausführungsbeispiel der Erfindung im Axialschnitt;

F i g. 3 und 4 jeweils die Draufsicht eines erfindungsgemäßen Schweißkopfes.

Der nachstehend beschriebene erfindungsgemäße Laserstrahlkopf dient beispielsweise der Durchführung von Schweißarbeiten.

Das in Fig.2 dargestellte Ausführungsbeispiel der Erfindung weist ein Schweißkopfgehäuse 8 mit einem Außendurchmesser von 170 mm und einer Höhe von 300 mm auf, das in einem Gestell 26 mittels eines Lagerteils 5 um eine Achse 19 drehbar gelagert ist Ein Laserstrahl 1 mit einem Durchmesser von 20 mm wird in das Schweißkopfgehäuse 8 längs der Achse 19 senkrecht eingeleitet Es ist jedoch auch möglich, den Laserstrahl bezüglich der Achse 19 im rechten Winkel einfallen zu lassen. In diesem Fall ist im EereicSi .einer Strahleneintrittsöffnung 20 ein Eintrittsspiegel 21 vorgesehen, der unter 45° zur Gehäusedrehachse 19 geneigt ist. Danach wird der Laserstrahl 1 durch einen ersten Planspiegel 9 senkrecht zur Achse 19 auf einen zweiten Planspiegel IOC umgelenkt Dieser zweite Planspiegel IOC lenkt dann den Laserstrahl 1 parallel zur Achse 19 auf einen anderen zweiten Planspiegel IOD mit einem Durchmesser von 50 mm und einer Dicke von 12 mm, der unterhalb eines dritten Spiegels 23 angeordnet ist Der dritte Spiegel 23 ist als sphärischer Spiegel mit einem Krümmungsradius von 300 mm und einer Mindestdicke von 12 mm bei einem Durchmesser von 50 mm ausgeführt ur.d läßt sich mit Hilfe eines Drehknopfes 13 in Richtung des radial verlaufenden Doppelpfeiles 12 verstellen. Vor dem Gebrauch wird der dritte Spiegel 23 auf einen solchen Winkel eingestellt, daß der durch diesen Spiegel fokussierte Laserstrahl 1 im rechten Winkel längs der Mittellinie einer bewegbaren Strahldüse 15 auf die kreisrunde Schweißzone 18 trifft. Die Anordnung des zweiten Spiegels IOD zu dem dritten Spiegel 23 ist dabei so getroffen, daß der einfallende Laserstrahl und der reflektierte Laserstrahl an dem zweiten Spiegel IOD einen spitzen Winkel bilden. Die Spiegel 9 und 21 sowie der Spiegel IOD, wie bereits erwähnt, haben jeweils einen Durchmesser von 50 mm und eine Dicke von 12 mm. Der Abstand zwischen dem ersten Spiegel 9 und dem zweiten Spiegel IOC, der an den Mittelpunkten dieser Spiegel gemessen wird, beträgt 36 mm, während zwischen den Mittelpunkten der beiden zweiten Spiegel

lOCund IOD ein Abstand von 165 mm vorhanden ist

Bei dieser Ausführungsform läßt sich der Durchmesser der kreisrunden Schweißzone 18 zwischen Null und einem Größtwert variieren, der durch die Konstruktion des Schweißkopfgehäuses 8 begrenzt wird. Zu diesem Zweck braucht man lediglich den dritten Spiegel 23 in radialer Richtung gegenüber der Drehachse 19 des Schweißkopfgehäuses 8 und somit gegenüber der Achse der kreisrunden Schweißzone 18 zu verstellen.

Im Bereich der Strahleneintrittsöffnung 20 ist an dem Gehäuse 8 ein Rahmen 22 befestigt der einen Motor 24 trägt Wird ein Zahnrad 28 bei Betrieb des Motors 24 in Richtung des Pfeiles 25 gedreht so wird das SchweiS-kopfgehäuse 8 um die Achse des Rohres 115 in Richtung des Pfeiles 14 gedreht (d. h. die Drehachse 19 fällt mit der Achse des Rohres 16 zusammen), so daß der durch den dritten Spiegel 23 fokussierte Laserstrahl 1 längs der kreisrunden Schweißzone 18 bewegt wird. Bei dieser Schweißzone 18 handelt es sich z. B. um eine Trennfläche zwischen der äußeren Umfangsfläche des Rohres 16 mit einem Außendurchmesser von 50 mm und einer Wandstärke von 3,5 mm und der Bohrlochwand einer Rohrplatte 17 mit einer Dicke von etwa 300 mal. Der Durchmesser der Bohrung ist etwa 0,1 mm größer als der Außendurchmesser des Rohres 16. Während der Durchführung des Schweißvorganges mit Hilfe des Laserstrahls wird über eine Düse 27 Argongas in einer Menge von 101 pro Minute zugeführt, um das Plasma zu entfernen und eine Oxidation der zu verschweißenden Flächen zu verhindern.

Bei der in Fig.2 dargestellten Ausführungsform kreuzt der durch den zweiten Spiegel reflektierte Laserstrahl die Drehachse des Schweißkopfgehäuses 8, bevor er zu dem dritten Spiegel gelangt. Diese Anordnung ist jedoch nicht unbedingt erforderlich, d. h. man kann den dritten Spiegel auf der gleichen Seite der Achse 19 anordnen wie den zweiten Spiegel. Da in diesem Fall die Möglichkeit besteht daß der dritte Spiegell während der Drehung des Schweißkopfgehäuses 8 etwas bewegt wird, wird es vorgezogen, den dritten Spiegel bewegbar zu lagern und eine Einrichtung zum Feststellen des dritten Spiegels nach dem Einstellen vorzusehen.

Das Schweißkopfgehäuse 8 kann gemäß F i g. 3 eine zylindrische Form oder gemäß F i g. 4 die Form eines durch Winkel begrenzten rohrförmigen Körpers haben, bei welch letzterem die beiden kurzen Seiten eines rechteckigen Querschnitts als kreisrunde· Vorwölbungen ausgebildet sind. Das zylindrische Schweißkopfgehäuse 8 läßt sich auf stabile Weise drehen, während es die Querschnittsform nach Fig.4 ermöglicht, den Raumbedarf des Schweißkopfgehäuses zu verringern.

Mit der Erfindung ist es möglich, eine Schweißverbindung mit Hilfe eines Laserstrahls zwischen der Innenfläche einer Bohrung einer Rohrwand und der Umfangsfläche eines Rohres von beliebigem Durchmesser herzustellen. Da sich der Laserstrahl in Richitung der Eindringtiefe bezüglich der Schweißzone zur Wirkung bringen läßt, ist es möglich, den Verzug beim Schweißen zu verringern und die Entstehung von Rissen infolge einer Spannungskorrosion zu vermeiden.

Zwar wurde die Erfindung bezüglich ihrer Anwendbarkeit bei einer Schweißvorrichtung beschrieben, doch sei bemerkt, daß sich die Erfindung auch in anderen Fällen anwenden läßt, z. B. zur Wärme- und Oberflächenbehandlung von Materialien. Ferner i«;t es mit Hilfe es der erfindungsgemäßen Vorrichtung möglich. Materialien zu schneiden, indem man über eine Düse 15 ein Gas unter einem verhältnismäßig hohen Druck zuführt, während der Laserstrahl zur Wirkung gebracht wird.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (1)

Patentansprüche:

1. Laserstrahl-Reflexionsvorrichtung zum Fokussieren eines parallelen Laserstrahlbündels auf eine zu behandelnde Fläche, mit einer Kombination aus Plan- und Hohlspiegel in einem drehbaren Gehäuse mit zum einfallenden Laserstrahlbündel fluchtender Drehachse, wobei der Hohlspiegel den Laserstrahl mit zur Gehäusedrehachse parallel verlaufenden Achse auf die zu behandelnde Fläche fokussiert, dadurch gekennzeichnet,