DE3411140C2 - - Google Patents
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Description
Die Erfindung betrifft einen Arbeitskopf zur Bearbeitung
eines Werkstücks durch einen Laser gemäß dem Oberbegriff
des Anspruchs 1.
Derartige Arbeitsköpfe dienen zur Bearbeitung von Werk
stücken mit einem fokussierten Laserstrahl, insbesondere
einem CO2-Laser. Dabei ist der Arbeitskopf üblicherweise
mit einer Fokussiereinrichtung für den Laserstrahl ver
bunden, nämlich der Fokussiereinrichtung in Richtung zum
zu bearbeitenden Werkstück vorgeordnet. Entsprechend der
zu erfolgenden Bearbeitung des Werkstücks ist der Ar
beitskopf zusammen mit der Fokussiereinrichtung durch eine
geeignete Einrichtung relativ zum Werkstück bewegbar.
Um eine exakte Bearbeitung eines Werkstücks mit einem fo
kussierten Laserstrahl unabhängig von der Bewegungsrich
tung des Arbeitskopfes ausführen zu können, ist es erfor
derlich, daß der fokussierte Laserstrahl möglichst mittig
durch die Austrittsöffnung im Arbeitskopf bzw. einer die
sem zugeordneten Austrittsdüse austritt. Eine außermittige
Lage der Austrittsöffnung zum Laserstrahlkegel bewirkt ei
ne Ablenkung des Fokuspunktes von der Längsmittelachse des
Laserstrahls. Einbußen in der Bearbeitungsqualität des
Werkstücks sind die Folge. Daher ist es erforderlich, ent
weder die Austrittsdüse oder den gesamten Arbeitskopf ge
genüber dem Laserstrahl auszurichten. Außerdem ist es bei
spielsweise beim Laserschweißen erforderlich, den Fokus
punkt des Laserstrahls möglichst mittig auf die zu schwei
ßende Schweißfuge auszurichten und besonders bei schwieri
gen Nahtverläufen den Fokuspunkt stets so genau wie mög
lich in der Mitte des Schweißspalts oder dgl. zu halten.
Bekannt ist aus der DE-OS 16 15 392 bereits ein Beobach
tungsinstrument, das als integraler Bestandteil einer La
seroptik ausgebildet ist. Dieses Beobachtungsinstrument
verfügt über eine mittig in der Strahlengangbohrung für
den Laserstrahl mündende Öffnung für ein optisches Beob
achtungsinstrument. Mit diesem ist es durch einen in der
Strahlengangbohrung angeordneten Klappspiegel bzw. Licht
teiler möglich, das Werkstück zu beobachten, jedoch nur
bei nicht eingeschaltetem Laser. Damit eignet sich das be
kannte Beobachtungsinstrument nur zur Beobachtung des
Werkstücks bei nicht erfolgender Laserbearbeitung. Es kann
somit lediglich eine Ausrichtung vor der Bearbeitung des
Werkstücks oder in Bearbeitungspausen erfolgen, nicht je
doch auch während der Bearbeitung beispielsweise der Ver
lauf einer Schweißnaht beobachtet werden.
Weiterhin ist bekannt aus der DE-OS 25 28 467 ein Gaslaser
für die Bearbeitung von Werkstoffen, in den ein Meßfern
rohr eingesetzt werden kann, und zwar zwischen der Laser
optik und einem Arbeitskopf. Mit diesem Meßfernrohr soll
eine Justage der in der Laseroptik angeordneten Spiegel
oder dgl. erfolgen. Das Meßfernrohr eignet sich damit
nicht zum Ausrichten des Laser in bezug auf das Werkstück,
und zwar weder in Arbeitspausen noch während der Laserver
arbeitung.
Der Erfindung liegt, ausgehend vom vorstehenden Stand der
Technik, die Aufgabe zugrunde, einen Arbeitskopf zu schaf
fen, der eine Kontrolle und Beobachtung des Laserstrahls,
insbesondere während der Bearbeitung eines Werkstücks, er
möglicht.
Diese Aufgabe wird gelöst durch einen Arbeitskopf mit den
Merkmalen des Anspruchs 1.
Durch die außermittige Aufnahmeöffnung im Gehäuse ist es möglich, mit einem optischen
Beobachtungsinstrument bei eingeschaltetem Laser, also
während des Betriebs des Arbeitskopf, beispielsweise beim
Schweißen oder Brennschneiden, eine Prozeßüberwachung vor
zunehmen. Insbesondere beim Schweißen kann auf diese Weise
eine Nahtüberwachung erfolgen. Bei komplizierten Nahtver
läufen sind Korrekturen des Schweißkopfes in bezug auf den
Schweißspalt möglich. Es kann sogar der Vorschub des Ar
beitskopfes in Abhängigkeit vom Schweißspalt aufgrund der
Beobachtung desselben gesteuert werden.
Weiterhin ist der Aufnahmeöffnung ein Durchbruch zur
Strahlengangbohrung hin zugeordnet. Dadurch wird gewähr
leistet, daß von der außermittig liegenden Aufnahmeöffnung
eine ungehinderte Beobachtung der Austrittsöffnung in der
Austrittsdüse möglich ist.
Zweckmäßigerweise ist die Aufnahmeöffnung als zylindrische
Aufnahmebohrung ausgebildet, die neben der Strahlengang
bohrung liegt und mit dieser über den Durchbruch verbunden
ist.
Schließlich sieht die Erfindung eine Kühlung des Arbeits
kopfes zum Schutz der optischen Beobachtungsinstrumente
vor, und zwar insbesondere dann, wenn diese während der
Bearbeitung in ihren Aufnahmebohrungen im Arbeitskopf ver
bleiben. Zu diesem Zweck kann eine Kühlschlange das Gehäu
se des Arbeitskopfes teilweise oder auch mehrmals umgeben.
Als Kühlmedium einer solchen Kühlschlange kommt sowohl
Wasser als auch Gas in Betracht. Des weiteren ist eine
Kühlung des Arbeitskopfes dadurch denkbar, daß das übli
cherweise zur Strahlengangbohrung zugeführte Schutzgas zu
Kühlzwecken herangezogen wird. Dabei kann auch mit einem
Überschuß von Schutzgas gearbeitet werden, d. h., es wird
mehr Schutzgas als allgemein notwendig in die Strahlen
gangbohrung eingeleitet und ein Teil des Schutzgasstromes
wieder aus dem Arbeitskopf herausgeleitet, ohne daß dieser
die Austrittsöffnung in der Austrittsdüse passiert. Durch
diese Maßnahme stellt sich im Arbeitskopf eine quergerich
tete Strömung ein, die in der Strahlengangbohrung eine Art
Gasbarriere bildet zum Schutz der oberhalb des Arbeits
kopfes angeordneten Laseroptik vor aufsteigendem Schweiß
rauch oder dgl.
Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung wird
nachfolgend anhand der Zeichnung näher erläutert. In die
ser zeigen:
Fig. 1 eine schematische Seitenansicht der Vorrichtung
mit einem Arbeitskopf und einer darüber angeord
neten Laseroptik,
Fig. 2 eine Seitenansicht eines Arbeitskopfes zum Laser
schweißen im Vertikalschnitt, und
Fig. 3 eine Draufsicht auf den Arbeitskopf gemäß der
Fig. 2.
In der Fig. 1 ist eine Laseroptik 10 gezeigt, an der ein
Arbeitskopf 12 gemäß den Fig. 2 und 3 anbringbar ist. Die
Befestigung des Arbeitskopfes 12 an der Laseroptik 10 er
folgt bei den vorliegenden Ausführungsformen über eine Ge
windeverbindung, nämlich ein Außengewinde 13, an dem Ar
beitskopf 12, welches mit einem korrespondierend ausgebil
deten Innengewinde in der Laseroptik 10 in Verbindung
steht. Durch diese Anordnung lassen sich der auszuführen
den Bearbeitung entsprechende Arbeitsköpfe an der Laserop
tik 10 anbringen.
Hauptsächlich dient die Laseroptik 10 dazu, den von einem
nicht dargestellten Laser kommenden Laserstrahl umzulenken
und zu fokussieren in einen vertikal gerichteten Laser
strahlkegel 14.
Ein Verfahren der Laseroptik 10 mit dem Arbeitskopf 12 ist
durch ebenfalls in den Figuren nicht dargestellte Bewe
gungseinrichtungen üblicher Bauart entsprechend der zu
erfolgenden Bearbeitung relativ zur Werkstückoberfläche
möglich. In den Fig. 1 und 2 sind als Platten 16 ausgebil
dete Werkstücke unterhalb des Arbeitskopfes 12 darge
stellt.
Der in den Fig. 2 und 3 dargestellte Arbeitskopf 12 ist
zum Laserschweißen an der Platte 16 ausgebildet. Der Ar
beitskopf 12 weist ein Gehäuse 45 mit einer unterhalb des
selben angeordneten Austrittsdüse 46 auf. Die Befestigung
der Austrittsdüse 46 am Gehäuse 45 erfolgt im vorliegenden
Ausführungsbeispiel lösbar durch eine Überwurfmutter 47.
Das Gehäuse 45 weist in Richtung seiner vertikalen Längs
mittelachse 51 drei hintereinander liegende Umfangsab
schnitte unterschiedlichen Durchmessers auf, nämlich einen
obenliegenden Bereich mit dem Außengewinde 13 zur Befesti
gung des Arbeitskopfes 12 an der Laseroptik 10, einen mit
tigen Zylinderbereich 62 größeren Durchmssers und einen
untenliegenden Bereich mit einem weiteren Außengewinde 22.
Letzteres ist am größten Durchmesser des Gehäuses 45 ange
ordnet zur Aufnahme der Überwurfmutter 47. Am Übergang des
Außengewindes 13 zum Zylinderbereich 62 am Gehäuse 45 be
findet sich eine umlaufende Freimachung 23. Diese Freima
chung 23 bildet einerseits einen Abschluß des Außengewin
des 13 gegenüber dem Zylinderbereich 62 und andererseite
eine ringförmig umlaufende, horizontale Anschlagfläche 24
zur Justierung des Arbeitskopfes 12 gegenüber der Laserop
tik 10.
Im Inneren weist das Gehäuse 45 eine zentrisch zur Längs
mittelachse 51 des Arbeitskopfes 12 verlaufende Strahlen
gangbohrung 52 für den Laserstrahlkegel 14 auf. Die Strah
lengangbohrung 52 verläuft im oberen Bereich des Gehäuses
45 kegelstumpfförmig, und zwar mit einer in etwa dem Fo
kuswinkel des Laserstrahlkegels 14 entsprechenden Verjün
gung. Im unteren, zur Austrittsdüse 46 gerichteten Bereich
ist die Strahlengangbohrung 52 in diesem Ausführungsbei
spiel zylindrisch ausgebildet, d. h., die Strahlengangboh
rung 52 verläuft nicht sich durchgehend verjüngend durch
das Gehäuse 45. Von der Unterseite 26 des Gehäuses 45 her
ist der zylindrische Bereich der Strahlengangbohrung 52
durch eine Ausdrehung 27 zur bereichsweisen Aufnahme der
Austrittsdüse 46 aufgeweitet.
Wie die Fig. 2 ferner zeigt, weist die Austrittsdüse 46
eine zylindrische Gestalt mit einem umlaufenden, oberen
Bund 56 auf. Mit dem Bund 56 ist die Austrittsdüse 46 ggf.
mit der Ausdrehung 27 im Gehäuse 35 gegenüber demselben
zentrierbar. Es kann aber auch ein geringfügiges Spiel
zwischen dem Bund 56 der Austrittsdüse 46 und der vertika
len Mantelfläche der Ausdrehung 27 vorhanden sein, wodurch
die Austrittsdüse 46 geringfügig relativ zum Gehäuse 45
des Arbeitskopfes 12 verschiebbar ist zum Ausrichten ge
genüber dem Laserstrahlkegel 14.
An der Unterseite weist die Austrittsdüse 46 eine zentri
sche Austrittsöffnung 55 auf. Diese ist im vorliegenden
Ausführungsbeispiel als dünne, zylindrische Bohrung ausge
bildet. Vom Inneren des Arbeitskopfes 12 her ist die Aus
trittsdüse 46 aufgebohrt durch eine in die Austrittsöff
nung 55 mündende Freimachung 54 größeren Durchmessers.
Letztere weitet als Fortsetzung der Strahlengangbohrung 52
den Strahlengang des Laserstrahlkegels 14 so weit auf, daß
der vor einem Fokuspunkt 35 liegende Bereich größeren
Durchmesser des Laserstrahlkegels 14 ungehindert den Ar
beitskopf 12 passieren kann.
Die Überwurfmutter 47 ist im vorliegenden Ausführungsbei
spiel rotationssymmetrisch ausgebildet. Sie besteht aus
einem abgestuften zylindrischen Mantel, dem im Inneren auf
halber Höhe ein Boden 37 zugeordnet ist. Durch diese Aus
bildung weist die Überwurfmutter 47 auf dem Boden 37 ge
genüberliegenden Seiten jeweils einen Kragen 38 bzw. 60
auf. Der untere Kragen 60 ist im Durchmesser kleiner als
der obere Kragen 38 bemessen. Der obere Kragen 38 weist an
seiner Innenseite ein Innengewinde 40 auf. Letzteres ist
korrespondierend zum unteren Außengewinde 22 des Gehäuses
45 ausgebildet. Die Überwurfmutter 47 ist dadurch unter
halb des Gehäuses 45 festschraubbar. Der untere Kragen 60
der Überwurfmutter 47 reicht bis kurz vor die Oberfläche
der zu bearbeitenden Platte 16, und zwar so weit, daß der
untere Rand des Kragens 60 in etwa eine Ebene mit der Un
terseite der Austrittsdüse 46 bildet.
Im Boden 37 der Überwurfmutter 47 ist eine zentrische Boh
rung 41 angeordnet. Der Durchmesser dieser Bohrung 41 ist
derart gewählt, daß der (kleinere) Durchmesser der Aus
trittsdüse 46 darin Aufnahme findet, und zwar mit gering
fügigem Spiel. Der Rand der Bohrung 41 am Boden 37 stützt
sich unterhalb des Bundes 56 an der Austrittsdüse 46 ab
zum Halten derselben in axialer Richtung. Dadurch ist die
Austrittsdüse 46 bei entsprechendem Andrehen der Überwurf
mutter 47 über die Gewindeverbindung gegenüber dem Gehäuse
45 des Arbeitskopfes 12 festspannbar.
Des weiteren weist der Boden 37 der Überwurfmutter 47 eine
Mehrzahl vorzugsweise gleichmäßig auf der Fläche des Bo
dens 37 verteilter Durchströmbohrungen 42 für ein Schutz
gas auf.
Im gezeigten Arbeitskopf 12 sind zwei parallel nebeneinan
derliegende Aufnahmebohrungen 48 und 49 im Gehäuse 45 an
geordnet. Die erste Aufnahmebohrung 48 mündet mit ihrer
horizontalen Längsachse 50 auf der Längsmittelachse 51 der
Strahlengangbohrung 52 im Gehäuse 45. Damit dient die er
ste Aufnahmebohrung 48 zur Aufnahme eines optischen Beob
achtungsinstruments bei unterbrochenem Laser. Dagegen ver
läuft die zweite Aufnahmebohrung 49 seitlich im Gehäuse
45, derart, daß die Aufnahmebohrung 49 neben der Strahlen
gangbohrung 52 verläuft, also nicht in derselben mündet.
Dieses zeigt deutlich die Fig. 2. Um aber auch eine Beob
achtung der Austrittsöffnung 55 in der Austrittsdüse 46
von der zweiten Aufnahmebohrung 49 zu ermöglichen, ist
dieser ein schräggerichteter Durchbruch 53 zugeordnet, der
kurz vor der Austrittsdüse 46 in der Strahlengangbohrung
52 des Gehäuses 45 mündet. Mit dieser seitlich neben der
Strahlengangbohrung 52 liegenden, zweiten Aufnahmebohrung
49 und dem ihr zugeordneten Durchbruch 53 ist die Anord
nung eines optischen Beobachtungsinstruments im Arbeits
kopf 12 während der Bearbeitung möglich. Es ist damit eine
ununterbrochene, integrierte Überwachung des Bearbeitungs
prozesses möglich.
Die Austrittsöffnung 55 und ggf. auch die Freimachung 54
können geringfügig außermittig in der Austrittsdüse 46 an
geordnet sein. Bei einer exakten Führung am Bund 56 gegen
über dem Gehäuse 45 kann durch eine derartige Anordnung
ein Ausrichten der Austrittsdüse 46 durch einfaches Drehen
derselben erfolgen, indem dann nämlich die Austrittsdüse
46 sich relativ zum Laserstrahlkegel 14 verschiebt.
Aus der Fig. 3 sind deutlich die zum Arbeitskopf 12 füh
renden Anschlüsse bzw. Versorgungsleitungen zu erkennen.
Demnach ist beim Arbeitskopf 12 jeder Aufnahmebohrung 48
und 49 ein Führungsrohr 57 bzw. 58 zugeordnet. Zum unteren
Teil großen Durchmessers des Gehäuses 45, an dem sich das
Außengewinde für die Überwurfmutter 47 befindet, führt ei
ne Schutzgaszufuhrleitung 59. Diese versorgt die Schweiß
stelle auch in diesem Ausführungsbeispiel mit Schutzgas,
welches durch die Durchströmbohrungen 42 der Überwurfmut
ter 47 zur Platte 16 strömen kann.
Zusätzlich zur Schutzgaszufuhrleitung 59 und den Führungs
rohren 57 und 58 weist der Arbeitskopf 12 dieses Ausfüh
rungsbeispiels noch eine Kühlschlange 61 auf. Letztere
steht mit einem (mittleren) Zylinderbereich 62 des Gehäu
ses 45 in Kontakt, derart, daß sie von außen sich an einem
Teil des Zylindermantels, nämlich hier etwa einem Drittel
Umfang anschmiegt. Die Kühlschlange 61 kann mit Kühlwasser
aber auch einem Kühlgas gespeist werden. Zum Zwecke inten
siver Kühlung ist es auch denkbar, eine Kühlschlange mit
mehreren Windungen um das Gehäuse 45 des Arbeitskopfes 12
herumzuführen.
Schließlich weist der Arbeitskopf 12 noch eine weitere,
quer durch die Strahlengangbohrung 52 verlaufende Luft
kühleinrichtung auf. Zu diesem Zweck ist unterhalb der
Aufnahmebohrungen 48 und 49 eine Gaszufuhrbohrung 63 von
außen in das Gehäuse 45 horizontal verlaufend hereinge
führt. Dieser liegt eine ebenfalls horizontal verlaufende
Gasaustrittsbohrung 64 in einer horizontalen Ebene gegen
über. Von der Außenseite des Arbeitskopfes 12 sind der
Gaszufuhrbohrung 63 ein Gaszufuhrstutzen 65 und der Gas
austrittsbohrung 64 ein Gasabfuhrstutzen 66 zugeordnet.
Diese können entweder durch Kleben, Löten oder auch
Schrauben mit dem Gehäuse 45 verbunden sein. Durch diese
horizontal verlaufende Kühlgaszu- und -abfuhr wird in der
Strahlengangbohrung 52 ein quergerichtete Strömung er
zeugt, die einerseits das während der Bearbeitung im Ge
häuse 45 befindliche optische Beobachtungsinstrument und
andererseits die Laseroptik 10 vor thermischen Einflüssen
und Schweißgasen schützt.
Im vorliegenden Ausführungsbeispiel weist der Gasabfuhr
stutzen 66 eine Drossel 67 in Form einer Durchmesserver
engung auf. Dadurch kann durch den Gasabfuhrstutzen 66
weniger Gas entweichen, als vom Gaszufuhrstutzen 65 aus
zugeführt wird. Es baut sich damit innerhalb der Strahlen
gangbohrung 52 ein geringfügiger Überdruck auf, wodurch
das überschüssige Kühlgas über die Austrittsöffnung 55 aus
der Austrittsdüse 46 entweicht. Dadurch kann der Schweiß
stelle ein zusätzlicher Schutzgasstrom zugeleitet werden.
Das setzt jedoch voraus, daß ein Schutzgas als Kühlgas
verwendet wird.
Claims (8)
1. Arbeitskopf zur Bearbeitung eines Werkstücks durch ei
nen Laser mit einem eine Strahlengangbohrung und eine Aus
trittsöffnung für den Laser aufweisenden Gehäuse, ge
kennzeichnet durch eine außermittig im
Gehäuse (45) angeordnete Aufnahmeöffnung (Aufnahmebohrung
49), die außermittig in der Strahlengangbohrung (52) mün
det zum Einsatz eines außerhalb des Einflußbereiches des
Laserstrahlkegels (14) in die Strahlengangbohrung (52) ra
genden optischen Beobachtungsinstruments, wobei der außer
mittigen Aufnahmeöffnung (Aufnahmebohrung 49) ein Durch
bruch (53) zugeordnet ist, der in der Austrittsöffnung
(55) für den Laserstrahlkegel (14) in einer Austrittsdüse
(46) mündet zur Beobachtung des Laserstrahlkegels (14)
mittels des optischen Beobachtungsinstruments durch die
Austrittsöffnung (55) hindurch und ggf. einer weiteren in
der Strahlengangbohrung (52) mündenden, mittigen Aufnah
meöffnung (Aufnahmebohrung 48) zur Aufnahme eines einen
Blick in die Längsmittelachse der Strahlengangbohrung (52)
ermöglichenden optischen Beobachtungsinstruments.
2. Arbeitskopf nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß die außermittige Aufnahmeöffnung als parallel zur
aufrechten Längsmittelebene der Strahlengangbohrung (52)
verlaufende Aufnahmebohrung (49) ausgebildet ist.
3. Arbeitskopf nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet,
daß mindestens eine Aufnahmebohrung (48, 49) durch ein
Führungsrohr (57, 58) verlängert ist.
4. Arbeitskopf nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet,
daß das Führungsrohr (57, 58) einem äußeren, freien Ende
mindestens eine Aufnahmebohrung (48, 49) für das optische
Beobachtungsinstrument zugeordnet ist.
5. Arbeitskopf nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch
gekennzeichnet, daß dem Gehäuse (45) eine Kühleinrichtung
zugeordnet ist.
6. Arbeitskopf nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet,
daß dem Gehäuse (45) als Kühleinrichtung außen eine was
sergespeiste Kühlschlange (61) zugeordnet ist.
7. Arbeitskopf nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekenn
zeichnet, daß im Gehäuse (45) eine quer durch die Strah
lengangbohrung (52) verlaufende Gaskühlung mit einer Gas
zufuhrbohrung (63) und einer Gasaustrittbohrung (64) an
geordnet ist.
8. Arbeitskopf nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch
gekennzeichnet, daß das optische Beobachtungsinstrument
ein Endoskop ist.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE19843411140 DE3411140A1 (de) | 1984-03-26 | 1984-03-26 | Verfahren zum ausrichten eines arbeitskopfes fuer eine fokussierte hochleistungsenergiequelle und arbeitskopf, insbesondere zur durchfuehrung des verfahrens |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE19843411140 DE3411140A1 (de) | 1984-03-26 | 1984-03-26 | Verfahren zum ausrichten eines arbeitskopfes fuer eine fokussierte hochleistungsenergiequelle und arbeitskopf, insbesondere zur durchfuehrung des verfahrens |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
DE3411140A1 DE3411140A1 (de) | 1985-09-26 |
DE3411140C2 true DE3411140C2 (de) | 1989-09-07 |
Family
ID=6231671
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
DE19843411140 Granted DE3411140A1 (de) | 1984-03-26 | 1984-03-26 | Verfahren zum ausrichten eines arbeitskopfes fuer eine fokussierte hochleistungsenergiequelle und arbeitskopf, insbesondere zur durchfuehrung des verfahrens |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
DE (1) | DE3411140A1 (de) |
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- 1984-03-26 DE DE19843411140 patent/DE3411140A1/de active Granted
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Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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DE3411140A1 (de) | 1985-09-26 |
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