DE3521918A1

DE3521918A1 - Laserstrahl-bearbeitungseinrichtung

Info

Publication number: DE3521918A1
Application number: DE19853521918
Authority: DE
Inventors: William Henry Pittsburgh Pa. Kasner; Richard Albert North Huntingdon Pa. Miller; Vincent Andrew Harrison City Pa. Toth
Original assignee: Westinghouse Electric Corp
Current assignee: CBS Corp
Priority date: 1984-06-19
Filing date: 1985-06-19
Publication date: 1985-12-19
Also published as: JPH036874B2; IT1185042B; FR2565868B1; SE8502831D0; IT8521170A0; SE461199B; CA1239193A; JPS6114094A; ES8702203A1; GB2160674A; KR860000120A; SE8502831L; GB8514094D0; US4574180A; ES544071A0; GB2160674B; BE902704A; FR2565868A1

Description

Die Erfindung betrifft eine Laserstrahl-Bearbeitungseinrichtung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Insbesondere bezieht sich die Erfindung auf ein
Laserstrahl-Ausrichtesystem für eine solche Laserstrahl-Bearbeitungseinrichtung, die zur Durchführung vielfältiger Laserstrahl-Bearbeitungsvorgänge vorgesehen ist.

Die Durchführung verschiedenartiger Laserstrahl-Bearbeitungsvorgänge, beispielsweise von Laserstrahl-Schweißungen an einem gegebenen Werkstück erfordert
oftmals eine wiederholte Neueinstellung der den Laserstrahl fokussierenden Linse auf unterschiedliche Brennpunkte entsprechend den jeweils auszuführenden Bearbeitungsvorgängen. Ein typisches Beispiel eines Anwendungsgebiets der Erfindung, bei welchem eine solche wiederholte Neueinstellung der Fokussierlinse notwendig ist, ist das

Laserstrahl-Schweißen von Brennstab-Haltegittern, wie sie in Kernbrennelementen zur seitlichen Abstützung der Kernbrennstäbe Anwendung finden„ Bekanntermaßen bestehen solche Haltegitter aus einer Anzahl metallener Gitterstreifen, die ineinandergreifen und eine eierkistenartige Gitterkonstruktion mit einer Vielzahl von Gitterzellen zur Aufnahme der einzelnen, durch das Haltegitter hindurchragenden Brennstäbe bilden, und jedes Haltegitter erfordert die Durchführung zahlreicher Schweißungen, nämlich überall an den Kreuzungsstellen der inneren Gitterstreifen und an den Anschlußstellen der Enden der inneren Gitterstreifen an den äußeren Gitterstreifen sowie an den Eckverbindungen der äußeren Gitterstreifen und an den Verbindungsstellen von Durchführungshülsen zur Durchführung von Steuerstabführungsrohren mit den inneren Gitterstreifen. Die Herstellung dieser zahlreichen Schweißnähte an einem Haltegitter erfordert eine häufige Neueinstellung des Laserstrahls auf unterschiedliche Brennebenen, was durch entsprechende Verstellung einer Laserstrahl-Fokussierlinse erfolgt»

Ein in diesem Zusammenhang bei Laserstrahl-Bearbeitungseinrichtungen auftretendes Problem liegt darin, daß sich herausgestellt hat, daß eine Verschiebung der Fokussierlinse in Strahlrichtung nicht nur eine Verschiebung der Brennebene bewirkt, sondern auch eine gewisse seitliche Versetzung des Laserstrahl-Brennpunkts mit Bezug auf seine vorgesehene richtige Position verursachen kann, was natürlich eine Verschlechterung der Schweißqualität zur Folge haben kann.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei einer gattungsgemäßen Laserstrahl-Bearbeitungseinrichtung dieses Problem des Auftretens eines seitlichen Versatzes des Laserstrahl-Brennpunkts bei einer Veränderung der Brennebene zu bewältigen.

Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung durch die im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 angegebene Anordnung gelöste

Die erfindungsgemäße Anordnung bringt den Vorteil, daß der Laserstrahl auf eine Vielzahl verschiedener Laserstrahl-BearbeitungssteIlen mit hoher Präzision und ohne nachteilige seitliche Versetzung des Brennpunkts fokussiert werden kann. 5

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüchec

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachstehend unter Bezugnahme auf die anliegenden Zeichnungen mehr im einzelnen beschrieben. In den Zeichnungen zeigen?

Fig. 1 in perspektivischer Darstellung ein

Kernbrennelement,
15

die Fig. 2A, ein Brennstabhaltegitter, wie es 2B und 2C bei dem Brennelement nach Fig. 1

Anwendung findet, in perspektivischer Ansicht, in Draufsicht und im Schnitt, 20

Fig. 3 in schematischer Darstellung die

Entstehung unterschiedlicher seitlich von der Sollposition versetzter Positionen des Brennpunkts bei einer Verschiebung der Fokussier-

linse ohne das erfindungsgemäße Ausrichtesystem,

Fig. 4 eine Laserstrahl-Schweißeinrichtung

nach der Erfindung in auseinander

gebogener perspektivischer Darstellung,

Fig. 5 in auseinandergezogener

^ perspektivischer und schematisierter

Darstellung das optische System der Laserstrahl-Schweißeinrichtunc,

Fig« 6 in schematischer Darstellung die

Laserstrahl-Fokussierlinse nach Fig. 3 und ihre Brechurigswirkung auf Lichtstrahlen eines Lasers,

die Figo 7A das Laserstrahl-Schweißsystem der und 7B Schweißeinrichtung nach den Fig.

und 5 in Frontansicht und Draufsicht,

die Fig. 8A eine Umlenkspiegelanordnung zum

und 8B Umlenken des horizontal orientierten

Laserstrahls längs eines präzise mit Bezug auf eine vertikale Z-Z'-Achse fluchtenden vertikalen Strahlengangs in Seitenansicht

und Frontansicht,

die Fig. 9A eine Ausrichtemarke des erfindungs- und 9B gemäßen Ausrichtesystems in Drauf-

sieht und im Schnitt,

Fig. 10 eine Umlenkspiegelbaugruppe in

Frontansicht,

Fig. 11 das Laserstrahl-Fokussiersysteir.

im Schnitt, und

die Fig. 12A Darstellungen der Schatten, die und 12B ein Laserstrahl bei Verwendung

zweier Ausrichtemarken nach d^n

Fig. 9A und 9B bei richtiger Ausrichtung und bei Fehlausrichtung des Laserstrahls mit Bezug auf die Z-Z'-Achse wirft...
35

Fig. 1 zeigt eine Bauart eines Kernbrennelements, bei dessen Fertigung die Laserstrahl-Präzisionsbearbeitungs-

einrichtung nach der Erfindung angewendet werden kann. Das Brennelement 10 bildet eine in sich geschlossene Baugruppe mit einem Kopfstück 12, einem Fußstück 14 und einem dazwischen verlaufenden Bündel von Kernbrennstäben 18, die mittels Haltegittern 16 in ihrer Lage gehalten werden. Das Kopfstück 12, das Fußstück 14 und die Haltegitter 16 bilden zusammen einen Skelettrahmen, der die Brennstäbe 18 und nicht dargestellte Steuerstäbe hält. Derartige Kernbrennelemente werden in vorgegebenen Positionen im Reaktorkern eines Kernreaktors eingesetzt und daher muß die gegenseitige Relativlage der einzelnen Brennstäbe 18 ganz genau festgelegt sein.

Die Laserstrahl-Präzisionsbearbeitungseinrichtung nach der Erfindung wird nachstehend unter Bezugnahme auf die Fertigung von Brennstabhaltegittern 16 erläutert. Eines dieser Haltegitter ist in den Fig. 2A, 2B und 2C dargestellt. Es hat einen etwa quadratischen Grundriß und sein Umfang ist von vier äußeren Gitterstreifen 22 gebildet, die an ihren Enden durch Eckschweißnähte 30 miteinander verbunden sind. Eine Vielzahl von inneren Gitterstreifen 20 bildet eine elerkistenartige Gitterstruktur mit Gitterzellen zur Aufnahme der Brennstäbe und von nicht dargestellten Steuerstabführungsrohren. Die inneren Gitterstreifen 20 sind an ihren Kreuzungsstellen mit zueinander komplementären Schlitzen 24 versehen, mit denen sie ineinandergreifen, und an jeder Kreuzungsstelle ist eine Kreuzungsschweißnaht 32 hergestellt, um die ineinandergreifenden» sich kreuzenden Gitterstreifen miteinander zu verbinden. Jeder der inneren Gitterstreifen 20 ist an jedem seiner beiden Enden mit zwei Zungen 26 versehen, die in entsprechende Schlitze 28 der äußeren Gitterstreifen 22 eingreifen und dort mittels Schweißnähten 34 befestigt sind. Zur Aufnahme der Steuerstabführungsrohre sind Hülsen 36 vorgesehen, die in einem vorgegebenen Muster auf einer Seite des Gitters 16 angeordnet sind. Jede dieser Hülsen 36 ist in Aussparungen

K) -

eingesetzt, die in den Kantenbereichen der die betreffende Gitterzelle bildenden Gitterstreifenabschnitte gebildet sind, und die Hülse 36 ist mittels Schweißnähten 40 an diesen Gitterstreifenabschnitten befestigt.

Die erfindungsgemäße Laserstrahl-Präzisionsschweißeinrichtung t die nachstehend noch im einzelnen beschrieben wird, ist insbesondere für die Herstellung der Schweißnähte 30, 32, 34 und 40 in Form einer Reihe besonders gesteuerter Schweißvorgänge ausgebildet. Es ist klar, daß nach Herstellung jeder dieser Schweißnähte das Haltegitter 16 verschoben und/oder der Brennpunkt des Laserstrahls verändert wird, um die jeweilige Schweißnaht an dem vorgesehenen Schweißort herstellen zu können.

Gemäß den Fig* 2B und 2C weist jeder der inneren Gitterstreifen 20 eine Anzahl elastischer Finger 44 auf, die im wesentlichen parallel zueinander angeordnet sind, und außerdem weist jeder innere Gitterstreifen 20 noch eine Anzahl von Abstandshaltefingern 46 auf, die den genannten elastischen Fingern 44 gegenüberliegend angeordnet sind, wobei die Anordnung so getroffen ist, daß die Fingerpaare 44 und 46 im Sinne eines elastischen Ergreifens und seitlichen Abstützens des durch die betreffende Gitterzelle hindurchverlaufenden Brennstabs 18 miteinander zusammenwirken.

Bei der Herstellung des Haltegitters 16 werden dessen Einzelteile zusammengesetzt und dann miteinander verschweißt. Zur Herstellung der KreuzungsSchweißnähte 32 wird das Haltegitter 16 schrittweise entlang seiner X- und Y-Achsen verschoben, derart, daß der Laserstrahl nach jedem Verschiebeschritt mit einer der Kreuzungsstellen der inneren Gitterstreifen 20 fluchtet, worauf dann eine Laserquelle in Betrieb gesetzt wird, um einen Laserstrahl auf die betreffende Kreuzungsstelle zu emittieren und die Schweiß-

naht herzustellen. Danach wird das Haltegitter 16 um einen weiteren Verschiebeschritt in die nächste Schweißposition vorgeschoben und die nächste Kreuzungsschweißnaht 32 wird hergestellt. Die Zungenschweißnähte 34 und die Eckschweißnähte 30 werden hergestellt, indem das Haltegitter 16 derart gedreht wird, daß jeder der äußeren Gitterstreifen 22 nacheinander dem Laserstrahl für den SchweißVorgang zugewandt ist. Die Hülsenschweißnähte 40 zur Befestigung der Hülsen 36 in den Aussparungen 38 der inneren Gitterstreifen 20 erfolgt unter Drehen des Haltegitters 16 in eine unter 45 mit Bezug auf den Laserstrahl abgewinkelte Stellung, wobei die Fuge zwischen den Hülsen 36 und den Aussparungen 38 dem Laserstrahl ausgesetzt wird. Der Laserstrahl wird anfänglich so fokussiert, daß er die in einer gemeinsamen Ebene liegenden Schweißnähte 32 herstellen kann. Zur Herstellung der Eckschweißnähte 30 und der Zungenschweißnähte 34 ist es notwendig, das Haltegitter 16 aus der Ebene der Kreuzungsschweißnahte herauszudrehen, weshalb eine Neufokussierung des Laserstrahls erforderlich ist. In ähnlicher Weise wird das Haltegitter aus der Ebene der Kreuzungsschweißnahte 32 in seine um 45 bezüglich des Laserstrahls abgewinkelte Stellung gedreht, um die Hülsenschweißnähte 40 herstellen zu können, was wiederum eine Neufokussierung des Laserstrahls erfordert.

Fig. 4 zeigt die Laserstrahl-Schweißeinrichtung mit dem Laserstrahl-Schweißsystem 102, das für einen Einsatz zur Herstellung einer Reihe von Schweißvorgängen ausgelegt ist, beispielsweise zur Herstellung der Kreuzungsschweißnahte 32* der Zungenschweißnähte 34, der Eckschweißnähte und der Hülsenschweißnähte 40, um die inneren und äußeren Gitterstreifen 20, 22 zu dem Haltegitter 16 in Form eines einstückigen Bauteils zu verbinden und die Hülsen 16 zur Aufnahme der nicht gezeigten Steuerstabführungsrohre an dem Haltegitter 16 zu befestigen-

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Dem Laserstrahl-Schweißsystem 102 sind zwei Positioniermodule 106a und 106b zur Verschiebung von Werkstücken, beispielsweise der Haltegitter 16, in aufeinanderfolgende Schweißpositionen zugeordnet. Jedem Positioniermodul 106 ist seinerseits eine Schweißkammer 108 zugeordnet, nämlich beispielsweise die Schweißkammer 108a, die in Fig. 5 gezeigt ist und in welche das zu schweißende Haltegitter 'f6 eingelegt wird. In dieser Schweißkammer, wird eine zur Ausführung des Laserstrahl-Schweißvorgangs geeignete Umgebung, beispielsweise eine Inertgasatmosphäre, z,B_r eine Argonatmosphäre, hergestellt«. Ein Gestell 122 trägt das Laserstrahlschweißsystem 102 in einstellbarer, mit Bezug auf die beiden Positioniermodule 106a und 106b ausgerichteter Stellung* Nach Ausrichtung mit Bezug auf das Laserstrahl-Schweißsystem 102 werden die Positioniermodule 106a und 106b mit Bezug auf das Gestell 122 und demzufolge auch mit Bezug auf das Schweißsystem 102 festgelegt, um sicherzustellen, daß die Ausrichtung des Laserstrahls 169 mit Bezug auf jeden der Positioniermodule 106a und 106b und damit auch mit Bezug auf das Haltegitter 16 oder sonstige Werkstück _p welches die Positioniermodule tragen, genau gesteuert werden kann. Das Gestell 122 weist eine Grundplatte 142 und eine nicht gezeigte Bodenplatte auf, die beide an einem Rahmen aus Rechteckprofilrohren angeschweißt sind. Die Grundplatte 142 ist nach ihrem Anschweißen an den Rahmen eben bearbeitet, um eine Bezugsfläche für die darauf montierten und mittels Schrauben oder Paßstiften in geeigneter Weise fixierten Bauteile zu bilden.

Auf der Grundplatte 142 ist ein Ständer 140 angeschraubt, der zwei Stützen 139, 141 aufweist,, die mittels eines Zapfens mit Bezug auf die Grundplatte 142 festgelegt sind. Die Positioniermodule 106 sind ebenfalls auf der Grundplatte montiert und weisen jeweils eine Bodenplatte 150, die an ihren vier Ecken auf der Grundplatte angeschraubt ist, Seitenwände 152 und 154, die

- η-

an der Bodenplatte 150 angeschraubt sind, und eine Deckplatte 152 auf, die mit geringem Abstand (weniger als 1 nun) von Dichtungsflanschen 109a und 109b angeordnet ist, die auf der betreffenden Schweißkammer 108a bzw. 108b um deren öffnung herum gebildet sind, wie in Fig. 5 dargestellt ist.

Wie nachstehend unter Bezugnahme auf die Fig. 4 und 5 mehr im einzelnen beschrieben wird, dient der Ständer 140 der Positionierung des Laserstrahl-Schweißsystems 102 und insbesondere der Laseremissionsquelle in Form eines Laserstabes 170 und der zugehörigen Optik mit Bezug auf die Bezugsfläche des Gestells 122 und die Brennstabgitter Der Laserstab 170 ist in einem Gehäuse 166 (Fig. 4) angeordnet, das auf einer mit sehr engen Ebenheitstoleranzen bearbeiteten Optikträgerplatte 168 montiert ist. Diese Optikträgerplatte 168 ist ihrerseits auf einem Lasersystem-Tragrahmen 162 montiert, der seinerseits auf einem Querholm 157 und einem horizontalen Balken 159 des Ständers 140 angeordnet ist* Weiter sind auf der Optikträgerplatte 168 ein beweglicher Strahlumlenkspiegel 172 (Fig. 5) zusammen mit einem zugehörigen Betätigungsorgan und feststehende Strahlenumlenkorgane in Form von Spiegeln 176a, 176b sowie 174, 177a und 177b montiert. Wie in Fig. 7B gezeigt ist, ist der Strahlumlenkspiegel 172 auf einem Spiegelhalter 331 montiert, der seinerseits auf einem Schlitten 175 gehaltert ist. Dieser Spiegelschlitten ist, wie durch den Pfeil 327 angedeutet ist, geradlinig zwischen einer in Vollinien gezeichneten Stellung im Laserstrahlengang 169 und einer in strichpunktierten Linien angedeuteten zweiten Stellung außerhalb des Laserstrahlengangs verschiebbar, wobei in der letzteren Stellung der Laserstrahl 169 auf den feststehenden Umlenkspiegel 174 auftrifft und dadurch nach links umgelenkt wird, wie in den Fig. 5 und 7B gezeigt ist, Das Betätigungsorgan für den Spiegelschlitten 175 kann als Elektromagnet in Form

JCb-

eines Induktions-Linearmotors ausgeführt sein. Der bewegliche Strahlumlenkspiegel 172 ermöglicht also eine Strahlumschaltung wahlweise nach links oder nach rechts.

Der die Optikträgerplatte 168 zusammen mit dem Lasersystem-Tragrahmen 162 tragende Ständer 140 ist als Schweißkonstruktion aus Rechteckprofilrohren ausgeführt und weist die erforderliche Starrheit auf, um die kritische gegenseitige Ausrichtung zwischen dem vom Laserstab 170 emittierten Laserstrahl 169 (Fig. 5) und den Brennstabhaltegittern 16 aufrechtzuerhalten,, Der Lasersystem-Tragrahmen 162 ist mit zwei Niveaueinstellvorrichtungen 158a und 158b verschraubt, die an den beiden Enden des Querholms 157 angeordnet sind. Im hinteren Bereich des Horizontalbalkens 159 ist ein Kugelgelenk 160 angeordnet, welches eine Einpunkt-Lagerung für den Lasersystem-Tragrahmen 162 im Bereich von dessen Hinterkante bildet, so daß ein Kippen dieses Tragrahmens um eine Achse 164 möglich ist, wenn die im Bereich der Vorderkante befindlichen Niveaueinstellvorrichtungen 158a und 158b angehoben oder abgesenkt werden. Das Kugelgelenk 160 ist nicht höhenverstellbar, sondern bildet ein höhenmäßig festgelegtes Gelenk, um welches der Tragrahmen 162 um eine zu seiner Hinterkante parallele Achse nach oben oder unten geschwenkt oder um die Achse 164 gekippt werden kann, wenn die Niveauverstellvorrichtungen 158a und 158b betätigt werden.

Die Ebene des Lasersystem-Tragrahmens 162 muß starr bleiben, wenn während der anfänglichen Ausrichtung des Laserstrahl-Schweißsystems 102 die Verstellkräfte bei Betätigung der Niveauverstellvorrichtungen 158a und 158b angreifen. Der Lasersystem-Tragrahmen 162 trägt außerdem zwei Laserstrahl-Fokussierlinsenanordnungen 204 (siehe Fig. 5, 7A und H)₄. die geradlinig verstellbar sind, um den Laserstrahl 169 auf die Brennstabhaitegitter 16 in der jeweiligen Schweißkammer 108 zu fokussieren, wobei die

Halterung dieser Fokussierlinsenanordnungen an dem Tragrahmen 162 so ausgebildet ist,, daß die Fokussierlinsenanordnungen 204 jeweils mit ihrer Z-Achse lotrecht zur Oberfläche des Tragrahmens 162 ausgerichtet werden können.

Der vom Laserstab 170 emittierte Laserstrahl 169 wird also, wie auch aus den Fig. 4 und 5 ersichtlich ist, zunächst auf den Umlenkspiegel 172 zur Strahlumschaltung gerichtet,, welcher den Strahl wechselweise auf einen Strahlengang 178a zu dem einen Paar von Umlenkspiegeln 176a und 176b oder auf den Strahlengang 178b zum anderen Paar von Umlenkspiegeln 177a und 177b umschaltet, wobei der Laserstrahl vom Strahlengang 178a durch eine öffnung 180a im Positioniermodul 106a und auf dem Strahlengang 178b durch eine Öffnung 18Ob im Positioniermodul 106b hindurchfällt.

Das Lasersystem ist in Fig. 5 dargestellte Dies umfaßt den Laserstab 170 in Form eines NdjYAG-Kristallasers und zwei gerade Krypton-Blitzlampenstäbe 186, die in einem hochwirksamen Laserkopf angeordnet sind. Der Laserkopf enthält weiter einen total reflektierenden Spiegel 182 und einen halbdurchlässigen Spiegel 184, die an den beiden entgegengesetzten Enden des Laserstabes 170 angeordnet sind. Zwischen dem Laserstab 170 und dem total reflektierenden Spiegel 182 ist ein Verschluß 188 angeordnet, mittels welchem die -Freigabe einer gewählten Anzahl von Laserimpulsen steuerbar ist, je nach der für die betreffenden Schweißnähte erforderlichen Energie. Der Laserkopf ist in Modulbauweise ausgeführt, damit alle seine optischen Elemente einschließlich des Laserstabes 170, der Erregerlampen und der Spiegel 182 und 184 leicht und unabhängig voneinander ausgetauscht werden können. Die Erregerlampen 186 sind dabei schnell und ohne Störung der optischen Ausrichtung austauschbar,, Außerdem sind die Erreger lampen 186 über ihre gesamte Länge einschließlich ihrer Endanschlüsse wassergekühlt. Durch Triggerung der Lampen wird ein paralleles Pulsieren der Erregerlampen 186 erzeugt. Der

Laserstab 170 kann so gewählt sein, daß man eine mittlere Leistung von etwa 400 Watt am Werkstück erhält, wobei die Eingangsleistung der Impulsformerschaltung 18 kW nicht übersteigt, wenn mit einer Impulsbreite von 6 ms bei einer Impulsfrequenz von 20 Hz bzw« einer Impulsbreite von 2 ms und einer Impulsfrequenz von 50 Hz gearbeitet wird.

In Fig. 5 ist weiter ein Klappverschluß 190 in seiner wirksamen Stellung im Strahlengang dargestellt, in welcher er den Laserstrahl 169 längs eines Pfades 196 in einen Strahlabsorber 194 ablenkt. In dieser wirksamen Stellung befindet sich der Verschluß 190 während derjenigen Zeiträume, während welcher die Werkstücke, also beispielsweise die Brennstabgitter 16, in den Schweißkammern 108 verändert werden. Dem KläppVerschluß 190 ist ein Betätigungsmechanismus 192 zugeordnet, um ihn zwischen seiner wirksamen Stellung und einer unwirksamen Stellung außerhalb des Strahlengangs zu bewegen, so daß in der unwirksamen Stellung der Laserstrahl 169 durch eine Zerstreuungslinsenanordnung 198 auf die Strahlumschalteinrichtung mit dem beweglichen Umlenkspiegel 172 und dem feststehenden Umlenkspiegel 174 fällt. Wenn der bewegliche Umlenkspiegel 172 sich im Strahlengang befindet, lenkt er den Strahl auf den Strahlengang 178a zu den beiden Umlenkspiegeln 176a und 176b um, welche den Strahl vertikal in das Laserstrahl-Fokussiersystem 204a umlenken, welche dann den Strahl auf das in der Schweißkammer 108a befindliche Haltegitter 16 fokussiert* Wie nachstehend noch mehr im einzelnen beschrieben wird, weist jedes Fokussiersystern 204 eine Fokussierlinse 202 und ein Linsenträgerrohr 200 auf. Wenn der bewegliche Umlenkspiegel 172 mittels des Spiegelschlittens 175 aus dem Strahlengang heraus in seine unwirksame Stellung bewegt wird, fällt der Laserstrahl 169 auf den feststehenden Umlenkspiegel 174 und wird von diesem auf den Strahlengang 178b und die beiden Umlenkspiegel 177a

vf -

und 177b umgelenkt, welche ihrerseits der Strahl vertikal in Richtung zur Schweißkammer 108b umlenken.

Nunmehr wird auf Fig. 6 Bezug genommen, die beispielsweise die Brechung des Laserstrahls 169 durch die Fokussierlinse 202 zur Erzeugung eines Brennpunkts bzw. Brennflecks zeigt. Es sei nun angenommen, daß die Fokussierlinse, wie dargestellt, einen Fluchtungsfehler mit Bezug auf die Z-Z'-Achse aufweist, längs welcher das Fokussiersystem 204 zum Zwecke der Fokussierung verschiebbar ist, d.h. die wahre optische Achse Y-Y¹ der Fokussierlinse 202 ist mit Bezug auf die Z-Z'-Achse etwas seitlich versetzt und unter einem Winkel θ schrägverlaufend. Die Einzelstrahlen X-X" des Laserstrahl,bündels 169 treffen unter einem Winkel θ mit Bezug auf die Z-Z'-Achse auf die Fokussierlinse 202 auf« Der Einfachheit halber sind die Linien Z-Z', Y-Y' und X-X' in Fig. 6 alle in einer gemeinsamen Ebene, nämlich der Zeichenebene, dargestellt, im allgemeinen sind diese Linien aber in verschiedenen Richtungen orientiert, so daß nicht einmal zwei dieser Linien in einer gemeinsamenen Ebene liegen.

Gemäß Fig, 6 werden die Einzelstrahlen des Laserstrahlbündels durch die Fokussierlinse 202 auf einen gemeinsamen Brennfleck X' fokussiert, der um eine Distanz f (die Brennweite) hinter der Fokussierlinse 202 liegt und um eine Distanz X seitwärts mit Bezug auf die Z-Z'-Achse versetzt ist. Wenn die Achsen Z-Z' und X-X' auseinanderfallen» ändert sich der seitliche Versatz X des ,Brennflecks X', wenn die Fokussierlinse 202 entlang der Z-Z'-Achse verschoben wird. Die vereinfachte Darstellung nach Fig„ 3 zeigt die Fokussierlinse in drei verschiedenen Vertikalpositionen, woraus sich entsprechend drei verschiedene seitliche Versatzdistanzen der Brennflecke X1, X2 und X3 ergeben, Anhand der optischen Geometrie kann man

zeigen, daß die Veränderung des seitlichen Versatzes X mit Bezug auf den einer vertikalen Bezugsposition der Linse zugeordneten Versatz X_Q durch die folgende Formel ausgedrückt werden kann
5

f Z Δθ_, sine cose X - X * ^M

O d - Z ΔΘ_Μ cose

wobei f - Brennweite der Linse,

Z - Vertikalverschiebung aus der Bezugsposition, ΔΘ = von der Zerstreuungslinsenanordnung 198

erzeugte Strahldivergenz,

θ = Einfallswinkel des Laserstrahls 169 mit Bezug auf die Achse Z-Z',

d - Durchmesser des Laserstrahlbündels in der Ebene der Fokussierlinse 202.

Die obige Gleichung soll nun für zwei Spezialfälle betrachtet werden< > Zuerst sei angenommen, daß θ = 0„ was einer exakten Fluchtung des einfallenden Laserstrahlbündels 169 mit der Z-Z'-Achse entspricht. In diesem Fall ist der Versatz X - X_Q = 0 für alle Werte von Z, was die Idealsituation darstellt. Zweitens sei der Fall betrachtet, in welchem das Laserstrahlbündel 169 keine Divergenz hat, d.h. ^©_M = Oe In diesem Fall erhält man also wiederum X - X₀ = 0 für alle Werte von Z.

Der seitliche Versatz X - X_Q des Schweißflecks verändert sich also als Funktion der Vertikalverschiebung Z der Fokussierlinse 202„ Infolgedessen kann gemäß Fig„ 6 durch eine Verringerung des Winkels θ zwischen der Z-Z'-Achse und den Strahlen X-X¹ des Laserstrahlbündels 169 auf ein Minimum und vorzugsweise auf den Wert 0 der bei einer Änderung der Position der Fokussierlinse 202 auftretende Versatz X-X des Brennflecks beträchtlich verringert werden.

Das in Fig„ 5 schematisch dargestellte Laserstrahl-Schweißsystem 102 nach der Erfindung ermöglicht eine Ausrichtung des Laserstrahls 169 mit Bezug auf die Z-Z'-Achse (Fig. 6), entlang welcher das Laserstrahl-Fokussiersystem 204 verschiebbar ist. Wie aus Fig. 5 ersichtlich ist, wird der Laserstrahl 169 im einen Betriebszustand durch den beweglichen Umlenkspiegel 172 auf den Strahlengang 178a und über die beiden Umlenkspiegel 176a und 176b längs eines vertikalen Pfades 178c abwärts zu der Fokussierlinse 202a umgelenkt, welche den Laserstrahl auf ein Brennstabhaltegitter 16 fokussiert, das in der rechten .Schweißkammer 108a angeordnet ist. Im anderen Betriebszustand, in welchem der bewegliche Umlenkspiegel 172 sich in seiner unwirksamen Stellung außerhalb des Strahlengangs befindet, wird der Laserstrahl 169 durch den feststehenden Umlenkspiegel auf den Strahlengang 178b und über die beiden Umlenkspiegel 177a und 177b nach unten längs eines vertikalen Pfades 178d umgelenkt.

Im normalen Lasers fr ahl-Schweißbetrieb wird der entlang des Pfades 178c umgelenkte Laserstrahl 169 durch die Fokussierlinse 202a auf das Brennstabhaltegitter 16 fokussiert. Vor Beginn der Schweißarbeit ist es typischerweise notwendig, den Laserstrahl 169 mit Bezug auf die Z-Z'-Achse (Fig₃ 6) auszurichten, d„h, den Winkel θ auf den Viert 0 zu bringen. Dies erfolgt, wie in Fig. 5 in Verbindung mit dem vertikalen Strahlengang 178d dargestellt ist, mit Hilfe von zwei in dem vertikalen Strahlengang angeordneten Ausrichtemarken 179b und 181b, deren Ausrichtemarkenelemente im Laserstrahl 169 jeweils einen Schatten auf eine Ausrichtungsanzeigeeinrichtung werfen. Bei dem nachstehend noch im einzelnen beschriebenen Ausrichteverfahren wird die Fokussierlinse 202b nicht benötigt und ist durch die untere Ausrichtemarke 181b ersetzt. Die Umlenkspiegel 177a und 177b können sehr fein justiert werden, wie nachstehend noch beschrieben wird.

< ß-

so daß der Strahlengang 178d des Laserstrahls 169 mit Bezug auf die beiden Ausrichtemarken 179b und 181b zentriert werden kann. Wenn der vertikale Strahlengang 178d zwischen dem Umlenkspiegel 177b und der unteren Ausrichtemarke 181b parallel zur Z-Z'-Achse des Fokussiersystems 204b ist und wenn der Laserstrahl 169 sauber mit Bezug auf die Z-Z'-Achse ausgerichtet ist, ist der Winkel θ (Fig. 6) auf den Betrag 0 zurückgeführt und der seitliche Versatz des Brennpunktes ist minimal, wenn das Fokussiersystem 204 zur Ausführung der verschiedenen Schweißnähte nach oben und unten verschoben wird.

Die Anordnung von jeweils zwei Umlenkspiegeln 176a, 176b bzw. 177a, 177b anstelle eines einzigen vertikal umlenkenden Spiegels hat den Vorteil, daß, wenn der Laserstrahl 169 einmal mit Bezug auf den beweglichen, der Strahlumschaltung dienenden Umlenkspiegel 172 und den feststehenden Umlenkspiegel 174 ausgerichtet ist, diese beiden Spiegel in ihrer wirksamen Position festliegen und die Nachjustierung des Laserstrahls entlang der vertikalen Strahlengänge 178c und 178d vollständig durch Justierung nur des betreffenden Umlenkspiegelpaares 176a, 176b bzw. 177a, 177b erfolgen kann.

Durch die Ausrichtung des feststehenden Umlenkspiegels 174 ist es möglich, den Laserstrahl 169 innerhalb der Grenzen der maximalen Abweichung von den Strahlengängen 178a und 178b auszurichten. Das Maß der maximalen Abweichung hängt von dem Einfallswinkel des Laserstrahls mit Bezug auf den feststehenden Umlenkspiegel 174 bzw. auf den beweglichen Umlenkspiegel 172 ab. Diese Ausrichtung kann eine beträchtliche Winkelabweichung beim Umlenken des Laserstrahls 169 auf einen der vertikalen Strahlengangabschnitte 178c bzw. 178d erzeugen. Um eine Feinausrichtung des Laserstrahls 169 unter Verwendung von nur zwei Ausrichtemarken 179 und 181 erreichen zu können, ist

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'toes notwendig, daß diese Ausrichtemarken 179 und 181 jeweils im gleichen Abschnitt des Strahlengangs liegen, ohne daß andere optische Elemente wie beispielsweise Spiegel, Linsen und dgl. dazwischen angeordnet sind. In der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sind die Ausrichtemarken 179 und 181, wie dargestellt, im zweiten, also im vertikalen Strahlengangabschnitt 178d bzw* 178c angeordnet.

Nachstehend wird auf die Fig. 7A und 7B Bezug genommen, wonach der bewegliche Umlenkspiegel 172 und die Umlenkspiegelpaare 176a, 176b und 177a, 177b auf der Optikträgerplatte (siehe auch Fig«, 4) montiert sind. Der bewegliche Umlenkspiegel 172 und der feststehende Umlenkspiegel 174 sind in einem Gehäuse 302 angeordnet, das auf der Optikträgerplatte 168 gehaltert ist. Dieses Spiegelgehäuse 302 ist mit dem Laserkopfgehäuse 166 über ein Teleskoprohr 306 verbunden „ wobei die beiden Teleskoprohrabschnitte durch einen Balg 307 miteinander verbunden sind. Der Laserstrahl fällt durch das Teleskoprohr 306 hindurch im einen Betriebszustand auf den beweglichen Umlenkspiegel 172 und wird von diesem auf den horizontalen Strahlengangabschnitt 178a umgelenkt, der durch ein Teleskoprohr 304a hindurchverläuft, dessen Teleskoprohrabschnitte durch einen Balg 308 miteinander verbunden sind. Der Strahl fällt dann durch eine öffnung 301a eines die beiden Umlenkspiegel 176a und 176b enthaltenden Spiegelgehäuses 300a auf diese Spiegel, Im anderen Betriebszustand, wenn der bewegliche Umlenkspiegel sich außerhalb des Strahlengangs befindet, fällt der Laserstrahl 169 auf den feststehenden Umlenkspiegel 174 und wird auf den anderen horizontalen Strahlengangabschnitt 178b umgelenkt, der durch ein Teleskoprohr 304b hindurchverläuft, dessen Teleskoprohrabschnitte durch einen Balg 308b miteinander verbunden sind* Sodann fällt der Strahl durch eine öffnung 301b eines die beiden Umlenkspiegel 177a und I77b enthaltenden Spiegelgehäuses 300b hindurch auf diese Spiegel»

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Wie in Fig. 7B gezeigt ist, ist der bewegliche Umlenkspiegel 172 in einer auf dem Spiegelschlitten 175 montierten Halterung 331 gehaltert. Der feststehende Umlenkspiegel 174 ist in einer Halterung 328 montiert, die eine Einstellmikrometerschraube 332 aufweist und mittels eines Fußes 330 auf der Optikträgerplatte 168 gehaltert ist. Die Einstellspindel 332 ermöglicht eine Feinjustierung des feststehenden Umlenkspiegels 174 durch Drehung desselben um eine zur Zeichenebene der Fig. 7B senkrechte Achse» Durch Einstellung mittels der Mikrometerspindel 332 kann der horizontale Strahlengangabschnitt 178b genau eingestellt werden„ um den Laserstrahl 169 in das Spiegelgehäuse 300b hinein und auf den Umlenkspiegel 177a zu lenken»

Wie Fig„ 7A zeigt, wird der Laserstrahl 169 durch das Fokussiersystem 204a bzw. 204b in den Positioniermodul 106a bzw, 106b gerichtet, Der dem unteren Strahlengangabschnitt 178c folgende Laserstrahl 169 trifft auf eine thermische Masse 218a in einem Abschirmrohr 216a auf, das auf einem Schiebetisch 262a montiert ist, der seinerseits mittels Führungen 282a und Gleitkörpern 278a geradlinig in den Positioniermodul 106a hinein und aus diesem heraus verschiebbar ist. Wie in' der belgischen Patentschrift 897 mehr im einzelnen beschrieben ist, erzeugt die thermische Masse 218a ein Ausgangssignal, welches die Leistung des einfallenden Laserstrahls 169 darstellt und das zur Steuerung der Erregung des Laserstabs 170 verwendet werden kann, um die Leistung des einfallenden Laserstrahls 169 konstant zu halten.

Durch das Fokussiersystem 204b wird der Laserstrahl 169 entlang des unteren Strahlengangabschnitts 178d in den Positioniermodul 106b gerichtet, wo er gemäß Fig„ 7A auf die Ausrichteanzeigeeinrichtung 310 fällt, die zur Erzielung einer genauen Ausrichtung des unteren Strahlen-

gangabschnitts 173d mit Bezug auf die Z-Z'-Achse dient, entlang welcher das Fokussiersystem 204 verschiebbar ist. Wie in Fig. 7A dargestellt ist, weist diese Anzeigeeinrichtung 310 ein Abbildungsorgan 320 auf, das mit ultraviolettem Licht von einer Lampe 324 beleuchet wird, die an einer Halterung 322 montiert ist. Sowohl die Halterung 322 als auch das Abbildungsorgan 320 sind auf einem Bildtisch 316 montiert, der einen diesen Bildtisch lösbar auf zwei auf einem Schiebetisch 262b angeordneten Stützbeinen 311 haltende Halterung 312 aufweist. An der Unterseite des Schiebetisches 262b sind zwei Gleitkörper 278b befestigt, die in zwei Führungen 282b geführt sind, um den Schiebetisch 262b geradlinig in den Positioniermodul 106b hinein und aus diesem heraus schieben zu können. Um eine Strahlausrichtung mit Bezug auf irgendeine der beiden Schweißstationen, die durch die Positioniermodule 106a und 106b verkörpert sind, vornehmen zu können, wird der dem betreffenden Positioniermodul zugeordnete Schiebetisch aus diesem herausgezogen und die Ausrichteanzeigeeinrichtung 310 auf diesem Tisch montiert, wonach der Schiebetisch zusammen mit der Anzeigeeinrichtung wieder in den Positioniermodul eingeschoben wird, so daß der Laserstrahl 169 auf das Abbildungsorgan 320 auftreffen kann, wie in Fig. 7A dargestellt ist.

Nunmehr werden anhand der Fig. 8A und 8B die Umlenkspiegel 176a und 176b und insbesondere die Spiegelbaugruppen 34Oa und 344a mehr im einzelnen beschrieben. Wie aus Fig. 8A ersichtlich ist, trifft der entlang des oberen Strahlengangabschnitts 178a (der in Fig. 8A senkrecht zur Zeichenebene verläuft) gerichtete Laserstrahl 169 auf den Umlenkspiegel 176a auf, von welchem er auf den Umlenkspiegel 176b reflektiert wird, der den Laserstrahl 169 dann entlang des unteren Strahlengangabschnitts 178a abwärts durch eine Strahlaustrittsöffnung 303a und auf die Fokussierlinse 202a lenkt, welche

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'Joden Strahl auf das Brenns tabhaltegi tter 16 fokussiert,, wie in Fig. 5 gezeigt ist. Wie später noch unter Bezugnahme auf Fig. 10 im einzelnen erläutert wird, ist der Umlenkspiegel 176b in der Spiegelbaugruppe 344 montiert, die zwei Einstellmikrometerspindeln 346 und 348 zum Justieren von Azimut und Neigung des Umlenkspiegels 176b aufweist. Der Umlenkspiegel 176a ist in einer ähnlichen» aber nicht ganz gleichen Spiegelbaugruppe 340 montiert, die zwei Einstellmikrometerspindeln 342 und 344 zum Justieren von Azimut und Neigung des Umlenkspiegels 176a aufweist» Die Spiegelbaugruppe ist an einer vertikalen Halterung 352 auf einem Sockel befestigt. Die Spiegelbaugruppe 340 ist auf einer T-förmigen Halterung 378 gehaltert.

Wie aus Fig« 8A weiter ersichtlich ist» ist in dem Sockel 338 eine Aufnahmeöffnung 371 zur Aufnahme einer Ausrichtemarkenbaugruppe 370 für die obere Ausrichtemarke 179a (siehe auch Fig. 5) gebildet» Diese Ausrichtemarkenbaugruppe, 370 weist einen umfangsmäßigen Ringbund auf, der auf einem Absatz in der Aufnahmeöffnung 371 des Sockels 338 aufliegt, wobei Größe, Gestalt und Lage der Ausrichtemarkenbaugruppe 378 so gewählt sind, daß die in der Baugruppe 370 eingesetzte Ausrichtemarke 179a mit Bezug auf den vertikalen unteren Strahlengangabschnitt 178a des Laserstrahls 169 zentriert ist* Die Ausrichtemarke 179a wird in der Baugruppe 370 mittels eines darin eingeschraubten Halteringes 375 gehalten. Zur Vorbereitung eines Ausrichtevorgangs wird ein normalerweise eine Zugangsöffnung des Spiegelgehäuses 300a verschließender Deckel abgenommen, und die Ausrichtemarkenbaugruppe. 370 mit der Ausrichtemarke 179 wird in die Aufnahmeöffnung 371 eingesetzt. Dazu findet,· wie bei 374 angedeutet, ein geeignetes Werkzeug Anwendung, das einen gegabelten, in eine äußere Ringnut 372 der Baugruppe 370 eingreifenden Endteil aufweist. Es ist klar, daß nach

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Beendigung des Ausrichtevorgangs und vor der Wiederaufnahme von Laserstrahl-Schweißvorgängen die Ausrichtemarkenbaugruppe 370 zusammen mit der Ausrichtemarke 179a wieder aus der Aufnahmeöffnung 371 und dem Spiegelgehäuse 300 herausgenommen wird. Zwischen der Aufnahmeöffnung 371 und der Spiegelbaugruppe 344a ist eine Schutzplatte 376 an dem Halter 352a montiert, um den Umlenkspiegel 176b gegen ein Anstoßen der Ausrichtemarkenbaugruppe 370 bei deren Handhabung zu schützen.

Wie in den Fig. 9A und 9B gezeigt ist, weist jede der Ausrichtemarken 179 und 181 einen ringförmigen Randteil 382 und zwei Ringsegmente 386a und 386b auf, die einander gegenüber an den inneren Enden von zwei Stegen 384a und 384b angeordnet sind, die vom Rand 382 aus radial einwärts ragen. Jedes dieser beiden Ringsegmente umspannt etwa ein Viertel des Umfangs einer kreisrunden Strahlöffnung 388, die mit Bezug auf den ringförmigen Randteil 382 konzentrisch ist.

Nun wird nochmals auf Fig. 8B Bezug genommen. Eine am Sockel 338a befestigte und rechtwinklig zum Halter 352a an diesem angeordnete Rippe 35Oa trägt zur Befestigung und zur Starrheit des Halters 352a und der daran befestigten Spiegelbaugruppe 344a bei« Um das die Einstellmikrometerspindeln der Spiegelbaugruppen betätigende Personal gegen die Laserstrahlung zu schützen, sind die dem Umlenkspiegel 176b der Spiegelbaugruppe 344a zugeordneten Einstellspindeln 346a und 348a mit Spindelverlängerungen 354a bzw. 364a versehen. Die Spindelverlängerung 354 weist einen hülsenartigen Endteil auf, der den gerändelten Endteil der Einstellspindel 346a umgreift und mittels einer Stellschraube 356a daran befestigt ist, und die Spindelverlängerung ragt durch eine öffnung in einer Seitenwand des Spiegelgehäuses 300a hindurch nach außen. An der Außenseite dieser Seitenwand des Spiegelgehäuses 300a

ist ein Halter 358a befestigt, der eine Schutzkappe 36Oa trägt, die den aus dem Spiegelgehäuse herausragenden Teil der Spindelverlängerung 354a abdeckt und zwecks Zugänglichmachung der Spindelverlängerung vom Halter abnehmbar ist.

Außerdem ist die Schutzkappe mittels eines Haltebandes 362a unverlierbar am Spiegelgehäuse 30Oa befestigt. Die Spindelverlängerung 364a ragt ebenfalls aus dem Spiegelgehäuse heraus und durch einen Gehäuseansatz 366a hindurch und ist bei Nichtgebrauch ebenfalls durch eine abnehmbare Schutzkappe 368a geschützt, die ähnlich wie die Schutzkappe 36Oa gehaltert ist»

Gemäß Fig. 8B ist eine Fernsehkamera 206 (siehe auch Fig. 5) auf dem Spiegelgehäuse 30Oa montiert, die während der Laserstrahlausrichtung verwendet wird. Diese Fernsehkamera 205 ist, wie in Fig. 5 gezeigt ist, längs einer Achse 214 orientiert, die mit dem unteren Strahlengangabschnitt 178c fluchtet, Eine Sicherheitsblende 212 ist ebenfalls im Verlauf der Achse 214 angeordnet, und eine Linse 210 dient zur Fokussierung auf die Bilder, die von den oberen und unteren Ausrichtemarken 179 und 181 auf der Ausrichtungsanzeigeeinrichtung 310 erzeugt werden, so daß das Bedienungspersonal die Umlenkspiegel 176 und 177 unter Zuhilfenahme eines CRT-Anzeigebildes justieren kann, wie später noch im einzelnen erläutert wird.

Die in den Fig. 8A und 8B grundsätzlich dargestellte Spiegelbaugruppe 344a ist in Fig. 10 noch mehr im einzelnen dargestellt. Es ist klar, daß die Spiegelbaugruppe 340 und auch die feststehende Spiegelbaugruppe 328, obwohl sie nicht mit der Spiegelbaugruppe 344 genau identisch sind, dieser jedoch weitgehend entsprechen. Die Spiegelbaugruppe weist einen äußeren Kardanring 347 und einen inneren Kardanring 351 auf. Der äußere Kardanring 347 ist mittels zweier Lager 349a und 349b um eine horizontale Drehachse drehbar gelagert, um eine Neigungseinstellung zu ermöglichen. Die

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Einstellmikrometerspindel 348 dient zur Feinjustierung der Position des äußeren Kardanrings 347 und damit des Umlenkspiegels 176. Der innere Kardanring 351 ist mittels zweier Lager 353a und 353b um eine vertikale Achse drehbar gelagert, wie in Fig. 10 gezeigt ist. Die Einstellmikrometerspindel 346 dient zur Feinjustierung der Azimutposition des inneren Kardanringes 351 und somit des Umlenkspiegels 176.

Nunmehr wird auf Fig. 11 Bezug genommen/ welche das Laserstrahl-Fokussiersystem 204, das zum Nachfokussieren des Laserstrahls 169 auf das Werkstück, beispielsweise ein Brennstabgitter 16 dient, zusammen mit einer Abschirmkappe 422 zeigt. Die Fokussierlinsenanordnung 204 weist ein vertikal und axial fluchtend mit dem optischen Strahlengangabschnitt 178c bzw«, 178d angeordnetes Linsenträgerrohr 200 auf. Das Unterteil 430 des Rohres 200 ist für die abnehmbare Aufnahme einer Linsenhalterung 440 ausgebildet, die mit einem Sicherungsring 436 mit mehreren, beispielsweise drei schraubenlinienförmigen Nuten 434 zusammenwirkt, um eine entsprechende Anzahl von Sicherungsstiften 432 aufzunehmen. Durch Drehung können der Sicherungsring 436 und die Halterung 440 im Rohrunterteil 430 arretiert werden. Eine konische Sicherheitskappe. 438 zum Richten des fokussierten Laserstrahls 169 auf das Werkstück weist einen mit einem Außengewinde versehenen, in ein entsprechendes Innengewinde der Halterung 440 eingeschraubten Endteil auf. Die Halterung 440 ist mit einer mittigen abgesetzten öffnung ausgebildet, die zur Aufnahme entweder der Fokussierlinse 202 (Fig. 5) oder, wie in Fig. 11 dargestellt ist, der unteren Ausrichtemarken 181 dient, die jeweils in dieser Aufnahmeöffnung mittels eines Halterings 442 gehalten wird, der ein Außengewinde aufweist und lösbar in ein entsprechendes Innengewinde der Halterung 440 eingeschraubt ist. Es ist klar, daß normalerweise die Fokussierlinse 202 in die Linsenaufnahme der Halterung 4.40 eingesetzt ist, also während der Laserstrahl-

Schweißvorgänge, und daß die Ausriehtemarke 181 nur zum Zwecke der Ausrichtung des Laserstrahls in die Linsenaufnahme eingesetzt und nach Beendigung des Ausrichtevorgangs wieder herausgenommen wird, um dann wieder die Fokussierlinse einzusetzen.

Wie aus Fig. 11 ersichtlich ist, ragt die Sicherheitskappe 438 durch eine öffnung einer Lampenhaube 446 hindurch und dient zur Befestigung derselben am Halteteil 440. Innerhalb der Lampenhaube 446 sind zwei Quarz-Halogen-Lampen 4 zur Beleuchung des Werkstückes angeordnet, und die Betriebstemperatur der Lampen 428 verhindert, daß sich Schweißmaterialteilchen darauf sammeln„ Die Bedienungsperson richtet das Werkstück mit Bezug auf den Laserstrahl 169 aus, indem sie die CRT-Anzeige des von der Fernsehkamera aufgenommenen Bildes beobachtet, wobei die Bedienungsperson die der Fernsehkamera 206 zugeordnete elektronische Richteinrichtung auf eine anfängliche Schweißstelle einrichten kann, um einen Versatz zwischen einer Bezugsstellung und der eingestellten ersten Schweißstelle zu bestimmen, wobei dieser Versatz dann automatisch in die Steuersignale einbezogen wird, die dem X-Y-Positioniersystem (nicht dargestellt) zugeführt werden, wodurch jede der Schweißstellen präzise mit Bezug auf den Laserstrahl 169 positioniert wird«, Die Lampen 428 werden über Drähte mit Energie versorgt, die durch eine in einen Montageteil 201 des Linsenträgerrohres 200 eingebaute Buchse 449 und durch ein vom Montageabschnitt 201 zum Rohrunterteil 430 führendes Leitungsrohr hindurchverlaufen. Außerdem ist der Montageabschnitt 201 mit einem Gaseinlaß versehen, der einen abnehmbaren Einlaßstutzen 448 zum Einleiten eines Inertgases, beispielsweise Argon, aufweist, das dann durch ein Leitungsrohr 450 in Kanäle 452, 4 53 weitergeleitet wird, die im Halteteil 440 gebildet sind. Vom Kanal 452 wird das Inertgas in den Raum zwischen der Sicherheitskappe 438 und der Fokussierlinse 202 in Form

eines Strahles eingeleitet, der in die Haube 438 gerichtet ist und irgendwelche Materialteilchen und Verunreinigungen wegspült, die während des Schweißvorgangs dorthin gelangen können. Das in die Sicherheitshaube 438 eingeleitete Inertgas gelangt von dort aus in einen Raum, der von einer Abschirmkappe 420 begrenzt wird, und tritt durch eine in dieser Abschirmkappe 420 gebildete Austrittsöffnung 454 aus diesem Raum aus.

Nachstehend wird der Ausrichtevorgang des Laserstrahls mit Bezug auf die optischen Strahlengangabschnitte 178b und 178d (Fig. 5) unter Bezugnahme auf die Fig. 5, 7A„ 12A und 12B beschrieben. Es ist klar, daß der gleiche Ausrichtevorgang auch bezüglich der Strahlengangabschnitte 178a und 178c Anwendung findet. Zunächst wird der Schiebetisch 262 aus dem betreffenden Positioniermodul 106 herausgezogen und die Laserstrahl-Ausrichtungsanzeigeeinrichtung 310 wird auf dem Schiebetisch 262b montiert, wie in den Fig. 7A und 5 gezeigt ist. Die Ausrichtemarkenbaugruppe 370 mit der oberen Ausrichtemarke 179 wird, wie oben mit Bezug auf die Fig» 8A und 8B beschrieben worden ist, eingesetzt und die untere Ausrichtemarke 181 anstelle der Fokussierlinse 202 in das Fokussiersystern 204 eingesetzt, wie in Verbindung mit Fig. 11 beschrieben worden ist. Die der Fernsehkamera 206 zugeordnete Fokussierlinse 210 wird dann so eingestellt, daß sie eine scharfe Abbildung der Schattenbilder erzeugt, die von den Ausrichtemarken 179 und 181 auf das Abbildungsorgan 320 geworfen werden, wie in den Fig. 12A und 12B gezeigt ist» Dieses Abbildungsorgan 320 wird mit ultraviolettem Licht von der Lampe 324 beleuchtet. Der auf das Abbildungsorgan 320 auftreffende Laserstrahl 169 erscheint als dunkler Bereich, während die Schatten 390 und 392, wie in den Fig. 12A und 12B gezeigt, als weiße oder helle Bereiche erscheinen. Die Schatten 384· und 384" der Haltestege 384 und die Schatten 386' und 386" der Ringsegmente erscheinen ebenfalls als weiße Bereiche. Die Verwendung der Ausrichtemarken 179 und 181 beruht auf der Bedingung,

daß die obere Ausrichtemarke 179a konzentrisch zur Z-Z'-Achse angeordnet und die untere Ausrichtemarke ebenfalls konzentrisch zu dieser Z-Z'-Achse angeordnet ist. Außerdem divergiert der Laserstrahl 169 nicht wesentlich und daher sind die Durchmesser der Bogensegmente 386a und 386b beider Ausrichtemarken 179 und 181 im wesentlichen gleich. Fig. 12B zeigt den Fall, in welchem der untere Strahiengangabschnitt 178c bzw. I78d des Laserstrahls 169 und die vertikale Achse Z-Z¹ der

TO Fokussierlinsenanordnung 204 nicht miteinander fluchten» Die genaue Ausrichtung des Laserstrahls wird durch Justieren der Umlenkspiegel 176a und 176b bzw. 177a und 177b erreicht. Nach Beendigung der Ausrichtung erscheinen die Schatten auf dem Abbildungsorgan 320 in der in Fig. 12A gezeigten Weise, d.h. die Schatten 386' und 386" der Ringsegmente 386 der oberen und unteren Ausrichtemarken und 181 bilden zusammen einen vollständigen Kreis* d,h. die bogenförmigen Schatteηsegmente 386^e und 386^M der Bogensegmente 386 der beiden Ausrichtemarken 179 und sind konzentrisch miteinander. Unter dieser Bedingung ist der Laserstrahl 169 genau mit Bezug auf die vertikale Z-Z'-Achse des Laserstrahl-Fokussiersystems 204 ausgerichtet,, so daß dann eine minimale bzw. keine Änderung des seitlichen Versatzes des Brennflecks beim Auf- und Abbewegen der Fokussierlinse 202 für die verschiedenen Schweißvorgänge auftritt.

Die Fernsehkamera 206 ist in der Lage* Verschiebungen entsprechend einem Viertel bzw. einem Achtel der Dicke des ringförmigen Randteils 382 der Ausrichtemarken 179 und 181 zu erfassen. Diese Verschiebungen entsprechen einer Winkelabweichung des Laserstrahls 169 von weniger als 0,05 , Der seitliche Versatz des Brennflecks X' ist, wie in Fig. 6 gezeigt ist, bei einer Vertikalver-Schiebung des Fokussiersystems 204 von bis zu ca. 12,5 cm weniger als 25 yttm.

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Claims

Patentansprüche

1 ο Laserstrahl-Bearbeitungseinrichtung mit einer Laserstrahlquelle und mit Mitteln zum Lenken des Laserstrahls entlang mindestens eines vorgegebenen Strahlenganges, in welchem entlang einer Achse verstellbare Fokussiermittel zur Fokussierung des Laserstrahls auf unterschiedliche Brennebenen entsprechend verschiedener durchzuführender Bearbextungsvorgänge angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, daß Laserstrahl-Ausrichtemittel zum Ausrichten mindestens eines Abschnitts des Laserstrahls mit Bezug auf die Verschiebeachse der Fokussiermittel vorgesehen sind und daß diese Ausrichtemittel Ausrichtemarken (179, 181), Haltemittel (371, 440) zur abnehmbaren Halterung dieser Ausrichternärken im Strahlengang derart, daß die Ausrichtemarken einen Schatten mit vom jeweiligen Ausrichtezustand abhängiger Form werfen, und im Strahlengang angeordneten justierbare Lenkorgane (176; 177) für den Laserstrahl aufweisen, mittels welcher der Laserstrahl justierbar ist, bis der Schatten der Ausrichtemarken eine die exakte Strahlausrichtung mit Bezug auf die Verschiebeachse der Fokussiermittel anzeigende Gestalt erreicht hat.
2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausrichtemittel eine im Strahlengang anzuordnende Anzeigeeinrichtung (310) zum Sichtbarmachen des von den Ausrichtemarken (179, 181) geworfenen Schattens aufweisen.

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3. Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausrichtemittel zwei Ausrichtemarken (179, 181) aufweisen, und daß die Haltemittel (371, 440) diese Ausrichtemarken in gegenseitigem Abstand im Strahlengang halten, derart, daß die Einzelschatten dieser Ausrichtemarken zusammen ein zusammengesetztes Schattenbild ergeben, das im Ausrichtezustand eine regelmäßige und im Fehlausrichtezustand eine unregelmäßige qeometrische Form hat.
4. Einrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß jede der beiden Ausrichtemarken (179, 181) einen ringförmigen Randteil (382) und zwei daran gehalterte schattenwerfende Ringsegmente (386) aufweist, die einander mit Abstand gegenüberstehend innerhalb des ringförmigen Randteils angeordnet sind und jeweils Abschnitte der Begrenzung einer Strahlöffnung (388) bilden, und daß die Haltemittel die beiden Ausrichtemarken derart positionieren, daß das zusammengesetzte Schattenbild ihrer Ringsegmente im Ausrichtezustand des Laserstrahls einen Vollkreis darstellt.
"5, Einrichtung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Haltemittel (371, 440) die beiden Ausrichtemarken (179, 181) in einem Strahlengangabschnitt halten, in welchem sich keine weiteren optischen Elemente zwischen den beiden Ausrichtemarken befinden.
6. Einrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Fokussiermittel (204) eine Fokussierlinse (202) aufweisen, die herausnehmbar in einer Linsenhalterung (440) montiert ist, und daß diese Linsenhalterung bei herausgenommener Fokussierlinse zur Aufnahme einer (181) der Ausrichtemarken dient.
7. Einrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die justierbaren Lenkorgane (176; 177)

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für den Laserstrahl in einem Gehäuse (300) angeordnet sind, das Mittel (338, 371) zum herausnehmbaren Einbau der anderen (179) der Ausrichtemarken aufweist»
8. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die justierbaren Lenkmittel für den Laserstrahl mindestens einen Umlenkspiegel (176a,· 177a) aufweisen, der um zwei zueinander senkrechte Schwenkachsen justierbar ist.
9. Einrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die justierbaren Lenkmittel außerdem einen zweiten Umlenkspiegel (176b? 177b) aufweisen, der ebenfalls um zwei zueinander senkrechte Schwenkachsen justierbar und im Strahlengang hinter dem ersteren Umlenkspiegel angeordnet ist.
10. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel zum Lenken des Laserstrahls einen Strahlumschaltspiegel (172) aufweisen, der im Sinne einer Umschaltung des emittierten Laserstrahls zwischen zwei verschiedenen Strahlengängen betätigbar ist.