DE3111402A1

DE3111402A1 - "verfahren und vorrichtung zur laserstrahl-bearbeitung von werkstuecken"

Info

Publication number: DE3111402A1
Application number: DE19813111402
Authority: DE
Inventors: Walter Winston Duley; William Maxwell Steen
Original assignee: STEEN WILLIAM MAXWELL
Current assignee: National Research Development Corp UK
Priority date: 1980-03-25
Filing date: 1981-03-23
Publication date: 1982-04-29
Also published as: US4390774A; JPS56151190A

Description

William Maxwell S t e e η , 10 Nelson Road, New Maldon,

Surrey, Endland, und

Walter Winston D u 1 e y , P.O. Box 453, 136 Dew Street, King City, Ontario, Canada LOG IKO

Verfahren und Vorrichtung zur Laserstrahl-Bearbeitung von

Werkstücken

Die Erfindung betrifft ein Verfahren nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 zur Laserstrahl-Bearbeitung von
Werkstücken sowie eine Vorrichtung zur Ausführung dieses Verfahrens.

Der Begriff "Bearbeitung" schließt insbesondere die Tätigkeiten des Schneidens, des Schweißens, des Bohrens, des Oberflächenhartens, der Oberflächenlegierung und der

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Wärmebehandlung ein, und der Begriff "Werkstück" ist, insbesondere im Zusammenhang mit Schweißen, im Sinne der Gesamtheit der betroffenen Werkstückteile zu verstehen.

In der US-PS 1 5^7 172 und in der US-PS 4 167 662 ist bereits erwähnt, daß bei bekannten Verfahren zur Laserstrahl-Bearbeitung von Werkstücken die durch lineare Extrapolation von aus dem Niedrigleistungsbereich in den Hochleistungsbereich an sich theoretisch erhaltenen Leistungen tatsächlich nicht erreichbar sind. Zur Bewältigung dieses Problems ist in den eben genannten Druckschriften vorgeschlagen, zusätzlich einen Lichtbogen zu verwenden, der zwischen einer Elektrode und der jeweils durch den auf das Werkstück gerichteten Laserstrahl erhitzten Werkstückzone gezogen wird.

Es ist klar, daß diese bekannte Maßnahme nur anwendbar ■^/*"*¹ ist, sofern es sich bei den zu bearbeitenden Werkstücken um elektrisch leitende Werkstücke handelt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Laserstrahl-Bearbeitung zu schaffen, das auch bei elektrisch nichtleitenden Werkstücken anwendbar ist.

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Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung durch die im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 angegebenen Maßnahmen gelöst.

Unter elektrisch nichtleitenden Materialien sind in diesem Zusammenhang alle Werkstoffe zu verstehen, die nicht als elektrisch leitende Werkstoffe gelten, also sowohl die Isolatoren als auch die Halbleiterwerkstoffe.

Zweckmäßigerweise wird das Werkstück zwischen den Elektroden bzw. zwischen mindestens zwei der Elektroden angeordnet.

Vorzugsweise verläuft der Lichtbogen durch das Werkstück hindurch. Beispielsweise beim Schneiden kann der Lichtbogen durch den Schnittspalt und beim Schweißen durch den zwischen den noch unverschweißten Teilen des Werkstücks vorhandenen Pugenspalt unmittelbar vor der Schweißstelle hindurchverlaufen. Ist das Werkstück dünn und/oder porös, beispielsweise wenn es sich um Papier oder Stoff handelt, kann der Lichtbogen durch kleine öffnungen im Werkstück hindurchverlaufen.

Alternativ dazu können zwei Lichtbogen Anwendung finden, von denen einer von einer ersten Elektrode zum

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Werkstück und der andere vom Werkstück zur zweiten Elektrode verläuft, oder es kann ein einziger Lichtbogen von einer Elektrode zum Werkstück verlaufen. Der einzige Lichtbogen kann auf der gleichen Seite des Werkstücks wie der Laserstrahl liegen oder, wenn die erhitzte Werkstückzone durch das Werkstück zu dessen anderer Oberfläche hindurchverläuft, kann der einzige Lichtbogen von dieser anderen Werkstückoberfläche zu einer der Elektroden verlaufen.

Der wesentliche Vorteil der Erfindung liegt darin, daß der Lichtbogen bevorzugt durch einen vom Laserstrahl erzeugten Plasmabereich hindurch zur erhitzten Werkstückzone verläuft und daß das Werkstückmaterial in beherrschbarer Weise verbrennt oder eine mit steigender Temperatur größer werdende elektrische Leitfähigkeit aufweist, wie beispielsweise beim Schneiden von Glas oder Papier. In jedem Fall wird die vom Laserstrahl erzeugte Wärme durch die vom Lichtbogen auf das Werkstück übertragene Wärme verstärkt.

Die Erfindung gestattet damit auch die lichtbogenunterstützte Laserstrahl-Bearbeitung von elektrisch nichtleitenden Werkstücken, obwohl das Werkstück wegen seiner mangelnden elektrischen Leitfähigkeit selbst nicht in den Lichtbogenstromkreis geschaltet werden kann. Beispielsweise läßt sich das Werkstück nicht wirksam erden.

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Ein weiterer Vorteil der Erfindung liegt darin, daß die durch den Lichtbogen zu dem elektrisch nichtleitenden Werkstück zugeführte zusätzliche Energie beispielsweise beim Schweißen zu einer Schweißnaht mit eng begrenzter erhitzter Werkstückzone und großem Tiefen/Breiten-Verhältnis entsprechend einer großen Eindringtiefe führt.

Vorzugsweise wird außerdem ein Gasstrahl aus einer Düse auf die erhitzte Werkstückzone gerichtet, wobei ein inertes Gas oder ein mit dem Werkstüekmaterial, der Elektrode (beim Schweißen) oder einem Flußmittel reagierendes Gas gewählt werden kann.

Wie oben bereits erwähnt, kann die Erfindung beispielsweise zum Schneiden von Glas und Papier Anwendung finden, und auch Textilstoffe, Karton, Leder, Kunststoffe, Keramik und Halbleiter können geschnitten werden. Weitere Anwendungsmöglichkeiten sind das Sehweißen von Glas und Kunststoff, das Vulkanisieren von Gummi und das thermische Aushärten von Kunstharzen.

Das Verfahren nach der Erfindung kann auch die Erzeugung einer Relativbewegung zwischen der jeweils erhitzten Werkstückzone und dem Werkstück einschließen, während der Lichtbogen oder die Lichtbögen zwischen einer der

Elektroden und dem Werkstück aufrechterhalten werden, so daß die betreffende Bearbeitung in der erforderlichen Weise ausgeführt werden kann.

Zur Oberfläehenlegierung kann gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren mit einem Teil bzw. Bereich der Werkstückoberfläche zu legierendes Material auf diesen Bereich aufgebracht werden und gleichzeitig oder danach eine Relativbewegung zwischen der jeweils erhitzten Werkstückzone und dem Werkstück herbeigeführt werden, so daß die jeweils erhitzte Werkstückzone jeden Punkt des zu legierenden Oberflächenbereiches bestreicht. Zur Lichtbogenerzeugung kann eine mehrphasige Stromversorgung Anwendung finden, und in diesem Fall können auch mehr als zwei Elektroden verwendet werden. Beispielsweise bei einer dreiphasigen Stromversorgung können drei an die Außenleiter angeschlossene Elektroden auf einer Seite des Werkstücks und eine weitere, an den Mittelpunktleiter angeschlossene Elektrode auf der anderen Seite des Werkstücks angeordnet werden.

Eine Vorrichtung zur Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist Gegenstand des Anspruchs 11.

Vorzugsweise verläuft der Lichtbogen im Betrieb der Vorrichtung von der einen Elektrode durch das Werkstück

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hindurch zur anderen Elektrode, wobei der Lichtbogen entweder durch einen Schnittspalt oder eine Fuge des Werkstücks verläuft oder das Werkstückmaterial durchdringt.

Die Vorrichtung kann Mittel zur Erzeugung eines Relativvorschubs zwischen der jeweils erhitzten Werkstückzone und dem Werkstück aufweisen, wobei der Lichtbogen jeweils zwischen einer der Elektroden und der erhitzten Werkstückzone aufrechterhalten wird.

Die Vorrichtung kann weiter Mittel zum Richten eines Gasstrahles aus einer Düse auf die jeweils erhitzte Werkstückzone aufweisen, wobei der Gasstrahl von einer auf der gleichen Seite des Werkstücks wie die Laserstrahlquelle gelegenen Stelle her auf das Werkstück geblasen wird. Alternativ dazu können auch Gasstrahlen aus zwei beiderseits des Werkstücks angeordneten Düsen auf die erhitzte Werkstückzone gerichtet werden.

Das Gas kann exotherm mit dem Werkstückmaterial oder mit einem auf das Werkstück zugegebenen Flußmittel reagieren.

Die Vorrichtung kann weiter Mittel zum Ablenken mindestens eines Teils des von der Auftreffstelle des Laserstrahls auf das Werkstück emittierten Gas- und/oder

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Teilchenwolke vom Laserstrahl weg aufweisen.

Bei dem Verfahren und der Vorrichtung nach der Erfindung können die Elektroden oder eine der Elektroden in unmittelbarer Nähe einer Stelle des Werkstücks angeordnet sein, an welcher die jeweilige Bearbeitung im nächsten Augenblick stattfindet.

Einige Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachstehend mit Bezug auf die anliegenden Zeichnungen mehr im einzelnen beschrieben, in welchen zeigt:

Pig. I Eine erste Ausführungsform einer

Vorrichtung nach der Erfindung, und

Fig. 2 eine zweite Ausführungsform einer

Vorrichtung nach der Erfindung.

Fig. 1 zeigt eine Anordnung zum Sehweißen oder Schneiden unter Verwendung eines Inertgases oder eines Reaktionsgases, beispielsweise Sauerstoff oder Chlor, das an einer exothermen Reaktion teilnimmt. Ein Laserstrahl 10 wird mittels einer Linse 22 auf einen Punkt 16 eines Werkstücks 15 fokussiert.

Das Werkstück 15 besteht aus elektrisch nichtleitendem Werkstoff, und da die Darstellung nur die grundsätzliche Anordnung der Vorrichtung und die grundsätzliche Arbeitsweise des erfindungsgemäßen Verfahrens erläutern soll, ist das Werkstück nicht weiter im einzelnen, beispielsweise als bereits teilweise durchtrennt oder als aus zwei miteinander zu verschweißenden Teilen bestehend, dargestellt und lediglich die Lage und die grundsätzliche Form des Werkstücks ist gezeigt.

Das zum Schweißen verwendete Inertgas bzw. das zum Schneiden verwendete Reaktionsgas gelangt durch einen Einlaß 23 in eine Kammer 24, die mit einer im Betrieb der Vorrichtung unmittelbar über dem Punkt 16 des Werkstücks befindlichen Düse 25 versehen ist.

Eine erste Elektrode 17, beispielsweise ein Graphitoder Wolframkörper, der gewöhnlich als Anode geschaltet ist, ist auf der bezüglich des Laserstrahls entgegengesetzten Seite des Werkstücks angeordnet. Eine weitere, gewöhnlich als Kathode geschaltete Elektrode 26 ist auf der bezüglich der ersteren Elektrode 17 entgegengesetzten Werkstückseite angeordnet und wird von einem Inertgas abgeschirmt, das aus einer Düse 27 mit einem Einlaß 28 austritt.

Zwischen den beiden Elektroden 17 und 26 wird eine elektrische Spannung angelegt, um einen Lichtbogen zwischen diesen Elektroden zu erzeugen, der durch den Schnitt oder Spalt in dem Werkstück hindurchverläuft. Wenn beispielsweise das Werkstück geschnitten wird, verläuft der Lichtbogen an der Schnittstelle durch den Schnittspalt hindurch. Wenn das Werkstück geschweißt wird, verläuft der Lichtbogen in entsprechender Weise an der Schweißstelle durch den Fugenspalt zwischen den noch unverschweißten Werkstückteilen hindurch. Auf diese Weise wird Wärme vom Lichtbogen auf das Werkstück übertragen, um das Schneiden, beispielsweise durch Verbrennen von Werkstoff, oder das Schweißen zu unterstützen. Infolgedessen finden zur Bearbeitung zwei oder drei Wärmequellen Anwendung, nämlich der Laserstrahl, die Reaktion zwischen dem Reaktionsgas (falls verwendet) und dem Werkstück, und der zwischen den Elektroden gezogene Lichtbogen.

In anderen Anwendungsfällen kann der Lichtbogen das Werkstück durchdringen, ohne einen Schnittspalt zu erzeugen, beispielsweise wenn ein Werkstück aus Papier oder Stoff bearbeitet wird. Der Lichtbogen durchdringt dann winzige Perforationen im Werkstück, ohne das Werkstück in zwei Teile zu zerschneiden. Der Lichtbogen kann auch von der Elektrode 26 zum Werkstück und sodann in Form eines

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gesonderten weiteren Lichtbogens vom Werkstück zur Elektrode 17 verlaufen, und es ist auch möglich, daß nur einer dieser beiden Lichtbogen bei der Bearbeitung vorhanden ist, je nach den relativen Abständen zwischen der Elektrode 17 und dem Werkstück und zwischen der Elektrode 26 und dem Werkstück.

Bei der Vorrichtungsanordnung nach Fig. 2 finden die gleichen Komponenten wie in Fig. 1 Anwendung, jedoch ist eine zusätzliche Elektrode 30 vorhanden, die in der gleichen Weise wie die Elektrode 26 durch ein Inertgas abgeschirmt wird. Diese Elektrode 30 kann zusammen mit der Elektrode und noch einer weiteren, nicht dargestellten Elektrode aus einer dreiphasigen Stromversorgung gespeist werden. Die Elektroden 26 und 30 sowie die weitere Elektrode sind über. Zuleitungen, beispielsweise 31 und 32, an die Außenleiter der dreiphasigen Stromversorgung angeschlossen. Eine Zuleitung 33 verbindet die Elektrode 17 mit dem Mittelpunktleiter der dreiphasigen Stromversorgung.

Eine weitere Düse 34 mit einem Einsatz 35 für Reaktionsgas oder Inertgas richtet einen Gasstrahl auf der vom Laserstrahl 10 abgewandten Seite des Werkstücks 15 auf die jeweils erhitzte Werkstückzone.

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Ein Mechanismus zum Vorschub des Werkstücks relativ zum Laserstrahl ist schematisch in Form einer Spannpratze 36, einer Zugspindel 37 und eines Elektromotors 38 dargestellt. Das Werkstück kann beispielsweise in Richtung des Pfeiles 39 vorgeschoben werden, während es geschnitten oder geschweißt wird, wobei die Elektrode 26 jeweils unmittelbar an der Bearbeitungsstelle des Werkstücks liegt. Der Lichtbogen von dieser Elektrode bereitet daher jeweils die unmittelbar nächstfolgende Werkstückstelle zur Bearbeitung vor. Damit der Laserstrahl das Werkstück leichter erreichen kann, kann eine weitere Gasdüse oder eine der dargestellten Düsen dazu verwendet werden, die Gaswolke und/oder die Teilchenwolke, die sich über der Bearbeitungsstelle bildet, wegzublasen.

über die oben beschriebenen konkreten Ausführungsbeispiele hinaus kann die Erfindung auch in vielfältiger anderer Weise realisiert werden, beispielsweise mit Hilfe der eingangs erwähnten bekannten Vorrichtungen, die dann entsprechend der Erfindung umgebaut werden müßten. Es ist klar, daß insbesondere bei manchen Anwendungsmöglichkeiten des erfindungsgemäßen Verfahrens gewisse Beschränkungen hinsichtlich Größe und Art des zu bearbeitenden Werkstückes gegeben sind. Das Werkstück darf natürlich nicht zu dick

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sein und die angelegte Spannung muß zum Ziehen des erforderlichen Lichtbogens ausreichend groß sein. Im einzelnen lassen sich diese Parameter und die Anwendungsgrenzen durch einfache Versuche feststellen.

Leerseite

Claims

P at en t an s pr ü ehe

y Verfahren zur Laserstrahl-Bearbeitung von Werkstücken, dadurch gekennzeichnet, daß zur Bearbeitung elektrisch nichtleitender Werkstücke ein Lichtbogen zwischen zwei Elektroden derart gezogen wird, daß er auf die jeweils vom Laserstrahl erhitzte Werkstückzone einwirkt.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Werkstück zwischen den beiden bzw. zwischen mindestens zweien der Elektroden angeordnet wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Lichtbogen durch das Werkstück hindurchverläuft .
4. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Lichtbogen in Form eines Teilbogens von einer der Elektroden zum Werkstück und in Form eines weiteren Teilbogens vom Werkstück zu einer weiteren Elektrode gezogen wird.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß ein Gas auf die erhitzte Werkstüokzone geleitet wird.

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6. Verfahren nach Anspruch 5» dadurch gekennzeichnet, daß ein mit dem Werkstoff des Werkstücks oder mit einem auf das Werkstück aufgebrachten Flußmittel reagierendes Gas verwendet wird.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß eine Relativbewegung zwischen der jeweils erhitzten Werkstückzone und dem Werkstück erzeugt wird, wobei der Lichtbogen oder die Lichtbögen aufrechterhalten werden.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6 zur Oberflächenlegierung, wobei auf das Werkstück Material aufgebracht wird, das mit einem Oberflächenbereich des Werkstücks legiert werden soll, dadurch gekennzeichnet, daß gleichzeitig oder anschließend eine Relativbewegung zwischen der jeweils erhitzten Werkstückzone und dem Werkstück derart erzeugt wird, daß die erhitzte Werkstückzone jeden Punkt des zu legierenden Oberflächenbereiches bestreicht.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8 unter Verwendung mehrerer Lichtbögen, dadurch gekennzeichnet, daß eine mehrphasige elektrische Stromversorgung zur Erzeugung der Lichtbögen verwendet wird.

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10. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eine Elektrode in unmittelbarer Nähe derjenigen Stelle des Werkstücks angeordnet wird, an welcher der Bearbeitungsvorgang jeweils im nächsten Augenblick stattfindet.
11. Vorrichtung zur Ausführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 10, mit einer Laserstrahlquelle, gekennzeichnet durch zwei Elektroden (26, 17)» die an eine, eine elektrische Spannung zur Erzeugung eines Lichtbogens zwischen ihnen anlegende Stromversorgung angeschlossen sind und derart angeordnet sind, daß der Lichtbogen (10) die vom Laserstrahl erhitzte Werkstückzone (16) eines Werkstücks (15) beeinflußt.
12. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Elektroden (26, 17) so angeordnet sind, daß der Lichtbogen durch das Werkstück (15) hindurch von der einen (26) zur anderen (17) Elektrode verläuft.
13. Vorrichtung nach Anspruch 11 oder 12, gekennzeichnet durch Mittel (37, 38) zur Erzeugung einer Relativbewegung zwischen der jeweils erhitzten Werkstüekzone (16) und dem Werkstück (15) unter Aufrechterhaltung des Lichtbogens.

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14. Vorrichtung nach Anspruch 13» dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eine (26) der Elektroden so angeordnet ist, daß der Abstand zwischen dem Werkstück und dieser Elektrode an derjenigen Stelle, an welcher die Bearbeitung im nächsten Augenblick stattfindet, den kleinsten Wert hat.
15. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 14, gekennzeichnet durch Mittel (25) zum Richten eines Gases auf die erhitzte Werkstückzone (16).
16. Vorrichtung nach Anspruch 15_s dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel (25) zum Zuführen des Gases auf derselben Seite des Werkstücks (15) wie die Laserstrahlquelle angeordnet ist,
17. Vorrichtung nach Anspruch 15 ₃ dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel (25, 34) zur Gaszuführung Gas von beiderseits des Werkstücks (15) auf dieses leiten.
18. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 15 bis-17, dadurch gekennzeichnet, daß das Gas mit mindestens einem Werkstoff des Werkstücks (15) oder mit mindestens einem Flußmittel exotherm reagiert.

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19. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 18, gekennzeichnet durch Mittel, welche mindestens einen Teil der Gas- und/oder Teilchenwolke, die von der Auftreffstelle (16) des Laserstrahls (10) auf das Werkstück (15) ausgeht, vom Laserstrahl weg ablenken.
20. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 19» dadurch gekennzeichnet, daß die Elektroden (26, 30, 17) an eine mehrphasige elektrische Stromquelle angeschlossen sind, wobei eine erste Elektrode (26) an einen Phasenleiter und mindestens eine weitere Elektrode (30) an einen weiteren Phasenleiter angeschlossen ist.
21. Vorrichtung nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, daß eine Elektrode (17) an den Mittelpunktleiter der mehrphasigen Stromversorgung angeschlossen ist.