EP2024132A1 - Laserbearbeitungsmaschine mit einer einrichtung zum belüften der laserstrahlführung und verfahren zum belüften der laserstrahlführung einer laserbearbeitungsmaschine - Google Patents

Laserbearbeitungsmaschine mit einer einrichtung zum belüften der laserstrahlführung und verfahren zum belüften der laserstrahlführung einer laserbearbeitungsmaschine

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EP2024132A1
EP2024132A1 EP06753535A EP06753535A EP2024132A1 EP 2024132 A1 EP2024132 A1 EP 2024132A1 EP 06753535 A EP06753535 A EP 06753535A EP 06753535 A EP06753535 A EP 06753535A EP 2024132 A1 EP2024132 A1 EP 2024132A1
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EP
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laser
gas
laser beam
laser processing
beam guide
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Gerhard Link
Jochen Bihler
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Trumpf Laser und Systemtechnik GmbH
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    • B23K26/1436—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring using a fluid stream, e.g. a jet of gas, in conjunction with the laser beam; Nozzles therefor involving specially adapted flow control means for pressure control

Definitions

  • Laser processing machine with a device for aerating the laser beam guidance
  • the invention relates to a laser processing machine with a device for aerating the laser beam guide and a method for aerating the laser beam guidance of a laser processing machine.
  • the generic laser processing machine comprises a laser beam guide to a laser processing head, via which the laser beam guide is formed open to the workpiece.
  • Such a laser processing machine has become known, for example, from EP 1 640 105 A1.
  • Starting point of the invention are 3D laser processing machines with a laser processing head, as shown for example in the above-mentioned application.
  • the focusing element is a mirror and the Beam guide is open to the processing point. These machines are mainly used for laser welding.
  • the beam guidance requires a clean and constant atmosphere. Fluctuating CO 2 contents or other substances influencing the beam propagation or else an unequal temperature distribution over the beam cross-section change the raw beam and thus also the properties in focus, so that the constancy of the processing process deteriorates.
  • the laser processing head of this laser cutting machine has no lens, which seals the beam guide to the area of the laser processing, but an open aperture for separation. Excessive pure gas also exits the beam guide through this diaphragm, but to a much lesser extent than in the laser welding system described above.
  • EP 1 182 002 A1 For laser cutting machines with lens optics, it has become known from EP 1 182 002 A1 to rinse a lens on the beam guide side with very pure gas and to increase the pressure of the purge gas in the event of a pressure drop in the beam guide.
  • This known beam guide is not open to the workpiece, since the lens beam guide and processing space seals against each other. Therefore, the pressure can be tracked with very pure (expensive) gas, without this leading to a serious cost disadvantage.
  • the invention is based on the object of reducing a discharge of pure gas used for beam guidance ventilation in an open processing optics.
  • the ventilation of the beam guide takes place with the help of two gases at two different points of the beam guidance.
  • the beam guidance is divided, so to speak, into two partial gas spaces.
  • the first part-gas space is supplied with a small volume flow very pure gas. It covers most of the beam-guiding space and is essentially completed.
  • the first partial gas space is adjoined by a second partial gas space, which is flooded by a second gas, preferably a cost-effective one. Only a comparatively small proportion of the beam path is located in the second partial gas space, so that the disturbance of the beam propagation through the inexpensive gas is comparatively low.
  • the second gas compartment may be open, e.g. at a mirror optics. Pressure fluctuations etc. are readjusted in the second partial gas space.
  • Fig. 1 is a perspective view of a laser cutting machine
  • Fig. 2 is a perspective view of a laser welding machine.
  • a laser processing machine 1 comprises a laser generator 2 (CO 2 laser) and a relative thereto in the direction of the double arrows 3 movable laser processing head 4.
  • a generated by means of the laser generator 2 laser beam 5 is passed from the laser generator 2 through a flushed with a gas jet guide space 6 to the machining head 4 and directed to this on a workpiece to be machined 7 in the form of a sheet on a workpiece support 8 of the laser processing machine. 1 is stored.
  • Both piercing and laser cutting are assisted by the addition of a gas.
  • a gas As cutting gases 9 oxygen, nitrogen, compressed air and / or application-specific gases can be used. Which gas is ultimately used depends on which materials are cut and what quality requirements are placed on the workpiece.
  • Cutting gas is supplied in the processing head in the vicinity of the processing point.
  • the beam guiding space 6 is substantially filled with pure gas, eg nitrogen.
  • the beam guiding space 6 is a bellows or other hermetic conclusion (also a tube, telescopic tube
  • the laser beam 5 is deflected and focused within the laser processing head 4, so that a focused laser beam is directed onto the workpiece.
  • a housing region of the laser processing head 4 assigned to the beam guide 6 is separated from a housing region assigned to the laser processing.
  • Such a laser processing head has become known from EP 1 623 790 A1.
  • the laser beam 5 is passed through an intermediate focus.
  • the components of the laser processing head 4 used for this purpose are formed by a focusing paraboloid mirror and an ellipsoidal mirror. In the intermediate focus between the two lenses and a screen is attached, through which the laser beam 5 passes.
  • Such processing optics leads to an open beam guidance system.
  • the diameter of the aperture is chosen so large that the laser beam at its Edge does not touch, and so small that the leakage loss of purge gas of the beam guide is low.
  • pure gas is injected at a pressure of 1.1 bar at a first gas inlet 10 directly behind the laser generator.
  • a second gas inlet 11 is provided directly in front of the laser processing head 4 in the beam guide 6.
  • the almost entire beam guide 6 is aerated with pure gas, so that a widening of the laser beam 5 is prevented.
  • purified air is injected transversely to the pure gas stream.
  • the end of the beam guide 6 and the laser cutting head 4 are aerated with purified air.
  • the gas-air mixture can escape via the nozzle opening.
  • a pressure relief valve 12 and a gas compensation volume 13 are provided.
  • a machine frame carries the moving unit of the machine and the Beam guiding system with deflecting mirrors for a laser beam 105 generated in the laser 102.
  • a laser welding head 104 with a deflecting mirror and a focusing mirror is movable over two axes of rotation and in three directions in order to be able to optimally machine a weld seam for joining two components 107 and 107 'arranged on a support.
  • the components 107 and 107 ' are fixed by means of a clamping device.
  • process gases working gas, protective gas
  • a beam guiding space 106 is substantially filled with pure gas, e.g. Nitrogen, filled.
  • the beam guiding space 106 is bounded by a bellows or other hermetic seal (also a tube, telescopic tube, etc.).
  • pure gas is injected at a first gas inlet 111 directly behind the laser generator 102 at a pressure of 1.1 bar.
  • a second gas inlet 112 is provided directly in front of the laser processing head 104 in the beam guide 106.
  • the almost entire beam guide 106 is aerated with pure gas, so that a widening of the laser beam 105 is prevented.
  • purified air is injected transversely to the pure gas stream.
  • the end of the beam guide 106 and the laser welding head 104 are aerated with clean air.
  • the gas-air mixture can escape via the nozzle opening.
  • the pressure under which the pure gas (nitrogen) is relatively high, while the air pressure of the blown in the vicinity of the laser processing head 4, 104 air is relatively low.
  • the volume flow of the pure gas is relatively small (of course, also some pure gas escapes through the processing head 104, but comparatively little) and that of the cleaned air escapes comparatively high.

Abstract

Eine Laserbearbeitungsmaschine (101) weist einer Einrichtung zum Belüften der Laserstrahlführung (106) zum Laserbearbeitungskopf (104) auf, über den die Strahlführung ( 106) zum Werkstück (107') hin offen ausgebildet ist. Dabei ist ein erster Gaseinlass ( 111) in die Laserstrahlführung (106) für ein erstes Gas und ein zweiter Gaseinlass (112) in die Laserstrahlführung (106) für ein zweites Gas vorgesehen.

Description

Laserbearbeitungsmaschine mit einer Einrichtung zum Belüften der Laserstrahlführung und
Verfahren zum Belüften der Laserstrahlführung einer Laserbearbeitungsmaschine
Die Erfindung betrifft eine Laserbearbeitungsmaschine mit einer Einrichtung zum Belüften der Laserstrahlführung und ein Verfahren zum Belüften der Laserstrahlführung einer Laserbearbeitungsmaschine. Die gattungsgemäße Laserbearbeitungsmaschine umfasst eine Laserstrahlführung zu einem Laserbearbeitungskopf, über den die Laserstrahlführung zum Werkstück hin offen ausgebildet ist.
Eine derartige Laserbearbeitungsmaschine ist beispielsweise durch die EP 1 640 105 Al bekannt geworden.
Ausgangspunkt der Erfindung sind 3D-Laserbearbeitungsmaschinen mit einem Laserbearbeitungskopf, wie er zum Beispiel in der oben genannten Anmeldung gezeigt ist. Das fokussierende Element ist ein Spiegel und die Strahlführung ist zur Bearbeitungsstelle hin offen. Diese Maschinen werden hauptsächlich zum Laserschweißen eingesetzt.
In der Strahlführung ist eine saubere und konstante Atmosphäre notwendig. Schwankende CO2-Gehalte oder andere die Strahlausbreitung beeinflussende Stoffe oder auch eine ungleiche Temperaturverteilung über den Strahlquerschnitt verändern den Rohstrahl und somit auch die Eigenschaften im Fokus, so dass sich die Konstanz des Bearbeitungs- Prozesses verschlechtert.
Eine bereits bekannte Lösung ist es, die Strahlführung mit sauberem Stickstoff zu befüllen und mit einem gewissen Volumenstrom einen Durchfluss und auch einen Überdruck gegen das Eindringen von Schmutz aus der Umgebung zu erzielen.
Da der bekannte Laserbearbeitungskopf zur Bearbeitungsstelle hin offen ist, tritt bei dieser Lösung eine große Menge teuren reinen Gases aus der Strahlführung aus.
Auch bei Laserschneidanlagen mit Spiegeloptik wie z.B. gemäß der EP 1 623 790 Al treten ähnliche der Erfindung zu Grunde liegende Probleme auf. Der Laserbearbeitungskopf dieser Laserschneidanlage besitzt keine Linse, welche die Strahlführung zum Bereich der Laserbearbeitung hin abdichtet, sondern eine offene Blende zur Abtrennung. Auch durch diese Blende tritt teures reines Gas aus der Strahlführung aus, allerdings in deutlich geringerem Maße als in der oben beschriebenen Laserschweißanlage.
Für Laserschneidmaschinen mit Linsenoptik ist es durch die EP 1 182 002 Al bekannt geworden, eine Linse auf der Strahlführungsseite mit sehr reinem Gas zu spülen und bei Druckabfall in der Strahlführung den Druck des Spülgases entsprechend zu erhöhen. Diese bekannte Strahlführung ist zum Werkstück hin nicht offen ausgebildet, da die Linse Strahlführung und Bearbeitungsraum gegeneinander abdichtet. Deshalb kann hier die Drucknachführung mit sehr reinem (teurem) Gas erfolgen, ohne dass dies einen gravierenden Kostennachteil zur Folge hat.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, einen Austritt von reinem zur Strahlführungsbelüftung eingesetztem Gas bei einer offenen Bearbeitungsoptik zu reduzieren.
Diese Aufgabe wird durch eine Laserbearbeitungsmaschine gemäß Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den weiteren Ansprüchen beschrieben. Die erfindungsgemäße Einrichtung besitzt folgende Vorteile:
Die Belüftung der Strahlführung erfolgt mithilfe zweier Gase an zwei unterschiedlichen Stellen der Strahlführung. Die Strahlführung wird sozusagen in zwei Teil-Gasräume unterteilt. Dem ersten Teil-Gasraum wird mit einem geringen Volumenstrom sehr reines Gas zugeführt. Er umfasst den größten Teil des Strahlführungsraums und ist im Wesentlichen abgeschlossen. An den ersten Teil-Gasraum schließt sich ein zweiter Teil- Gasraum an, der von einem zweiten Gas geflutet wird, vorzugsweise einem kostengünstigen. Nur ein vergleichsweise kleiner Anteil des Strahlwegs befindet sich im zweiten Teil-Gasraum, so dass die Störung der Strahlausbreitung durch das kostengünstige Gas vergleichsweise gering ist. Der zweite Gas-Teilraum kann offen sein, z.B. bei einer Spiegeloptik. Druckschwankungen etc. werden im zweiten Teil-Gasraum nachgeregelt.
Zwei Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung schematisch dargestellt und werden nachfolgend mit Bezug zu den Figuren der Zeichnung näher erläutert. Es zeigt im Einzelnen:
Fig. 1 eine perspektivische Darstellung einer Laserschneidanlage; Fig. 2 eine perspektivische Darstellung einer Laserschweißanlage.
Aus der Fig. 1 ist ersichtlich, dass eine Laserbearbeitungsmaschine 1 einen Lasergenerator 2 (CO2-Laser) sowie einen relativ dazu in Richtung der Doppelpfeile 3 bewegbaren Laserbearbeitungskopf 4 umfasst. Ein mittels des Lasergenerators 2 erzeugter Laserstrahl 5 wird ausgehend von dem Lasergenerator 2 durch einen mit einem Gas gespülten Strahlführungsraum 6 zu dem Bearbeitungskopf 4 geleitet und an diesem auf ein zu bearbeitendes Werkstück 7 in Form eines Blechs gelenkt, das auf einer Werkstückauflage 8 der Laserbearbeitungsmaschine 1 abgelegt ist.
Sowohl das Einstechen als auch das Laserschneiden werden durch Hinzufügen eines Gases unterstützt. Als Schneidgase 9 können Sauerstoff, Stickstoff, Druckluft und/oder anwendungsspezifische Gase eingesetzt werden. Welches Gas letztendlich verwendet wird, ist davon abhängig, welche Materialien geschnitten und welche Qualitätsansprüche an das Werkstück gestellt werden. Schneidgas wird im Bearbeitungskopf in der Nähe der Bearbeitungsstelle zugeführt. Der Strahlführungsraum 6 ist im Wesentlichen mit reinem Gas, z.B. Stickstoff, gefüllt. Der Strahlführungsraum 6 wird von einem Faltenbalg oder einem sonstigen hermetischen Abschluss (auch ein Rohr, Teleskoprohr
usw.) begrenzt.
Der Laserstrahl 5 wird innerhalb des Laserbearbeitungskopfes 4 umgelenkt und fokussiert, so dass ein fokussierter Laserstrahl auf das Werkstück gelenkt wird. Mithilfe der Spiegelfokussierung und einer Blende im Laserbearbeitungskopf 4 wird ein der Strahlführung 6 zugeordneter Gehäusebereich des Laserbearbeitungskopfes 4 von einem der Laserbearbeitung zugeordneten Gehäusebereich getrennt. Ein derartiger Laserbearbeitungskopf ist durch die EP 1 623 790 Al bekannt geworden. Um Prozessgasseite und Strahlführungsatmosphäre voneinander trennen zu können, wird der Laserstrahl 5 durch einen Zwischenfokus geleitet. Die dazu verwendeten Komponenten des Laserbearbeitungskopfs 4 sind durch einen fokussierenden Paraboloidspiegel und einen Ellipsoidspiegel ausgebildet. Im Zwischenfokus zwischen den beiden Optiken und ist eine Blende angebracht, durch die der Laserstrahl 5 durchtritt. Eine derartige Bearbeitungsoptik führt zu einem offenen Strahlführungssystem. Der Durchmesser der Blende ist so groß gewählt, dass der Laserstrahl an ihrem Rand nicht streift, und so klein, dass der Leckageverlust an Spülgas der Strahlführung gering ausfällt.
Zur Belüftung der Strahlführung 6 wird an einem ersten Gaseinlass 10 direkt hinter dem Lasergenerator 2 reines Gas mit einem Druck von 1,1 bar eingeblasen. Zur Reduktion des Durchsatzes von reinem Gas ist ein zweiter Gaseinlass 11 direkt vor dem Laserbearbeitungskopf 4 in die Strahlführung 6 vorgesehen. Dort wird kein reines Gas, sondern gereinigte Luft eingeblasen. Die nahezu gesamte Strahlführung 6 wird mit reinem Gas belüftet, so dass eine Aufweitung des Laserstrahls 5 verhindert wird. Mithilfe des zweiten Gaseinlasses 11 wird gereinigte Luft quer zum reinen Gasstrom eingeblasen. Das Ende der Strahlführung 6 und der Laserschneidkopf 4 werden mit gereinigter Luft belüftet. Das Gas-Luftgemisch kann über die Düsenöffnung entweichen.
Zur Vermeidung eines schädlichen Überdrucks in der Strahlführung 6 sind ein Überdruckventil 12 und ein Gasausgleichsvolumen 13 vorgesehen.
Aus der Fig. 2 ist der Aufbau einer Laserschweißanlage 101 ersichtlich. Ein Maschinenrahmen trägt die Bewegungseinheit der Maschine und das Strahlführungssystem mit Umlenkspiegeln für einen in dem Laser 102 erzeugten Laserstrahl 105.
Ein Laserschweißkopf 104 mit einem Umlenkspiegel und einem Fokussierspiegel ist über zwei Drehachsen und in drei Richtungen bewegbar, um eine Schweißnaht zum Fügen zweier auf einer Auflage angeordneter Bauteile 107 und 107' optimal bearbeiten zu können. Die Bauteile 107 und 107' werden mithilfe einer Spannvorrichtung fixiert. Zum Laserschweißen können dem Laserschweißkopf 104 Prozessgase (Arbeitgas, Schutzgas) zugeführt und über eine Absaugeinrichtung abgesaugt werden.
Ein Strahlführungsraum 106 ist im Wesentlichen mit reinem Gas, z.B. Stickstoff, gefüllt. Der Strahlführungsraum 106 wird von einem Faltenbalg oder einem sonstigen hermetischen Abschluss (auch ein Rohr, Teleskoprohr usw.) begrenzt.
Zur Belüftung der Strahlführung 106 wird an einem ersten Gaseinlass 111 direkt hinter dem Lasergenerator 102 reines Gas mit einem Druck von 1,1 bar eingeblasen. Zur Reduktion des Durchsatzes von reinem Gas ist ein zweiter Gaseinlass 112 direkt vor dem Laserbearbeitungskopf 104 in die Strahlführung 106 vorgesehen. Dort wird kein reines Gas, sondern gereinigte Luft eingeblasen. Die nahezu gesamte Strahlführung 106 wird mit reinem Gas belüftet, so dass eine Aufweitung des Laserstrahls 105 verhindert wird. Mithilfe des zweiten Gaseinlasses 112 wird gereinigte Luft quer zum reinen Gasstrom eingeblasen. Das Ende der Strahlführung 106 und der Laserschweißkopf 104 werden mit gereinigter Luft belüftet. Das Gas-Luftgemisch kann über die Düsenöffnung entweichen.
In beiden Ausführungsbeispielen ist der Druck, unter dem das reine Gas (Stickstoff) steht, verhältnismäßig hoch, während der Luftdruck der in der Nähe des Laserbearbeitungskopfes 4, 104 eingeblasenen Luft verhältnismäßig gering ist. Der Volumenstrom des reinen Gases ist dagegen relativ klein (natürlich entweicht auch etwas reines Gas durch den Bearbeitungskopf 104, aber eben vergleichsweise wenig) und der der gereinigten Luft vergleichsweise hoch.
BEZUGSZEICHENLISTE
Laserbearbeitungsanlage Laser Doppelpfeil Laserbearbeitungskopf Laserstrahl Strahlführung Werkstück Werkstückauflage Schneidgas Gaseinlass Gaseinlass Überdruckventil Gasausgleichsvoiumen Laserbearbeitungsanlage Laser Laserbearbeitungskopf Laserstrahl Strahlführung 07' Werkstück Gaseinlass Gaseinlass

Claims

PATENTANSPRÜCHE
1. Laserbearbeitungsmaschine (1; 101) mit einer Einrichtung zum Belüften der Laserstrahlführung (6; 106) zum Laserbearbeitungskopf (4; 104), über den die Strahlführung (6; 106) zum Werkstück (107; 107') hin offen ausgebildet ist, dadurch gekennzeichnet, dass ein erster Gaseinlass (10; 111) in die Laserstrahlführung (6; 106) für ein erstes Gas und ein zweiter Gaseinlass (11; 112) in die Laserstrahlführung (6; 106) für ein zweites Gas vorgesehen sind.
2. Laserbearbeitungsmaschine (1; 101) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Gaseinlass (10; 111) im Bereich des Lasergenerators (2) angeordnet ist.
3. Laserbearbeitungsmaschine (1; 101) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Gaseinlass (11; 112) im Bereich des Laserbearbeitungskopfes (4; 104) angeordnet ist.
4. Laserbearbeitungsmaschine (1; 101) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Gasausgleichsvolumen (13) an der Laserstrahlführung (6; 106) vorgesehen ist.
5. Laserbearbeitungsmaschine (1; 101) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Überdruckventil (12) an der Laserstrahlführung (6; 106) vorgesehen ist.
6. Verfahren zum Belüften der Laserstrahlführung (6; 106) zum Laserbearbeitungskopf (4; 104), über den die Strahlführung (6; 106) zum Werkstück (107; 107') hin offen ausgebildet ist, mit einem ersten Gas, dadurch gekennzeichnet, dass vor dem Laserbearbeitungskopf (4; 104) ein zweites Gas eingeblasen wird.
7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Gas reiner Stickstoff ist.
8. Verfahren nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Gas gereinigte Luft ist.
EP06753535A 2006-05-09 2006-05-09 Laserbearbeitungsmaschine mit einer einrichtung zum belüften der laserstrahlführung und verfahren zum belüften der laserstrahlführung einer laserbearbeitungsmaschine Withdrawn EP2024132A1 (de)

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