DE60131935T2

DE60131935T2 - Ein Laserstrahlbearbeitungskopf und eine Laserbearbeitungsvorrichtung mit einem solchen Laserstrahlbearbeitungskopf

Info

Publication number: DE60131935T2
Application number: DE60131935T
Authority: DE
Inventors: Takashi Takasago-shi Ishide; Yoshio Takasago-shi Hashimoto; Masao Hyogo-ku Kobe-shi Watanabe; Takashi Hyogo-ku Kobe-shi Akaba; Daijiro Chiyoda-ku Fujie
Original assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Current assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Priority date: 2000-08-10
Filing date: 2001-08-09
Publication date: 2008-12-18
Anticipated expiration: 2021-08-10
Also published as: US20020017509A1; JP2002059286A; DE60131935D1; US6608281B2; EP1179382A3; JP3686317B2; EP1179382B1; EP1179382A2

Description

Diese Erfindung betrifft einen Laserstrahl-Bearbeitungskopf gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 (siehe beispielsweise die EP-A-1020249 ) sowie eine Laserstrahl-Bearbeitungsvorrichtung, die mit dieser ausgestattet ist (siehe Anspruch 9), welche dann sinnvoll ist, wenn sie beim Ausführen einer Laserstrahlverschweißung und einer Bogenverschweißung gleichzeitig angewendet wird.
Beschreibung des Standes der Technik
Unter den Verschweißtechniken zum Verbinden von Metallen gibt es Laserstrahlschweißen und Bogenschweißen. Das Laserstrahlschweißen wird unter Verwendung eines Co₂-Laseroszillators oder eines YAG-Laseroszillators ausgeführt. Ein CO₂-Laserlicht muss von einem Spiegel übermittelt werden somit ist dessen Einstellung aufwändig, während YAG-Laserlicht mittels seiner optischen Phase übermittelt werden kann. Unter diesen Umständen steigen die Erwartungen für Laserstrahlverschweißung unter Verwendung eines YAG-Laseroszillators an. Es gibt verschiedene Arten von Bogenverschweißung inklusive eine Bogenschweißung mit einer mit Schutzgas abgeschirmten Opferelektrode (GMA-Schweißen) wie etwa MIG-Schweißen, sowie eine Bogenschweißung mit einer mit Schutzgas abgeschirmten, nicht aufbrauchbaren Elektrode wie etwa TIG-Schweißen. Da Laserlicht von optischen Instrumenten zur Erzeugung einer hohen Energiedichte verdichtet wird, erzeugt die Laserstrahlverschweißung eine tiefe Schweißpenetration in einem engen Bereich des Aufschmelzens. Mit einer Bogenverschweißung wie etwa einer GMA-Verschweißung (MEG-Verschweißung usw.) oder einer TIG-Verschweißung spreizt sich andererseits der Bogen in einem vergleichsweise breiten Bereich auf, wodurch eine Verschweißung in einem breiten Wulstbereich ausgeführt wird und eine Verschweißung mit einer hohen Nut-Tolleranz erreicht wird. In den letzten Jahren wurden daher Verfahren zur gleichzeitigen Ausführung einer Laserstrahlverschweißung und einer Bogenverschweißung in Ansätzen studiert, um eine Verschweißung mit einem breiten Schweißbereich und einer tiefen Schweißpenetration auszuführen.
Ein Laserstrahl-Bearbeitungskopf, der eine Laserstrahlverschweißung und eine Bogenverschweißung gleichzeitig ausführt, weist einen Aufbau, wie er beispielsweise in der ungeprüften japanischen Patentanmeldung mit der Nummer 1998-216972 offenbart ist auf. Wie in 11 gezeigt, führt dieser Laserstrahl-Bearbeitungskopf eine Laserstrahlverschweißung und eine Bogenverschweißung mittels Aufbringung von Laserlicht 3 von einem Laserstrahl-Schweißkopf 2 auf einen Abschnitt 1a eines Basismaterials 1 auf, der verschweißt werden soll, und bringt gleichzeitig eine Bogenentladung von einer Elektrode 5 eines GMA-Schweißkopfs 4 auf, während ein Schutzgas an dem Abschnitt 1a von einer Gasstromdüse 6 ausströmt. Dieser Laserstrahl-Bearbeitungskopf ist jedoch insgesamt sehr groß, da der Laserstrahl-Schweißkopf 2 und der GMA-Schweißkopf 4 unabhängig in dem Laserstrahl-Bearbeitungskopfs vorliegen. Darüber hinaus ist es schwierig, die relative Positionsbeziehung zwischen dem Laserstrahl-Schweißkopf 2 und dem GMA-Schweißkopf 4 ständig auch in Erwiderung auf eine Veränderung der Schweißposition oder der Körperhaltung des Schweißers konstant zu halten. Somit ist der Laserstrahl-Verarbeitungskopf insbesondere nicht für eine dreidimensionale Bearbeitung mittels eines Roboters geeignet.
Die Erfinder der vorliegenden Erfindung haben in der japanischen ungeprüften Patentanmeldung mit der Nr. 1999-156573 einen Laserstrahl-Bearbeitungskopf vorgeschlagen, der in der Lage ist, die oben beschriebenen Probleme zu lösen. In diesem Laserstrahl-Bearbeitungskopf wird Laserlicht 12, wie es in 12 gezeigt wird, welches von einer optischen Faser 11 übermittelt wird, mittels eine konvexen Dachspiegels 13 und eines konkaven Dachspiegels 14 reflektiert und in zwei Teilstrahlen unterteilt, wobei ein erster Teillaserstrahl 12a und ein zweiter Teillaserstrahl 12b entstehen und ein Raumabschnitt 17 zwischen diesen ausgebildet ist. Diese Teillaserstrahlen 12a und 21b werden mittels einer Fokussierlinsenanordnung 15 auf einen zu verschweißenden Abschnitt fokussiert. Der konkave Dachspiegel 14 und die Fokussierlinsenanordnung 15 sind an deren Zentrum mit Durchgangslöchern 14a bzw. 15a perforiert. Eine Elektroden-Halteröhre 16 zum Halten einer Bogenelektrode wie etwa einer TIG-Elektrode oder einer GMA-Elektrode wird durch die Durchgangslöcher 14a, 15a eingesetzt, wodurch die von der Elektroden-Halteröhre 16 gehaltene Bogenelektrode in dem Raumabschnitt 17 zwischen den Teillaserstrahlen 12a und 12b platziert und koaxial mit diesem Laserstrahl gehalten wird. Mit dem oben erwähnten konventionellen Koaxiallaserstrahl-Bearbeitungskopf sind die Durchgangslöcher 14a und 15b im konkaven Dachspiegel 14 und der Fokussier-Linsenanordnung 15 vorgesehen. Die Bearbeitung der Elemente für eine derartige koaxiale Anordnung erfordert viel Zeit, Mühen und Ausgaben und die Orte der Durchgangslöcher 14a, 15b können leicht beschädigt werden. Darüber hinaus werden der konvexe Dachspiegel und der konkave Dachspiegel 14 dazu verwendet, das Laserlicht 12 in zwei Strahlen zu unterteilen, diese konkaven und konvexen Dachspiegel 13 und 14 sind jedoch sehr teuer.
Die JP 6281877 offenbart ein optisches Unterteilsystem, das ein Spiegelsystem zum Unterteilen eines nahezu kreisförmigen Querschnittsabschnitts eines Laserstrahls umfasst, der durch eine Kollimator-Linse hindurch geführt wird und in eine Vielzahl von Laserstrahlen unterteilt wird. Der Querschnitt einer die Vielzahl von Laserstrahlen, deren Querschnitte unterteilt worden sind, stoppenden Öffnung ist kreisförmig und die Öffnung ist so angeordnet, dass das Zentrum der Öffnung nahezu vom Zentrum der Schwerkraft des Querschnitts des Laserstrahls überlagert wird.
Die DE 41 29 239 A1 offenbart ein Verfahren zur Pulverschweißung mittels eines Laserstrahls. Eine optische Vorrichtung zur Emittierung eines fokussierten Laserstrahls mit einem Reflektionsspiegel richtet den Laserstrahl auf den Verschweißort dort aus, wo das pulverförmige Schweißmaterial unter einem Winkel von weniger als 10° zum Laserstrahl zugeführt wird.
Zusammenfassung der Erfindung
Die vorliegende Erfindung wurde gemacht, um die oben erwähnten Probleme zu lösen, und deren Ziel ist es, einen Koaxial-Laserstrahl-Bearbeitungskopf zur Verfügung zu stellen, der klein ist, frei von dem Risiko der Beschädigung der optischen Instrumente und kostengünstig, sowie eine Laserstrahl-Bearbeitungsvorrichtung zur Verfügung zu stellen, die diesen Kopf aufweist.
Ein Laserstrahl-Bearbeitungskopf umfasst als ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung zum Erzielen des oben genannten Ziels:
ein optisches Fokussiersystem; und
eine Unterstützungs-Gasdüse, eine Pulverdüse oder einen Fülldrahtkopf in einem Fülldraht-Zufuhrmittel, das dazu angepasst ist, einen Fülldraht von einem Drahtzuführer zu dem Fülldrahtkopf an der Spitze des Fülldraht-Zufuhrmittels über ein Führungsrohr mit der Unterstützung der Gasdüse und des Fülldrahtkopfs zu führen, wobei das Zufuhrmittel und das Führungsrohr kein Teil einer Gas-Metall-Bogenverschweißvorrichtung sind, die eine MEG-, MAG- oder TEG-Schweißvorrichtung s, wobei Laserlicht mit dem zu dem zu verschweißenden Abschnitt zugeführten Fülldraht aufgebracht wird, um eine Laserstrahlverschweißung auszuführen;
wobei ein optisches Kollimator-System zur Erzeugung eines parallelen Strahls aus dem Laserlicht vorliegt;
gekennzeichnet durch ein optisches Kollimator-System zur Erzeugung eines parallel Strahls aus Laserlicht;
einen ersten flachen Reflektionsspiegel zur Reflektion eines Teils des Laserlichts, welches mittels des optischen Kollimator-Systems in einen parallel Strahl überführt wurde,
wobei der erste flache Reflektionsspiegel dazu angepasst ist,

a) das Laserlicht in zwei Strahlen, einen ersten Teillaserstrahl und einen zweiten Teillaserstrahl, zu unterteilen; wobei der Laserstrahl-Bearbeitungskopf einen zweiten Reflektionsspiegel zur weiteren Reflektion des ersten Teillaserstrahls, der von dem ersten Reflektionsspiegel reflektiert wurde, umfasst, um einen Laserstrahl mit einem Raumabschnitt auszubilden, welcher den ersten Teillaserstrahl und den zweiten Teillaserstrahl mit einem dazwischen angeordneten Raumabschnitt aufweist; oder
b) um einen Teil des Laserlichts aus dem Körper des Laserlichts heraus zu ziehen, wodurch ein Laserstrahl mit einem Raumabschnitt im Körper des Laserlichts ausgebildet wird;

Der oben erwähnte Laserstrahl-Bearbeitungskopf gemäß dem ersten Aspekt ist sehr klein, kostengünstig und frei vom Risiko der Beschädigung der optischen Instrumente im Vergleich mit einem konventionellen Laserstrahl-Bearbeitungskopf. Dieser Laserstrahl-Bearbeitungskopf ist so klein, dass er leicht beispielsweise an einem multiaxialen NC-Roboter befestigt werden kann. Darüber hinaus sind der Fülldrahtkopf, die Unterstützungs-Gasdüse oder die Pulverdüse sowie das Laserlicht (der erste und zweite Teillaserstrahl zu koaxial zueinander).
Somit kann der Laserstrahl-Bearbeitungskopf leicht zu einer beiliegen Position mittels des multiaxialen NC-Roboters positioniert und bewegt werden, und eine dreidimensionale Bearbeitung kann leicht ausgeführt werden.
Ein Laserstrahl-Bearbeitungskopf als zweiter Aspekt der vorliegenden Erfindung ist ein Laserstrahl-Bearbeitungskopf gemäß dem ersten Aspekt, wobei der erste Reflektionsspiegel dazu angepasst ist, den Teil des Laserlicht aus dem Körper des Laserlichts abzuziehen, wodurch ein Laserstrahl ausgebildet wird, der einen Raumabschnitt im Körper des Laserlichts aufweist, umfassend:
einen zweiten Reflektionsspiegel (88), der außerhalb des Körpers des Laserlicht (84c) platziert ist und dazu angepasst ist, den vom Laserlicht aus dem Körper des Laserlicht abgezogenen Teil des Laserlichts so zu reflektieren, dass er zum Körper des Laserlichts parallel steht und in Kontakt mit oder in der Nähe zu einer äußeren umfänglichen Oberfläche des Körpers des Laserlichts steht;
wobei das optische Fokussiersystem (89) des weiteren dazu angepasst ist, den Teil des Laserlichts, der von den ersten und zweiten Reflektionsspiegeln (87, 88) reflektiert wurde, auf einen zu bearbeitenden Abschnitt zu fokussieren.
Gemäß dem Laserstrahl-Bearbeitungskopf des zweiten Aspekts wird ein Teil des Laserlichts, der aus dem Körper der Laserlichts mittels des ersten Reflektionsspiegels herausgezogen wurde, weiter von zweiten Reflektionsspiegel reflektiert und auf den zu bearbeitenden Abschnitt zusammen mit dem Körper des Laserlichts mittels des optischen Fokussiersystems fokussiert. Somit wird die Energie des Laserlichts nicht verbraucht, sondern kann effektiv verwendet werden, was den Verlust an Laserlicht minimiert.
Ein Laserstrahl-Bearbeitungskopf als dritter Aspekt der Erfindung ist ein Laserstrahl-Bearbeitungskopf gemäß dem ersten Aspekt, wobei der erste Reflektionsspiegel dazu angepasst ist, das Laserlicht in zwei Strahlen zu unterteilen, dadurch gekennzeichnet, dass
der zweite Reflektionsspiegel normal und hin und her drehbar gemacht ist, wodurch der Raum zwischen einer fokussierten Spitze des ersten Teillaserstrahls und einer fokussierten Spitze des zweiten Teillaserstrahls einstellbar ist.
Gemäß dem Laserstrahl-Bearbeitungskopf des dritten Aspekts wird der Drehwinkel des zweiten Reflektionsspiegels wie gewünscht eingestellt, um den Raum zwischen der fokussierten Spitze des ersten Teillaserstrahls und der fokussierten Spitze des zweiten Laserstrahls um einen geeigneten Grad aufzuweiten, wodurch ein Basismaterial mit einer breiten Spaltbreite verschweißt werden kann.
Ein Laserstrahl-Bearbeitungskopf als vierter Aspekt der Erfindung ist ein Laserstrahl-Bearbeitungskopf gemäß dem ersten Aspekt, wobei
der erste Reflektionsspiegel dazu angepasst ist, den Laserstrahl in zwei Strahlen zu unterteilen, dadurch gekennzeichnet, dass
der erste Reflektionsspiegel beweglich gemacht ist, wodurch das Teilverhältnis des ersten Teillaserstrahls und des zweiten Teillaserstrahls eingestellt werden kann, und der zweite Reflektionsspiegel normal und hin und her drehbar gemacht ist, wodurch der Raum zwischen der fokussierten Spitze des ersten Teillaserstrahls und der fokussierten Spitze des zweiten Teillaserstrahls eingestellt werden kann.
Gemäß dem Laserstrahl-Bearbeitungskopf des vierten Aspekts wird die Bewegungsposition des ersten Reflektionsspiegels wie gewünscht eingestellt, um die Proportion des ersten Teillaserstrahls zu einem gewünschten Grad zu verringern und die Proportion des zweiten Teillaserstrahls zu einem gewünschten Grad zu erhöhen, und der Drehwinkel des zweiten Reflektionsspiegels wird wie gewünscht eingestellt, um den Raum zwischen der fokussierten Spitze des ersten Teillaserstrahls und der fokussierten Spitze des zweiten Teillaserstrahls auf einen geeigneten Grad aufzuweiten, wodurch der zweite Teillaserstrahl zuerst auf das Basismaterial mit einer tiefen Spaltpenetration aufgebracht wird und anschließend der erste Teillaserstrahl aufgebracht wird, um einen adäquaten Wulst auszubilden. Bei dieser Gelegenheit wird eine zufriedenstellende Verschweißung ohne Porosität (Hohlräume) ausgeführt.
Ein Laserstrahl-Bearbeitungskopf als fünfter Aspekt der Erfindung ist ein Laserstrahl-Bearbeitungskopf gemäß dem ersten, dritten oder vierten Aspekt, wobei
der erste Reflektionsspiegel dazu angepasst ist, das Laserlicht in zwei Strahlen zu unterteilen, dadurch gekennzeichnet, dass
eine optische Achse des optischen Kollimator-Systems und eine optische Achse des optischen Fokussiersystems in einer Richtung senkrecht zu den optischen Achsen versetzt sind, wodurch das optische Kollimator-System über eine Seite in Bezug auf das optische Fokussiersystem bewegt wird, so dass der erste Teillaserstrahl, der von den ersten und zweiten Reflektionsspiegeln reflektiert wurde, in die andere Seite des optischen Fokussiersystems eintritt.
Gemäß dem Laserstrahl-Bearbeitungskopf des fünften Aspekts können verglichen mit der Festlegung zwischen der optischen Achse des optischen Kollimator-Systems und der optischen Achse des optischen Fokussiersystems der erste Teillaserstrahl und der zweite Teillaserstrahl auch durch das optische Fokussiersystem mit kleinerem Durchmesser fokussiert werden und der gesamte Laserstrahl-Bearbeitungskopf kann kleiner gefertigt sein.
Ein Laserstrahl-Bearbeitungskopf eines sechsten Aspekts der Erfindung ist ein Laserstrahl-Bearbeitungskopf gemäß dem zweiten Aspekt, wobei der erste Reflektionsspiegel in das Laserlicht entlang einer diametralen Richtung einer Querschnittsebene des Laserlichts und schräg in Bezug auf die optische Achse des Laserlichts, eingesetzt wird, welches mittels des optischen Kollimator-Systems in einen parallelen Strahl überführt wurde, und ist ebenso in einer Richtung senkrecht zur Richtung des Einsetzens des ersten Reflektionsspiegels geneigt, wodurch ein Teil des Laserlichts schräg zur Außenseite des Körpers das Laserlicht reflektiert wird.
Gemäß dem Laserstrahl-Bearbeitungskopf des sechsten Aspekts wird der aus dem Körper des Laserlichts entnommene Teile des Laserlichts direkt neben dem Körper des Laserlichts platziert. Somit kann verglichen mit dem Teil des Laserlichts, der an einer Position platziert ist, die von der Position weg neben dem Körper des Laserlichts versetzt ist, der Durchmesser des optischen Fokussiersystems kleiner gemacht werden und der gesamte Laserstrahl-Bearbeitungskopf kann kleiner gefertigt werden.
Ein Laserstrahl-Bearbeitungskopf als siebter Aspekt der Erfindung ist der Laserstrahl-Bearbeitungskopf gemäß dem zweiten oder sechsten Aspekt, wobei
die optische Achse des optischen Kollimator-Systems und die optische Achse des optischen Fokussiersystems in einer Richtung senkrecht zu den optischen Achsen versetzt ist, wodurch das optische Kollimator-System über eine Seite in Bezug auf das optische Fokussiersystem bewegt wird, so dass ein Teil des Laserlichts, der von den ersten und zweiten Reflektionsspiegeln reflektiert wurde, in die andere Seite des optischen Fokussiersystems eintritt.
Gemäß dem Laserstrahl-Bearbeitungskopf des siebten Aspekts können verglichen mit der Festlegung zwischen der optischen Achse des optischen Kollimator-Systems und der optischen Achse des optischen Fokussiersystems auch von einem optischen Fokussiersystem mit kleinerem Durchmesser fokussiert werden und der gesamte Laserstrahl-Bearbeitungskopf kann kleiner gefertigt werden.
Ein Laserstrahl-Bearbeitungskopf als achter Aspekt der Erfindung ist ein Laserstrahl-Bearbeitungskopf gemäß dem ersten, zweiten, dritten, vierten, fünften, sechsten oder siebten Aspekt, wobei eine Unterstützungs-Gasdüse in dem Raumabschnitt zwischen dem ersten Teillaserstrahl und dem zweiten Teillaserstrahl oder in dem Raumabschnitt des Körpers des Laserlichts angeordnet ist, und
die Unterstützungs-Gasdüse eine divergierende Düse ist.
Gemäß dem Laserstrahl-Bearbeitungskopf des achten Aspekts kann das Unterstützungsgas bei einer sehr hohen Geschwindigkeit ausströmen, so dass die Schneidgeschwindigkeit oder die Bohrgeschwindigkeit deutlich erhöht sind.
Eine Laserstrahl-Bearbeitungsvorrichtung als neunter Aspekt der Erfindung umfasst:
einen Laserstrahl-Bearbeitungskopf gemäß dem ersten, zweiten, dritten, vierten, fünften, sechsten, siebten oder achten Aspekt;
einen Laseroszillator zur Oszillation des Laserlichts;
Laserlicht-Transmissionsmittel zur Übermittlung des Laserlichts, das vom Laseroszillator oszilliert wurde, zum Laserstrahl-Bearbeitungskopf; und
Bewegungsmittel für den Laserstrahl-Bearbeitungskopf zur Positionierung und Bewegung des Laserstrahl-Bearbeitungskopfs zu einer beliebigen Position.
Die Laserstrahl-Bearbeitungsvorrichtung gemäß dem neunten Aspekt ist eine kostengünstige Laserstrahl-Bearbeitungsvorrichtung mit einer exzellenten Eignung für die Bearbeitung wie etwa eine Verschweißung oder ein Schneiden.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Die vorliegende Erfindung wird deutlicher aus der detaillierten Beschreibung verständlich, die im Folgenden angegeben wird, und die beiliegenden Zeichnungen sind nur zu illustratorischen Zwecken angegeben und beschränken die vorliegende Erfindung somit nicht. In den Figuren ist:
1 eine Perspektivansicht, die einen System-Aufbau einer Laserstrahl-Bearbeitungsvorrichtung zeigt, die zum Verständnis der vorliegenden Erfindung sinnvoll ist;
2A eine Seitenansicht, die diesen Aufbau eines wesentlichen Teils eines Laserstrahl-Bearbeitungskopf zeigt, der in der Laserstrahl-Bearbeitungsvorrichtung vorgesehen ist, und 2B ist eine Schnittansicht entlang der Linie E-E aus 2A;
Die 3A bis 3E sind Perspektivansichten, die verschiedene Bearbeitungsmittel zeigen, die in der Laserstrahl-Bearbeitungsvorrichtung vorgesehen sind;
3 ist kein Teil der Erfindung, während die 3B bis 3E Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung repräsentieren;
4 ist einer Erläuterungszeichnung, die einen Zustand zeigt, in dem die fokussierten Spitzen der durch Teilung des Laserstrahl-Bearbeitungskopfs ausgebildeten Laserstrahlen voneinander beabstandet sind;
5 ist eine Erläuterungszeichnung, die einen Zustand zeigt, in dem das Teilverhältnis für die durch Teilung des Laserstrahl-Bearbeitungskopfs ausgebildeten Laserstrahlen verändert wird, und die fokussierten Spitzen der Laserstrahlen voneinander beabstandet sind;
6 ist eine Perspektivansicht, die eine Systemkonfiguration einer Laserstrahl-Bearbeitungsvorrichtung zeigt, die zum Verständnis der vorliegenden Erfindung sinnvoll ist;
Die 7A und 7B sind Seitenansichten, die den Aufbau eines wesentlichen Teils eines Laserstrahl-Bearbeitungskopfs zeigen, welcher in der Laserstrahl-Bearbeitungsvorrichtung aus 6 vorgesehen ist, 7A ist dabei eine Ansicht gesehen in Richtung des Pfeils G aus 9A, und 7B ist eine Ansicht gesehen in Richtung des Pfeils H aus 9B;
Die 8A und 8B sind Seitenansichten des in 6 gezeigten Systems, die nur einen Teil des von den Reflektionsspiegeln reflektierten Laserlichts zeigen, 8A ist eine Ansicht korrespondierend zu 7a und 8B ist eine Ansicht korrespondierend zu 7B;
9 ist eine vergrößerte Schnittansicht entlang der Linie I-I aus 7A, 9B ist eine vergrößerte Schnittansicht entlang der Linie J-J aus 7a und 9c ist eine vergrößerte Schnittansicht entlang der Linie K-K aus 7A;
Die 10A bis 10D sind Erläuterungszeichnungen, die eine andere Anordnung der Beispiele von Reflektionsspiegeln zeigen, in denen 10A eine Seitenansicht, 10B eine Ansicht gesehen in Richtung aus L in 10A, 10C eine Schnittansicht entlang der Linie M-M aus 10A und 10D eine Schnittansicht entlang der Linie N-N aus 10A ist;
Die 11 ist eine Aufbauzeichnung eines konventionellen Laserstrahl-Bearbeitungskopfs;
12 ist eine Aufbauzeichnung eines konventionellen Laserstrahl-Bearbeitungskopfs; und
13 ist eine Aufbauzeichnung einer konventionellen Koaxial-Unterstützungs-Gasdüse.
Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen
Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden nunmehr detailliert unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen beschreiben. Eine Laserstrahl-Bearbeitungsvorrichtung mit Bearbeitungsmitteln, wie sie in den 1, 2, 3A, 6, 7 und 9C gezeigt sind, d. h. GMA- oder TIG-Schweißmittel, sind kein Teil der Erfindung.
Eine Laserstrahl-Bearbeitungsvorrichtung, die Bearbeitungsmittel aufweist, wie sie in den 3B bis 3E gezeigt sind, stellen eine Ausführungsform der Erfindung dar.
(Ausführungsform 1)
1 ist eine Perspektivansicht, die einen Systemaufbau einer Laserstrahl-Bearbeitungsvorrichtung gemäß Ausführungsform 1 zeigt, die zum Verständnis der vorliegenden Erfindung sinnvoll ist. 2 ist eine Seitenansicht, die den Aufbau eines wesentlichen Teils eine Laserstrahl-Bearbeitungskopfs zeigt, der in der Laserstrahl-Bearbeitungsvorrichtung vorgesehen ist, und 2B ist eine Schnittansicht entlang der Linie E-E. 3A, die kein Teil der Erfindung ist, und die 3B bis 3E, die die Erfindung verwirklichen, sind Perspektivansichten, die verschiedene Bearbeitungsmittel zeigen, die in der Laserstrahl-Bearbeitungsvorrichtung vorgesehen sind. 4 ist eine Erläuterungszeichnung, die einen Zustand zeigt, in dem die fokussierten Spitzen der durch Unterteilung in den Laserstrahl-Bearbeitungskopf ausgebildeten Laserstrahls voneinander beabstandet sind. 5 ist eine Erläuterungszeichnung, die einen Zustand zeigt, in dem das Teilverhältnis für die durch Unterteilung im Laserstrahl-Bearbeitungskopf ausgebildeten Laserstrahlen verändert wird, und die fokussierten Spitzen der Laserstrahlen voneinander beabstandet sind.
(Aufbau)
Wie durch 1 gezeigt, ist eine Laserstrahl-Bearbeitungsvorrichtung gemäß der vorliegenden Ausführungsform 1 mit einem YAG-Laseroszillator 21, einer optischen Faser 25 als Laserstrahl-Transmissionsmittel, einem Laserstrahl-Bearbeitungskopf 22 sowie einem multiaxialen NC-Roboter 23 als Bewegungsmittel für den Laserstrahl-Bearbeitungskopf versehen.
Laserlicht 24, das vom YAG-Laseroszillator 21 oszilliert wurde, wird zu einem Eingabeabschnitt des Laserstrahl-Bearbeitungskopfs 22 mittels der optischen Faser 25 übermittelt. Der Laserstrahl-Bearbeitungskopf 22 ist an dem multiaxialen NC-Roboter 23 befestigt und wird an einer Position mittels des multiaxialen NC-Roboters 23 positioniert oder zu dieser bewegt. Der Laserstrahl-Bearbeitungskopf 22 weist in seinem äußeren Zylinder 30 eine Kollimator-Linsenanordnung 26 als ein optisches Kollimator-System, einen ersten Reflektionsspiegel 27, einen zweiten Reflektionsspiegel 28, eine Fokussier-Linsenanordnung 29 als ein optisches Fokussiersystem, sowie eine GMA-Elektrode (MIG-Elektrode oder dergleichen) 33 als Spitzenbearbeitungsabschnitt des GMA-Verschweißmittels (MIG-Verschweißmittel oder dergleichen) auf. Wenn der zweite Reflektionsspiegel 28 normal und hin und her drehbar gemacht ist, ist eine Spiegeldrehvorrichtung 32, die einen elektrischen Motor oder dergleichen umfasst, als Spiegeldrehmittel vorgesehen. Wenn der ersten Reflektionsspiegel 27 beweglich gemacht werden soll, ist zudem eine Spiegelbewegungsvorrichtung 31, die einen elektrischen Motor oder dergleichen umfasst, als Spiegelbewegungsmittel vorgesehen.
Eine detaillierte Beschreibung des Laserstrahl-Bearbeitungskopfs 22 wird basierend auf den 1, 2a und 2b bereitgestellt. Die Kollimator-Linsenanordnung 26 ist aus einer Vielzahl von Linsen zusammengesetzt, die in Reihe angeordnet sind, um das Laserlicht 24, das von der optischen Faser 25 übermittel wurde, in einen parallel Strahl auszubilden. Der erste Reflektionsspiegel 27 und der zweite Reflektionsspiegel 28 sind unterhalb der Kollimator-Linsenanordnung 26 in den Zeichnungen angeordnet und die Fokussier-Linsenanordnung 29 ist unterhalb dieser Reflektionsspiegel 27 und 28 in den Zeichnungen angeordnet.
Der erste Reflektionsspiegel 27 ist ein flacher Spiegel und wird in einen Laserstrahl 24a eingesetzt, der von der Kollimator-Linsenanordnung 26 parallel gemacht wurde, in einer Richtung senkrecht zu der optischen Achse des Laserstrahls 24a in Bezug auf einen zentralen Teil einer Querschnittsebene des Laserstrahls 24a, und eine Reflektionsoberfläche 27a des ersten Reflektionsspiegels 27 ist nach oben hin geneigt (auf die Kollimator-Linsenanordnung) und nach außen (links in der Zeichnung). So reflektiert der erste Reflektionsspiegel 27 einen Teil des Laserstrahls 24a (dessen linke Hälfte in der Zeichnung) nach außen (links in der Zeichnung), um den Laserstrahl 24 in zwei Hälften zu unterteilen, d. h. einen ersten Teillaserstrahl 24b und einen zweiten Teillaserstrahl 24c.
Der zweite Reflektionsspiegel 28 ist ein flacher Spiegel ähnlich dem ersten Reflektionsspiegel 27. Der zweite Reflektionsspiegel 28 ist seitlich zum ersten Reflektionsspiegel 27 angeordnet und weist eine Reflektionsoberfläche 28a, die nach unten (auf die Fokussier-Linsenanordnung) und auf den ersten Reflektionsspiegel 27 hin (nach rechts in der Zeichnung) geneigt ist. Somit wird gemäß dem zweiten Reflektionsspiegel 28 der vom ersten Reflektionsspiegel 27 reflektierte erste Teillaserstrahl 24b weiter nach unten in den Zeichnungen parallel zum zweiten Teillaserstrahl 24c reflektiert, um einen Raumabschnitt (Raum) 24d zwischen dem ersten Teillaserstrahl 24c und dem zweiten Teillaserstrahl 24c auszubilden.
Die Fokussier-Linsenanordnung 29 ist aus einer Vielzahl von Linsen, die in Reihe angeordnet sind, zusammengesetzt und fokussiert den ersten Teillaserstrahl 24b, der von den ersten und zweiten Reflektionsspiegel 27 und 28 reflektiert wurde, und den zweiten Teillaserstrahl 24c, der so wie er ist in der Zeichnung nach unten ohne Reflektion von dem ersten Reflektionsspiegel 27 übermittelt wurde, auf einen Abschnitt 34a eines Basismaterials 34, der zu verschweißen ist. Zu diesem Zeitpunkt werden der ersten Teillaserstrahl 24b und der zweite Teillaserstrahl 24c auf einen Punkt hin fokussiert. Das bedeutet, dass der Laserstrahl 24a ein Parallelstrahl ist. Somit können auch dann, wenn die optischen Weglängen des ersten Teillaserstrahl 24b und des zweiten Teillaserstrahls 24c zwischen der Kollimator-Linsenanordnung 26 und der Fokussier-Linsenanordnung 29 unterschiedlich sind, diese Teillaserstrahlen 24b und 24c auf dem einen einzigen Punkt mittels der Fokussier-Linsenanordnung 29 fokussiert werden.
Die Fokussier-Linsenanordnung 29 ist etwas größer im Durchmesser als die Kollimator-Linsenanordnung 26. Die optische Achse der Kollimator-Linsenanordnung 26 und die optische Achse der Fokussier-Linsenanordnung 29 sind in einer Richtung senkrecht zu diesen optischen Achsen versetzt, wodurch die Kollimator-Linsenanordnung 26 zu einer Seite (rechter Seite in der Zeichnung) in Bezug auf die Fokussier-Linsenanordnung 29 gebracht wird, und der erste von den ersten und zweiten Reflektionsspiegel 27 und 28 reflektierte Teillaserstrahl 24b tritt in die andere Seite (linke Seite in der Zeichnung) der Fokussier-Linsenanordnung 29 ein.
Aufgrund dieses oben beschriebenen Aufbaus fallen der direkt von der Kollimator-Linsenanordnung 26 auf die Fokussier-Linsenanordnung 29 hin übermittelte zweite Teillaserstrahl 24c und der in einer Richtung senkrecht zu der optischen Achse in Bezug auf den zweiten Teillaserstrahl 24c getrennte erste Teillaserstrahl 24b (d. h. in einer Richtung nach links in der Zeichnung) auf die einzelne Fokussier-Linsenanordnung 29 ein. Da die einzelne Fokussier-Linsenanordnung 29 beide Teillaserstrahlen 24b und 24c fokussiert, ist der gesamte Laserstrahl-Bearbeitungskopf sehr klein. Der Durchmesser der Fokussier-Linsenanordnung 29 ist beispielsweise etwa 70 mm groß.
An der Ausgabeseite der Fokussier-Linseanordnung 29 (der unteren Seite in der Zeichnung), wird die GMA-Elektrode 33 mittels des äußeren Zylinders 30 abgestützt und in dem Raumabschnitt 24d zwischen ersten Teillaserstrahl 24b und dem zweiten Teillaserstrahl 24c koaxial mit diesem Laserstrahl angeordnet. Gemäß diesem Aufbau wird eine GMA/YAG-Koaxialverschweißung möglich. Das GMA-Verschweißmittel führt eine Energiezufuhr und die Zufuhr von Inertgas von einer GMA-Schweißmaschine 36 zu einem GMA-Kopf 35 an der Spitze über ein Führungsrohr 38 zu und die Zufuhr der GMA-Elektrode (Fülldraht) 33 von einem Drahtzuführer 37, wodurch eine GMA-Verschweißung ausgeführt wird. Anstelle des GMA-Verschweißmittels kann ein Spitzen-Bearbeitungsabschnitt eines anderen Bearbeitungsmittels, wie es in den 3a bis 3e gezeigt wird, in dem Raumabschnitt 24d zwischen dem ersten Teillaserstrahl 24b und dem zweiten Teillaserstrahl 24c angeordnet sein.
Im in 3a gezeigten TIG-Schweißmittel, wird eine TIG(Wolfram)-Elektrode 42 mittels eines TIG-Kopfs 41 gehalten und mit einer elektrischen Energie- und Inertgas von einer TIG-Schweißmaschine 43 über ein Führungsrohr 44 gespeist, um eine TIG-Schweißung auszuführen. In diesem Fall ist die TIG- Elektrode 42 in dem Raumabschnitt 24d zwischen dem ersten Teillaserstrahl 24b und dem zweiten Teillaserstrahl 24c koaxial mit diesen Laserstrahlen angeordnet. In diesem Zustand werden eine Laserstrahl-Schweißung und eine TIG-Schweißung gleichzeitig ausgeführt.
In dem in 3b gezeigten Fülldraht-Zufuhrmittel gemäß der vorliegenden Erfindung wird ein Fülldraht 52 zu einem Fülldrahtkopf 51 an der Spitze von einem Drahtzuführer 53 über ein Führungsrohr 54 zugeführt. In diesem Fall ist der Fülldrahtkopf 51 in dem Raumabschnitt 24b zwischen dem ersten Teillaserstrahl 24b und dem zweiten Teillaserstrahl 24c koaxial mit diesem Laserstrahl angeordnet. In diesem Zustand wird ein Laserlicht mit den zu dem verschweißenden Abschnitt zugeführten Fülldraht 52 aufgebracht, um eine Laserstrahlverschweißung auszuführen.
In dem in 3c gezeigten Unterstützungs-Gaszufuhrmittel gemäß der vorliegenden Erfindung wird ein Unterstützungsgas, das von einem Unterstützungs-Gaszuführer 62 über ein Führungsrohr 63 zugeführt wurde, von einer Unterstützungs-Gasdüse 61, die an der Spitze platziert ist, ausgestrahlt. In diesem Fall ist die Unterstützungs-Gasdüse 61 in dem Raumabschnitt 24d zwischen dem ersten Teillaserstrahl 24b und dem zweiten Teillaserstrahl 24c koaxial mit diesen Laserstrahlen angeordnet. In diesem Zustand wird Laserlicht auf einen zu schneidenden oder zu bohrenden Abschnitt mit dem Unterstützungsgas, das an dem zu schneidenden oder zu bohrenden Abschnitt ausgestrahlt wird, aufgebracht, um eine Laserstrahl-Schneidung oder eine Laserstrahl-Bohrung auszuführen. Wünschenswerterweise ist die Unterstützungs-Gasdüse 61 eine Düse mit einer Form, die einen Kanal aufweist, der einmal eingeengt und anschließend aufgeweitet wird, wie dies in 3D gezeigt ist. Eine derartige Düse ist generell als divergente Düse auf dem Gebiet des Gasschneidens bekannt. Insoweit hat sie einen Aufbau wie er in 13 gezeigt ist, bei dem eine Unterstützungs-Gasdüse 103 so vorgesehen ist, dass sie dem Umfang des Laserlichts 104, das von der Fokussier-Linsenanordnung 105 fokussiert wurde, umgibt, und ein Unterstützungsgas wird von einem Öffnungsspitzenabschnitt 103a der Unterstützungs-Gasdüse 103 auf einen Abschnitt 106a eines zu schneidenden Basismaterials 106 aufgestrahlt. Um die Strömungsgeschwindigkeit des Unterstützungsgases zu erhöhen oder um das Unterstützungsgas effizient zu dem zu schneidenden Abschnitt 106a zuzuführen, wurde versucht, den Öffnungsspitzenabschnitt 103a zu verengen. Es gab jedoch bisher aufgrund der Interferenz mit dem Laserlicht, die vermieden werden soll, bestimmte Grenzen. Auch wenn versucht wird, den Druck des Unterstützungsgases zu erhöhen, wird dieser Druck auf ein (nicht gezeigtes) Schutzglas der Fokussier-Linsenanordnung 105 einwirken. Die Notwendigkeit zur Verhinderung einer Beschädigung des Schutzglases hat ebenso Grenzen aufgezeigt. Auf der anderen Seite kann dann, wenn die Unterstützungs-Gasdüse 61 in dem Raumabschnitt 24d zwischen dem ersten Teillaserstrahl 24b und dem zweiten Teillaserstrahl 24c koaxial mit diesem Laserstrahl angeordnet ist, wie dies oben beschrieben wurde, die Unterstützungs-Gasdüse 61 in einem gewünschtem Maß verengt werden. Somit kann die Strömungsgeschwindigkeit des Unterstützungsgases erhöht werden oder das Unterstützungsgas kann effizient zu dem zu schneidenden Abschnitt zugeführt werden. Auch kann das Unterstützungsgas in einem gewünschten Druck bereitgestellt werden, um die Strömungsgeschwindigkeit und die Strömungsrate zu erhöhen. Darüber hinaus kann eine divergente Düse als Unterstützungs-Gasdüse 61 verwendet werden, so dass das Unterstützungsgas bei einer sehr hohen Geschwindigkeit ausgestrahlt werden kann, wodurch die Schneidgeschwindigkeit deutlich erhöht wird. Zum Schneiden eines 100 mm dicken Metallblechs ergab beispielsweise eine konventionelle koaxiale Unterstützungs-Gasdüse, wie sie in 13 dargestellt ist, eine Schneidgeschwindigkeit von etwa 0,05 m/Min. bei Verwendung beispielsweise eines 8 kW-Laserlichts. Im Gegensatz hierzu erreicht die koaxiale Unterstützungs-Gasdüse gemäß der vorliegenden Ausführungsform eine hohe Schneidgeschwindigkeit von 0,1 m/Min. mit beispielsweise einem 4 kW-Laserlicht.
In dem in 3E gezeigten Pulverzufuhrmittel gemäß der vorliegenden Erfindung wird ein Metallpulver (wie etwa Eisen, Edelstahl oder Aluminium), das von einem Pulverzuführer 72 über ein Führungsrohr 73 zugeführt wurde, von einer Pulverdüse 71, die an der Spitze platziert ist, ausgestoßen. In diesem Fall ist die Pulverdüse 71 in dem Raumabschnitt 24d zwischen dem ersten Teillaserstrahl 24b und dem zweiten Teillaserstrahl 24c koaxial mit diesem Laserstrahlen angeordnet. In diesem Zustand wird Laserlicht auf das Metallpulver aufgebracht, wobei das Metallpulver von der Pulverdüse 71 ausgeworfen wird, um eine beliebige dreidimensionale Form auszubilden.
Wie in den 1, 2A und 2B gezeigt, dreht die Spiegeldrehvorrichtung 32 den zweiten Reflektionsspiegel 28 in einer Richtung des Pfeils A, oder in einer entgegengesetzten Richtung des Pfeils B um eine zentrale Welle 28b herum. Somit wird dann, wenn der zweite Reflektionsspiegel 28 in der Richtung des Pfeils B mittels der Spiegeldrehvorrichtung 32 gedreht wird, wie dies in 4 gezeigt wird, der Reflektionswinkel des ersten Teillaserstrahls 24b vom zweiten Reflektionsspiegel 28 verändern, um einen Raum zwischen einer fokussierten Spitze 24b-1 des ersten Teillaserstrahls 24b sowie einer fokussierten Spitze 24c-1 des zweiten Teillaserstrahls 24c bereitzustellen. Dieser Raum d kann wie gewünscht durch Einstellung des Drehwinkels des zweiten Reflektionsspiegels 28 eingestellt werden.
Wie in den 1, 2A und 2B gezeigt, bewegt die Spiegelbewegungsvorrichtung 31 darüber hinaus den ersten Reflektionsspiegel 27 in einer Richtung senkrecht zur optischen Achse des Laserstrahls 24a (d. h. in einer Richtung des Pfeils C, oder in einer entgegengesetzten Richtung des Pfeils D). Somit sinkt dann, wenn der ersten Reflektionsspiegel 27 in der Richtung des Pfeils C mittels der Spiegelbewegungsvorrichtung 31 bewegt wird, wie dies in 5 gezeigt ist, die Proportion des vom ersten Reflektionsspiegel 27 reflektierten ersten Teillaserstrahls 24 ab, während die Proportion des zweiten Teillaserstrahls 24c sich vergrößert. Die ??verhältnis kann wie gewünscht durch Einstellung der Position eingestellt werden, zu der der erste Reflektionsspiegel 27 bewegt wird. Wenn der zweite Reflektionsspiegel 28 gleichzeitig in Richtung des Pfeils B mittels der Spiegeldrehvorrichtung 32 gedreht wird, wird der Raum D zwischen der fokussierten Spitze 24b-1 des ersten Teil-Laserstrahls 24b und der fokussierten Spitze 24c-1 des zweiten Teillaserstrahls 24 vergrößert.
Die Bewegung des ersten Reflektionsspiegels 27 oder die Rotation des zweiten Reflektionsspiegels 28 ist nicht notwendigerweise auf das Betriebsverhalten der Spiegelbewegungsvorrichtung 31 oder der Spiegeldrehvorrichtung 32 eingeschränkt, sondern kann auch von Hand ausgeführt werden.
(Aktionen und Effekte)
Gemäß der vorliegenden Ausführungsform 1 ist, wie dies oben beschrieben wurde, der Laserstrahl-Bearbeitungskopf 22 aus der einzelnen Kollimator-Linsenanordnung 26 zur Erzeugung eines parallel Strahls aus dem Laserlicht 24; dem ersten Reflektionsspiegel 27 zur Reflektion des Teils des Laserstrahls 24a, der von der Kollimator-Linsenanordnung 26 parallel gemacht wurde, um den Laserstrahl 24a in den ersten Laserstrahl 24b und den zweiten Teillaserstrahl 24c zu unterteilen; dem zweiten Reflektionsspiegel 28 zur weiteren Reflektion des ersten Teillaserstrahls 24b, der vom ersten Reflektionsspiegel 27 reflektiert wurde, um den Raumabschnitt 24b zwischen dem ersten Teillaserstrahl 24b und dem zweiten Teillaserstrahl 24c auszubilden; der einzelnen Fokussier- Linsenanordnung 29 zur Fokussierung des ersten Teillaserstrahls 24b und des zweiten Teillaserstrahls 24c auf den zu schneidenden Abschnitt 34a hin; und der GMA-Elektrode 33, die in dem Raumabschnitt 24d zwischen dem ersten Teillaserstrahl 24b und dem zweiten Teillaserstrahl 24c koaxial mit dem Laserstrahl angeordnet ist, zusammengesetzt. Somit erreicht der Laserstrahl-Bearbeitungskopf 22 die nachfolgend angegeben Aktionen und Effekte:
Verglichen mit einem konventionellen Laserstrahl-Bearbeitungskopf, bei dem ein Laserstrahl-Bearbeitungskopf und ein GMA-Schweißkopf unabhängig voneinander ausgestaltet sind, in dem perforierte Linsen für die koaxiale Anordnung verwendet werden, oder in dem konkave und konvexe Dachspiegel dazu verwendet werden, das Laserlicht in zwei Strahlen zu unterteilen, ist der vorliegende Laserstrahl-Bearbeitungskopf 22 sehr klein und kostengünstig und frei vom Risiko der Beschädigung der optischen Instrumente. Die Erfinder haben ebenso einen Laserstrahl-Bearbeitungskopf entwickelt, in dem das Laserlicht mittels eines dreieckigen Pyramidenspiegels in zwei Strahlen unterteilt wird und diese Teillaserstrahlen mittels individueller Fokussier-Linsenanordnung fokussiert werden. In diesem Fall ist die Breite des gesamten Laserstrahl-Bearbeitungskopfs beispielsweise so groß wie etwa 300 mm. Verglichen mit einem derartigen Laserstrahl-Bearbeitungskopf ist der vorliegende Laserstrahl-Bearbeitungskopf 22, der dazu konfiguriert ist, beide Teillaserstrahlen 24b und c mittels einer einzelnen Fokussier-Linsenanordnung 29 zu fokussieren, sehr kompakt. Da der Laserstrahl-Bearbeitungskopf 22 sehr kompakt ist, kann er leicht an einem multiaxialen NC-Roboter 23 befestigt werden. Da die GMA-Elektrode 33 und das YAG-Laserlicht 24 (Teillaserstrahlen 24b, 24c) koaxial sind, kann darüber hinaus der Laserstrahl-Bearbeitungskopf 22 leicht an einer beliebigen Position mittels des multiaxialen NC-Roboters 23 positioniert oder zu dieser bewegt werden, und kann leicht eine dreidimensionale Bearbeitung ausführen.
Darüber hinaus kann ein Verschweißen bei einer sehr hohen Geschwindigkeit mittels koaxialer Verschweißung unter Verwendung einer GMA-Elektrode 33 und des YAG-Laserlichts 24 (Teillaserstrahle 24b, 24c) ausgeführt werden. Beispielsweise beträgt die Schweißgeschwindigkeit etwa 0,4 mm/Sek. mit konventioneller GMA-Verschweißung. In Gegensatz hierzu erlaubt eine GMA/YAG-Koaxial-Verschweißung eine Hochgeschwindigkeitsverschweißung bei 2 mm/Sek. ein Hauptgrund dafür, warum eine Hochgeschwindigkeitsverschweißung möglich ist, ist der, dass das Metall (Basismaterial 34) bei Bestrahlung mit den Teillaserstrahlen 24b, 24c verdampft und teilweise ionisiert (in Eisen, Ion, Chrom-Ionen, Nickelionen), woraufhin eine Bogenentladung in den daraus resultierenden Ionen induziert wird, um den Bogen zu stabilisieren. Wenn versucht wird, eine Hochgeschwindigkeitsverschweißung nur durch GMA-Verschweißung ohne Aufbringung der Teillaserstrahlen 24b 24c zu erreichen, verläuft der Bogen schwankend und wird dann sehr unstabil, wenn die GMA-Elektrode 33 bei hoher Geschwindigkeit bewegt wird. Somit wird kein kontinuierlicher Wulst ausgebildet, so dass eine Hochgeschwindigkeitsverschweißung unmöglich wird. Wenn die Teillaserstrahlen 24b, 24c aufgebracht werden, ist andererseits der Bogen auch während einer Hochgeschwindigkeitsbewegung der GMA-Elektrode 33 stabil, so dass ein kontinuierlicher und zufriedenstellender Wulst ausgebildet wird. Nebenbei bemerkt wird die Spitze der GMA-Elektrode 33 mit Wärme aufgrund der Bogenentladung oder mittels Joule-Wärme erhitzt und wird ebenso durch die Bestrahlung mit den Laserstrahlen 24b, 24c erhitzt. Dies mag ein anderer Grund für die Hochgeschwindigkeitsverschweißung sein.
Darüber hinaus war bisher die Verschweißung zur Verwendung eines reinen Argongases als Schutzgas im Hinblick auf die Bogenstabilität schwierig, eine derartige Verschweißung eines SUS-Materials oder eine hochchromhaltigen Materials in einer reinen Argongas-Atmosphäre wird jedoch möglich. Das bedeutet, dass generell zur Stabilisation eines Bogens ein Inertgas, das mit einer kleinen Menge von O₂ oder CO₂ vermischt ist, als Schutzgas verwendet wird. Beim Verschweißen eines SUS-Materials oder eines hochchromhaltigen Materials, wurde jedoch bisher ein reines Argongas als Schutzgas aufgrund des Problems einer Korrosionsbestimmlichkeit verwendet, und ein Fülldraht, der ein den Bogen stabilisierendes Element in einem Fülldraht aufweist, wurde als GMA-Elektrode zur Stabilisierung des Bogens verwendet. Mit dem vorliegenden Laserstrahl-Bearbeitungskopf 22 kann jedoch im Gegensatz hierzu der Bogen durch Aufbringung der Laserstrahlen 24b, 24c stabilisiert werden, wie dies bereits vorher dargelegt wurde. Somit kann die Verschweißung eines SUS-Materials oder eines hochchromhaltigen Materials in reiner Argongas-Atmosphäre ohne die Verwendung eines speziellen Drahts ausgeführt werden.
Wenn die TIG-Elektrode 42 koaxial mit dem Laserlicht in dem Laserstrahl-Bearbeitungskopf 22 angeordnet ist, können die gleichen Aktionen und Effekte wie oben beschreiben erreicht werden. Da der Laserstrahl-Bearbeitungskopf 22 sehr kompakt ist, ist dessen Befestigung an dem multiaxialen NC-Roboter 23 leicht und der Laserstrahl-Bearbeitungskopf 22 kann leicht an einer beliebigen Position mittels des multiaxialen NC-Rotobers 23 positioniert oder zu dieser bewegt werden. Ebenso ist der Laserstrahl-Bearbeitungskopf 22 kostengünstig, frei vom Risiko der Beschädigung optischer Elemente und ermöglicht eine Hochgeschwindigkeitsverschweißung und erlaubt die Verschweißung in reiner Argongas-Atmosphäre.
Wenn der Fülldraht 52 koaxial in dem Laserstrahl-Bearbeitungskopf 22 gemäß der vorliegenden Erfindung angeordnet ist, können die folgend angegebenen Aktionen und Effekte erreicht werden: da der Laserstrahl-Bearbeitungskopf 22 sehr kompakt ist, ist dessen Befestigung an dem multiaxialen NC-Roboter 23 leicht und der Laserstrahl-Bearbeitungskopf 22 kann leicht an einer beliebigen Position mittels des multiaxialen NC-Roboters 23 positioniert oder zu dieser bewegt werden. Ebenso ist der Laserstrahl-Bearbeitungskopf 22 kostengünstig und frei vom Risiko der Beschädigung optischer Instrumente.
Wenn die Unterstützungs-Gasdüse 61 koaxial im Laserstrahl-Bearbeitungskopf 22 gemäß der vorliegenden Erfindung angeordnet ist, können die nachfolgend angegebenen Aktionen und Effekte erreicht werden: da der Laserstrahl-Bearbeitungskopf 22 sehr kompakt ist, ist dessen Befestigung an dem multiaxialen NC-Roboter 23 leicht und der Laserstrahl-Bearbeitungskopf 22 kann leicht an einer beliebigen Position durch den multiaxialen NC-Roboter 23 positioniert oder zu dieser bewegt werden. Ebenso ist der Laserstrahl-Bearbeitungskopf 22 kostengünstig und frei vom Risiko der Beschädigung optischer Instrumente. Darüber hinaus kann die Unterstützungs-Gasdüse 61 in einem gewünschten Grad verengt werden, um die Strömungsgeschwindigkeit des Unterstützungsgases zu erhöhen oder das Unterstützungsgas effizient zu dem zu schneidenden oder zu bohrenden Abschnitt zuzuführen. Darüber hinaus kann das Unterstützungsgas auf einen gewünschten Druck gebracht werden, um die Strömungsgeschwindigkeit und die Strömungsrate zu erhöhen. Nebenbei bemerkt kann eine divergente Düse als Unterstützungs-Gasdüse 61 verwendet werden, so dass das Unterstützungsgas bei einer sehr hohen Geschwindigkeit ausgestrahlt werden kann, wodurch die Schneidgeschwindigkeit oder Bohrgeschwindigkeit deutlich erhöht wird.
Wenn die Pulverdüse 71 koaxial in dem Laserstrahl-Bearbeitungskopf 22 gemäß der vorliegenden Erfindung angeordnet ist, können die nachfolgend angegebenen Aktionen und Effekte erreicht werden: da der Laserstrahl-Bearbeitungskopf 22 sehr kompakt ist, ist dessen Befestigung an dem multiaxialen NC-Roboter 23 leicht und der Laserstrahl-Bearbeitungskopf 22 kann leicht an einer beliebigen Position mittels des multiaxialen NC-Roboters 23 positioniert oder zu dieser bewegt werden. Ebenso ist der Laserstrahl-Bearbeitungskopf 22 kostengünstig und frei vom Risiko der Beschädigung optischer Instrumente.
Gemäß der vorliegenden Ausführungsform 1 kann darüber hinaus der Abstand zwischen dem ersten Teillaserstrahl 24b und dem zweiten Teillaserstrahl 24c dadurch einstellbar gemacht werden, dass der zweite Reflektionsspiegel 28 mittels der Spiegeldrehvorrichtung 32 oder mittels eines manuellen Betriebs drehbar gemacht wird. In diesem Fall wird der Drehwinkel des zweiten Reflektionsspiegels 28 geeignet eingestellt, um den Raum d zwischen der fokussierten Spitze 24b-1 des ersten Teillaserstrahls 24b und der fokussierten Spitze 24c-1 des zweiten Teillaserstrahls 24c in geeigneter Weise zu vergrößern, wie dies in 4 gezeigt wird. Hierdurch kann das Basismaterial 34 mit einer großen Spaltbreite (beispielsweise eine Spaltbreite von 1 mm) verschweißt werden.
Ebenso kann das Teilverhältnis zwischen dem ersten Teillaserstrahl 24b und dem zweiten Teillaserstrahl 24c dadurch einstellbar gemacht werden, dass der erste Reflektionsspiegel 27 mittels der Spiegelbewegungsvorrichtung 31 oder mittels eines manuellen Betriebs beweglich gemacht wird, und der Raum zwischen dem ersten Teillaserstrahl 24b und dem zweiten Teillaserstrahl 24c kann dadurch verstellbar gemacht werden, dass der zweite Reflektionsspiegel 28 mittels der Spiegeldrehvorrichtung 32 oder mittels eine manuellen Betriebs drehbar gemacht wird. In diesem Fall wird, wie dies in 5 gezeigt wird, die Bewegungsposition des ersten Reflektionsspiegels 27 so geeignet eingestellt, dass die Proportion des ersten Teillaserstrahls 24b geeignet verringert wird, und die Proportion des zweiten Teillaserstrahls 24c in geeigneter Weise erhöht wird, und der Drehwinkel des zweiten Reflektionsspiegels 28 wird so geeignet eingestellt, dass der Raum d zwischen der fokussierten Spitze 24b-1 des ersten Teillaserstrahls 24b und der fokussierten Spitze 24c-1 des zweiten Teillaserstrahls 24c in geeigneter Weise vergrößert wird. Hierdurch wird der zweite Teillaserstrahl 24c zuerst auf das Basismaterial 34 aufgebracht, wie dies vom Pfeil F angedeutet ist, um eine tiefe Schweißpenetration zu erreichen, und anschließend wird der erste Teillaserstrahl 24b aufgebracht, wodurch ein hochqualitativer Wulst ausgebildet werden kann. Zu diesem Zeitpunkt kann eine zufriedenstellende Verschweißung frei von Porosität (Hohlräumen) ausgeführt werden. Das bedeutet, dass dann, wenn ein einzelner Laserstrahl aufgebracht wird, eine Porosität dazu neigt, in dem zu verschweißenden Abschnitt aufzutreten. Wenn der zweite Teillaserstrahl 24c zuerst aufgebracht wird und anschließend der erste Teillaserstrahl 24b aufgebracht wird, wird andererseits die Porosität, die einmal während der Aufbringung des zweiten Teillaserstrahls 24c eingeschlossen wurde, durch die Bestrahlung mit dem ersten Teillaserstrahl 24b aufgebrochen, wodurch die Porosität eliminiert werden kann.
Ebenso ist der koaxiale Laserstrahl-Bearbeitungskopf 22 so aufgebaut, dass die optische Achse der Kollimator-Linsenanordnung 26 und die optische Achse der Fokussier-Linsenanordnung 29 in einer Richtung senkrecht zu den optischen Achsen versetzt sind, wodurch die Kollimator-Linsenanordnung 26 über eine Seite in Bezug auf die Fokussier-Linsenanordnung 29 so bewegt wird, dass der von den ersten und zweiten Reflektionsspiegel 27 und 28 reflektierte erste Teillaserstrahl 24b in die andere Seite der Fokussier-Linsenanordnung 29 eintritt. Somit können verglichen mit der Festlegung zwischen der optischen Achse der Kollimator-Linsenanordnung 26 und der optischen Achse der Fokussier-Linsenanordnung 29 der erste Teillaserstrahl 24b und der zweite Teillaserstrahl 24c auch durch eine Fokussier-Linsenanordnung 29 mit kleinerem Durchmesser fokussiert werden und der gesamte Laserstrahl-Bearbeitungskopf kann kleiner gefertigt werden.
Die mit dem oben beschriebenen Laserstrahl-Bearbeitungskopf 22 versehen Laserstrahl-Bearbeitungsvorrichtung ist eine kostengünstige Laserstrahl-Bearbeitungsvorrichtung mit einer exzellenten Bearbeitungseignung zum Verschweißen und Schneiden.
(Ausführungsform 2)
6 ist eine Perspektivansicht, die eine Systemaufbau einer Laserstrahl-Bearbeitungsvorrichtung gemäß Ausführungsform 2 zeigt, die für das Verständnis der vorliegenden Erfindung sinnvoll ist. Die 7A und 7B sind Seitenansichten, die den Aufbau eines wesentlichen Teils eines Laserstrahl-Bearbeitungskopfs zeigen, der in der Laserstrahl-Bearbeitungsvorrichtung vorgesehen ist, 7A ist eine Ansicht gesehen in Richtung des Pfeils G aus 9A und 7B ist eine Ansicht gesehen in Richtung des Pfeils H aus 9A. Die 8A und 8B sind Seitenansichten, die nur einen Teil des Laserlichts zeigen, das von dem Reflektionsspiegeln reflektiert wurde, 8A ist eine Ansicht korrespondierend mit 7A und 8B ist eine Ansicht korrespondierend mit 7B. 9A ist eine vergrößerte Schnittansicht entlang der Linie I-I aus 7A, 9B ist eine vergrößerte Schnittansicht entlang der Linie J-J aus 7A und 9C ist eine vergrößerte Schnittansicht entlang der Linie K-K aus 7A. Die 10A bis 10D sind Erläuterungszeichnungen, die andere Anordnungsbeispiele der Reflektionsspiegel zeigen, wobei 10A eine Seitenansicht, 10B eine Seitenansicht gesehen von einer Richtung L in 10A, 10C eine Schnittansicht entlang der Linie M-M aus 10A und 10D eine Schnittansicht entlang der Linie N-N aus 10A ist.
(Aufbau)
Wie in 6 gezeigt, weist die Laserstahl-Bearbeitungsvorrichtung gemäß der vorliegenden Ausführungsform 2, die nicht von der vorliegenden Erfindung abgedeckt ist, einen YAG-Laseroszillator 81, eine optische Faser 85 als Laserlicht-Transmissionsmittel, einen Laserstrahl-Bearbeitungskopf 82 sowie einen multiaxialen NC-Roboter 83 als Bewegungselement für den Laserstrahl-Bearbeitungskopf auf. Laserlicht 84, das vom YAG-Laseroszillator 81 oszilliert wurde, wird zu einem Eingabeabschnitt des Laserstrahl-Bearbeitungskopfs 82 mittels der optischen Faser 85 übermittelt. Der Laserstrahl-Bearbeitungskopf 82 ist an dem multiaxialen NC-Roboter 83 befestigt und wird an einer beliebigen Position mittels des multiaxialen NC-Rotobers 83 positioniert oder hier hin bewegt. Der Laserstrahl-Bearbeitungskopf 82 weist in einem äußeren Zylinder 90 eine Kollimator-Linsenanordnung 86 als optisches Kollimator-System, einen ersten Reflektionsspiegel 87, einen zweiten Reflektionsspiegel 88, eine Fokussier-Linsenanordnung 89 als optisches Fokussier-System sowie eine GMA-Elektode (MIG-Elektrode oder dergleichen 33 als Spitzenbearbeitungsabschnitt des GMA-Schweißelements des MIG-Schweißelements oder dergleichen) auf.
Eine detaillierte Beschreibung des Laserstrahl-Bearbeitungskopfs 82 wird basierend auf den 6 bis 10a bis 10b vorgenommen. Die Kollimator-Linsenanordnung 86 ist aus einer Vielzahl von Linsen zusammengesetzt, die in Reihe angeordnet sind, um Laserlicht 84, das mittels der optischen Faser 85 übermittelt wurde, in einen Parallelstrahl zu führen. Der erste Reflektionsspiegel 87 und der zweite Reflektionsspiegel 88 sind unterhalb der Kollimator-Linsenanordnung 86 in den Zeichnungen angeordnet und die Fokussier-Linsenanordnung 89 ist in den Zeichnungen unterhalb dieser Reflektionsspiegel 87 und 88 angeordnet.
Der erste Reflektionsspiegel 87 ist ein schlanker, rechteckiger, flacher Spiegel mit einer vorab festgelegten Breite (einer Breite, die die Ausbildung eines Raumabschnitts mit gewünschter Breite in einem Körper des Laserlichts erlaubt). Der erste Reflektionsspiegel 87 wird in den Laserstrahl 84a eingesetzt, der vorab durch die Kollimator-Linseanordnung 86 parallel gemacht wurde, horizontal entlang einer diametralen Richtung einer Querschnittsebene des Laserstrahls 84a (in einer Richtung senkrecht zur optischen Achse des Laserstrahls 84a) in Bezug auf den zentralen Teil der Querschnittsebene (siehe die 7A, 8A und 9A), und eine Reflektionsoberfläche 87a des ersten Reflektionsspiegels 87 wird nach oben (auf die Kollimator-Linsenanordnung hin) und in einer Richtung senkrecht zur Richtung des Einsetzens des ersten Spiegels 87 (siehe die 7B und 8B: geneigt nach rechts in den Zeichnungen in den dargestellten Ausführungsformen) geneigt. Somit reflektiert der erste Reflektionsspiegel 87 einen Teil 84b des Laserstrahls 84a, um diesen aus dem Laserstrahlkörper 84c abzuziehen. Als Ergebnis hiervon wird ein Raumabschnitt 84d im Laserstrahlkörper 84c ausgebildet (7B und 8B).
Der zweite Reflektionsspiegel 88 ist ein schlanker, flacher Spiegel ähnlich dem ersten Reflektionsspiegel 87. Der zweite Reflektionsspiegel 88 ist außerhalb des Laserstrahlkörpers 84c angeordnet und weist eine Reflektionsoberfläche 88a auf, die nach unten (auf die Fokussier-Linsenanordnung hin) und auf den ersten Reflektionsspiegel 87 hin geneigt ist. Somit wird gemäß dem zweiten Reflektionsspiegel 88 der Teil 84b des Laserlichts, das von dem ersten Reflektionsspiegel 87 reflektiert wurde, so reflektiert, dass es parallel zum Laserstrahlkörper 84c und kontinuierlich oder nahe an der äußeren Umfangsoberfläche des Laserstrahlkörpers 84c liegt (siehe 7B und 9B). In der illustrierten Ausführungsform steht der Teil 84b des Laserlichts in Kontakt mit der äußeren Umfangsoberfläche des Laserstrahlkörpers 84c, wodurch der Durchmesser der Fokussier-Linsenanordnung 89 so klein wie möglich gemacht wird.
Die Anordnung der ersten und zweiten Reflektionsspiegel 87 und 88 ist nicht auf die oben erwähnte Anordnung beschränkt, sondern kann wie in den 10A bis 10D gezeigt, sein. Wie in den 10A bis 10D gezeigt, wird der erste Reflektionsspiegel 87 in den Laserstrahl 84a entlang der diametralen Richtung der Querschnittsebene des Laserstrahls 84a und schräg in Bezug auf die optische Achse des Laserstrahls 84a (schräg auf die Fokussier-Linsenanordnung hin) (siehe 10A) eingesetzt, wobei die Reflektionsoberfläche 87a nach oben gerichtet ist, (auf die Kollimator-Linsenanordnung hin) und geneigt in einer Richtung senkrecht zur Richtung des Einsetzens des ersten Reflektionsspiegels 87 (siehe 10B). Somit reflektiert der erste Reflektionsspiegel 87 einen Teil 84b des Laserlichts nach außen aus dem Laserstrahlkörper 24c und schräg (siehe 10C).
Der zweite Reflektionsspiegel 88 ist außerhalb des Laserstrahlkörpers 84c angeordnet und schräg in Bezug auf die optische Achse des Laserstrahls 84a wie der erste Reflektionsspiegel 87 und auf den ersten Reflektionsspiegel 87 (siehe 10B) hin geneigt, wobei dessen Reflektionsoberfläche 88a nach unten gerichtet ist (auf die Fokussier-Linsenanordnung hin). Somit wird der von dem ersten Reflektionsspiegel 87 reflektierte Teil 84b des Laserlichts so reflektiert, dass er parallel zum Laserstrahlkörper 84c und kontinuierlich mit oder nahe an der äußeren Umfangsoberfläche des Laserstrahlkörpers 84c (siehe 10B) steht. In diesem Fall wird der Teil 84b des Laserlichts direkt neben dem Laserstrahlkörper 84c positioniert, wie dies in 10D gezeigt ist. Somit hat der Durchmesser der Fokussier-Linseanordnung 89 kleiner als dann gefertigt werden, wenn der Teil 84b Laserlicht an einer Position platziert ist, die von der Position direkt neben dem Laserstrahlkörper 84c versetzt ist, wie dies in 9B gezeigt ist.
Die Fokussier-Linsenanordnung 89 ist aus einer Vielzahl von Linsen zusammengesetzt, die in Reihe angeordnet sind und den Laserstrahlkörper 24c, in dem der Raumabschnitt 84d mittels des ersten Reflektionsspiegels 87 ausgebildet wurde, und der Teil 84b des Laserlichts, der vom ersten und zweiten Reflektionsspiegel 87 und 88 reflektiert wurde, auf einen zu verschweißenden Abschnitt 94a eines Basismaterials 94 fokussiert wird. Zu diesem Zeitpunkt werden der Laserstrahlkörper 84c und der Teil 84b des Laserlichts auf einen Punkt hin fokussiert. Das bedeutet, dass der Laserstrahl 84a ein paralleler Strahl ist. Somit können auch dann, wenn die optischen Pfadlängen des Laserstrahlkörpers 84c und des Teils 84b des Laserlichts zwischen der Kollimator-Linsenanordnung 86 und der Fokussier-Linsenanordnung 89 unterschiedlich sind, diese Laserstrahlen 84b und 84c auf einen Punkt mittels der Fokussier-Linsenanordnung 89 fokussiert werden. Die Fokussier-Linsenanordnung 89 ist darüber hinaus etwas größer im Durchmesser als die Kollimator-Linsenanordnung 86. Die optische Achse der Kollimator-Linsenanordnung 86 und die optische Achse der Fokussier-Linsenanordnung 89 sind in einer Richtung senkrecht zu diesen optischen Achsen versetzt, wodurch die Kollimator-Linsenanordnung 86 zu einer Seite (linke Seite in 7B) in Bezug auf die Fokussier-Linsenanordnung 89 gebracht wird und der Teil 84b des Laserlichts, der von dem ersten und zweiten Reflektionsspiegel 87 und 88 reflektiert wurde, tritt in die andere Seite (rechte Seite in 7B) der Fokussier-Linsenanordnung 89 ein. Aufgrund dieses Aufbaus fallen der direkt von der Kollimator-Linsenanordnung 86 zu der Fokussier-Linsenanordnung 89 übermittelte Laserstrahlkörper 84c und der Teil 84b des Laserlichts, der vom Laserstrahlkörper 84c nach außen abgezogen wurde, auf die einzelne Fokussier-Linsenanordnung 89 ein. Da die einzelne Fokussier-Linsenanordnung 89 sowohl den Laserstrahlkörper 84c als auch den Teil 94b des Laserlichts fokussiert, ist der gesamte Laserstrahl-Bearbeitungskopf sehr klein. Der Durchmesser der Fokussier-Linsenanordnung 89 beträgt beispielsweise etwa 70 mm.
An der Ausgabeseite der Fokussier-Linsenanordnung 89 (der unteren Seite in den Zeichnungen), wird die GMA-Elektrode 93 mittels des äußeren Zylinder 90 abgestützt und in den Raumabschnitt 84d des Laserstrahlkörpers 84c koaxial mit dem Laserstrahlkörper angeordnet. Gemäß diesem Aufbau wird eine GMA/YAG-Koaxialverschweißung möglich. In dem GMA-Schweißelement werden elektrische Energie und ein Inertgas von einer GMA-Schweißmaschine 96 zu einem GMA-Kopf 95 an der Spitze über ein Führungsrohr 98 zugeführt, und eine GMA-Elektrode (Fülldraht) 93 wird von einem Drahtzuführer 97 zugeführt, wodurch eine GMA-Verschweißung ausgeführt wird. Anstelle des GMA-Schweißelements kann der Spitzenbearbeitungsabschnitt jedes anderen Bearbeitungsmittels, wie es in den 3A (nicht von der vorliegenden Erfindung abgedeckt) und in den 3B bis 3E (in den in die vorliegende Erfindung repräsentiert wird) in dem Raumabschnitt 84d des Laserstrahlkörpers 84c koaxial mit dem Laserstrahlkörper 84c angeordnet sein, wie in der oben erwähnten Ausführungsform 1, obwohl konkrete Erläuterungen dieser Alternativen unterlassen werden.
(Aktionen und Effekte)
Gemäß der vorliegenden Ausführungsform 2 können die gleichen Aktionen und Effekte wie in der oben erwähnten Ausführungsform 1 erreicht werden. Das bedeutet, dass der Laserstrahl-Bearbeitungskopf 82 auf der einzelnen Kollimator-Linsenanordnung 86 zusammengesetzt ist, um das Laserlicht 84 in einen parallel Strahl zu überführen; einem ersten Reflektionsspiegel 87 zur Reflektion des Teils 84b des Laserstrahls 84a, der mittels der Kollimator-Linsenanordnung 86 parallel gemacht wurde, um den Teil 84b des Laserstrahls 84 aus dem Laserstrahlkörper 84c nach außen abzuziehen, wodurch der Raumabschnitt 84d in dem Laserstrahlkörper 84c ausgebildet wird; dem zweiten Reflektionsspiegel 88, der außerhalb des Laserstrahlkörpers 84c angeordnet ist und so angepasst ist, dass er den Teil 84b des Laserlichts, der von dem ersten Reflektionsspiegel 87 reflektiert wurde, so reflektiert, dass er parallel zu dem Laserstrahlkörper 84c steht und in Kontakt mit oder annähernd an der äußeren Umfangsoberfläche des Laserstrahlkörpers 84c steht; der einzelnen Fokussier-Linsenanordnung 89 zur Fokussierung des Laserstrahlkörpers 84c, in den der Raumabschnitt 84d durch den ersten Reflektionsspiegel 87 ausgebildet wurde, und dem Teil 84b des Laserlichts, der von den ersten und zweiten Reflektionsspiegel 87 und 88 reflektiert wurde, auf den zu verschweißenden Abschnitt 94a; und die GMA-Elektrode 93 ist in dem Raumabschnitt 84d des Laserstrahlkörper 84c koaxial mit dem Laserstrahlkörper angeordnet. Somit ist der Laserstrahl-Bearbeitungskopf 22 sehr klein und kostengünstig und frei vom Risiko der Beschädigung optischer Instrumente verglichen mit konventionellen Laserstrahl-Bearbeitungsköpfen. Da der Laserstrahl-Bearbeitungskopf 82 sehr kompakt ist, kann er darüber hinaus leicht von einem multiaxialen NC-Roboter 83 befestigt werden. Da die GMA-Elektrode 83 und das YAG-Laserlicht 84 (Laserstrahlkörper 84c) koaxial zueinander stehen, kann darüber hinaus der Laserstrahl-Bearbeitungskopf 82 leicht an einer beliebigen Position mittels des multiaxialen NC-Rotober 83 positioniert oder hierzu bewegt werden, oder kann leicht eine dreidimensionale Bearbeitung ausführen. Nebenbei bemerkt kann die Verschweißung bei sehr hoher Geschwindigkeit mittels Koaxialverschweißung unter Verwendung der GMA-Elektrode 83 und des YAG-Laserlichts 84 (der Laserstrahlkörper 84c und ein Teil 84b des Laserlichts) ausgeführt werden. Zusätzlich wird ebenso die Verschweißung eines SUS-Materials oder eines hochchromhaltigen Materials in reiner Argongas-Atmosphäre möglich.
Zusätzlich wird gemäß der vorliegenden Ausführungsform 2 der Teil 84b des Laserstrahl, der aus dem Laserstrahlkörper 84c mittels des ersten Reflektionsspiegels 87 entnommen wurde, weiter durch den zweiten Reflektionsspiegel 88 reflektiert und zusammen mit dem Laserstrahlkörper 84c auf den zu verschweißenden Abschnitt 94a durch die Fokussier-Linsenanordnung 89 fokussiert. Somit kann die Energie des Laserlichts 84 effizient ohne Verlust verwendet werden, um den Verlust an Laserlicht 84 zu minimieren.
Nebenbei bemerkt wird, wie dies in den 10A bis 10B gezeigt wird, der erste Reflektionsspiegel 87 in den Laserstrahl 84a eingesetzt, der vorher mittels der Kollimator-Linsenanordnung 86 parallel gemacht wurde, entlang deiner diametralen Richtung der Querschnittsebene des Laserstrahls 84a und schräg in Bezug auf die optische Achse des Laserstrahls 84a und geneigt in einer Richtung senkrecht zur Richtung des Einsetzens des ersten Reflektionsspiegels 87. Hierdurch wird der Teil 84b des Laserstrahls schräg nach außen zum Laserstrahlkörper 84c reflektiert. In diesem Fall wird der Teil 84 mittels des Laserlichts direkt neben dem Laserstrahlkörper 84c positioniert. Somit kann verglichen mit dem Teil 84b des Laserlichts, der an einer Position platziert ist, die von der Position direkt neben dem Laserstrahlkörper 84c versetzt ist, wie es in 9B gezeigt ist, der Durchmesser der Fokussier-Linsenanordnung 89 kleiner gemacht werden und der gesamte Laserstrahl-Bearbeitungskopf kann kleiner gefertigt werden.
Ebenso ist der Laserstrahl-Bearbeitungskopf 82 so aufgebaut, dass die optische Achse, der Kollimator-Linsenanordnung 86 und die optische Achse der Fokussier-Linsenanordnung 89 in einer Richtung senkrecht zu den optischen Achsen versetzt sind, wodurch die Kollimator-Linsenanordnung 86 über einen Seite in Bezug auf die Fokussier-Linsenanordnung 89 so bewegt wird, dass der Teil 84b des Laserlichts, der von den ersten und zweiten Reflektionsspiegel 87 reflektiert wurde, in die andere Seite der Fokussier-Linsenanordnung 89 eintritt. Somit können verglichen mit der Festlegung zwischen der optischen Achse der Kollimator-Linsenanordnung 86 und der optischen Achse der Fokussier-Linsenanordnung 89 der Laserstrahlkörper 84c und der Teil 84b des Laserstrahls auch mittels einer Fokussier-Linsenanordnung 89 mit kleinerem Durchmesser fokussiert werden und der gesamte Laserstrahl-Bearbeitungskopf kann kleiner gefertigt werden. Die mit dem oben beschriebenen Laserstrahl-Bearbeitungskopf in Übereinstimmung mit den 3B bis 3E versehene Laserstrahl-Bearbeitungsvorrichtung ist eine kostengünstige Laserstrahl-Bearbeitungsvorrichtung mit einer exzellenten Bearbeitungseignung zum Verschweißen und Schneiden. Während die vorliegende Erfindung in der üblichen Seite bisher beschrieben wurde wird angemerkt, dass die Erfindung nicht hierdurch beschränkt wird, sondern vielmehr auf vielfältige Weise variiert werden kann. Derartige Variationen werden nicht als abweichend vom Schutzbereich der Erfindung betrachtet und sämtliche dieser Modifikationen, die für den Fachmann naheliegend sind, sollen innerhalb des Schutzbereichs der anhängenden Ansprüche liegen.

Claims

Laserstrahl-Bearbeitungskopf (22, 82), umfassend: ein optisches Fokussiersystem (29, 89); und eine Unterstützungs-Gasdüse (61), eine Pulverdüse (71), oder einen Fülldrahtkopf (51) eines Fülldraht-Zufuhrelements, das dazu angepasst ist, einen Fülldraht (52) von einem Drahtzuführer (53) zu einem Fülldrahtkopf (58) an der Spitze des Fülldraht-Zufuhrelements über ein Führungsrohr (54) zuzuführen, wobei die Unterstützungs-Gasdüse (61), der Fülldrahtkopf (51), das Zufuhrelement (53) und das Führungsrohr (54) nicht Teil einer Gasbogen-Metallschweißvorrichtung, die eine MIG-, MAG- oder TIG-Schweißvorrichtung ist, ist, wobei Laserlicht mit dem zu dem zu verschweißenden Abschnitt zugeführten Fülldraht aufgebracht wird, um das Laserstrahl-Schweißen auszuführen; gekennzeichnet durch ein optisches Bündelungssystem (26, 86) zur Erzeugung eines parallelen Strahls (24a, 84a) aus Licht; einen ersten flachen Reflektionsspiegel (27, 87) zur Reflektion eines Teils des durch das optische Bündelungssystem (26, 86) parallel gebündelten Laserlichts; wobei der erste Reflektionsspiegel (27) dazu angepasst ist, (a) das Laserlicht in zwei Strahlen (24b, 24c) zu unterteilen, nämlich einen ersten Teil-Laserstrahl (24b) und einen zweiten Teil-Laserstrahl (24c); wobei der Laserstrahl-Bearbeitungskopf einen zweiten flachen Reflektionsspiegel (28) zur weiteren Reflektion des von dem ersten Reflektionsspiegel (27) reflektierten ersten Teil-Laserstrahls (24b) umfasst, um einen Laserstrahl mit einem Raumabschnitt (24d) auszubilden, wobei der erste Teil-Laserstrahl (24b) und der zweite Teil-Laserstrahl (24c) zwischen sich den Raumabschnitt (24d) aufweisen; oder (b) einen Teil des Laserlichts (84b) aus dem Laserlicht-Körper (84c) abzuziehen, wodurch ein Laserstrahl ausgebildet wird, der einen Raumabschnitt (84d) in dem Laserlicht-Körper aufweist; wobei das optische Fokussiersystem (29, 89) so angepasst ist, dass es den Laserstrahl (24b, 24c; 84b, 84c) mit dem Raumabschnitt auf einen zu bearbeitenden Abschnitt (34a, 94a) fokussiert; wobei der Fülldrahtkopf (51), die Unterstützungs-Gasdüse (61) oder die Pulverdüse (71) in dem Raumteil des Laserstrahls (24b, 24c; 84b, 84c), der den Raumabschnitt (24d, 84d) aufweist, angeordnet sind.
Laserstrahl-Bearbeitungskopf (82) gemäß Anspruch 1, wobei der erste Reflektionsspiegel (87) dazu angepasst ist, den Teil des Laserlichts (84b) aus einem Laserlicht-Körper (84c) abzuziehen, wodurch ein Laserstrahl mit einem Raumabschnitt (84d) in dem Laserlicht-Körper ausgebildet wird, umfassend einen zweiten flachen Reflektionsspiegel (88), der außerhalb des Laserlicht-Körpers (84c) platziert ist und so angepasst ist, dass er den abgezogenen Teil des Laserlichts von dem Laserlicht aus dem Laserlicht-Körper reflektiert, um so parallel zu dem Laserlicht-Körper und in Kontakt mit oder in der Nähe zu einer äußeren umfänglichen Oberfläche des Laserlicht-Körpers zu stehen; wobei das optische Fokussiersystem (89) des Weiteren dazu angepasst ist, den von dem ersten und zweiten Reflektionsspiegel (87, 88) reflektierten Teil des Laserlichts auf einen zu bearbeitenden Abschnitt zu fokussieren.
Laserstrahl-Bearbeitungskopf (22) gemäß Anspruch 1, wobei der ersten Reflektionsspiegel (27) dazu angepasst ist, das Laserlicht in zwei Strahlen zu unterteilen, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Reflektionsspiegel (28) normal und in umgekehrter Richtung drehbar gemacht ist, wodurch die Beabstandung zwischen einer fokussierten Spitze des ersten Teil-Laserstrahls (24b) und einer fokussierten Spitze des zweiten Teil-Laserstrahls (24c) einstellbar ist.
Laserstrahl-Bearbeitungskopf (22) gemäß Anspruch 1, wobei der erste Reflektionsspiegel (27) dazu angepasst ist, das Laserlicht in zwei Strahlen zu unterteilen, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Reflektionsspiegel (27) beweglich gemacht ist, wodurch ein Teilverhältnis für den ersten Teil-Laserstrahl (24b) und den zweiten Teil-Laserstrahl (24c) eingestellt werden kann, und der zweite Reflektionsspiegel (28) normal und in umgekehrter Richtung drehbar gemacht ist, wodurch die Beabstandung zwischen einer fokussierten Spitze des ersten Teil-Laserstrahls (24b) und einer fokussierten Spitze des zweiten Teil-Laserstrahls (24c) eingestellt werden kann.
Laserstrahl-Bearbeitungskopf (22) gemäß Anspruch 1, 3 oder 4, wobei der erste Reflektionsspiegel (27) dazu angepasst ist, das Laserlicht in zwei Strahlen zu unterteilen, dadurch gekennzeichnet, dass eine optische Achse des optischen Bündelungssystems (26) und eine optische Achse des optischen Fokussiersystems (29) in einer Richtung senkrecht zu den optischen Achsen verschoben sind, wodurch das optische Bündelungssystem (26) über eine Seite in Bezug auf das optische Fokussiersystem (29) bewegt wird, so dass der durch den ersten und zweiten Reflektionsspiegel (27, 28) reflektierte erste Teil-Laserstrahl in eine andere Seite des optischen Fokussiersystems (29) eintritt.
Laserstrahl-Bearbeitungskopf (82) gemäß Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Reflektionsspiegel (87) entlang einer diametralen Richtung einer Querschnittsebene des Laserlichts und schräg in Bezug auf eine optische Achse des Laserlichts in das Laserlicht eingesetzt wird, welches vorher mittels des optischen Bündelungssystems (86) in einen Parallelstrahl überführt wurde, um so in einer Richtung senkrecht zu einer Richtung des Einsetzens des ersten Reflektionsspiegels geneigt ist, wodurch der Teil des Laserlichts (84b) schräg nach außen vom Körper des Laserlichts (84c) reflektiert wird.
Laserstrahl-Bearbeitungskopf (82) gemäß Anspruch 2 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass eine Achse des optischen Bündelungssystems (86) an eine optische Achse des optischen Fokussiersystems (89) in einer Richtung senkrecht zu den optischen Achsen verschoben wird, wodurch das optische Bündelungssystem (86) über eine Seite in Bezug auf das optische Fokussiersystem bewegt wird, so dass der Teil des Laserlichts, der von dem ersten und zweiten Reflektionsspiegeln (87, 88) reflektiert wurde, in eine andere Seite des optischen Fokussiersystems (89) eintritt.
Laserstrahl-Bearbeitungskopf (22, 82) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass eine Unterstützungs-Gasdüse in den Raumabschnitt (24d, 84d) zwischen dem ersten Teil-Laserstrahl und dem zweiten Teil-Laserstrahl oder in dem Raumabschnitt des Laserlicht-Körpers angeordnet ist, und die Unterstützungsdüse eine divergierende Düse (61) ist.
Laserstrahl-Bearbeitungsvorrichtung, umfassend: den Laserstrahl-Bearbeitungskopf (22, 82) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8; einen Laserstrahl-Oszillator (21, 81) zum Oszillieren von Laserlicht; Laserlicht-Transmissionsmittel (25, 85) zum Aussenden von vom Laserstrahl-Oszillator (21, 81) oszilliertem Laserlicht zu dem Laserstrahl-Bearbeitungskopf (22, 82); und ein Laserstrahl-Bearbeitungskopf-Bewegungselement (22, 83) zur Positionierung und Bewegung des Laserstrahl-Bearbeitungskopfs (22, 82) zu einer beliebigen Position.