Laserstrahlung

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Behandlung von Werkstückoberflächen mittels Laserstrahlen, insbesondere zum Reinigen und Schweißen.

Beim Verbindungsschweißen von metallischen Werkstücken besteht i.d.R. die Forderung nach metallisch blanken Oberflächen. Ein geeignetes Verfahren zur Reinigung von Oberflächen, wie z.B. Entzundern, Entrosten, Entfetten, Entölen oder Entlacken ist die Behandlung mittels Laserstrahl. Dabei wird ein meist fokussierter Laserstrahl auf die Werkstückoberfläche gerichtet. Hierdurch werden

Oberflächenschichten lokal aufgeschmolzen und verdampft. Sie können dann abgeblasen werden. Um ein Anschmelzen der zu reinigenden Oberfläche zu vermeiden, sind die Prozessparameter wie Laserwellenlänge, Leistungsdichte und Relativgeschwindigkeit zwischen Werkstück und Laserstrahl exakt einzustellen. Aus der DE 199 00 910 A1 ist ein Verfahren zum Reinigen bekannt, wobei die von einer Strahlenquelle austretende Laserstrahlung über Lichtleiter einem Bearbeitungskopf zugeführt wird. Um eine an die Anwendungsprozesse angepasste Ablenkungsbahn des Laserstrahls auf der zu behandelnden Oberfläche zu erzeugen, ist eine Strahlablenkung mit zwei über eine Steuereinrichtung winkelveränderlichen Ablenkspiegeln vorgesehen. . .

Es ist die Aufgabe der Erfindung ein Verfahren anzugeben, mit dem die Oberflächen von Werkstücken wirtschaftlicher gereinigt und geschweißt werden können. Es ist auch die Aufgabe der Erfindung eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens anzugeben. . . ^{•' ■} .

Der Kerngedanke der Erfindung besteht darin die gewünschte Relativbeweguήg zwischen Werkstückoberfläche und Laserstrahl durch Bewegen des Werkstücks zu erzeugen. Hierzu kann eine Werkstückspindel, die zum Transportieren und

Positionieren des Werkstücks gesteuert beweglich ist, zusätzlich die für das Reinigen erforderlichen Bewegungen ausführen. Dabei ist der Laserkopf ortsfest am Maschinengestell angeordnet und die im Stand der Technik erforderlichen oszillierenden Ablenkspiegel mit den dazugehörigen Antriebs- und Stellmechanismen entfallen ersatzlos. Besonders vorteilhaft lässt sich das Verfahren zur Reinigung rotationssymmetrischer Flächen einsetzen. Die Relativbewegung zwischen Werkstückoberfläche und Laserstrahl wird dabei durch Rotation des Werkstücks und eine überlagerte lineare Vorschubbewegung erzeugt. Dieser Bewegungsablauf ist mit der Bewegung bei der Werkstückbearbeitung durch Drehen vergleichbar. Bei einer vorteilhaften Ausführung ist die Einstrahlachse des Lasers gegenüber der Rotationsachse vorzugsweise um einen Neigungswinkel von 45° geneigt. Auf diese Weise können sowohl konzentrisch zur Werkstückachse verlaufende zylindrische Flächen als auch senkrecht dazu angeordnete Planflächen gereinigt werden. Bei einer weiteren Ausführung des Verfahrens wird der Laser winkelabhängig leistungsmoduliert. Hierdurch lassen sich bzw. durch Ein- und Ausschalten entsprechende Muster erzeugen. Bei einer weiteren Ausführung werden die durch Fliehkraft vom Werkstück abgeschleuderten Schmutzpartikel von einer Abschirmung aufgefangen. Eine weitere Ausführung sieht vor, die Wirkung des Laserstrahls durch einen Blasluftstrahl zu unterstützen. Als Laserstrahlquelle wird ein CO2 -Laser eingesetzt. Es können jedoch ebenso Festkörperlaser oder Hochleistungsdiodenlaser verwendet werden.

Bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 sind die Bearbeitungszelle 2, die Laserquelle 5 und der die Energieversorgung und die Steuerung aufnehmende

Schaltschrank 6 auf einem Trägerelement 1 montiert. Die Bearbeitungszelle 2 trägt an ihrer Oberseite Führungsbahnen 3, auf denen der Horizontalschlitten 4 in Richtung der X-Achse beweglich geführt ist. Der Antrieb erfolgt über eine Kugelrollspindel 7 mit einem Motor 8. Der Horizontalschlitten 4 trägt einen Vertikalschlitten 9, welcher entlang von Führungsbahnen 10 in vertikaler Richtung entlang der Z-Achse verfahrbar ist. Am Vertikalschlitten 4 ist die Werkstückspindel 11 drehbar gelagert. Sie trägt an ihrem unteren Ende das Spannmittel 12. Eine Transporteinrichtung 14 transportiert zu bearbeitende Werkstücke 13 in den Wirkbereich der Werkstückspindel 11 hinein und fertig bearbeitete Werkstücke 13 aus dem Wirkbereich heraus. Die Werkstückspindel 11 arbeitet nach dem

sogenannten Pick-Up-Prinzip, d.h. sie greift Werkstücke 13 von der Transporteinrichtung 14 und führt zur Bearbeitungsposition 15. Dort wird die Werkstückoberfläche über den Laserkopf 13 mit Laserstrahlen beaufschlagt. Dabei rotiert das Werkstück 13 um die C-Achse und wird nach erfolgter Bearbeitung wieder auf der Transporteinrichtung 14 abgelegt. Der Laserkopf 16 ist ortsfest mit der Bearbeitungszelle 2 verbunden und wird nicht bewegt.

Fig. 2 zeigt die Motorspindel 11 in vergrößerter Darstellung. Die Einstrahlachse 19 ist um einen Winkel α gegenüber der Rotationsachse 20 geneigt. Bei einem Neigungswinkel α von ca. 45° lassen sich sowohl in Richtung der Rotationsachse 20 verlaufende Werkstückoberflächen 17 als auch senkrecht dazu angeordnete Planflächen 18 bearbeiten, ohne dass der Laserkopf 16 bewegt werden muss.

Bezugszeichenliste

1 Trägerelement

2 Bearbeitungszelle

3 Führungsbahn

4 Horizontalschlitten

5 Laserquelle

6 Schaltschrank

7 Kugelrollspindel

8 Motor

9 Vertikalschlitten

10 Führungsbahnen

11 Werkstückspindel

12 Spannmittel

13 Werkstück

14 Transporteinrichtung

15 Bearbeitungsposition

16 Laserkopf

17 Werkstückoberfläche

18 Planfläche

19 Einstrahlachse

20 Rotationsachse

21 Abschirmung

22 Blasluftstrahl