CH681708A5 - - Google Patents

Description

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Beschreibung

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung gemäss dem Oberbegriff des unabhängigen Patentanspruchs. Solche Laser sind meistens C02-Laser mit einer Ausgangsleistung von einigen Kilowatt. Sie werden vor allem beim Schweissen, Trennen oder Auftragen von Materialien verwendet. Der aus dem Laser austretende Lichtstrahl wird vor dem Werkstück durch eine Sammellinse gesammelt, die beispielsweise eine Brennweite von 17 cm hat. Der Linsendurchmesser liegt in der Gegend von zum Beispiel 30 bis 50 mm. Die Linsen bestehen beispielsweise aus Zn/Se. Sie kosten ungefähr 3000,-bis 6000,- französische Franc. Wie auch sonst vom Schweissen, Trennen, Auftragen oder dergleichen her bekannt, gehen vom Werkstück aus heis-se Spritzer als Funkenregen nach allen Seiten. Der Vorgang ist explosionsartig. Schweisst man oder trennt man zum Beispiel Aluminium, dann bildet sich unter der Aluminium-Oxid-Schicht eine von dieser Schicht überdeckte Schmelze. In der Zeitspanne, bis diese Schicht reisst, entwickelt sich unter ihr ein erheblicher Druck, bis dann das flüssige Aluminium explosionsartig wegspritzt.

Bei den oben genannten Arbeitsgängen benötigt man ausser dem gebündelten Laserstrahl auch Gase. Es kann sich hier um Schutzgase, wie zum Beispiel Argon, Stickstoff handeln, die die Bearbeitungsstelle abdecken oder es kann sich auch zum Beispiel um Sauerstoff handeln, der die Wirkung des Laserstrahls auf das Werkstück verstärken kann.

Die Zn/Se-Sammellinsen sind hoch-lichtdurchläs-sig. Trifft diese Linse bei den oben erwähnten Arbeitsgängen ein Spritzer, dann absorbiert dieser Linsenbereich aus dem Laserstrahl so viel Energie, dass die Linse sehr schnell zerstört wird. Dies hat eine ganze Reihe von Nachteilen: Man muss die Kosten für eine neue Linse aufbringen. Ferner steht während des Wechsels das Werkzeug. Für die Bearbeitung ist ein Stopp insofern nicht günstig, als man dann später am Werkzeug sieht, wo die Arbeitsunterbrechung stattfand. Weitere Nachteile sind dem Fachmann geläufig.

Gemäss dem Oberbegriff des unabhängigen Patentanspruchs ist es bekannt, eine Falle gegen die hochspritzenden Teilchen vorzusehen. Zum Teil sieht man in der Falle Prallbleche vor, gegen die hochschiessende Teilchen prallen sollen. Ferner hat man im Stand der Technik in radialer Richtung Gas in den Hohlraum der Falle eingeblasen, das dann zur koaxialen Ausnehmung und zu weiteren nicht koaxialen Ausnehmungen in der Falle geströmt ist und dort die Falle verlassen hat. Es hat sich jedoch gezeigt, dass der radiale Gasstrahl und auch das zur koaxialen Ausnehmung strömende Gas die Beschädigung der Sammellinse nicht verhindern kann.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Lösung anzugeben, bei der ganz oder in einem statistisch wesentlich höheren Masse ausgeschlossen wird, dass die durch die Ausnehmung zur Linse hin geschleuderten Teilchen diese treffen können.

Erfindungsgemäss wird diese Schutzwirkung durch die aus dem kennzeichnenden Teil des unabhängigen Patentanspruchs ersichtlichen Merkmale erreicht.

Dazu erzeugt man also eine Drallströmung. Bekanntlich hat dieser Wirbel theoretisch längs der geometrischen Längsachse die Rotationsgeschwindigkeit unendlich. Diese Geschwindigkeit nimmt im Wirbel nach aussen hin, gemäss dem Dreh-Impuls-gesetz, ab und aussen rotiert er am langsamsten. Natürlich wird eine unendlich hohe Rotationsgeschwindigkeit längs der geometrischen Längsachse in Wirklichkeit nicht erreicht und zwar wegen der inneren Reibung. Trotzdem reicht die hohe Rotations-gewindigkeit schon aus, Teilchen, die längs der geometrischen Längsachse fliegen, durch Fliehkräfte von der Achse weg nach aussen abzulenken. Selbst wenn sie anfangs genau längs der geometrischen Längsachse geflogen sind, bewirkt dann die Unwucht und die Unsymmetrie ihrer Gestalt, dass sie auch dann nach aussen abgelenkt werden. Dort können sie von Prallblechen, weichen Wandauskleidungen oder dergleichen abgefangen werden.

Durch die Merkmale des Anspruchs 2 erreicht man, dass die Einlassdüse mit dem überwiegenden Teil der Gasenergie den Wirbel anregt.

Durch die Merkmale des Anspruchs 3 erreicht man eine besonders gute Anregung des Wirbels, insbesondere dann, wenn die Einlassdüse wirklich tangential angeordnet ist.

Durch die Merkmale des Anspruchs 4 kann man den Wirbel an mehreren Stellen anregen, zum Beispiel um 180° versetzt, um 120° versetzt, um 90° versetzt und so weiter. Man kann aber auch - je nach Arbeitsproblem - nur eine Einlassdüse oder aber auch zwei Einlassdüsen und so weiter mit Gas versorgen. Man könnte dann alle Einlassdüsen dann betreiben, wenn sehr viele Partikel spritzen.

Durch die Merkmale des Anspruchs 5 erreicht man, dass der Wirbel sich gleichmässig ausbildet und ausserdem kann man dann die Einlassdüse konstruktiv besser herstellen, zum Beispiel in einem Einlassdüsenring.

Durch die Merkmale des Anspruchs 6 erreicht man, dass man bei gleichem Gasdruck je nach Zuschalten bestimmter Einlassdüsen unterschiedlich grosse Drehimpulse des Wirbels erzeugen kann.

Durch die Merkmale des Anspruchs 7 ergibt sich eine besonders einfache Fertigung und ein eine besonders ideale Form aufweisender Wirbel.

Durch die Merkmale des Anspruchs 8 erreicht man, dass die Wirbelspitze besonders stark rotiert und damit die Spritzer gleich von Anfang an nach aussen weggeschleudert werden.

Durch die Merkmale des Anspruchs 9 benötigt man für den Wirbel keine besondere Gasquelle.

Durch die Merkmale des Anspruchs 10 passt man sich den am meisten verwendeten Gassorten an.

Durch die Merkmale des Anspruchs 11 erhält man Parameter, wie sie in der Praxis mit Erfolg erprobt worden sind.

Durch die Merkmale des Anspruchs 12 bleibt die Vorrichtung selbst genügend kühl und man kann mit ihr nahe an ein Werkstück heran.

Durch die Merkmale des Anspruchs 13 erhält man eine Falle, die nicht hindert, wenn man viel in

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Ecken oder sonstigen, schlecht zugänglichen, Stellen arbeiten muss.

Durch die Merkmale des Anspruchs 14 verbleibt das Gas länger im zu bearbeitenden Bereich des Werkstücks.

Durch die Merkmale des Anspruchs 15 kann man die Falle sehr schnell umrüsten, je nach dem, welche Falle zu welcher Bearbeitungsart passt. Die Falle gemäss Anspruch 13 ist dann sozusagen der Grundaufbau.

Durch die Merkmale des Anspruchs 16 erreicht man eine besonders einfache Befestigungsart ohne denjenigen Bereich zu stören, in dem die Einlassdüsen vorgesehen sind.

Durch die Merkmale des Anspruchs 17 erhält man zusätzlich noch eine weitere formschlüssige Verbindung zwischen der ebenen Bodenwand und der keiskegeligen Bodenwand.

Durch die Merkmale des Anspruchs 18 ändert sich der Abstand zum Werkstück nicht, unabhängig davon, ob man die kreiskegelige Bodenwand oder die ebene Bodenwand verwendet.

Die Erfindung wird nunmehr anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele beschrieben.

In der Zeichnung zeigen:

Fig. 1 eine schematische Seitenansicht einer Falle mit Wirbel und Linse,

Fig. 2 die Draufsicht zu Fig. 1, jedoch ohne Linse, Fig. 3 einen Radialschnitt durch einen ersten Teil einer Falle,

Fig. 4 die Obersicht zu Fig. 3,

Fig. 5 einen Schnitt längs der Linie 5-5 in Fig. 6 durch einen Düsenring,

Fig. 6 einen Schnitt längs der Linie 6-6 aus Fig. 5, Fig. 7 die Draufsicht auf einen Deckring, Fig. 8 einen Radialschnitt durch einen Teil einer Falle mit kegeliger Bodenwand,

Fig. 9 einen Axialschnitt durch einen aufschraubbaren Teil mit ebenem Boden.

Längs einer geometrischen Längsachse 11 tritt ein nicht dargestellter Strahl eines nicht dargestellten Leistungslasers aus. Der Strahl wird durch eine Linse 12 gebündelt. Der Brennpunkt liegt auf der geometrischen Längsachse 11 unterhalb einer Falle 13. Die Linse 12 liegt im Bereich 14 oberhalb der Falle. Die Falle 13 ist im wesentlichen rotationssymmetrisch zur geometrischen Längsachse 11. Sie hat eine kreiszylindrische Mantelwand 16 aus Messing und eine radial zur geometrischen Längsachse 11 sich erstreckende Bodenwand 17. Beide sind einstückig. Unterhalb des oberen Bereichs 14, nahe der Linse 12, ist eine Gasleitung 18 vorgesehen, die unter Druck stehendes Gas von einer nicht dargestellten Gasquelle empfängt. Die Mündung 19 der Gasleitung führt in den Innenraum 21 der Falle 13 und ist zusammen mit der Gasleitung 18 zumindest in deren der Mantelwand 16 nahem Bereich so angeordnet, dass Gas tangential in den oberen Bereich des Innenraums 21 einströmt. Koaxial zur geometrischen Längsachse 11 hat die Bodenwand 17 eine kreiszyiindrische Ausnehmung 22, deren Durchmesser jedoch wesentlich kleiner als der Innendurchmesser der Mantelwand 16 ist. Diese Anordnung hat zur Folge, dass sich im Betrieb ein Wirbel 23 ausbildet, dessen Strömungspfade schematisch in Fig. 1 und 2 dargestellt sind. Der Wirbel 23 ist vom Drehimpulstyp. Je grösser der Abstand eines Gasteilchens von der geometrischen Längsachse 11 ist, desto langsamer fliegt es. Im Bereich der geometrischen Längsachse 11 ist die Rotationsgeschwindigkeit also am grössten. Sollte durch die Ausnehmung 22 ein Spritzer längs der geometrischen Längsachse 11 nach oben steigen wollen, so ist die Wahrscheinlichkeit bereits in der Ausnehmung 22 oder dicht darüber am grössten, dass er durch Unwucht, Fliehkräfte oder dergleichen eine von der Längsachse 11 wegführende Bahn aufgezwungen bekommt und der Spritzer dann sehr schnell nach aussen abgelenkt wird, so dass er an die Innenfläche der Mantelwand 16 prallt. Nicht dargestellt ist, dass diese Mantelwand 16 innen mit Prallwänden und/oder Schikanen ausgerüstet sein kann. Ferner kann die Innenwand 16 weich ausgekleidet sein, zum Beispiel mit Metallwolle, um aufprallende Teilchen zu absorbieren. Sofern Prallbleche vorhanden sind, können diese ebenfalls mit einer dünnen Schicht Energie absorbierendem Material ausgerüstet sein, so dass die Spritzer nicht wieder abprallen können, sondern sich dort festsetzen, wo sie auftreffen.

Aus dem Drehimpulsgesetz zusammen mit Fig. 1 und 2 kann man erkennen, dass die Rotationsgeschwindigkeit extrem hoch ist, ganz wesentlich höher, als die Geschwindigkeit des durch die Gasleitung 18 einströmenden Gases.

Gemäss den im Massstab 1:1 dargestellten Fig. 3 und 4 hat die Mantelwand 24 zur geometrischen Längsachse 11 koaxiale Gestalt. Unten ist die Bodenwand 26 radial zur Längsachse 11. Aus Gründen guter Wärmeleitung haben beide Wände eine erhebliche aus den Figuren ausmessbare Dicke. Die Ausnehmung 27 ist wiederum koaxial und hat oben eine Ansenkung 28, die das Eindringen der Wirbelspitze in die Ausnehmung 27 begünstigt. Die Unterseite 29 der Bodenwand 26 verläuft radial und ist eben, so dass sich der unten aus der Ausnehmung 27 austretende und wieder ausbreitende Wirbel zwischen der Unterseite 29 und der Oberseite des Werkstücks 31 ausbreiten kann. Fig. 3 lässt erkennen, dass durch die Erfindung zum Beispiel nicht so sehr in das Schweissbett 32 hineingeblasen wird, wie dies der Fall wäre, wenn Gas mit einer rein axialen Bewegungsrichtung aus der Ausnehmung 27 parallel der geometrischen Längsachse 11 ausströmen würde. Das Schweissbett 32 bleibt somit durch die Erfindung auch in seinem flüssigen Zustand ruhiger, was für die Qualität der Schweissnaht von grosser Bedeutung ist.

Oben an der Mantelwand 24 ist ein radialer, kreisringförmiger Befestigungsflansch 33 vorgesehen, in dem drei um 120° versetzte Befestigungslöcher 34 vorgesehen sind.

Der in Fig. 5 und 6 im Massstab 1:1 gezeichnete Düsenring 36 ist ebenfalls aus Metall. Seine innere Durchgangsbohrung 37 hat einen Innendurchmesser gemäss dem Innendurchmesser der Mantelwand 24. Er hat drei Befestigungslöcher 37 entsprechend den Befestigungslöchern 34, so dass

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beide Teile durch Schrauben miteinander verbunden werden können. Tangential zur Innenwand 38 des Befestigungslochs 37 münden Bohrungen 39, 41, 42, 43, die geradlinig verlaufen. Sie werden im Durchmesser immer grösser und zwar hat die Bohrung 39 einen Durchmesser von 2 mm, die Bohrung 41 einen Durchmesser von 3 mm, die Bohrung 42 von 4 mm und die Bohrung 43 von 5 mm. Am äusseren Endbereich gehen die Bohrungen 39, 43 in gleichgestaltete Stufenbohrungen 44 mit Innengewinde 46 über. Es können dort von einer Gasquelle kommende flexible Gasschläuche eingeschraubt werden. Damit gegebenenfalls vorhandene Kontermuttern eine ebene Anlagefläche finden, sind An-fräsungen 47 senkrecht zur Längserstreckung der Bohrungen 39, 41, 42, 43 vorgesehen. Der Düsenring 36 passt gasdicht auf den Befestigungsflansch 33. Auf den Befestigungsflansch 33 wiederum passt ein Halteflansch 48, der im Massstab 1:1 gezeichnet ist, aus Metall ist und dessen Funktion selbstverständlich ist.

Die im Massstab 1:1 gezeichnete Fig. 8 zeigt den unteren Teil einer Falle ohne Halteflansch und Düsenring. Sie ist koaxial zur geometrischen Längsachse 11. Auf einen Bund 49 passt der nicht dargestellte Düsenring. Ein Befestigungsflansch 51 dient bereits erwähnten Zwecken. Unterhalb des Befestigungsflansches 51 ist eine kurze, kreisringförmige Seitenwand 52 vorgesehen, an die sich nach unten eine unter einem Winkel von 34° verlaufende kegelige Bodenwand 53 anschliesst. In den oberen Bereich der Bodenwand 53 und in die Seitenwand 52 ist ein Aussengewinde 54 eingeschnitten. Die Bodenwand 53 läuft nicht exakt spitzkegelig aus. Vielmehr ist eine radiale Innenfläche und eine radiale Aussenfläche 57 vorgesehen, die von der koaxialen Ausnehmung 58 durchquert werden. Die Bodenwand 53 in dieser Winkelstellung hindert die Aus-senzonen des sich im Betrieb bildenden Wirbels 23 wenig und erlaubt damit eine grössere Intensität des Wirbels in seinem zentralen Bereich.

Gemäss Fig. 9 ist eine Kappe für die Vorrichtung nach Fig. 8 vorgesehen. Die Kappe 59 hat einen koaxialen Rand 61, der an seinem oberen inneren Bereich ein Innengewinde 62 hat, das auf das Aussengewinde 54 aufschraubbar ist. Ansonsten berührt der Rand 61 im aufgeschraubten Zustand nirgends die Bodenwand 53 in ihrem schräg verlaufenden Bereich. Unten geht der Rand 61 in einen radialen Boden 63 über, dessen Unterseite 64 ebenfalls radial zur geometrischen Längsachse 11 ist. Eine Ausnehmung 66 hat kegelstumpfförmige Gestalt mit einem Winkel von 34° entsprechend demjenigen Winkel, unter dem auch die Aussenfläche der Bodenwand 53 verläuft. Im eingeschraubten Zustand fluchtet ausserdem die Unterseite 64 mit der Aussenfläche 57. Im relativ dicken Boden 63 sind Kühlbohrungen 67 vorgesehen und auf dem Boden 63 sind ausserhalb des 34° Kegelwinkels Kühlleitungen 68 vorgesehen.

Die dem Werkstück 31 zugewandte Bodenwand 53 ist mit einem Wärmeschutz 69 aus geeignetem Material wie Grafit beschichtet. Das Grafit ist auf die Bodenwand aufgesprüht.

Bei den bislang bekannten Konstruktionen ist die

Linse 12 und ihre Fassung ein Bauteil für sich und ebenso die Falle 13.

Gemäss einem Ausführungsbeispiel der Erfindung kann man jedoch beide vereinen, wie dies Fig. 1 schematisch zeigt und das Gas kühlt dann zumindest auch die Unterseite der Linse 12, so dass diese keine besondere Kühlgaszufuhr benötigt. In diesem Fall hat dann das Gas eine der Fachwelt bekannte, niedere Kühltemperatur.

Durch innerhalb der Erfindung liegende Abwandlungen kann man aber auch erreichen, dass die Oberseite der Linse 12 ebenfalls gekühlt wird, wie zum Beispiel durch einen zweiten Anschlussstutzen. Die rotatorische Bewegung des Gases ergibt eine bessere, gradientenfreiere Kühlung als die seither verwendete Querströmung.

Anstelle der Linse 12 kann auch jede andere Vorrichtung treten, die den Laserstrahl sammelt, wie zum Beispiel ein oder mehrere entsprechend gekrümmte Spiegel. Jedes fokussierende System kann verwendet werden.

Claims (22)

Patentansprüche

1. Vorrichtung für einen Leistungslaser, der ein optisches Fokussiersystem am Ausgang aufweist, die den Laserstrahl längs einer geometrischen Längsachse beugt, mit einer dem Fokussiersystem nachgeschalteten Falle für vom Werkstück zum Fokussiersystem hin spritzenden Teilchen, welche Falle im wesentlichen koaxial zur Längsachse ist, eine Mantelwand und eine Bodenwand aufweist, eine Einlassdüse für Gas aufweist und in der Bodenwand eine koaxiale Ausnehmung für den Austritt des Laserstrahls und des Gases aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Einlassdüse zusammen mit der Mantelwand ein Drehimpulserzeuger ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Einlassdüse überwiegend tangential zur Mantelwand angeordnet ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Einlassdüse von tangential bis ± 20° angeordnet ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Einlassdüsen vorgesehen sind.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Einlassdüsen auf der gleichen Höhe angeordnet sind.

6. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass alle Einlassdüsen unterschiedlichen Durchmesser haben.

7. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass alle Einlassdüsen gleichen Durchmesser haben.

8. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die koaxiale Ausnehmung der einzige Austritt für einen durch den Drehimpulserzeuger erzeugten Wirbel ist.

9. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass an die Einlassdüse eine Gasquelle angeschlossen ist, die ein ohnehin auf dem Werkstück beim Arbeiten des Lasers benötigtes Gas abgibt.

10. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch ge-

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11. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Geschwindigkeit des aus der Einiassdüse austretenden Gases im Dekameter-Bereich/Sek. liegt, dass der charakteristische Innendurchmesser der Falle im Dezimeter-Bereich liegt und dass der Gasdurchsatz im Bereich von 0,1 m3/h bis 1 m3/h liegt.

12. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Bodenwand eine Kühlvorrichtung aufweist.

13. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Falle eine koaxiale, kreiskegelige Bodenwand aufweist.

14. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Falle eine koaxiale, im wesentlichen ebene Bodenwand aufweist.

15. Vorrichtung nach den Ansprüchen 13 und 14, dadurch gekennzeichnet, dass die ebene Bodenwand einen koaxialen Fassungsrand aufweist, der die kreiskegelige Bodenwand umfassen kann, wobei der Fassungsrand im Bereich der kreiskegeligen Bodenwand lösbar befestigt ist.

16. Vorrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass die die kreiskegelige Bodenwand aufweisende Falle im Bereich ihrer Mantelwand ein Aussengewinde aufweist, auf das der Fassungsrand mit einem am Fassungsrand ausgeformeten Innengewinde aufschraubbar ist.

17. Vorrichtung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass der Spitzenbereich der kreiskegeligen Bodenwand von einer Kegelsenkung in der ebenen Bodenwand passend aufgenommen wird.

18. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 15 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Spitze der kreiskegeligen Bodenwand senkrecht zur geometrischen Längsachse eben ist und bei aufgeschraubtem Fassungsrand mit der Unterseite der ebenen Bodenwand fluchtet.

19. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass bei einer einzigen Einlassdüse das Gas als Mischung zugeführt wird.

20. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass bei mehreren Einlassdüsen jedes Gas für sich zugeführt wird.

21. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Bodenwand auf ihrer dem Werkstück zugewandten Seite mit einer Wärmeschutzschicht bedeckt ist.

22. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Fokussiersystem und die Einlassdüse eine solche Lage haben, dass das Gas zugleich auch das Fokussiersystem kühlt.

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