DE102005025119A1

DE102005025119A1 - Vorrichtung zur Standzeiterhöhung von Laser-Bearbeitungsoptiken

Info

Publication number: DE102005025119A1
Application number: DE102005025119A
Authority: DE
Inventors: Roman Dr. Niedrig
Original assignee: Highyag Lasertechnologie GmbH
Current assignee: Ii Vi Delaware Inc Wilmington Us
Priority date: 2004-05-27
Filing date: 2005-05-27
Publication date: 2005-12-29
Anticipated expiration: 2025-05-28
Also published as: DE102005025119B4

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Erhöhung der Standzeiten/Betriebszeit von Laserbearbeitungsoptiken, welche insbesondere zum Schweißen von Werkstücken verwendet werden. Erfindungsgemäß ist danach vorgesehen eine Vorrichtung zur Erhöhung der Standzeiten von Laserbearbeitungsoptiken zur Verfügung zu stellen, welche insbesondere zum Schweißen von Werkstücken verwendet wird, mit einem unterhalb der Bearbeitungsoptik angeordneten Schutzglas und einer Einhausung des Laserstrahlenganges, welche am unteren Rand der Bearbeitungsoptik anschließt und welche wenigstens den Raum zwischen der Bearbeitungsoptik und einer Querstromdüse umschließt, wobei die Querstromdüse auf halber Höhe zwischen Laseroptik und Bearbeitungsstelle angebracht ist, und wobei die Einhausung unmittelbar oberhalb der Querstromdüse eine Einströmöffnung aufweist und oberhalb gegenüber der Querstromdüse eine Ausnehmung sowie unterhalb des Schutzglases der Laseroptik eine Vorrichtung zur Spülung des von der Einhausung umschlossenen Raumes mit einem gasförmigen Medium aufweist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Erhöhung der Standzeiten/Betriebszeit von Laserbearbeitungsoptiken, welche insbesondere zum Schweißen von Werkstücken verwendet werden.
Bei der Laserbearbeitung, insbesondere dem Schweißen von Werkstücken, treten Emissionen, wie beispielsweise Spritzer aus dem Schmelzbad oder Schweißrauche, auf. Diese Emissionen lagern sich in der Umgebung der Bearbeitungsstelle ab und führen so auch zu einer Einschränkung der Funktion der Bearbeitungsoptik durch Ablagerungen auf den optischen Flächen. Durch diese Ablagerungen wird aber nicht nur die Leistungsfähigkeit der optischen Systeme eingeschränkt, sondern langfristig wird die Optik auch zerstört.

Die Verwendung eines Schutzglases, welches vor dem optischen System zu dessen Schutz angebracht wird, stellt die wohl einfachste aber auch gängigste Möglichkeit dar, die sehr teuren optischen Systeme vor Emissionen zu schützen. Diese Schutzmaßnahme ist aus der DE 100 60 176 A1 bekannt und wird dort mit einem Sensor kombiniert, der Verschmutzungen und Beschädigungen des Schutzglases detektiert, so dass dieses frühzeitig, um Beeinträchtigungen des Schweißvorganges zu vermeiden, gewechselt werden kann.

Aus der DE 102 26 359 A1 ist ein Laserbearbeitungskopf bekannt, bei dem zwischen Gehäuse und Lasereinrichtung eine Querstrahldüse angeordnet ist. Diese dient dazu, dass in Richtung der Laseroptik fliegende Spritzer oder Schweißrauche zur Seite abgelenkt werden.

Eine weitere aus dem Stand der Technik bekannte Methode, um eine Laseroptik zu schützen, ist aus der DE 100 47 057 A1 bekannt. Dabei umschließt eine ringförmige Schutzblende die Austrittsöffnung des Laserstrahls. Die Schutzblende hat die Form einer Tülle und die sie lässt nur die minimal notwendige Öffnung zum Austritt des Laserstrahls frei. Durch die Schutzblende sollen Spritzer und andere Emissionen von der Laseroptik ferngehalten werden.

Die DE 101 23 097 A1 offenbart eine Einrichtung zum Schutz von Laseroptiken, bei der in einen Schutztrichter aus einer Düse Gas eingeblasen wird. An der Seite eines Laserbearbeitungskopfes der DE 101 23 097 A1 befindet sich zusätzlich noch eine Absaugeinrichtung, um abgelenkte Emissionen vom Schmelzbad zu entfernen.

Problematisch beim Einsatz von quer strömendem Luft- oder Gasstrom zum Schutz der optischen Systeme ist, dass durch den starken Luft- oder Gasstrom oberhalb und unterhalb des Luftstromes ein Unterdruck entsteht, wodurch schweißrauchhaltige Luft angesaugt wird und sich diese durch Verwirbelung doch auf dem Schutzglas absetzen kann. Zudem können langsam fliegende Spritzer auch wieder oberhalb des Querstromes (Cross-Jet) angesaugt werden und so auf das Schutzglas treffen.

Das Einblasen eines Gasstromes in einen Schutztrichter ist zwar zum Schutz vor Schweißrauchen geeignet, gegen Spritzer aus dem Schweißbad ist diese Maßnahme jedoch kaum wirksam.

Die Verwendung eines Schutztrichters mit möglichst kleiner Austrittsöffnung für den Laserstrahl ist nicht dazu geeignet, vor Spritzern aus dem Schweißpunkt zu schützen, die direkt in Richtung Optik fliegen.

Aus dem Stand der Technik ist somit keine Schutzmaßnahme für das optische System eines Laserbearbeitungskopfes bekannt, welches gleichermaßen wirksam ist gegen Schweißrauche als auch Spritzer aus dem Schweißpunkt.

Ausgehend von diesem Stand der Technik ist es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Laserbearbeitungsoptik bzw. ein davor befindliches Schutzglas gleichermaßen gegen Spritzer aus dem Schmelzbad als auch gegen Schweißrauche zu schützen.

Gelöst wird diese Aufgabe durch die Merkmale des selbständigen Anspruchs 1. Erfindungsgemäß ist danach vorgesehen eine Vorrichtung zur Erhöhung der Standzeiten von Laserbearbeitungsoptiken zur Verfügung zu stellen, welche insbesondere zum Schweißen von Werkstücken verwendet wird, mit einem unterhalb der Bearbeitungsoptik angeordneten Schutzglas und einer Einhausung des Laserstrahlenganges, welche am unteren Rand der Bearbeitungsoptik anschließt und welche wenigstens den Raum zwischen der Bearbeitungsoptik und einer Querstromdüse umschließt, wobei die Querstromdüse auf halber Höhe zwischen Laseroptik und Bearbeitungsstelle angebracht ist, und wobei diese Einhausung unmittelbar oberhalb der Querstromdüse eine Einströmöffnung aufweist und oberhalb gegenüber der Querstromdüse eine Ausnehmung sowie direkt unterhalb des Schutzglases der Laseroptik eine Vorrichtung zur Spülung des von der Einhausung umschlossenen Raumes mit einem gasförmigen Medium aufweist.

Ferner ist vorgesehen, dass die Einströmöffnung oberhalb der Querstromdüse in einen Hohlkanal mündet, der parallel zur Optik nach oben ragt und nach oben geöffnet ist.

In einer bevorzugten Ausführung der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist das gasförmige Medium zur Spülung der Einhausung Druckluft. Dabei kann die Vorrichtung zur Spülung der Einhausung an die Druckluftzufuhr der Querstromdüse angeschlossen und aus dieser mit Druckluft versorgt werden. Die Versorgung der Vorrichtung zur Spülung der Einhausung kann dabei über eine Drossel, eine enge Bohrung oder eine Bohrung mit regulierbarem Querschnitt erfolgen.

In dem Durchbruch, der sich oberhalb gegenüber der Querstromdüse befindet, ist in einer bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung ein Leitblech angebracht.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung dient dazu, die Optik bzw. das der Optik vorgelagerte Schutzglas einer Laserbearbeitungsoptik vor Verschmutzung zu schützen. Quelle der Verschmutzung ist die Laserbearbeitung selbst; dabei entstehen Spritzer und Schweißrauche, die sich in der Umgebung der Bearbeitungsstelle ablagern. Die beim Schweißen entstehenden Spritzer (ausgeworfene Schmelze) können einen Durchmesser von bis zu einem Millimeter und Geschwindigkeiten von bis zu 5 m/s oder noch höher haben; die kinetische Energie eines Spritzerteilchens kann also erheblich sein.

Um solche Teilchen, die von der Bearbeitungsstelle in Richtung Optik fliegen, abzulenken, wird üblicherweise ein Druckluft-Querstrom (sog. Cross-Jet) eingesetzt, in dem die Jet-Geschwindigkeit durchaus Überschall-Geschwindigkeit erreichen kann. Die alleinige Verwendung eines Cross-Jets birgt jedoch einige Schwierigkeiten in sich, die zu überwinden Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist. Wichtig ist die Positionierung des Cross-Jets. Je weiter der Cross-Jet von der Optik entfernt ist, desto geringere Ablenkwinkel werden benötigt, um Teilchen von der Optik fernzuhalten. Andererseits erzeugt der Cross-Jet starke Sogwirkung und Verwirbelungen, wodurch z.B. die Schutzgas-Atmosphäre über der Bearbeitungsstelle gestört wird. Deshalb sollte der Cross-Jet auch möglichst weit von der Bearbeitungsstelle entfernt sein. Beides gleichzeitig geht nicht, deshalb ist eine bevorzugte Position der Querstrom-Düse, die den Cross-Jet erzeugt, auf halber Höhe zwischen Bearbeitungsstelle und Optik.

Durch die Sogwirkung des Jets und der dadurch verursachten Luftbewegungen fliegen allerdings praktisch alle Spritzer auf gekrümmten Bahnen. So können Spritzer, die seitlich am Cross-Jet vorbeifliegen und die Optik eigentlich nicht treffen würden, wieder in Richtung Optik gesaugt werden. Als weitere Maßnahme wird deshalb eine Einhausung des Laserstrahlengangs zwischen Optik und Querstromdüse vorgeschlagen, die solche „Querschläger" von der Optik fernhält. Diese Einhausung wiederum ist noch nicht ausreichend, um Schweißrauche fernzuhalten, da diese durch die vom Cross-Jet verursachten starken Verwirbelungen immer noch in die Einhausung gelangen können. Weiterhin kann durch die Einhausung der Unterdruck oberhalb des Cross-Jets nicht mehr ausgeglichen werden, was die Verwirbelung der Luftströmung unterstützt und die Effizienz des Jets deutlich senkt.

Deswegen erhält die Einhausung an speziellen Stellen Durchbrüche und Ausnehmungen, wodurch der Unterdruck ausgeglichen werden kann. Ein Durchbruch der Einhausung ist unmittelbar oberhalb der Querstromdüse positioniert. Die hierdurch angesaugte Luft kann jedoch stark schweißrauchhaltig sein, weswegen eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung einen Hohlkanal vorsieht, der vom Durchbruch parallel zur Optik nach oben ragt und dadurch Luft angesaugt wird, die sehr viel weiter von der Bearbeitungsstelle entfernt ist und daher sauberer ist. Die Ausnehmung oberhalb gegenüber der Querstromdüse ist notwendig, damit energiereiche Teilchen, die nur schwach abgelenkt werden, nicht den Innenraum der Einhausung verschmutzen, sondern die Einhausung verlassen können. Dies erleichtert die Absaugung der Luft, in der die Teilchen mitgerissen werden, erheblich.

Hierfür ist ein entsprechend geformtes Rohr vorgesehen. Da der Luftstrom am unteren Rohransatz stark umgelenkt werden muss, werden wiederum mehr Störungen in der Luftströmung erzeugt, die zu minimieren sind.

Dazu ist im Bereich der Ausnehmung ein Leitblech vorgesehen. Dieses Leitblech verläuft oberhalb der Luftströmung, beginnt an der Begrenzung des Laserstrahls, verläuft zunächst parallel zur Luftströmung und ist dann mit einer geringen Krümmung nach oben gebogen. Der Radius der Krümmung sollte mindestens 10 mm betragen; der Winkel des nach oben gebogenen Blechansatzes liegt zwischen 45 und 70 Grad. An der Unterseite legt sich die Luftströmung an und folgt der Blechkrümmung, wodurch eine weitgehend störungsfreie Ablenkung erzielt wird.

Schließlich kann die Einhausung zusätzlich mit Druckluft gespült werden, um die über den Druckausgleichshohlkanal eingesaugte, möglicherweise schwach schweißrauchhaltige Luft vom Schutzglas fernzuhalten. Hier kommt es darauf an, dass die Einströmung des Spülgases möglichst laminar erfolgt und ein möglichst undurchlässiger Luftvorhang vor dem Schutzglas entsteht. Hierzu werden mehrere vorteilhafte Ausführungen angegeben: Eine Ausführung besteht in einer schmalen, komplett umlaufenden Ringdüse, wodurch die Luft parallel zum Schutzglas radial nach innen strömt. Besonders vorteilhaft ist es, wenn der Ringkanal, der hinter der Ringdüse sitzt, von einer Bohrung mit Druckluft versorgt wird, die tangential in den Ringkanal mündet. Dadurch strömt die Luft in dem Ringkanal in einer einheitlichen Umlaufrichtung, wodurch auch der erzeugte Luftvorhang einen Drall bekommt, wo durch das Abströmen der Spülluft nach unten in einem stabilen Wirbel erfolgen kann. Eine andere, einfachere vorteilhafte Ausgestaltung besteht darin, die Spülluft aus mindestens einer, besser zwei tangential in die zylindrische oder kegelige Einhausung mündenden Bohrungen einströmen zu lassen. Ebenfalls kann die Ringdüse auch relativ breit gestaltet sein; in dem breiten umlaufenden Schlitz der Ringdüse kann man dann einen Ring aus porösem Material einlassen, so das die Spülluft sehr gleichmäßig und laminar ausströmt und gleichzeitig noch gefiltert wird.

Weitere vorteilhafte Maßnahmen und bevorzugte Ausführungsformen sind in den Unteransprüchen beschrieben; die Erfindung wird anhand von Ausführungsbeispielen und der nachfolgenden Figuren näher beschrieben; es zeigt:
1 Schematische, stark vereinfachte Schnittansicht eines erfindungsgemäßen Laserbearbeitungskopfes
1 zeigt eine schematische, stark vereinfachte Schnittansicht eines erfindungsgemäßen Laserbearbeitungskopfes. Die Einhausung 30 umschließt wenigstens den Raum zwischen der Laseroptik und der Querstromdüse 31. Auf der unteren Seite weist die Einhausung 30 eine Blende mit Loch 32 für den Laserstrahl auf. Unterhalb und oberhalb der Querstromdüse 31 befinden sich Durchbrüche 35, 36, die in einen Einsaug-Hohlkanal 38 münden, der über die Zuleitung 52 mit Druckluft zur Spülung versehen ist. Die Querstromdüse ist so angeordnet, dass sie sich während der Bearbeitung eines Werkstückes auf halber Höhe zwischen der Fokussierlinse 11 der Laseroptik und der Bearbeitungsstelle 22 befindet. Die Versorgung der Querstromdüse 31 mit Gas oder Druckluft erfolgt über die Druckluftzufuhr 50.
Oberhalb gegenüber der Querstromdüse ist eine Ausnehmung 37 angeordnet, die nach unten mit einem Leitblech 33 abgeschlossen wird. An die Ausnehmung 37 der Einhausung 30 anschließend befindet sich ein Abluft-Hohlkanal 34, durch den die verschmutze Abluft 54 abgeführt wird.
Unterhalb der Fokussierlinse 11 der Laserbearbeitungsoptik 10 befindet sich ein wechselbares Schutzglas 12, welches mittels der Einschübe 13 befestigt ist. Direkt unterhalb des Schutzglases 12 ist eine schmale komplett umlaufende Ringdüse 41 angeordnet, welche Luft parallel zum Schutzglas radial nach innen einbläst. Hinter der Ringdüse 41 befindet sich ein Ringkanal 40 der über eine Bohrung mit Drosselblende 42 mit Luft versorgt wird.

10: Laser-Bearbeitungs-Optik
11: Fokussierlinse der Bearbeitungs-Optik
12: Schutzglas
13: Einschub mit Aufnahme für Schutzglas
20: Laserstrahl
21: Werkstück
22: Bearbeitungsstelle (Schmelzbad)
23: Emissionen (u.a. Spritzer und Rauch)
30: Einhausung
31: Querstrom-Schlitzdüse
32: Unterer Abschluss der Einhausung mit Loch für Laserstrahl
33: Leitblech
34: Abluft-Hohlkanal
35: Unterer Durchbruch zur Einströmung
36: Oberer Durchbruch zur Einströmung
37: Ausnehmung
38: Einsaug-Hohlkanal
39: Blende mit Loch für Laserstrahl
40: Ringkanal
41: Ringdüse
42: Drosselblende
50: Druckluft-Zufuhr für Querstromdüse
51: Gas-Zufuhr für Spülung der Einhausung
52: Druckluft-Zufuhr für Spülung des Einsaug-Hohlkanals
53: Druckluft-Querstrom (Cross-Jet)
54: Verschmutzte Abluft zur Absaugung

Claims

Vorrichtung zur Erhöhung der Standzeiten von Laserbearbeitungsoptiken, welche insbesondere zum Schweißen von Werkstücken verwendet werden, mit einem unterhalb der Bearbeitungsoptik (10) angeordneten Schutzglas (12) und einer Einhausung (30) des Laserstrahlenganges, welche am unteren Rand der Bearbeitungsoptik (10) anschließt und welche wenigstens den Raum zwischen der Bearbeitungsoptik und einer Querstromdüse (31) umschließt, wobei die Querstromdüse auf halber Höhe zwischen Laseroptik und Bearbeitungsstelle angebracht ist, und wobei diese Einhausung unmittelbar oberhalb der Querstromdüse (31) eine Einströmöffnung (36) aufweist und oberhalb gegenüber der Querstromdüse (31) eine Ausnehmung (37) sowie unterhalb des Schutzglases der Laseroptik eine Vorrichtung (40, 41) zur Spülung des von der Einhausung (30) umschlossenen Raumes mit einem gasförmigen Medium aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Einströmöffnung (36) oberhalb der Querstromdüse (31) in einen Hohlkanal (38) mündet, der parallel zur Optik nach oben ragt und nach oben geöffnet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, wobei das gasförmige Medium zur Spülung der Einhausung Druckluft ist.
Vorrichtung nach Anspruch 3, wobei die Vorrichtung zur Spülung der Einhausung (40, 41) an die Druckluftzufuhr (50) der Querstromdüse (31) angeschlossen ist und aus dieser mit Druckluft versorgt wird.
Vorrichtung nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die Versorgung der Vorrichtung zur Spülung der inneren Einhausung (40, 41) über eine Drossel (42), eine enge Bohrung oder eine Bohrung mit regulierbarem Querschnitt erfolgt.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei im des Durchbruchs (37) oberhalb gegenüber der Querstromdüse (31) ein Leitblech (33) angebracht ist.
Vorrichtung nach wenigstens einem der Ansprüche 2 bis 6, wobei im Bereich des Hohlkanals (38) eine weitere Druckluft-Zufuhr (52) vorhanden ist, die den Hohlkanal mit sauberer Luft spült.
Vorrichtung nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei die Spül-Vorrichtung (40, 41) der Einhausung (30) aus einer ringförmig um den Laserstrahl umlaufenden Düse (41) (Ringdüse) besteht, die aus einem unmittelbar dahinter umlaufenden ringförmigen Hohlkanal (40) (Ringkanal) mit einem gasförmigen Medium oder mit Druckluft versorgt wird.
Vorrichtung nach Anspruch 8, wobei die Ringdüse (41) ein schmaler, ringförmig umlaufender Schlitz ist, aus dem das gasförmige Medium oder die Druckluft radial nach innen strömt.
Vorrichtung nach Anspruch 9, wobei der ringförmig umlaufende Schlitz in einem Winkel nach unten gerichtet ist, so dass das gasförmige Medium oder die Druckluft einen sich kegelförmig nach unten zuspitzenden Strom bildet.
Vorrichtung nach Anspruch 7, wobei die Ringdüse (41) ein breiter, ringförmig umlaufender Schlitz ist, in den ein Ring aus einem porösen Material eingelassen ist.
Vorrichtung nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 11, wobei die Einhausung (30) unterhalb der Querstrom-Schlitzdüse (31) ein Durchbruch (35) aufweist, durch den Luft angesaugt werden kann.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 12, wobei der untere Abschluss (32) der Einhausung (30) als wechselbares Verschleißteil ausgeführt ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 13, wobei zusätzlich zum unteren Abschluss (32) der Einhausung (30) eine Blende (39) mit einem Loch für den Laserstrahl angeordnet ist, die auch als wechslebares Verschleißteil ausgeführt sein kann.