DE102015016674A1

DE102015016674A1 - Vorrichtung und Verfahren zum Schutz einer Laseroptik

Info

Publication number: DE102015016674A1
Application number: DE102015016674.3A
Authority: DE
Inventors: Gerd Töberling; Markus Puschmann
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 2015-12-21
Filing date: 2015-12-21
Publication date: 2017-06-22
Anticipated expiration: 2035-12-22
Also published as: DE102015016674B4

Abstract

Durch die Erfindung wird eine Vorrichtung sowie ein Verfahren zum Schutz einer Laseroptik beim Laserbearbeiten eines oder mehrerer Werkstücke bereitgestellt, die einen effektiven Schutz eines Laserbearbeitungskopfes sowie der Umgebung vor Kontaminationen (wie Spritzer, Partikel oder Gase/Dämpfe) ermöglichen, ohne dass dadurch jedoch – im Gegensatz zum konventionellen Laserschweißen unter Einsatz von Luftströmen in der Art von ”Crossjets” – die thermodynamischen und strömungsmechanischen Verhältnisse im Laserbearbeitungskopf beeinflusst und verkompliziert werden. Zu diesem Zweck verfügt die erfindungsgemäße Vorrichtung über wenigstens eine Filtereinheit, die gebildet ist aus – wenigstens einem in der Abschirmung integrierten Felderzeugungsmittel zur Erzeugung eines den Strahlkanal zumindest teilweise durchsetzenden magnetischen, elektrischen oder elektromagnetischen Feldes und – wenigstens einem in der Abschirmung integrierten Auffangmittel zum Auffangen der aus dem Strahlkanal unter Einwirkung des magnetischen, elektrischen oder elektromagnetischen Feldes abgelenkten Kontaminationen.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zum Schutz einer Laseroptik beim Laserbearbeiten eines oder mehrerer Werkstücke mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1. Ferner bezieht sich die Erfindung auf ein entsprechendes Verfahren zum Schutz einer Laseroptik beim Laserbearbeiten eines oder mehrerer Werkstücke mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 18.
Beim Laserbearbeiten, wie insbesondere beim Laserstrahlschweißen und Laserstrahlschneiden, von Werkstücken mit einem Laserbearbeitungskopf kommt es in Abhängigkeit der Materialeigenschaften dieser Werkstücke und der gewählten Prozessparameter zu einer erheblichen Bildung von Rauchgasen, Dämpfen, Schmauch und Spritzern. Diese unerwünschten, aber physikalisch nicht vermeidbaren Kontaminationen führen zu einer stetigen Verschmutzung der laserbearbeiteten Werkstücke, des eingesetzten Laserbearbeitungskopfes sowie der gesamten Laserbearbeitungsanlage. Insbesondere beim Laserstrahlschweißen von metallischen Werkstoffen können freigesetzte Partikel und Spritzer mit hoher Geschwindigkeit in Richtung der Strahlaustrittsöffnung des Laserbearbeitungskopfes fliegen und schlimmstenfalls durch den Strahlengang bis zu den hochsensiblen Komponenten der Laseroptik (z. B. Linse) gelangen. Dadurch kann die Laseroptik des Laserbearbeitungskopfes beschädigt bzw. in ihrer Funktion erheblich gestört werden. So können etwaige Verschmutzungen auf der Linse zu einer verstärkten Absorption der Laserstrahlung führen. Damit verbunden ist eine Erwärmung und im ungünstigsten Fall gar eine thermische Zersetzung (ein vollständiges Verdampfen) der Linse.
Eine wichtige Voraussetzung für gleichbleibende Prozessverhältnisse während der Laserbearbeitung ist daher ein von Verschmutzungen unbeeinflusster Strahlengang und hier insbesondere das Fernhalten von Kontaminationen von der empfindlichen Laseroptik. Um die Laseroptik vor Ablagerungen aus dem Rauch oder den Dämpfen sowie vor freigesetzten Partikeln und Spritzern zu schützen, ist es bekannt, zwischen der Strahlaustrittsöffnung und der Laseroptik ein zusätzliches Schutzglas anzuordnen. Überschreitet der Verschmutzungsgrad des Schutzglases infolge der Ablagerung von Partikeln und Spritzern einen vorgegebenen Schwellenwert, so muss dieses Schutzglas jedoch unverzüglich gereinigt bzw. gewechselt werden. Um die Reinigungs- bzw. Wechselintervalle auszudehnen und somit größere Standzeiten für das Schutzglas zu erhalten, ist es aber unbedingt notwendig, den Laserbearbeitungskopf mit einer zusätzlichen Schutzvorrichtung auszustatten.
Bisherige Lösungskonzepte sehen vor, eine solche zusätzliche Schutzvorrichtung dadurch zu realisieren, dass zwischen dem Laserbearbeitungskopf und dem Bearbeitungsbereich des oder der Werkstücke, insbesondere unmittelbar an der Strahlaustrittsöffnung des Laserbearbeitungskopfes, starke und in einer gezielten Richtung orientierte Gasströme mittels entsprechend positionierter Gasdüsen erzeugt werden. Bevorzugt kommen hierbei sogenannte Querstromdüsen zum Einsatz, die quer (insbesondere orthogonal) zur Strahlachse einen ”Gasvorhang” aus Stickstoff oder Druckluft aufbauen. Derartige quergerichtete Gasströme werden allgemein als ”Crossjet” (Querjet) bezeichnet. Dieser sogenannte ”Crossjet” bläst aus dem Schmelzbad aufsteigende Kontaminationen (z. B. Dämpfe und Spritzer) zur Seite weg. Auf diese Weise werden die Kontaminationen weitgehend an einem Eindringen in den Strahlengang des Laserbearbeitungskopfes gehindert. Beispielsweise kann der EP 1 607 167 A1 eine entsprechende ”Crossjet”-Vorrichtung für einen Laserschweißprozess entnommen werden.
Mit den konventionellen strömungsbasierten Schutzvorrichtungen unter Verwendung von ”Crossjets” wird jedoch eine höchst unvollkommene Schutzwirkung erzielt. So werden Dämpfe und Spritzer durch diese starken Querströmungen nicht etwa aufgefangen, sondern lediglich von den optischen Komponenten (z. B. Linse oder Schutzglas) des Laserbearbeitungskopfes ferngehalten und stattdessen in die Umgebung abgeleitet. Demzufolge treten weiterhin Verunreinigungen der Umgebung (insbesondere der laserbearbeiteten Werkstücke sowie der sonstigen Komponenten der Laserbearbeitungsanlage) auf.
Infolge der starken gerichteten Gasströmung entsteht zudem ein Sog (Saugwirkung), der insbesondere in kanalartigen Strahlengängen von Laserbearbeitungsköpfen, wie sie beispielsweise bei Laserschweißzangen regelmäßig vorliegen, hochgradig negative Auswirkungen hervorrufen kann. So kann dieser Sog genau zu dem eigentlich zu vermeidenden Effekt führen, dass in den Strahlkanal eingedrungene Rauchgase, Dämpfe und Spritzer zusätzlich in Richtung auf die zu schützende Optik des Laserbearbeitungskopfes beschleunigt werden.
Beim Laserstrahlschweißen wird zur Abdeckung der Schweißnaht zumeist koaxial zum Laserstrahl ein Schutzgas zugeführt. Eine Beeinflussung des langsam strömenden Schutzgases durch den ”Crossjet” ist jedoch weitgehend unvermeidbar. Durch die vom ”Crossjet” verursachten starken Turbulenzen wird das verwendete Schutzgas (auch Schutzgas, welches nicht koaxial zugeführt wird) gestört und verunreinigt. Schlimmstenfalls kann das Schutzgas sogar vollständig von seiner eigentlichen Wirkstelle weggesogen werden.
Schließlich kann es beim Laserstrahlschweißen von metallischen Werkstücken infolge des starken ”Crossjets” zu einer signifikanten Störung des metallischen Schmelzbades kommen mit einer daraus resultierenden mangelhaften Schweißnahtqualität. Aufgrund der thermophysikalisch bedingten großen Schmelzbäder und der extrem dünnflüssigen Schmelze sind Aluminium- und Magnesiumlegierungen besonders anfällig für das Auftreten von unter dem Einfluss des ”Crossjets” verursachten Nahtimperfektionen (wie Poren oder Schmelzauswürfen).
Die Geschwindigkeit des ”Crossjets” muss ferner so groß sein, dass nicht nur Rauchgase oder Dämpfe weggeblasen, sondern auch schwere Metallkügelchen bzw. -tropfen ausreichend stark abgelenkt werden. Für einen effektiven Schutz sind daher Überschallgeschwindigkeiten erforderlich, die z. B. durch Lavaldüsen (wie in der ”Crossjet”-Vorrichtung der DE 203 18 461 U1 vorgeschlagen) erreicht werden. Mit den im Betrieb herrschenden hohen Strömungsgeschwindigkeiten geht aber unweigerlich ein hoher Lärmpegel einher, sodass für den Maschinenbediener ein angemessener Gehörschutz vonnöten ist.
Zusammenfassend kommt es in der Praxis – trotz der aufwendigen Lösungen mittels strömungsbasierter Schutzvorrichtungen unter Einsatz von ”Crossjets” – immer noch zu erheblichen Verschmutzungen von Laseroptiken und Schutzgläsern sowie zu einer negativen Beeinflussung der Schweißergebnisse infolge der Strömungsverhältnisse. Besonders stark zeigen sich diese negativen Effekte bei Laserbearbeitungsköpfen, bei denen die Strahlführung über einen Strahlkanal erfolgt, der im Inneren einer (z. B. als Druckstück direkt auf das oder die zu bearbeitenden Werkstücke aufgesetzten) Abschirmung ausgebildet ist. Die Abschirmung kann dabei jede beliebige (z. B. kreisförmige oder rechteckförmige) Querschnittsform aufweisen, wobei der Laserstrahl in der Abschirmung bewegt wird, um bei feststehender Abschirmung eine Schweißnaht zu erzeugen. Bei diesen Laserbearbeitungsköpfen führen die ”Crossjets” zu einer enormen Verschlechterung der ohnehin schon als sehr komplex zu bewertenden thermodynamischen und strömungsmechanischen Verhältnisse im von der Abschirmung (Druckstück) begrenzten Strahlkanal (Schweißkanal), was wiederum zu einer deutlichen Verstärkung der Spritzer- und Rauchbildung führen kann und die Nahtqualität weiter negativ beeinflusst.
In Anbetracht der vorgenannten Nachteile hat es sich die Erfindung zur Aufgabe gemacht, eine Vorrichtung und ein entsprechendes Verfahren zum Schutz einer Laseroptik beim Laserbearbeiten eines oder mehrerer Werkstücke derart weiterzubilden, dass ein effektiver Schutz des jeweiligen Laserbearbeitungskopfes sowie der Umgebung vor Kontaminationen (wie Spritzer, Partikel oder Gase/Dämpfe) gegeben ist, ohne dass die thermodynamischen und strömungsmechanischen Verhältnisse im Laserbearbeitungskopf beeinflusst und dadurch verkompliziert werden.
Gelöst wird diese Aufgabe durch die unabhängigen Ansprüche 1 und 19. Bevorzugte Ausführungsformen finden sich in den Unteransprüchen.
Insbesondere wird die Aufgabe gelöst durch einen Vorrichtung zum Schutz einer Laseroptik beim Laserbearbeiten eines oder mehrerer Werkstücke mit einer Abschirmung, die einen Strahlkanal für den Durchtritt des Laserstrahls umgibt und an ihrem Ende eine Strahlaustrittsöffnung zur Abgabe des Laserstrahls in Richtung auf einen Bearbeitungsbereich eines oder mehrerer Werkstücke aufweist, wobei die Vorrichtung über wenigstens eine Filtereinheit zum Entfernen von im Bearbeitungsbereich entstehenden und in den Strahlkanal eindringenden Kontaminationen, wie Spritzer, Partikel oder Gase/Dämpfe, verfügt, und wobei die Filtereinheit gebildet ist aus

– wenigstens einem in der Abschirmung integrierten Felderzeugungsmittel zur Erzeugung eines den Strahlkanal zumindest teilweise durchsetzenden magnetischen, elektrischen oder elektromagnetischen Feldes und
– wenigstens einem in der Abschirmung integrierten Auffangmittel zum Auffangen der aus dem Strahlkanal unter Einwirkung des magnetischen, elektrischen oder elektromagnetischen Feldes abgelenkten Kontaminationen.

Die in der erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Schutz einer Laseroptik beim Bearbeiten eines oder Werkstücke vorgesehene Filtereinheit entfernt die bei der Laserbearbeitung (z. B. beim Laserstrahlschweißen) auftretenden Kontaminationen (Spritzer, Rauchgase und feinsten Schmauchpartikel) unter der Einwirkung eines von einem Felderzeugungsmittel erzeugten magnetischen, elektrischen oder elektromagnetischen Feldes. Dieses Feld führt dazu, dass aus dem Bearbeitungsbereich aufsteigende Kontaminationen abgelenkt und somit von der zu schützenden Laseroptik (und einem ggf. vorangestellten Schutzglas) ferngehalten werden. Eine Verunreinigung der optischen Komponenten der Laserbearbeitungskopfes und eine damit einhergehende Störung oder Beschädigung dieser Komponenten kann somit sicher ausgeschlossen werden.
Im Gegensatz zu herkömmlichen Schutzvorrichtungen unter Nutzung von ”Crossjets” werden durch das erfindungsgemäß eingesetzte magnetische, elektrische oder elektromagnetische Feld die thermodynamischen und strömungsmechanischen Verhältnisse im Laserbearbeitungskopf nicht negativ beeinflusst. Ein solches Feld kann mit dem im Strahlkanal geführten Laserstrahl überlagert werden, ohne dass hierdurch der Strahlengang in irgendeiner Weise gestört wird. Dies eröffnet die Möglichkeit, das Felderzeugungsmittel derart in die Abschirmung zu integrieren, dass das zur Ablenkung der Kontaminationen bestimmte Feld den Strahlkanal in einem Bereich zwischen den zu schützenden sensiblen optischen Komponenten (z. B. Linse oder Schutzglas) und der Strahlaustrittsöffnung durchsetzt.
Eine in vorbeschriebener Weise in die Abschirmung integrierte feldbasierte Filtereinheit trägt zu einem einfachen, platzsparenden Aufbau der erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Schutz einer Laseroptik bei. Insbesondere kann im Gegensatz zu herkömmlichen strömungsbasierten Schutzvorrichtungen gänzlich auf den zusätzlichen Anbau einer aufwendigen (aus mehreren ”Crossjet”-Düsen bestehenden) ”Crossjet”-Vorrichtung an der Strahlaustrittsöffnung des Laserbearbeitungskopfes verzichtet werden. Dies prädestiniert die erfindungsgemäße Vorrichtung dafür, als ein den Strahlkanal abschließendes Endstück eines Oberwerkzeuges einer Laserschweißzange eingesetzt zu werden, indem die Abschirmung der erfindungsgemäßen Vorrichtung als Druckstück mit einer definierten Anpresskraft zur Eliminierung des Fügespaltes und zur Sicherstellung der Lasersicherheit (Verhindern eines Entweichens der Laserstrahlung in die Umgebung) unmittelbar auf die Oberfläche des oder der Werkstücke aufgesetzt wird.
Beim Laserstrahlschweißen mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Schutz der Laseroptik werden vorteilhafterweise die Schweißnaht und ihre Schutzgasatmosphäre durch das zum Entfernen der Kontaminationen eingesetzte magnetische, elektrische oder elektromagnetische Feld nicht gestört. Somit können Qualitätsprobleme, wie Porenbildungen oder Aufhärtungen, die im Stand der Technik aus der stets vorliegenden und unvermeidbaren Wechselwirkung zwischen dem eingesetzten ”Crossjet” und dem Schmelzbad bzw. dem Schutzgasstrom resultieren, ebenfalls sicher ausgeschlossen werden.
Darüber hinaus werden mit dem (wie das Felderzeugungsmittel platzsparend in der Abschirmung integrierten) Auffangmittel die vom magnetischen, elektrischen oder elektromagnetischen Feld abgelenkten Kontaminationen sicher aufgefangen und festgehalten, sodass ein Entweichen von Kontaminationen (wie Schweißspritzer) in die Umgebung vermieden oder zumindest erheblich reduziert werden kann. Die während der Laserbearbeitung am Auffangmittel angesammelten Kontaminationen können in den Stillstandsphasen der Laserbearbeitungsanlage (z. B. mithilfe einer Abschaltung oder Umpolung des Feldes und ggf. unterstützt durch einen Druckstoß oder eine Absaugung) vom Auffangmittel abfallen und einer Entsorgung oder Wiederverwertung zugeführt werden.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist das Felderzeugungsmittel durch wenigstens einen Dauermagneten und/oder wenigstens einen Elektromagneten gebildet. Mittels des vom Dauermagneten und/oder vom Elektromagneten erzeugten magnetischen bzw. elektromagnetischen Feldes können selbst verhältnismäßig schwere metallische (magnetische bzw. magnetisierbare) Partikel und Spritzer effizient aus dem Strahlkanal herausgefiltert werden. Die beim Laserstrahlschweißen von metallischen Werkstoffen entstehenden Schweißspritzer, die mit hoher Geschwindigkeit in umgekehrter Richtung zum Laserstrahl durch den Strahlkanal auf die optischen Komponenten der Strahlführung zufliegen, erfahren durch das magnetische bzw. elektromagnetische Feld eine Ablenkung von ihrer Flugrichtung. Diese Ablenkung erfolgt in radialer Richtung der Abschirmung und sollte so groß sein, dass die Schweißspritzer zuverlässig in Richtung auf das Auffangmittel umgeleitet und dort gesammelt werden.
Das Auffangmittel kann im einfachsten Fall (ohne zusätzliches Bauteil) durch die Innenseite der Abschirmung oder durch einen seitlich von der Abschirmung abzweigenden, beliebig gestalteten Abgang gebildet sein. Entscheidend ist allein, dass die aus metallischem und magnetischem bzw. magnetisierbarem Werkstoff bestehenden Kontaminationen infolge der Einwirkung des vom Dauermagneten und/oder vom Elektromagneten erzeugten Feldes effektiv aus dem Strahlkanal entfernt/herausgeschleudert werden und somit nicht länger eine Gefahr für die optischen Komponenten darstellen.
In einer zur vorhergehend beschriebenen Ausführungsform alternativen oder damit kombinierbaren Ausführungsform kann das Felderzeugungsmittel durch wenigstens eine negativ geladene Sprühelektrode und das Auffangmittel durch wenigstens eine der Sprühelektrode im Abstand gegenüberliegende positiv geladene oder geerdete Niederschlagselektrode gebildet sein, sodass sich zwischen der Sprühelektrode und der Niederschlagselektrode ein elektrisches Feld ausbildet, durch das die im Strahlkanal enthaltenen Kontaminationen aufladbar und zur Niederschlagselektrode hin ablenkbar sind. Insbesondere beim Laserstrahlschweißen entstehen Rauchgase und Dämpfe, die zum Teil sehr feine und nichtmagnetische bzw. nichtmagnetisierbare Partikel (z. B. Staub- oder Aerosolteilchen) enthalten, welche beim Durchtritt durch ein vorbeschriebenes, von einem Dauermagneten und/oder von einem Elektromagneten erzeugtes magnetisches bzw. elektromagnetisches Feld nicht abgelenkt und somit nicht zum Auffangmittel geführt werden können. Um auch eine wirksame Abscheidung solcher nichtmetallischen Partikel zu ermöglichen, ist als Felderzeugungsmittel eine in der Abschirmung integrierte negativ geladene Sprühelektrode und als damit kooperierendes Auffangmittel eine ebenfalls in der Abschirmung integrierte positiv geladene oder geerdete Niederschlagselektrode vorgesehen.
Die Sprühelektrode und die Niederschlagselektrode arbeiten nach dem Prinzip eines Elektrofilters zur Reinigung von Gasströmungen. Die an der Sprühelektrode angelegte negative Gleichspannung ist so groß, dass eine Koronaentladung auftritt. Die dann mit einer hohen Geschwindigkeit aus der Sprühelektrode austretenden Elektronen erzeugen durch Stoßionisation im Strahlkanal positive und negative Gasionen. Die negativen Gasionen wandern infolge des zwischen Sprühelektrode und Niederschlagselektrode bestehenden elektrischen Feldes zur Niederschlagselektrode. Auf diesem Weg stoßen sie mit den im Strahlkanal befindlichen nichtmetallischen Partikeln (z. B. Staub- oder Aerosolteilchen) zusammen, haften an ihnen fest und erteilen somit diesen nichtmetallischen Partikeln jeweils eine negative Ladung. Die Folge ist, dass die nichtmetallischen (negativ aufgeladenen) Partikel ebenfalls zur Niederschlagselektrode wandern. Die sich auf der Niederschlagselektrode bildende Staub- oder Aerosolschicht muss in regelmäßigen Abständen abgereinigt werden. Diese Abreinigung kann mechanisch oder pneumatisch erfolgen. Der Staub bzw. das Aerosol löst sich daraufhin von der Niederschlagselektrode und fällt schwerkraftbedingt nach unten aus der Abschirmung heraus.
Nach einer besonders zweckmäßigen Ausbildung der Erfindung sind in der Vorrichtung zum Schutz der Laseroptik zwei in Längsrichtung der Abschirmung hintereinander angeordnete Filtereinheiten vorgesehen. Die erste, näher an der Strahlaustrittsöffnung liegende Filtereinheit dient zum Ablenken und Auffangen von schweren metallischen Spritzern oder Partikeln, wobei das Felderzeugungsmittel dieser ersten Filtereinheit in vorbeschriebener Weise bevorzugt durch wenigstens einen Dauermagneten und/oder wenigstens einen Elektromagneten gebildet ist. Die zweite, weiter von der Strahlaustrittsöffnung entfernte Filtereinheit dient hingegen zum Ablenken und Auffangen von leichten nichtmetallischen Partikeln in Gasen oder Dämpfen und ist in vorbeschriebener Weise bevorzugt aus wenigstens einer Sprühelektrode als Felderzeugungsmittel und wenigstens einer Niederschlagselektrode als Auffangmittel gebildet, die nach dem Prinzip eines Elektrofilters zur Abscheidung feiner Partikel zusammenarbeiten.
Bei dieser Ausbildung ist somit in der Abschirmung zwischen der werkstückseitigen Strahlaustrittsöffnung und der zu schützenden Laseroptik ein zweistufiges Filtersystem integriert. Die beiden Stufen besitzen unterschiedliche Schutzfunktionen und sind deshalb verschiedenartig aufgebaut. Mittels der ersten Stufe, die von wenigstens einem Dauermagneten und/oder von wenigstens einem Elektromagneten als Felderzeugungsmittel Gebrauch macht, können schwere metallische (magnetische bzw. magnetisierbare) Kontaminationen (insbesondere Schweißspritzer) aus dem Strahlkanal herausgefiltert werden. Mittels der sich in entgegengesetzter Richtung zum Laserstrahl (also in Flugrichtung der Kontaminationen) anschließenden zweiten Stufe können die von der ersten Stufe nicht erfassten feinen nichtmetallischen Partikel (insbesondere Staub- oder Aerosolteilchen) im elektrischen Feld zwischen der Sprühelektrode und der Niederschlagselektrode ionisiert und an der Niederschlagselektrode aufgefangen und konglomeriert werden.
Im Folgenden werden weitere bevorzugte Ausführungsbeispiele und Vorteile der Erfindung anhand der Figuren näher erläutert. Dabei zeigen:
1 ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Schutz einer Laseroptik im Längsschnitt;
2 eine vergrößerte Längsschnittansicht einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Schutz einer Laseroptik im Bereich der ersten Filtereinheit;
3a und 3b vergrößerte Längsschnittansichten zweier Ausführungsbeispiele einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Schutz einer Laseroptik im Bereich der zweiten Filtereinheit;
4 ein weiteres Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Schutz einer Laseroptik im Längsschnitt während einer Abreinigungsphase; und
5a und 5b zwei Verwendungsmöglichkeiten für eine erfindungsgemäße Vorrichtung zum Schutz einer Laseroptik beim Laserstrahlschweißen von Werkstücken im Überlappstoß.
Bei allen in den Figuren gezeigten Ausführungsbeispielen erfindungsgemäßer Laserbearbeitungsköpfe 1 wird als Laseroptik zur Fokussierung (Bündelung) eines Laserstrahls jeweils eine Linse 2 verwendet, die innerhalb einer Abschirmung 3 angeordnet ist. Die Abschirmung 3 kann beispielsweise als mit einer kreisförmigen Querschnittsform versehenes Abschirmrohr oder als mit einer rechteckförmigen Querschnittsform versehener Abschirmkanal ausgebildet sein.
Weiter ist allen Ausführungsbeispielen gemeinsam, dass der Laserstrahl 5 nach seiner Fokussierung durch die Laseroptik (Linse 2) einen im Inneren der Abschirmung 3 ausgebildeten Strahlkanal 4 entlang seiner Mittelachse in Längsrichtung L durchläuft. Der Strahlkanal 4 mündet an seinem unteren Ende in einer Strahlaustrittsöffnung 6, durch welche der Lasererstrahl 5 in Richtung auf einen Bearbeitungsbereich 7 zweier sich überlappender Werkstücke 8, 9 abgegeben wird (siehe 5a und 5b).
Um die Linse 2 der Laseroptik vor bei der der Materialbearbeitung auftretenden Verschmutzungen (wie Metallspritzern und Dämpfen) zu schützen, ist in der Abschirmung 3 der zu schützenden Linse 2 in Strahlrichtung unmittelbar nachgeordnet ein Schutzglas 23 vorgesehen. Glas weist bei den typischen Wellenlängen bekannter Laser einen Absorptionsgrad von nahezu 0% auf, so dass die Laserstrahlung ungehindert durch das Schutzglas 23 durchstrahlt. In den weiteren Ausführungsbeispielen nach 3a bis 5 ist aus Übersichtlichkeitsgründen auf die Darstellung des Schutzglases 23 verzichtet worden. Jedoch versteht es sich von selbst, dass auch hier – wie in 1 – ein Schutzglas 23 der Laseroptik (Linse 2) werkstückseitig vorangestellt sein kann, um die Linse 2 weitgehend vor Verunreinigungen zu schützen.
Gemäß 5a und 5b werden zwei miteinander zu verbindende, einander überlappende Werkstücke 8, 9 im Bearbeitungsbereich 7 (Schweißstelle) gegeneinander gepresst und anschließend durch den Laserstrahl 5 verschweißt. Das Laserstrahlschweißen im Überlappstoß ist ein komplexer, hochdynamischer Prozess und die Bildung und Freisetzung von Kontaminationen 17, 18, insbesondere von Spritzern, von Schmauch sowie von Rauchgasen und Dämpfen, während des Aufschmelzens und Verdampfens der Werkstoffe im Bearbeitungsbereich 7 ist daher unvermeidlich. Insbesondere Spritzer 17 flüssigen Metalls, die während des Schweißprozesses aus dem Schmelzbad ausgeworfen werden, können sowohl die geschweißten Werkstücke 8, 9 als auch die Laserbearbeitungsvorrichtung funktionell und optisch beeinträchtigen. Spritzer 17 können dabei aus dem Schmelzbad in entgegengesetzter Richtung zum Laserstrahl 5 in den von der Abschirmung 3 umgebenen Strahlkanal 4 geschleudert werden, wodurch das Schutzglas 23 für die Laseroptik (Linse 2) oder im schlimmsten Fall sogar die Laseroptik (Linse 2) selbst verschmutzt werden kann. Eine stärkere Verschmutzung führt in der Regel zur Zerstörung der optischen Komponente (Schutzglas 23 oder Linse 2), da ein hoher Anteil der Strahlung an der optischen Komponente absorbiert wird und zu thermisch bedingten Spannungen im Glas führt.
Um zu verhindern, dass Schweißspritzer 17 oder sonstige Schmutzpartikel 18 durch den Strahlkanal 4 bis zu den sensiblen optischen Komponenten des Laserbearbeitungskopfes vordringen, und somit die Vorrausetzungen für eine Verlängerung der Wartungsintervalle des Laserbearbeitungskopfes zu schaffen, ist die Realisierung von zusätzlichen Schutzmaßnahmen am Laserbearbeitungskopf erforderlich. Wie aus den Gesamtdarstellungen nach 1, 4, 5a und 5b erkennbar, bedient man sich bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 zum Schutz einer Laseroptik 2 eines zweistufigen Filtersystems mit zwei Filtereinheiten 10, 11, die in Längsrichtung L der Abschirmung 3 voneinander beabstandet angeordnet sind. Dabei sind die beiden Filtereinheiten 10, 11 jeweils platzsparend in der Abschirmung 3 integriert, ohne daher auf die Montage von externen (im Bereich zwischen Schweißstelle und Strahlaustrittsöffnung angeordneten) Schutzvorrichtungen (z. B. von unterhalb der Strahlaustrittsöffnung 6 positionierten Crossjet-Düsenanordnungen) angewiesen zu sein.
Die erste, in unmittelbarer Nähe zur Strahlaustrittsöffnung 6 positionierte Filtereinheit 10 hat zur Aufgabe, verhältnismäßig grobe metallische und magnetische bzw. magnetisierbare Kontaminationen 17, die vom Bearbeitungsbereich 7 in den Strahlkanal 4 aufsteigen, zu entfernen. Zu diesen Kontaminationen zählen in erster Linie die während des Laserstrahlschweißprozesses aus dem Schmelzbad mit hoher Geschwindigkeit herausgeschleuderten Spritzer 17 flüssigen Metalls. Die zweite, von der Strahlaustrittsöffnung 6 weiter entfernte, aber noch werkstückseitig vor der Laseroptik 2 angeordnete Filtereinheit 11 dient zum Ablenken und Auffangen von sehr feinen (sowohl magnetischen bzw. magnetisierbaren als auch nichtmagnetischen bzw. nichtmagnetisierbaren) Partikeln 18 (wie Staub- oder Aerosolteilchen) in den aufsteigenden Gasen oder Dämpfen. Diese beiden nachfolgend in größerem Detail beschriebenen Filtereinheiten 10, 11 können (wie in den gezeigten Ausführungsbeispielen) gemeinsam oder aber auch einzeln in der Abschirmung 3 einer erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 zum Schutz einer Laseroptik 2 integriert sein.
Die beiden Filtereinheiten 10, 11 sind verschiedenartig aufgebaut und unterscheiden sich daher hinsichtlich ihrer Abscheidecharakteristika. Beiden Filtereinheiten 10, 11 gemeinsam ist jedoch, dass sie jeweils ein in der Abschirmung 3 integriertes Felderzeugungsmittel 12, 13 umfassen, durch welches ein den Strahlkanal 4 zumindest teilweise in radialer Richtung R durchsetzendes Feld H erzeugt wird. Dieses Feld H führt dazu, dass die aufsteigenden Kontaminationen 17, 18 aus ihrer vertikalen Flugbahn im Strahlkanal 4 abgelenkt und somit auf ein ebenfalls in der Abschirmung 3 integriertes Auffangmittel 14, 15, 16 geleitet werden, wo die abgeschiedenen Kontaminationen 17, 18 sicher festgehalten werden.
Die erste Filtereinheit 10 zur Abscheidung schwerer metallischer (magnetischer oder magnetisierbarer) Kontaminationen (wie Spritzer 17 und Partikel) macht Gebrauch von mehreren ringförmig um den Strahlkanal 4 herum angeordneten Elektromagneten 12, die jeweils in radialen Durchgangsbohrungen 19 der Abschirmung 3 aufgenommen sind. Statt Durchgangsbohrungen 19 sind jedoch auch andere Aufnahmemöglichkeiten für die Elektromagnete 12 denkbar. Das von zwei einander diametral gegenüberliegenden Elektromagneten 12 erzeugte elektromagnetische Feld H ist im Längsschnitt nach 1 jeweils anhand der oval umlaufenden Feldlinien dargestellt und breitet sich im Strahlkanal 4 sowohl in radialer Richtung R als auch in Längsrichtung L aus. Durch dieses elektromagnetische Feld H wird auf die magnetisierbaren Spritzer 17 und Partikel, die im Strahlkanal 4 aufsteigen, derart eingewirkt, dass diese Spritzer 17 und Partikel magnetisiert und dadurch in radialer Richtung R der Abschirmung 3 zu den Elektromagneten 12 hin angezogen werden.
In 2 ist das Wirkprinzip der ersten Filtereinheit 10 anhand einer vergrößerten Ansicht auf den Längsabschnitt der Vorrichtung 1 zum Schutz einer Laseroptik 2, in dem die erste Filtereinheit 10 integriert ist, verdeutlicht. Dabei sind in einer übersichtlichen und vereinfachten Veranschaulichung lediglich die wesentlichen Komponenten der ersten Filtereinheit 10 (Felderzeugungsmittel 12 und Auffangmittel 14) und die von dieser Filtereinheit 10 erfassten Schweißspritzer 17 dargestellt. Die Schweißspritzer 17 fliegen in einer dem Laserstrahl 5 entgegengesetzten Richtung von unten nach oben durch den Strahlkanal 4. Durch die in 2 für jeden Schweißspritzer 17 eingezeichneten gestrichelten Pfeile wird diese vertikale Flugbahn der einzelnen Schweißspritzer 17 symbolisiert. Solche Schweißspritzer 17 können zu einer irreversiblen Beschädigung des Schutzglases 23 und/oder der nachfolgenden Laseroptik 2 führen und müssen daher aus dem Strahlkanal 4 entfernt werden. Vom Elektromagneten 12 geht hierzu ein durch ovale Feldlinien symbolisiertes elektromagnetisches Feld H aus, das in den angrenzenden Strahlkanal 4 eindringt und dort die Schweißspritzer 17 magnetisiert. Das elektromagnetische Feld H übt auf die magnetisierten Schweißspritzer 17 eine in radialer Richtung R zum Elektromagneten 12 hin (in 2 von links nach rechts) gerichtete Anziehungskraft aus. Die an den einzelnen Schweißspritzern 17 angreifende radiale Anziehungskraft (Ablenkkraft) ist in 2 jeweils anhand von durchgezogenen (von links nach rechts weisenden) Pfeilen symbolisiert.
Als Auffangmittel, um die vom elektromagnetischen Feld H abgelenkten Schweißspritzer 17 aufzufangen und festzuhalten, ist ein Opferblech 14 vorgesehen, das lösbar an der Innenseite 3i der Abschirmung 3 befestigt ist. Das Opferblech 14 weist eine an die Querschnittsform der Abschirmung 3 angepasste Querschnittsform (z. B. kreisförmig oder rechteckförmig) auf. Als Opferblech 14 kommt ein ferromagnetisches Blech, vorzugsweise ein beschichtetes oder unbeschichtetes Stahlblech, zum Einsatz. Gemäß 2 ist der Elektromagnet 12 in einer radialen Durchgangsbohrung 20 dieses Opferbleches 14 geführt und schließt in radial einwärts gerichteter Richtung bündig mit dem Opferblech 14 ab, sodass die Innenseite des Opferbleches 14 und die Stirnflache des Elektromagneten 12 den Strahlkanal 4 begrenzen. Das ferromagnetische Opferblech 14 wird durch den aufgenommenen Elektromagneten 12 magnetisiert, wodurch die Wirkfläche zum Auffangen der Spritzer 17 deutlich vergrößert wird. In radialer Richtung R abgelenkte magnetisierte Spritzer 17 bleiben am magnetisierten Opferblech 14 haften und werden somit dauerhaft aus dem Strahlkanal 4 entfernt.
Alternativ können die Elektromagneten 12 gemäß 1 und 4 – in radialer Richtung R der Abschirmung 3 gesehen – hinter dem Opferblech 14 positioniert sein. Somit kann ein direkter Kontakt zwischen den Elektromagneten 12 und der kontaminierten Atmosphäre des Strahlkanals 4 verhindert werden. Das austauschbare Opferblech 14 erfüllt in diesem Fall eine Doppelfunktion. Einerseits dient es als Schutzmittel, um einer Verschmutzung der Elektromagneten 12 durch die im Strahlkanal 4 befindlichen Kontaminationen 17, 18 vorzubeugen. Andererseits dient es in vorbeschriebener Weise als Auffangmittel zum Auffangen und Festhalten dieser Kontaminationen 17, 18.
Anstatt als Opferblech 14 kann das Auffangmittel auch in vereinfachter Form als (z. B. in einen Sammelbehälter mündende) seitliche Öffnung oder Abzweigung ausgebildet sein, aus welcher bzw. in welche die abgelenkten Spritzer 17 geschleudert werden. Entscheidend ist, dass ein weiteres Vordringen der Spritzer 17 im Strahlkanal 4 und damit die Gefahr einer Verschmutzung von optischen Komponenten der Strahlführung sicher vermieden werden. Besteht die Abschirmung 3 aus einem ferromagnetischen Material (z. B. aus Stahl), so wird zumindest der an den Elektromagneten 12 angrenzende Bereich der Abschirmung 3 durch den Elektromagneten 12 magnetisiert. Daher kann die Innenseite 3i dieses aufmagnetisierten Bereiches der Abschirmung 3 selbst als ein Auffangmittel zum Auffangen und Festhalten der aus dem Strahlkanal 5 abgelenkten, magnetischen oder magnetisierten Kontaminationen 17 fungieren. In einem solchen Fall kann ganz auf das Anbringen eines separaten Auffangmittels 14 verzichtet werden, wodurch sich der Aufbau der ersten Filtereinheit 10 weiter vereinfacht.
Anstelle eines konventionellen ”strömungsbasierten Crossjets” kommt in der ersten Filtereinheit 10 der erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 zum Schutz einer Laseroptik 2 gewissermaßen ein ”elektromagnetischer Crossjet” zur Anwendung, der die beim Schweißen entstehenden Spritzer 17 und sonstigen metallischen (magnetischen oder magnetisierbaren) Partikel unter der Einwirkung eines elektromagnetischen Feldes H (nicht einer Querströmung) von ihrer Flugbahn in seitlicher Richtung ablenkt. Nach einer ausreichenden Ablenkung durch das elektromagnetische Feld H werden die Spritzer 17 und Partikel auf dem durch die Elektromagneten 12 magnetisierten Opferblech 14 abgeschieden und bleiben daran haften. Auf diese Weise können Schweißspritzer 17 und sonstige grobe metallische Partikel in effizienter Weise aus dem Innenraum der Abschirmung 3 entfernt werden, bevor sie seine optischen Komponenten verunreinigen.
Zum Entfernen der vom Auffangmittel (z. B. vom Opferblech 14) aufgefangenen magnetisierten Schweißspritzer 17 müssen die Elektromagneten 12 lediglich durch Abschalten oder Umschalten des jeweils anliegenden Spulenstroms entmagnetisiert oder umgepolt werden. Infolge der Schwerkraft bzw. der abstoßenden Wirkung der umgepolten Elektromagnete 12 fallen die Spritzer 17 entsprechend 4 nach unten durch die Strahlaustrittsöffnung 6 aus der Abschirmung 3 heraus. Erfindungsgemäß ist es jedoch auch vorstellbar und möglich, an die Elektromagneten 12 einen modulierten Wechselstrom anzulegen, sodass ein elektromagnetisches Feld H erhalten wird, welches die metallischen (magnetischen oder magnetisierbaren) Kontaminationen 17 in schnellem Wechsel anzieht/abstößt, wodurch ein Anhaften der Kontaminationen 17 am Auffangmittel 14 verhindert wird. Somit können die abgeschiedenen Kontaminationen 17 leicht vom Auffangmittel 14 entfernt werden und im Idealfall von alleine infolge der Schwerkraft aus dem Strahlkanal 4 durch die Strahlaustrittsöffnung 6 herausfallen. Dies macht vorteilhafterweise längere Abreinigungsintervalle überflüssig.
Darüber hinaus kann das Ablösen der magnetisierten Spritzer 17 und der sonstigen magnetischen oder magnetisierten Partikel von den Elektromagneten 12 und vom Auffangmittel (z. B. vom Opferblech 14) durch zusätzlich angebrachte druckluftbetriebene Blasdüsen 21 (entsprechend 4) oder durch Absaugdüsen unterstützt werden. In den beiden Ausführungsbeispielen nach 1 und 4 besitzt das an der Innenseite 3i der Abschirmung 3 angebrachte Opferblech 14 zudem einen sich in Richtung auf die Strahlaustrittsöffnung 6 hin verjüngenden Innendurchmesser. Dadurch wird am Opferblech 14 eine Abtropfkante geschaffen, welche ein definiertes Ablaufen der Spritzer 17 (z. B. in einen darunterliegenden Sammelbehälter) während einer Abreinigungsphase sicherstellt.
Nichtmagnetische bzw. nichtmagnetisierbare Partikel 18 (z. B. Staub- oder Aerosolteilchen) werden von den elektromagnetischen Feldern H der ersten Filtereinheit 10 nicht an einer Ausbreitung im Strahlkanal 4 gehindert. Um zu verhindern, dass solche Partikel 18 die Laseroptik 2 erreichen und dort zu unerwünschten Verschmutzungen führen, ist zwischen der ersten Filtereinheit 10 und der Laseroptik 2 eine weitere, zweite Filtereinheit 11 vorgesehen. Diese zweite Filtereinheit 11 ist als ein Elektroabscheider ausgebildet, der sehr wirkungsvoll bezüglich dem Herausfiltern kleiner und kleinster Schwebeteilchen ist, und besitzt als Felderzeugungsmittel eine negativ geladene Sprühelektrode 13 und als Auffangmittel eine der Sprühelektrode 13 im Abstand gegenüberliegende Niederschlagselektrode 15. Der Abscheidevorgang in der als Elektroabscheider ausgebildeten zweiten Filtereinheit 11 kann in die folgenden Phasen unterteilt werden: Erzeugung der elektrischen Ladungen → Aufladung der Partikel 18 im elektrischen Feld → Transport der geladenen Partikel 18 zur Niederschlagselektrode 15 → Anhaftung der Partikel 18 an der Niederschlagselektrode 15 → Abtrennung des Staubes von der Niederschlagselektrode 15.
In der zweiten Filtereinheit 11 stehen für den Aufbau und die Anordnung der beiden Elektroden 13, 15 verschiedene Möglichkeiten offen, von denen in 3a und 3b beispielhaft zwei Möglichkeiten wiedergegeben sind. In jedem Fall müssen der Aufbau und die Anordnung der Elektroden 13, 15 berücksichtigen, dass der Laserstrahl 5 entlang der Mittelachse des Strahlkanals 4 verläuft. Um eine Störung des Laserstrahls 5 während der Laserbearbeitung der Werkstücke 8, 9 zu vermeiden, müssen die Elektroden 13, 15 deshalb dezentral, also von der Mittelachse des Strahlkanals 4 beabstandet, vorgesehen sein.
In dem Ausführungsbeispiel nach 3a sind die Sprühelektrode 13 und die Niederschlagselektrode 15 jeweils konzentrisch um den Laserstrahl 5 herum angeordnet, wobei die Niederschlagselektrode 15 als eine an der Innenseite 3i der Abschirmung 3 anliegende Hohlelektrode und die Sprühelektrode 13 als ein im Strahlkanal 4 zwischen dem Laserstrahl 5 und der Niederschlagselektrode 15 angeordneter wendelförmiger Sprühdraht ausgebildet ist. Der wendelförmige Sprühdraht ist an ein negatives Hochspannungspotential angeschlossen, während die Niederschlagselektrode 15 auf Erdpotential liegt. Durch die Hochspannung werden die nach dem Durchtritt durch die erste Filtereinheit 10 noch im Strahlkanal 4 befindlichen nichtmetallischen Teilchen (z. B. Staubpartikel 18 oder Aerosole) unipolar aufgeladen (Koronaentladung) und unter der Einwirkung des zwischen den Elektroden 13, 15 herrschenden elektrischen Hochspannungsfeldes weitgehend an der Niederschlagselektrode 15 abgeschieden.
Bei dem in 3b gezeigten Aufbau des Elektroabscheiders sind die Sprühelektrode 13 und die Niederschlagselektrode 15 jeweils paarweise einander diametral gegenüberliegend an der Innenseite 3i der Abschirmung 3 angeordnet. Die Sprühelektrode 13 ist dabei durch zwei in Längsrichtung L der Abschirmung 3 beabstandete Sprühdrähte gebildet, während die Niederschlagselektrode 15 als Plattenelektrode ausgeführt ist. Auch hier wird die Luft im Strahlkanal 4 durch das Hochspannungsfeld zwischen beiden Elektroden 13, 15 ionisiert, sodass sich in der Luft befindliche Schwebeteilchen aufgrund der Ionisation an der dem Strahlkanal 4 zugewandten Abscheidefläche der Niederschlagselektrode 15 anlegen.
Im zweiten Ausführungsbeispiel nach 3b ist außerdem zusätzlich zu dem aus Sprühelektrode 13 und Niederschlagselektrode 15 gebildeten Elektroabscheider in Flugrichtung der Kontaminationen 17, 18, also in entgegengesetzter Richtung zum Laserstrahl 5, versetzt ein zusätzliches Auffangmittel in Form einer an Erdpotential liegenden Kollektorplatte 16 angeordnet. Dabei ist die Kollektorplatte 16 als eine mit der Innenseite 3i der Abschirmung 3 in Anlage stehende Hohlelektrode ausgebildet. Von der Niederschlagselektrode 15 des Elektroabscheiders nicht erfasste ionisierte Partikel 18 können auf dieser nachfolgenden Kollektorplatte 16 aufgefangen werden. Durch ein solches zusätzliches Auffangmittel 16 wird die Effektivität der Filterung weiter gesteigert mit dem Ergebnis, dass selbst kleinste Schwebeteilchen an einem Erreichen der sensiblen optischen Komponenten des Laserbearbeitungskopfes gehindert werden.
Gemäß 4 ist in Durchgangsbohrungen 22 der Abschirmung 3 oberhalb des als zweite Filtereinheit 11 dienenden Elektroabscheiders ein Ring von druckluftbetriebenen Blasdüsen 21 vorgesehen. Mit ihren Düsenaustritten ragen diese Blasdüsen 21 jeweils derart in den Strahlkanal 4 hinein, dass sie nach schräg unten in Richtung auf die abzureinigenden Elektroden 13, 15 der zweiten Filtereinheit 11 weisen. Bei einem von diesen Blasdüsen 21 ausgehenden Druckluftstoß werden die an den Elektroden 13, 15 anhaftenden Partikel 18 abgelöst und durch den Druckluftstrom nach unten aus der Abschirmung 3 herausgeblasen.
5a und 5b zeigen zwei verschiedene Verwendungsmöglichkeiten der erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 zum Schutz einer Laseroptik 2 beim Laserstrahlschweißen von Werkstücken 8, 9 (z. B. von Metallblechen) im Überlappstoß. Gemäß 5a kann die erfindungsgemäße Vorrichtung 1 als ein den Strahlkanal 4 abschließendes Endstück eines konventionellen Laserschweißwerkzeuges eingesetzt werden, das sich in der Senkrechten und mit einem bestimmten Abstand über dem Bearbeitungsbereich 7 der Werkstücke 8, 9 befindet. Der Fokus des Laserstrahls 5 liegt bei der Darstellung der 5a in etwa an der oberen Kante des oberen Werkstücks 8. Entsprechend 5b kann die erfindungsgemäße Vorrichtung 1 jedoch auch als ein den Strahlkanal 4 abschließendes Endstück eines Oberwerkzeuges einer Laserschweißzange Verwendung finden. In einem solchen Fall bildet die Abschirmung 3 ein Druckstück, das mit einer bestimmten Presskraft auf das obere Werkstück 8 aufgesetzt wird und dabei den Bearbeitungsbereich 7 ringförmig umschließt. Durch die unmittelbar neben der Schweißstelle aufgebrachte Presskraft wird während des Schweißvorganges der erforderliche Spaltabstand zwischen den zu verschweißenden Werkstücken 8, 9 genau eingehalten.
Der wesentliche Vorteil der Erfindung besteht darin, dass es mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 und dem erfindungsgemäßen Verfahren zum Schutz einer Laseroptik 2 beim Laserbearbeiten eines oder mehrerer Werkstücke 8, 9 möglich ist, die bei der Laserbearbeitung (z. B. beim Laserstrahlschweißen) entstehenden Spritzer 17 und sonstigen Kontaminationen 18 ohne die Verwendung einer Gasströmung von den optischen Komponenten der Bearbeitungsoptik fernzuhalten. Der Verzicht auf eine Gasströmung bringt verschiedene Vorteile mit sich. Zum einen werden die thermodynamischen und strömungsmechanischen Verhältnisse im Laserbearbeitungskopf erheblich vereinfacht. Dies gilt selbst für einen Laserbearbeitungskopf, der entsprechend 5b direkt auf die zu verschweißenden Werkstücke 8, 9 aufgesetzt wird (was z. B. für ein Oberwerkzeug einer Laserschweißzange der Fall ist). Zum anderen wird auch eine Vereinfachung des Aufbaus und der Gestaltung der Strahlaustrittsöffnung 6 erzielt, da in diesem Bereich nicht länger externe Schutzvorrichtungen (”Crossjet”-Vorrichtungen zur Erzeugung starker quergerichteter Gasströme) vorgesehen werden müssen. Schließlich wird nicht nur die Schweißoptik, sondern auch die Umgebung des Laserbearbeitungskopfes mit geringeren Mengen an Kontaminationen 17, 18 belastet, da diese erfindungsgemäß durch ein Auffangmittel 14, 15, 16 aufgefangen und festgehalten werden. Erst durch Entmagnetisierung oder Umpolung des Felderzeugungsmittels (z. B. des Dauer- oder Elektromagneten 12) und ggf. unterstützt durch einen Druckstoß oder eine Absaugung werden die Kontaminationen 17, 18 auf kontrollierte Weise vom Auffangmittel 14, 15, 16 entfernt und gesammelt und können so einer Entsorgung oder Wiederwertung zugänglich gemacht werden.
Weiterhin kann die erfindungsgemäße Technologie auch dafür genutzt werden, eine Serienproduktion hinsichtlich des anlagentechnischen Aufwandes und der Taktzeit zu optimieren. Am Beispiel eines Laserschweißzangensystems kann die Reinigung der Druckstücke mit dieser Technologie viel schneller erfolgen. Die an den Auffangmitteln 14, 15, 16 anhaftenden Rückstände werden beim Abschalten oder Umpolen der integrierten Felderzeugungsmittel 12, 13 von den Auffangmitteln 14, 15, 16 abgelöst und fallen infolge der Schwerkraft nach unten aus dem Druckstück der Zange heraus. Dadurch wird der Aufwand für das Ausfräsen der Druckstücke erheblich reduziert oder dieser Prozessschritt sogar gänzlich überflüssig gemacht.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung 1 zum Schutz einer Laseroptik 2 kann in allen Bereichen der metallverarbeitenden Industrie vorteilhaft zum Einsatz gelangen. Insbesondere bei der Laserbearbeitung von Stahlwerkstoffen und hier weiter insbesondere beim Laserstrahlschweißen von dünnen beschichteten Blechen aus Stahlwerkstoffen, die in der blechverarbeitenden Industrie (vor allem in den mobilen Bereichen des Schienenfahrzeug-, Luftfahrzeug-, Automobil- und Schiffsbaus) weite Verbreitung finden, kommen die vorgenannten Vorteile der erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 zum Schutz einer Laseroptik 2 besonders deutlich zur Geltung.
Bezugszeichenliste

1: Vorrichtung zum Schutz einer Laseroptik
2: Linse (Laseroptik)
3: Abschirmung
3i: Innenseite der Abschirmung
4: Strahlkanal
5: Laserstrahl
6: Strahlaustrittsöffnung
7: Bearbeitungsbereich
8, 9: Werkstücke
10, 11: Filtereinheiten
12: Elektromagnet (Felderzeugungsmittel)
13: Sprühelektrode (Felderzeugungsmittel)
14: Opferblech (Auffangmittel)
15: Niederschlagselektrode (Auffangmittel)
16: Kollektorplatte (Auffangmittel)
17: Schweißspritzer (Kontaminationen)
18: Partikel (Kontaminationen)
19: Durchgangsbohrung der Abschirmung (für Elektromagnet)
20: Durchgangsbohrung des Opferbleches
21: Blasdüse
22: Durchgangsbohrung der Abschirmung (für Blasdüse)
23: Schutzglas
H: magnetisches, elektrisches oder elektromagnetisches Feld
R: radiale Richtung der Abschirmung
L: Längsrichtung der Abschirmung

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

EP 1607167 A1 [0004]
DE 20318461 U1 [0009]

Claims

Vorrichtung (1) zum Schutz einer Laseroptik (2) beim Laserbearbeiten eines oder mehrerer Werkstücke (8, 9) mit einer Abschirmung (3), die einen Strahlkanal (4) für den Durchtritt eines Laserstrahls (5) umgibt und an ihrem Ende eine Strahlaustrittsöffnung (6) zur Abgabe des Laserstrahls (5) in Richtung auf einen Bearbeitungsbereich (7) eines oder mehrerer Werkstücke (8, 9) aufweist, wobei die Vorrichtung (1) über wenigstens eine Filtereinheit (10, 11) zum Entfernen von im Bearbeitungsbereich (7) entstehenden und in den Strahlkanal (4) eindringenden Kontaminationen, wie Spritzer (17), Partikel (18) oder Gase/Dämpfe, verfügt, dadurch gekennzeichnet, dass die Filtereinheit (10, 11) gebildet ist aus – wenigstens einem in der Abschirmung (3) integrierten Felderzeugungsmittel (12, 13) zur Erzeugung eines den Strahlkanal (4) zumindest teilweise durchsetzenden magnetischen, elektrischen oder elektromagnetischen Feldes (H) und – wenigstens einem in der Abschirmung (3) integrierten Auffangmittel (14, 15, 16) zum Auffangen der aus dem Strahlkanal (4) unter Einwirkung des magnetischen, elektrischen oder elektromagnetischen Feldes (H) abgelenkten Kontaminationen (17, 18).
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Felderzeugungsmittel durch wenigstens einen Dauermagneten und/oder wenigstens einen Elektromagneten (12) gebildet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der wenigstens eine Dauermagnet und/oder der wenigstens eine Elektromagnet (12) in einer radialen Durchgangsbohrung (19) der Abschirmung (3) gehalten ist bzw. sind.
Vorrichtung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Auffangmittel durch wenigstens ein lösbar an der Innenseite (3i) der Abschirmung (3) befestigtes Opferblech (14) aus ferromagnetischem Material gebildet ist, wobei das wenigstens eine Opferblech (14) durch den wenigstens einen Dauermagneten und/oder den wenigstens einen Elektromagneten (12) magnetisiert ist, um die aus dem Strahlkanal (4) abgelenkten Kontaminationen (17) aufzufangen und festzuhalten.
Vorrichtung nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der wenigstens eine Dauermagnet und/oder der wenigstens eine Elektromagnet (12) – in radialer Richtung (R) der Abschirmung (4) gesehen – hinter dem wenigstens einen Opferblech (14) oder in einer radialen Durchgangsbohrung (20) des wenigstens einen Opferbleches (14) angeordnet ist bzw. sind.
Vorrichtung nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Abschirmung (3) zumindest teilweise aus einem ferromagnetischen Material, insbesondere aus Stahl, besteht und durch den wenigstens einen Dauermagneten und/oder den wenigstens einen Elektromagneten (12) magnetisiert ist, sodass die Abschirmung (3) zumindest teilweise mit seiner Innenseite (3i) das Auffangmittel zum Auffangen und Festhalten der aus dem Strahlkanal (4) abgelenkten Kontaminationen (17) bildet.
Vorrichtung nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der wenigstens eine Dauermagnet und/oder der wenigstens eine Elektromagnet (12) entmagnetisierbar oder in seiner bzw. ihrer Polung umkehrbar ist bzw. sind, sodass die Kontaminationen (17) infolge der Schwerkraft und/oder infolge der abstoßenden Wirkung des umgepolten Dauermagneten und/oder des umgepolten Elektromagneten (12) nach unten aus dem Abschirmung (3) herausfallen.
Vorrichtung nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche 2 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass durch Anlegen eines modulierten Wechselstromes an dem wenigstens einen Elektromagneten (12) das elektromagnetische Feld derart gestaltbar ist, dass die Kontaminationen (17) in schnellem Wechsel angezogen/abge-stoßen werden, sodass ein Anhaften der Kontaminationen (17) am Auffangmittel (14) verhinderbar ist und diese infolge der Schwerkraft aus der Abschirmung (3) herausfallen.
Vorrichtung nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Felderzeugungsmittel durch wenigstens eine negativ geladene Sprühelektrode (13) und das Auffangmittel durch wenigstens eine der Sprühelektrode (13) im Abstand gegenüberliegende positiv geladene oder geerdete Niederschlagselektrode (15) gebildet ist, sodass sich zwischen der Sprühelektrode (13) und der Niederschlagselektrode (15) ein elektrisches Feld ausbildet, durch das die im Strahlkanal (4) enthaltenen Kontaminationen (18) aufladbar und zur Niederschlagselektrode (15) hin ablenkbar sind.
Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens eine Sprühelektrode (13) und die wenigstens eine Niederschlagselektrode (15) jeweils konzentrisch um den Laserstrahl (5) herum angeordnet sind, wobei die Niederschlagselektrode (15) als eine an der Innenseite (3i) des Abschirmung (3) anliegende Hohlelektrode und die Sprühelektrode (13) als ein im Strahlkanal (4) zwischen dem Laserstrahl (5) und der Niederschlagselektrode (15) angeordneter wendelförmiger Sprühdraht ausgebildet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens eine Sprühelektrode (13) und die wenigstens eine Niederschlagselektrode (15) einander diametral gegenüberliegend an der Innenseite (3i) des Abschirmung (3) anliegen, wobei die Sprühelektrode (13) durch wenigstens einen Sprühdraht und die Niederschlagselektrode (15) durch wenigstens eine Plattenelektrode gebildet ist.
Vorrichtung nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein zusätzliches Auffangmittel in Form einer positiv geladenen oder geerdeten Kollektorplatte (16) gegenüber der wenigstens einen Sprühelektrode (13) und der wenigstens einen Niederschlagselektrode (15) in Längsrichtung (L) der Abschirmung (3) von der Strahlaustrittsöffnung (6) weg versetzt ist.
Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Kollektorplatte (16) als eine an der Innenseite (3i) des Abschirmung (3) anliegende Hohlelektrode ausgebildet ist.
Vorrichtung nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass zwei in Längsrichtung (L) der Abschirmung (3) hintereinander angeordnete Filtereinheiten (10, 11) vorgesehen sind, wobei die erste, näher an der Strahlaustrittsöffnung (6) liegende Filtereinheit (10) zum Ablenken und Auffangen von schweren metallischen Spritzern (17) oder Partikeln dient, während die zweite, weiter von der Strahlaustrittsöffnung (6) entfernte Filtereinheit (11) zum Ablenken und Auffangen von leichten nichtmetallischen Partikeln (18) in Gasen oder Dämpfen dient.
Vorrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Filtereinheit (10) aus wenigstens einem Felderzeugungsmittel (12) und wenigstens einem Auffangmittel (14) gemäß zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche 2 bis 9 und die zweite Filtereinheit aus wenigstens einem Felderzeugungsmittel (13) und wenigstens einem Auffangmittel (15, 16) gemäß zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche 10 bis 14 gebildet ist.
Vorrichtung nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass in der Abschirmung (3) wenigstens eine Blas- oder Absaugdüse (21) integriert ist, um ein Ablösen der Kontaminationen (17, 18) von dem wenigstens einen Auffangmittel (14, 15, 16) und ein Herausfallen der Kontaminationen nach unten aus der Abschirmung (3) zu unterstützen.
Vorrichtung nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung (1) das den Strahlkanal (4) abschließende Endstück eines Oberwerkzeuges einer Laserschweißzange bildet, wobei die Abschirmung (3) als Druckstück auf das oder die Werkstücke (8) aufsetzbar ist und dabei den Bearbeitungsbereich (7) ringförmig umschließt.
Verfahren zum Schutz einer Laseroptik (2) beim Laserbearbeiten eines oder mehrerer Werkstücke (8, 9), insbesondere unter Verwendung einer Vorrichtung (1) nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 17, wobei ein Laserstrahl (5) durch einen von einer Abschirmung (3) umgebenen Strahlkanal (4) tritt, wobei der Laserstrahl (5) am Ende der Abschirmung (3) durch eine Strahlaustrittsöffnung (6) in Richtung auf einen Bearbeitungsbereich (7) eines oder mehrerer Werkstücke (8, 9) abgegeben wird, und wobei mittels wenigstens einer Filtereinheit (10, 11) im Bearbeitungsbereich (7) entstehende und in den Strahlkanal (4) eindringende Kontaminationen, wie Spritzer (17), Partikel (18) oder Gase/Dämpfe, entfernt werden, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein in der Abschirmung (3) integriertes Felderzeugungsmittel (12, 13) der Filtereinheit (10, 11) ein magnetisches, elektrisches oder elektromagnetisches Feld (H) erzeugt, das den Strahlkanal (4) zumindest teilweise durchsetzt, und wenigstens ein in der Abschirmung (3) integriertes Auffangmittel (14, 15, 16) der Filtereinheit (10, 11) die aus dem Strahlkanal (4) unter Einwirkung des magnetischen, elektrischen oder elektromagnetischen Feldes (H) abgelenkten Kontaminationen (17, 18) auffängt.