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Die Erfindung betrifft eine Strahlenschutzeinrichtung an Laser-Bearbeitungseinrichtungen, insbesondere Laser-Schweißeinrichtungen gemäß Oberbegriff des Anspruches 1.
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Laser-Bearbeitungseinrichtungen werden in zunehmendem Maße etwa für das Laserschweißen oder für das Laserschneiden von metallischen Werkstoffen oder Kunststoffen benutzt, indem energiereiche Laserstrahlung etwa eines Faserlasers gezielt etwa auf zu verschweißende Werkstücke oder Werkstückkanten aufgebracht wird und dort lokal das Material der Werkstücke aufschmilzt und verschweißt. Die hierfür benötigte energiereiche Laserstrahlung hat den großen Vorteil, sehr punktuell auf die Werkstücke einzuwirken und anders als etwa beim Gasschweißen durch die entstehende Wärmeeinflusszone die Materialeigenschaften der Werkstücke räumlich nur sehr gering zu verändern. Zudem ist z.B. das Schweißen mittels Laserstrahl ein schnelles Schweißverfahren, weshalb es z.B. bei zeitkritischen Schweißungen bevorzugt eingesetzt wird.
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Nachteilig an einer derartigen Verwendung energiereicher Laserstrahlung ist aber, dass die Laserstrahlung für den Menschen insgesamt und insbesondere für die Augen gefährlich sein kann. So kann ein derartiger energiereicher Laserstrahl, der beispielsweise an den Kanten eines Werkstückes reflektiert wird und frei in den Bereich um die Laser-Bearbeitungseinrichtung herum gelangt, den Bediener einer solchen Laser-Bearbeitungseinrichtung verletzen oder sein Augenlicht beeinträchtigen. Der Energiegehalt eines solchen Laserstrahls kann unmittelbar zur Erblindung führen, wenn der Laserstrahl in das Auge eines Bediener fallen würde. Aber auch schon reine Streustrahlung, die sich aufgrund der Wechselwirkung des Laserlichts mit dem Werkstück bilden kann, kann immer noch so energiereich sein, dass auch allein aufgrund derartiger Streustrahlung gesundheitlich negative Effekte auftreten können.
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Daher wird an Laser-Bearbeitungseinrichtungen bisher davon ausgegangen, dass die gesamte Laser-Bearbeitungseinrichtung lichtdicht eingehaust werden muss, um das Risiko solcher vagabundierender Laserstrahlen sicher ausschließen zu können. Hierfür wird die gesamte Laser-Bearbeitungseinrichtung quasi in ein großes Gehäuse eingebaut oder die Laser-Bearbeitungseinrichtung auf allen Seiten lichtdicht mit entsprechenden Schutzbarrieren umgeben, was für die Bedienung der Laser-Bearbeitungseinrichtung hinderlich ist und zudem einen hohen Bauaufwand zur Gewährleistung der entsprechenden Lichtdichtheit erfordert. Derartige Schutzeinrichtungen sind daher teuer und in ihrer Benutzung hinderlich.
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Es ist aus der
EP 2 637 818 B1 eine Vorrichtung zum Fügen von Werkstücken mittels Laserstrahls und bewegbaren Andruckelementen bekannt geworden, bei der nur der Arbeitsbereich rings um den Laser selber bzw. den Bereich des Laseraustritts herum durch eine entsprechende Gehäusegestaltung lichtdicht gekapselt wird und dadurch das zu umbauende Volumen im Bereich des Laseraustritts auf ein kleineres Maß reduziert wird. Dieses an sich recht starre Konzept mit einem festen Gehäuse rings um den Bereich des Laseraustritts herum wird dadurch flexibler gestaltet, dass einzelne Abschnitte des Gehäuses aus relativ zu dem Gehäuse beweglichen Segmenten gebildet wird, die Teil der lichtdichten Kapselung des Gehäuses werden und gleichwohl in ihrer Position relativ zu dem Gehäuse veränderbar sind. Derartige Segmente können etwa Rollen oder dergleichen sein, die an den Werkstücken anliegen und diese relativ zueinander positionieren und klemmen. Weiter verbleibende Restöffnungen können etwa durch Bürsten oder sonstige flexible Elemente verschlossen werden, sodass auch dort kein Laserstrahl bzw. keine Streustrahlung aufgrund des Laserstrahls mehr austreten kann. Dieses Konzept lässt sich nur dann realisieren, wenn die Ränder des Gehäuses auf den Werkstücken aufliegen und diese wie beschrieben klemmen. Ist aber eine Relativbewegung zwischen dem Gehäuse und den Werkstücken notwendig und daher eine Berührung zwischen Gehäuse und Werkstück nicht möglich, so lässt sich ein Austritt zumindest von Streustrahlung aus dem Inneren des Gehäuses mit einer daraus sich ergebenden Gefährdung des Bedienpersonals nicht sicher ausschließen. Die Abdichtung eventueller Spalte mit Bürsten oder dgl. flexiblen und dadurch geometrisch unbestimmten Elementen ist aber auf Dauer nicht sicher, da sich die flexiblen Elemente während des Betriebe verformen oder unzulässig verändern können. Außerdem sind derartige Lösungen zur Abdichtung bei hohen Laserleistungen generell fraglich.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine Schutzeinrichtung der gattungsgemäßen Art dadurch weiterzuentwickeln, dass aus dem Gehäuse zueinander relativ bewegter Bauteile im Bereich der Laseraustrittszone austretende Strahlung weitestgehend aufgefangen und nicht vermeidbar austretende Streustrahlung sicher abgeleitet wird.
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Die Lösung der erfindungsgemäßen Aufgabe ergibt sich aus den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruches 1 in Zusammenwirken mit den Merkmalen des Oberbegriffes. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
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Die Erfindung geht aus von einer Strahlenschutzeinrichtung für Laser-Bearbeitungseinrichtungen, insbesondere Laser-Schweißeinrichtungen, bei denen ein hochenergetischer Laserstrahl punktuell ein Werkstück bearbeitet und der die Laseraustrittszone umgebende Bereich der Laser-Bearbeitungseinrichtung angrenzend an das Werkstück zumindest abschnittsweise lichtdicht oder weitgehend lichtdicht umgrenzt ist. Eine derartige gattungsgemäße Strahlenschutzeinrichtung wird dadurch in erfindungsgemäßer Weise weiter entwickelt, dass die Strahlenschutzeinrichtung ein zumindest abschnittsweise sich entlang der Bewegungsrichtung des Lasers erstreckendes und mit dem Laser mit bewegtes, lichtsperrendes Gehäuse aufweist, das den Bereich der Laseraustrittszone zumindest abschnittsweise einhaust, wobei in den nicht lichtdichten Abschnitten des Gehäuses Verschlusselemente oder Lichtfallen angeordnet sind, die aufgrund der Wechselwirkung des Lasers mit dem Werkstück entstehende Streustrahlung vollständig oder weitgehend unschädlich machen. Die erfindungsgemäße Gestaltung des lichtsperrenden Gehäuses zu Einhausung der Laseraustrittszone dient dazu, den überwiegenden Teil möglicher Streustrahlung des Lasers aufzufangen und dadurch unschädlich zu machen, wobei das lichtsperrende Gehäuse sich mit der Bewegung des Lasers entlang des Werkstückes mit bewegt und dadurch seine Position relativ zu dem Bereich der Laseraustrittszone immer gleich bleibt. Dies kann entweder dadurch erfolgen, dass das Gehäuse eine Einheit mit dem Laser bildet und Laser und Gehäuse gemeinsam bewegt werden, denkbar ist es selbstverständlich auch, dass das Gehäuse eine eigene, mit der Bewegung des Lasers synchronisierte Antriebseinheit aufweist. Aufgrund der Bewegungsrichtung des Lasers und abhängig von der Gestaltung der zu bearbeitenden Werkstücke erstreckt sich das Gehäuse dabei im Wesentlichen entlang der Bewegungsrichtung des Lasers, etwa beim Verschweißen von Blechen entlang der Schweißnaht, und umgrenzt daher in Bewegungsrichtung und entgegen der Bewegungsrichtung die Laseraustrittszone. Da etwa beim Verschweißen von Werkstücken wie Blechen aufgrund der Relativbewegung von Laser und Werkstück das Gehäuse nicht dichtend auf dem Werkstück aufliegen kann, wird das Gehäuse einen wenn auch möglichst geringen Abstand zu dem Werkstück einhalten müssen, um eine störungsfreie Bewegung des Gehäuses und des Lasers über das Werkstück zu ermöglichen. Dieser spaltförmige Bereich zwischen Gehäuse und Werkstück ermöglicht es daher nicht, die Laseraustrittszone komplett lichtdicht abzuschließen. Daher werden in diesem Bereich entweder an der Einrichtung ohnehin angeordnete oder speziell dafür vorgesehene Flächen etwa an Gestellbauteilen, Verkleidungen, Führungen, Aggregaten oder dgl. genutzt, um z.B. seitlich austretende Streustrahlung einzugrenzen. In Bereichen, in denen derartige Flächen nicht angeordnet oder funktionell nicht möglich sind, werden dann Verschlusselemente oder Lichtfallen angeordnet, die in diese Richtungen austretende Laserstrahlung oder Streustrahlung vollständig kompensieren oder weitgehend unschädlich machen können, etwa indem die Gestaltung der Verschlusselemente eine weitgehende Absorption der Streustrahlung ermöglicht oder Lichtfallen die Streustrahlung gezielt richten und in Bereiche ablenken, in denen keine gesundheitliche Beeinträchtigung anwesender Bedienpersonen auftreten kann. Dadurch wird die Lichtdichtheit bzw. die zulässige Gestaltung des Austritts von Streustrahlung aus dem Gehäuse insbesondere in Bewegungsrichtung und entgegengesetzt der Bewegungsrichtung des Lasers vereinfacht, insbesondere wenn als Verschlusselemente an der Laser-Bearbeitungseinrichtung ohnehin vorhandene Bauteile verwendet werden können. Gleichzeitig wird durch die Zulässigkeit eines gerichteten Austritts von Streustrahlung aus dem Bereich der Laseraustrittszone der Aufwand zur Einhausung der Laseraustrittszone deutlich verringert, auch kann der benötigte Bauraum und die Zugänglichkeit des Bereichs der Laseraustrittszone etwa für Reparaturen oder Wartungen wesentlich verbessert werden.
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In weiterer Ausgestaltung ist es denkbar, dass das sich beidseits entlang der Bewegungsrichtung des Lasers erstreckende lichtsperrende Gehäuse die Laseraustrittszone im Wesentlichen haubenförmig umgrenzt. Die haubenförmige Gestaltung des Gehäuses ermöglicht eine gezielte Anpassung der Form des Gehäuses an die typischerweise lineare Bewegung des Lasers entlang zum Beispiel von Kanten zu verschweißender Bauteile, wobei in Richtung der Bewegung des Lasers und in Gegenrichtung dazu das Gehäuse zumindest abschnittsweise offene Bereiche oder freie Spalte aufweisen kann. Seitlich aus dem Gehäuse austretende Streustrahlung kann etwa durch Gestellbauteile, Verkleidungen, Führungen der Laser-Bearbeitungseinrichtung wirksam abgeschattet oder abgeleitet werden. Hierdurch kann auch der Randbereich des Gehäuses, der beabstandet zum Werkstück verläuft, durch die Verschlusselemente oder Lichtfallen gezielt weitgehend lichtdicht gemacht oder die Streustrahlung gezielt aus diesem Bereich in unschädliche Bereiche abgelenkt werden.
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Weiterhin ist es von Vorteil, wenn das haubenartig die Laseraustrittszone umgebende Gehäuse zumindest während der Laserbearbeitung einen nur geringen Abstand zu dem Werkstück aufweist, wodurch Streustrahlung zwischen Werkstück und Gehäuse nur in einem kleinen Winkelbereich aus dem Gehäuse austreten kann. Je geringer der Abstand und damit der verbleibende Spalt zwischen Werkstück und Gehäuse während des Betriebs des Lasers gewählt wird, umso weniger Streustrahlung kann aus dem Gehäuse herauskommen. Zudem ist es möglich, durch bauliche Maßnahmen an der Laser-Bearbeitungseinrichtung dafür zu sorgen, dass aus dem spaltförmigen Bereich zwischen Werkstück und Gehäuse austretende Streustrahlung quer zur Bewegungsrichtung des Lasers etwa durch wallartige Umrandungen oder sonstige ohnehin vorhandene Bauteile aufgefangen oder gezielt in unschädliche Bereiche abgelenkt wird.
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In besonders vorteilhafter Weise können die nicht lichtdichten Abschnitte im Bereich der Laseraustrittszone des lichtsperrenden Gehäuses mit rollenartigen oder blendenartigen Verschlusselementen weitgehend lichtdicht verschlossen werden, die an dem lichtsperrenden Gehäuse angeordnet sind oder sich mit der Laseraustrittszone synchron mitbewegen. Derartige rollenartige oder blendenartige Verschlusselemente, die zum Beispiel relativ beweglich zu dem Gehäuse an dem Gehäuse angeordnet sein können, erlauben eine gezielte lichtdichte oder weitgehend lichtdichte Abschottung der Bereiche insbesondere in Bewegungsrichtung des Lasers und entgegen der Bewegungsrichtung des Lasers, die durch das Gehäuse nicht lichtdicht ausgebildet sind. Hierbei können in weiterer Ausgestaltung die rollenartigen Verschlusselemente als Schutzrollen oder Tast- oder Andruckrollen ausgebildet sein, die vor und/oder hinter der Laseraustrittszone auf dem zu bearbeitenden Werkstück aufliegen und sich entlang der Bewegungsrichtung des Lasers synchron mit dem Laser mitbewegen. Derartige Schutzrollen oder Tast- oder Andruckrollen werden zum Beispiel beim Verschweißen von Blechen häufig ohnehin zur Positionierung bzw. Lagezuordnung der Bleche zueinander verwendet und liegen dafür auf den zu verbindenden Blechen, diese Bleche z.B. auf einen gemeinsamen Untergrund pressend, auf. Verschließt eine derartige Rolle durch ihre Gestaltung und ihre Maße den Abschnitt des Gehäuses etwa in Bewegungsrichtung oder entgegengesetzt der Bewegungsrichtung der Laseraustrittszone, so blockiert eine derartige Rolle den möglichen Austrittsbereich von Streustrahlung des Lasers in dieser Richtung, sodass die Rolle in dieser Hinsicht funktional quasi Teil des lichtdichten Gehäuses wird. Bei der Gestaltung der Verschlusselemente als blendenartige Verschlusselemente können diese verschiebbar oder rollladenartig verstellbar ausgebildet sein und den Abschnitt des Gehäuses insbesondere in Bewegungsrichtung oder entgegengesetzt der Bewegungsrichtung der Laseraustrittszone gezielt verschließen.
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In einer anderen vorteilhaften Ausgestaltung können als Lichtfallen Lichtschikanen im Bereich der nicht lichtdichten Abschnitte des Gehäuses angeordnet werden, die Streustrahlung des Lasers durch Mehrfachreflektion gezielt richten und/oder in Bereiche im Umfeld der Laser-Bearbeitungseinrichtung weiter leiten, in denen die Streustrahlung unschädlich ist. Eine derartige Anordnung von Lichtschikanen verhindert zwar nicht den Austritt von Streustrahlung aus dem Bereich der Laseraustrittszone, sorgt aber dafür, dass diese Streustrahlung z.B. durch Mehrfachreflexionen so gerichtet wird, dass die Streustrahlung gezielt in Bereiche abgegeben wird, in denen die Streustrahlung unschädlich ist oder durch entsprechende Schutzeinrichtungen aufgefangen werden kann. Zudem wird bei jeder Reflektion die Streustrahlung in ihrer Intensität verringert, da sie bei jeder Reflektion sowohl an der Auftrefffläche absorbiert als auch reflektiert wird. Die abgestrahlte Streustrahlung kann hierdurch räumlich eingeengt werden und nicht so stark auffächern, wie dies durch Mehrfachreflexionen sonst denkbar wäre. Hierdurch wird dafür gesorgt, dass die Streustrahlung etwa vorhandenes Bedienpersonal nicht beeinträchtigen kann und gleichzeitig keine übertrieben hohen Anforderungen an die Lichtdichtheit des Gehäuses etwa in Bewegungsrichtung oder entgegengesetzt der Bewegungsrichtung des Lasers gestellt werden. So kann in weiterer Ausgestaltung die von den Lichtschikanen reflektierte Streustrahlung des Lasers so gerichtet werden, dass die Streustrahlung unschädlich für Menschen auf bereitgestellte lokale und abmessungsmäßig eher kleine Strahlenschutzbarrieren auftrifft. Hierzu kann eine derartige lokale Strahlenschutzbarriere in Abstrahlungsrichtung der von einer Lichtschikane gerichteten Streustrahlung aufgestellt werden, die die Streustrahlung dann absorbiert und gleichzeitig so aufgestellt und dimensioniert werden kann, dass die Bedienung der Laser-Bearbeitungseinrichtung durch Bedienpersonal nicht verhindert oder eingeschränkt wird.
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In weiterer Ausgestaltung ist es von Vorteil, wenn die Laserstrahlung oder Streustrahlung ausgesetzten Oberflächen des Gehäuses, aber auch der rollenartigen oder blendenartigen Verschlusselemente, derart gestaltet, insbesondere aufgeraut und/ oder geschwärzt und/oder beschichtet, sind, dass sie Laserstrahlung oder Streustrahlung des Lasers zu einem großen Anteil absorbieren und nur einen kleinen Anteil streuend reflektieren. Eine derartige Gestaltung der der Streustrahlung ausgesetzten Oberflächen des Gehäuses oder der Verschlusselemente führt entweder zu einer Absorption der Streustrahlung an diesen Oberflächen oder zu einer weiteren Streuung und damit Reduzierung der Energiedichte dieser Strahlung.
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Weiterhin ist es denkbar, dass das Gehäuse und/oder die rollenartigen oder blendenartigen Verschlusselemente als Sandwichkonstruktion, insbesondere mehrwandig mit zwischen den Wandungen angeordneten, vorzugsweise sensorisch überwachten Laserschutzfolien ausgebildet sind. Derartige Laserschutzfolien sind grundsätzlich bekannt und werden bei der Beaufschlagung mit Laserstrahlen punktuell so verändert, dass ein entsprechendes sensorisch erfasstes Signal abgeleitet werden kann, wodurch detektiert wird, dass ein Laserstrahl den Bereich der Aufbringung der Laserschutzfolie berührt und diese gegebenenfalls verletzt hat. Dieses Signal dient dann dazu, derartige Laser-Bearbeitungseinrichtungen gezielt abzuschalten und dadurch Fehlfunktionen oder Beeinträchtigungen des Bedienpersonals durch eine fehlende oder verletzte Einhausung der Laseraustrittszone zu vermeiden.
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Weiterhin ist es von Vorteil, wenn im Bereich der Laseraustrittszone Absaugeinrichtungen angeordnet sind, die bei der Laserbearbeitung entstehende Metalldämpfe aus dem die Laseraustrittszone umgebenden Gehäuse absaugen und damit ein Streuen der Laserstrahlung an den Dämpfen verhindern oder vermindern. Streustrahlung entsteht etwa beim Bearbeiten mit Lasern durch das Verdampfen zum Beispiel metallischer Materialien aufgrund der Laserleistung während eines Schweißen oder Schneiden, wodurch das Laserlicht an diesen verdampften Materialien gestreut und dadurch in Bereiche abgelenkt wird, in denen das Laserlicht schädlich wirken kann. Verhindert man durch eine entsprechende Absaugeinrichtung die Ausbreitung derartiger Dämpfe zum Beispiel im Bereich innerhalb des Gehäuses, so können schädliche Streustrahlen nicht oder nur in geringerem Maße entstehen bzw. sich ausbreiten und dadurch die Notwendigkeit zur Einhausung bzw. Abschottung der Laseraustrittszone gegenüber einem Austritt von Streustrahlung verringert werden. In diesem Zusammenhang kann es auch ein Vorteil sein, wenn dem Bereich des die Laseraustrittszone umgebenden Gehäuses Düsen angeordnet sind, die einen Prozessgasstrom, vorzugsweise Luft oder ein Inertgas, als laminare Strömung zuführen. Ein derartiger Prozessgasstrom kann insbesondere zusammen mit einer entsprechenden Absaugung eine zusätzliche gezielte Beeinflussung entstehender Dämpfe darstellen, etwa indem Inertgase eingeleitet werden, die den Sauerstoff der Umgebungsluft verdrängen und etwa das Bilden von Dämpfen vermindern oder verhindern. Auch kann die Ausbildung einer Strömung des Prozessgases als insbesondere im Bereich der Laseraustrittszone laminare Strömung ein Verwirbeln der Strömung innerhalb des Gehäuses verhindern und damit auch die Verteilung entsprechender Dämpfe verringern.
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Eine besonders bevorzugte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Strahlenschutzeinrichtung an einer Laser-Schweißeinrichtung zeigt die Zeichnung.
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Es zeigen:
- 1 - eine rein prinziphafte Schnittdarstellung durch das haubenartige Gehäuse der erfindungsgemäßen Strahlenschutzeinrichtung mit mittig angeordnetem Laser und einer vorlaufenden Schutzrolle,
- 2a, 2b - eine schematische Draufsicht auf die Laser-Schweißeinrichtung zum Verschweißen von Coilstößen mit darin erkennbarer Laser-Schweißeinrichtung auf einem C-Gestellwagen und seitlich angeordneter Laserschutzwand, dargestellt zu Beginn des Schweißvorgangs (2a) und nach Beendigung des Schweißvorgangs (2b),
- 3 - eine Variation der erfindungsgemäßen Strahlenschutzeinrichtung gemäß 1 mit innerhalb des Gehäuses angeordneter Absaugung und Zuführung eines Prozessgases,
- 4 - eine Variation der erfindungsgemäßen Strahlenschutzeinrichtung gemäß 1 mit je einer der Laseraustrittszone jeweils vorlaufender Schutzrolle und nacheilender Schutzrolle,
- 5 - eine schematische Draufsicht auf eine Lichtschikane zur Anordnung im Bereich der erfindungsgemäßen Strahlenschutzeinrichtung zur Richtung von aus dem haubenartigen Gehäuse austretender Streustrahlung.
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In der 1 ist eine rein prinziphafte Schnittdarstellung durch das haubenartige Gehäuse der erfindungsgemäßen Strahlenschutzeinrichtung mit mittig angeordnetem Laser und einer vorlaufenden Schutzrolle dargestellt, die sich auf eine Anwendung an einer Laser-Schweißeinrichtung bezieht. Eine derartige, hier nur in Details abgebildete Laser-Schweißeinrichtung dient beispielsweise zum Verschweißen von Blechcoils, die etwa für eine Walzbearbeitung oder für ein Beschichten häufig zu unendlich langen Blechsträngen zusammen gefügt werden müssen. Derartige Laser-Schweißeinrichtungen werden dabei in Linie hinter einer Coilhaspel und vor der eigentlichen Bearbeitungsstation für das endlose Blech angeordnet und dienen dazu, die jeweils nur mit bestimmten Längen vorgefertigten Vormaterialien in Form von Blechcoils zu einem unendlichen Strang zu verschweißen. Hierzu werden die beiden Enden der zu verschweißenden Blechcoils beschnitten und passend zueinander positioniert und geklemmt, sodass mit einer Schweißeinrichtung wie der hier verwendeten Laser-Schweißeinrichtung die beiden Enden der Blechcoils aneinander festgelegt werden können. Derartige Laser-Schweißeinrichtungen sind grundsätzlich bekannt und sollen dazu hier nur soweit beschrieben werden, wie dies für das Verständnis der vorliegenden Erfindung notwendig ist. Auch ist die Anwendung der vorliegenden Erfindung ausdrücklich nicht auf Laser-Schweißeinrichtungen beschränkt, sondern es können zum Beispiel auch Laser-Schneideinrichtungen oder andere lasergestützte Bearbeitungsverfahren in entsprechender Weise vorgenommen werden.
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Problematisch bei der Verwendung lasergestützter Bearbeitungsverfahren ist es, dass die Bearbeitungseinrichtungen wegen der nicht gänzlich vermeidbaren Streustrahlung 21 oder einer notwendigen Absicherung gegenüber Fehlfunktionen in der Regel bisher meist vollkommen eingehaust werden mussten, also durch die Bearbeitungseinrichtung komplett umschließenden Wandungen von der Umgebung getrennt werden mussten, damit derartige vagabundierende Streustrahlung 21 nicht in Bereiche gelangen konnte, die Personen im Umfeld der Bearbeitungseinrichtung zugänglich waren und die durch die Laserstrahlung geschädigt werden könnten.
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Die erfindungsgemäße Strahlenschutzeinrichtung 1 geht hier nun den Weg, nur den unmittelbaren Bereich der Laseraustrittszone 9 mit einem haubenförmigen Gehäuse 2 zu umgeben, sodass der Aufwand zur Einhausung wesentlich geringer ist und der nicht gegenüber Laseraustritt abzusichernde Bereich der Bearbeitungseinrichtung nicht durch die Kompletteinhausung unzugänglich wird. Hierzu wird der Bereich des Laserstrahls 11 im Bereich der Laseraustrittszone 9 mit dem haubenförmigen Gehäuse 2 umgeben, wobei der Querschnitt des Gehäuses 2 senkrecht zur Zeichnungsebene in der 1 (nicht unmittelbar erkennbar) ebenfalls U-förmig ausgebildet sein kann. Das Gehäuse 2 umgibt dabei den Bereich der Laseraustrittszone 9 haubenförmig, wobei durch den nicht vermeidbaren Spalt 23 zwischen Gehäuse 2 und Blechen 8 das Gehäuse 2 aus noch näher erläuterten Gründen nicht vollständig lichtdicht geschlossen sein kann. Im Inneren des Gehäuses 2 befindet sich eine obere Pilotrolle 12 und unterhalb der Bleche 8 eine nur grob angedeutete untere Pilotrolle 22, zwischen denen die hier im Schnitt dargestellten Bleche 8 im Bereich der Laseraustrittszone 9 geklemmt werden und dadurch zueinander und zu der Laseraustrittszone 9 positioniert sind.
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Die Strahlenschutzeinrichtung 1 und damit auch das Gehäuse 2 sind an einem nur schematisch angedeuteten Schweißgestell 15 angeordnet und bewegen sich in Bewegungsrichtung 17 entlang der Kanten der Bleche 8, wie dies grob angedeutet in den 2a und 2b zu erkennen ist. Hierbei bewegt sich die Laseraustrittszone 9 synchron mit dem an dem Schweißgestell 15 angeordneten Gehäuse 2 und dem nicht weiter dargestellten Laser zur Erzeugung des Laserstrahls 11, von dem in der 2a angegebenen Anfangspunkt der Bearbeitung beim Verschweißen der Bleche 8 entlang der Kanten der voreinander positionierten Bleche 8 bis zu einer in der 2b dargestellten Endposition, wobei die Bleche 8 über ihre gesamte Breite miteinander verschweißt werden. Das Verschweißen durch den Laserstrahl 11 erfolgt dabei entlang eines Spaltes 14 zwischen den Spanneinrichtungen 13, durch den der Laserstrahl 11 nach unterseitig der Bleche 8 durchtreten und dort unschädlich aufgefangen werden kann. Im normalen Betrieb erzeugt der Laserstrahl 11 damit lediglich eine Streustrahlung 21 im Bereich der Laseraustrittszone 9, die durch Reflexionen des Laserstrahls 11 an den Blechen 8 bzw. Streuung des Laserstrahls 11 an durch das Schweißen entstehenden Schweißgasen oder sonstigen Partikeln innerhalb des Gehäuses 2 hervorgerufen wird. Diese Streustrahlung 21 gilt es, mithilfe der Strahlenschutzeinrichtung 1 sicher abzubauen bzw. in Bereiche umzulenken, in denen keine Beeinträchtigung des Bedienpersonals erfolgen kann.
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Das Gehäuse 2 kann aufgrund der Relativbewegung der Laseraustrittszone und des Gehäuses 2 entlang der Bewegungsrichtung 17 nicht dichtend auf den Blechen 8 aufliegen, da dies zu einer unzulässigen Verformung der Bleche 8 führen würde. Deshalb wird das Gehäuse 2 in einem kleinen Abstand durch den Spalt 23 oberhalb der Bleche 8 mit seinem Randbereich positioniert, sodass zwischen den Blechen 8 und den umlaufenden Rändern des Gehäuses 2 ein Spalt 23 verbleibt, durch den die wie vorstehend beschrieben entstehende Streustrahlung 21 austreten könnte.
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In der 1 ist daher der Spaltbereich des Spaltes 23 in Bewegungsrichtung 17 dadurch gegenüber dem Austritt von Streustrahlung abgesichert, dass eine breite und massive Rolle 3, die an einem Halter 4 im Inneren des Gehäuses 2 drehbar gehaltert ist und sich auf den Blechen 8 abwälzt, den Bereich zwischen der Laseraustrittszone 9 und dem in der 1 rechten Spaltabschnitt 23 verdeckt, indem die Drehachse der Rolle 3 parallel zu der vorderseitigen Kante des Gehäuses 2 ausgerichtet ist und die Rolle 3 einen derartigen Durchmesser aufweist, dass Streustrahlung 21 aus dem Bereich der Laseraustrittszone 9, die in Richtung auf den Spalt 23 in Bewegungsrichtung 17 entstehen könnte, von der Rolle 3 aufgefangen und der Spalt 23 dadurch abgeschattet wird. Anschaulich gesprochen versperrt die Rolle 3 den Spalt 23 in dem vorderseitigen Bereich des Gehäuses 2 und verhindert dadurch das Austreten der Streustrahlung 21. Die Streustrahlung 21 wird vom Umfang der Rolle 3 absorbiert oder wieder in das Innere des Gehäuses 2 zurück reflektiert, sodass nahezu keine Streustrahlung 21 durch den vorderseitigen Spalt 23 austritt.
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Der in Bewegungsrichtung 17 der Laseraustrittszone 9 rückwärtig angeordnete Spalt 23 wird in anderer Ausgestaltung durch eine Lichtfalle in Form einer Lichtschikane 10 umgrenzt, mit der die durch den Spalt 23 entgegen der Bewegungsrichtung 17 der Laseraustrittszone 9 austretende Streustrahlung 21 zwar nicht am Austreten aus dem Gehäuse 2 gehindert wird, sondern in noch nachfolgend beschriebener Weise diese Streustrahlung 21 gerichtet und gezielt in Bereiche abgelenkt wird, in denen die Streustrahlung 21 nicht schädlich ist oder von anderen Strahlenschutzeinrichtungen wie zum Beispiel Strahlenschutzwänden 16 aufgefangen werden kann. Die Lichtschikane 10, die beidseitig des Spaltes 14 am Einlauf und am Auslauf der Schweißbewegung des Lasers angeordnet sein kann, nutzt hierfür das Prinzip der Mehrfachreflexion, wie dies noch genauer zur 5 erläutert wird. Durch die Lichtschikane 10 wird auftretende Streustrahlung 21, die durch den bezüglich der Bewegungsrichtung 17 der Laseraustrittszone 9 rückwärtigen Spalt 23 austreten kann, nicht im Inneren des Gehäuses 2 gehalten, sondern gezielt nach außerhalb abgelenkt. Eine Strahlenschutzwand 16 kann dabei in einem entsprechenden Abstand vor der Lichtschikane 10 aufgebaut sein, wobei die Größe der Strahlenschutzwand 16 in diesem Fall erheblich geringer ausfallen kann, als dies ohne die Einhausung der Laseraustrittszone 9 gemäß der vorliegenden Erfindung notwendig wäre. Näheres hierzu wird noch im Zusammenhang mit der 5 erläutert.
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Die Ausgestaltung des Gehäuses 2 kann zur weiteren Absicherung der Strahlenschutzeinrichtung 1 gegenüber Fehlfunktionen des Lasers mit der abgegebenen Laserstrahlung 11 noch durch einen sandwichartigen Aufbau der Wandung des Gehäuses 2 verbessert werden. Die Wandung des Gehäuses 2 besteht dabei aus hier insgesamt 3 Schichten, nämlich einem Außenblech 5, einem Innenblech 7 und einer zwischen Außenblech 5 und Innenblech 7 angeordneten Laserschutzfolie 6. Eine derartige Laserschutzfolie 6 besteht aus einem Material, dessen zum Beispiel elektrische Eigenschaften bei einem nicht bestimmungsgemäßen Auftreffen des Laserstrahls 11 auf dem Innenblech 7 nach einem schon sehr kurzen Zeitraum zu einem Aufschmelzen des Innenblechs 7 führen würde und dann auch die Laserschutzfolie 6 beschädigt oder aufschmilzt und dabei die elektrischen Eigenschaften, die über einen nicht dargestellten Sensor detektiert werden können, verändert. Tritt eine solche Veränderung der elektrischen Eigenschaften der Laserschutzfolie 6 auf, wird der Laser schlagartig abgeschaltet, um weitere Zerstörungen oder Fehlfunktionen zu vermeiden.
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Die 2a und 2b zeigen, wie schon beschrieben, eine schematische Draufsicht auf die Laser-Schweißeinrichtung zum Verschweißen von Anschlüssen zwischen Coilstößen mit darin erkennbarer Laser-Schweißeinrichtung auf einem C-Gestellwagen 15 und seitlich angeordneter Laserschutzwand 16, dargestellt zu Beginn des Schweißvorgangs (2a) und nach Beendigung des Schweißvorgangs (2b).
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Die 3 zeigt eine grundsätzlich ähnlich wie in der 1 aufgebaute Strahlenschutzeinrichtung 1, wobei in dem Gehäuse 2 zusätzlich eine Absaugeinrichtung 20 und eine Einrichtung zur Gaszuführung 19 mit einer Gasaustrittsdüse 18 angeordnet ist, durch die das Innere des Gehäuses 2 mit einem Arbeitsgas wie zum Beispiel einem Inertgas geflutet werden kann. Hierbei wird der Strom des Arbeitsgases durch die Gasaustrittsdüse 18 möglichst laminar in den Bereich der Laseraustrittszone 9 abgegeben, um möglichst wenige Verwirbelungen des Gases im Bereich der Laseraustrittszone 9 hervorzurufen. Hierdurch wird dafür gesorgt, dass Partikel aus dem Schweißprozess im Bereich der Laseraustrittszone 9 möglichst wenig verwirbeln und möglichst direkt der Absaugung 20 zugeführt werden und dadurch das Entstehen von Streustrahlung 21 an derartigen Partikeln weitgehend verhindert werden kann.
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In der 4 ist eine Variation der Strahlenschutzeinrichtung 1 gemäß 1 zu erkennen, wobei aber die Spalte 23 in Bewegungsrichtung 17 und entgegen Bewegungsrichtung 17 beide durch Rollen 3 an Haltern 4 abgeschattet werden, wie dies schon zu der Rolle 3 in der 1 beschrieben ist. In diesem Fall kann die Lichtschikane 10 aus der 1 im Bereich des bezüglich der Bewegungsrichtung 17 der Laseraustrittszone 9 rückwärtigen Spaltes 23 entfallen und die Streustrahlung 21 wird komplett innerhalb des Gehäuses 2 gehalten.
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In der 5 ist die grundsätzliche Wirkungsweise der Lichtschikane 10 und der Strahlenschutzwand 16 erläutert, die wie schon vorstehend beschrieben am jeweiligen Ende der Bahn der Laseraustrittszone 9 angeordnet werden kann. Die Wirkrichtung des Laserstrahls 11 ist gemäß 1 grundsätzlich senkrecht und in Richtung nach unten in den Bereich des Grundgestells der Laser-Schweißeinrichtung gerichtet. Der Laserstrahl 11 trifft entweder auf die gespannten Bleche 8 oder mittig durch das untere Pilotrollenpaar 22 und den Spalt 14 auf das Grundgestell. Eine Gefährdung des Bedieners durch die direkte Einwirkung von Laserstrahlung 11 besteht in diesem Bereich nicht.
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Gegen gerichtete Reflektionen des Laserstrahls 11 am aus den Blechen 8 gebildeten Schweißgut schützt das Gehäuse 2. Gerichtete Reflektionen sind wegen der hohen Leistungsdichten des fokussierten Laserstrahls 11 grundsätzlich nur bei Beschädigungen der Optik oder einer falschen Einstellung der Fokuslage an der reflektierenden Oberfläche der Bleche 8 denkbar. Die lotrechte Orientierung des Laserstrahls 11 zur Arbeitsebene bedingt, dass horizontal orientierte, gerichtete Reflektionen auch im Störfall nicht zu erwarten sind. Im ungestörten Normalbetrieb wird die Laserstrahlung 11 nahezu vollständig absorbiert und für die Prozessführung genutzt. Das Gehäuse 2 ist so ausgeführt, dass in der Arbeitsstellung der umlaufende Spalt 23 zu den Blechen 8 nicht größer als etwa 10 mm ist. Es kann ausschließlich diffus reflektierte Streustrahlung 21 durch diesen Spalt 23 austreten.
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Das größte Gefährdungspotenzial besteht auf der offenen Seite der Laser-Schweißeinrichtung, d.h. in Richtung der Bedienseite. Der Öffnungswinkel für einfach diffus reflektierte Strahlung 21 aufgrund der Laserstrahlung 11 berechnet sich aus dem Abstand der Laseraustrittszone 9 zur Innenwandung des Gehäuses 2 und der Spalthöhe des Spaltes 23. Daraus ergibt sich, dass einfach reflektierte Laserstrahlung 11 mit einem nur sehr kleinen Winkel in senkrechter Richtung divergiert. Das Niveau, auf dem mit einfach reflektierter Laserstrahlung 11 gerechnet werden muss, ist damit abhängig vom Abstand zur jeweiligen Position der bewegten Laseraustrittszone 9. In der entgegengesetzten Richtung, d.h. vorlaufend zum Schweißprozess, ist in die Strahlenschutzeinrichtung 1 z.B. eine massive Rolle 3 integriert, welche im Störungsfall diffus reflektierte Strahlung 21 von einer weiteren Ausbreitung abhält.
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Der Öffnungswinkel, mit dem sich einfach diffus reflektierte Strahlung in horizontaler Richtung ausbreiten kann, ist durch die Lichtschikane 10 auf relativ kleine Winkel begrenzt. Mehrfach reflektierte Strahlung 21 tritt mit einem größeren Öffnungswinkel aus. Bei Betreiben der Laser-Schweißeinrichtung ohne zusätzliche Schutzmaßnahmen muss in einem Bereich in der Größe von mehreren Metern mit gefahrbringender Streustrahlung 21 gerechnet werden.
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Um den Bediener gegen die Gefahr aus der Streustrahlung 21 zu schützen, wird in einem relativ geringen Abstand zum Schweißbereich eine Strahlenschutzwand 16 installiert. Durch die Distanz zwischen Lichtschikane 10 und Strahlenschutzwand 16 weitet sich einfach reflektierte Laserstrahlung 21, welche durch den Spalt 23 tritt, über dem Niveau der Bleche 8 auf. Zwei Seitenwände 24 an der Strahlenschutzwand 16 versperren den seitlichen Blick in Richtung Prozesszone.
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Damit die aus der seitlichen Öffnung 23 des Gehäuses 2 austretende Laserstrahlung 21 auch in der weiteren Ausbreitung möglichst diffus reflektiert wird, sollten die Oberflächen der Rolle 3, des Gehäuses 2 und der Strahlenschutzwand 16 einen Rautiefenwert besitzen, der größer ist als die Laserwellenlänge. Ideal ist eine Rautiefe, die dem zehnfachen der Wellenlänge. Potenziell im Strahlengang liegende Oberflächen außerhalb des Gehäuses 2 können durch Sandstrahlen oder eine Schruppbearbeitung aufgeraut werden. Weiterhin ist auf gute Absorptionsverhältnisse zu achten. Die verbesserte Absorption wird durch z.B. Phosphatieren, Brünieren oder matt schwarzes Lackieren erreicht.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Strahlenschutzeinrichtung
- 2
- Gehäuse
- 3
- Rolle
- 4
- Rollenhalterung
- 5
- Außenblech
- 6
- Laserschutzfolie
- 7
- Innenblech
- 8
- zu verschweißendes Blech
- 9
- Laseraustrittszone
- 10
- Lichtfalle, Lichtschikane
- 11
- Laserstrahl
- 12
- obere Pilotrolle
- 13
- Spanneinrichtung
- 14
- Spalt (2a, 5) / Schweißnaht (2b, versetzt gezeichnet)
- 15
- Schweißgestell
- 16
- Schutzwand
- 17
- Bewegungsrichtung
- 18
- Gasaustrittsdüse
- 19
- Gaszuführung
- 20
- Absaugung
- 21
- Strahlenverlauf Streustrahlung
- 22
- untere Pilotrolle
- 23
- umlaufender Spalt
- 24
- Seitenwand
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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