DE1771687A1 - Vorrichtung zum endlosen und verformungsfreien Schweissen von optischen Elementen - Google Patents
Vorrichtung zum endlosen und verformungsfreien Schweissen von optischen ElementenInfo
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Description
. H. LEINWEBER dipl.ing. H. ZIMMERMANN
PosUchedc-Konto: Bank-Konto: Τ·1·(οη ΤβΙ,-Adr.
München 22045 Dresdner Bank AG. München (1111) M1>l» Lelnpat München
München 2, Marienplatz, Kto.-Nr. 92790
(Kuitermann-Passage)
den 26. Juni 1968
COMPAGNIE GENEBALE D*EIECTHICITE, Paris (Frankreich)
Vorrichtung zum endlosen und verformungsfreien Schweissen
von optischen Elementen
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum endlosen
und verformungsfreien Aufschweissen von optischen Elementen auf Rohre zum Erzielen dichter Hohlräume. Die Erfindung betrifft
insbesondere eine Vorrichtung, bei der ein Strahlenbündel abgestrahlt und an einem bestimmten Punkt auf die Berührungsfläche
der miteinander zu verschweissenden Teile gebündelt wird, wobei das Strahlenbündel die Schweissenergie liefert.
Es ist bekannt, derartige Verbindungen durch Kleben mit einem Klebemittel auf der Basis von Keramik durchzuführen,
da bei allen bekannten Schweissverfahren die zu vereinigenden optischen Elemente beschädigt . oder verformt werden.
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Der Hauptnachteil beim Kleben besteht darin, dass durch
die Klebemittelschicht Gas entweicht, wenn der Hohlraum bei
Inbetriebnahme auf eine hohe Temperatur gebracht wird. Dadurch gelangen Verunreinigungen in diesen Hohlraum und dessen Lebensdauer
wird somit verkürzt.
Ziel der Erfindung ist es, die Nachteile einer beliebigen Zwischenschicht oder eines Fremdkörpers zwischen den durch
Verschweissen in Kontakt miteinander zu bringenden, einander gegenüberliegenden Flächen auszuschalten. Deshalb werden die
Flächen zum Verbessern ihres Kontaktes optisch geschliffen und dann wird auf die durch ihre in optischem Kontakt miteinander
stehenden, äusseren Händer bestimmte Kurve eine Höchstenergie
konzentriert, die vorzugsweise durch Strahlung einer Quelle mit stimulierter Emission, vom Typ eines Lasers, stammt, und durch
ein konvergierendes optisches System konzentriert wird.
Um eine gleichmässige Schweissqualität zu erhalten, werden die zusammengefügten, miteinander zu verschweissenden Teile
auf eine bewegliche Montierung aufgebracht, die gewährleistet, dass die Kontaktlinie mit konstanter Geschwindigkeit .vorbeilaufen kann und dass der bildseitige Objektivbrennpunkt des optischen
Konzentrationasystems auf dieser Linie gehalten wird.
Soll eine ringförmige Scheibe auf ein zylifldrisöhes Rohr
gleichen Querschnitts aufgeschweisst werden, dann ist diese
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Montierung einfach: es braucht nur die Achse dieses Rohres auf die Drehachse der Scheibe, auf der es befestigt werden soll,
ausgerichtet zu werden.
Bei einer elliptischen Scheibe, die einem schräg geschnittenen Querschnitt eines zylindrischen Rohres entspricht,
wenn dieses durch ein eine Öffnung für die unter einem Brewster* sehen Mnkel austretenden Strahlen bildendes Blatt verschlossen
werden soll, sind zwei Bezugsflachen nötig, damit die Montierung
den zwei Voraussetzungen genügt, dass nämlich die Kontaktlinie mit konstanter linearer Geschwindigkeit vorbeiläuft und
dass das optische Konzentrationssystem unter gleichbleibendem Abstand von dieser Linie gehalten wird.
Die erfindungsgemässe Vorrichtung zum endlosen und verforiiiungsfreien
Aufschweissen von optischen Elementen auf ein zylindrisches Rohr zum Bilden eines dichten Hohlraums zeichnet
sich dadurch aus, dass die miteinander zu verschweissenden Flächen optisch geschliffen und in optischen Kontakt miteinander
gebracht sind, dass die durch Strahlung erhaltene Schweissenergie durch ein optisches System ständig auf die Trennlinie der
beiden miteinander zu verschweissenden Teile fokusiert ist und dass diese Linie mit konstanter linearer Geschwindigkeit an diesem
Fokusierungspunkt vorbeiläuft.
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Weitere Vorteile, Einzelheiten und Merkmale der Erfindung
ergeben sich aus der folgenden Beschreibung. Auf der Zeiehnung ist die Erfindung beispielsweise dargestellt, und zwar
zeigen
Fig. 1 eine perspektivische Ansicht einer Vorrichtung zum Aufschweissen einer ringförmigen
Scheibe mit einen Spiegel bildenden, multidielektrischen Schichten auf ein Rohr, und
Fig. 2 eine perspektivische Ansicht einer Vorrichtung zum Aufschweissen eines Blattes für
unter Brewsterfschem Winkel erfolgenden
schrägen Strahlungseinfall auf ein Rohr.
Fig. 1 zeigt einen Laser 1, der einen Strahl 2 kohärenten
Lichtes aussendet, dessen parallele Strahlen durch eine Konvergenzlinse 5 in derem bildseitigen Brennpunkt 4 fokusiert
sind.
Ist der Laser 1 ein mit Karbongas arbeitender Molekularlaser, so beträgt die Länge der ausgesandten Welle 10,6 ρ und
die Konvergenzlinse 3 besteht aus Natriumchlorid, das für diese Strahlung durchlässig ist.
Erfindungsgeiüäss soll eine runde Scheibe 5 aus Quarz auf
ein (piuarzrohr 6 aufgeschweisst werden, das auf einer Treibscheibe
7 in einem Spannfutter 8 gehalten ist.
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Die Achse des Quarzrohres 6 fällt mit der Drehachse der Treibscheibe 7 zusammen, die von einem Motor 9 mit konstanter
Drehzahl angetrieben ist, der auf dem Sockel 10 der Anlage befestigt ist. Die Konvergenzlinse 3 ist auf einem am Sockel 10
befestigten Träger 11 montiert. Auf diese Weise fällt beim Drehen der Treibscheibe 7 der Konzentrations- bzw. der Bildbrennpunkt
4 für die Schweissenergie immer auf eine äussere ringförmige Berührungslinie 12 der beiden miteinander zu verschweissenden
Flächen. Die runde Scheibe 5 weist einerseits auf ihrer in Richtung auf das Q,uarzrohr 6 liegenden Oberfläche die sie
zu einem dielektrischen Spiegel machende Vielschichtbehandlung und andererseits am Umfang der gleichen Oberfläche einen optisch
polierten Bereich auf, der mit dem entsprachenden Ende des Quarzrohres 6 in optischer Berührung ist, das ebenfalls auf
gleiche Weise poliert ist und auf das die runde Scheibe zum Schweissen aufgelegt ist.
Dieses Polieren ist vorteilhaft auf an sich bekannte Weise mit Zeriumpulver vorgenommen.
.Eine Leistung von 100 bis 150 Watt wird ia Brennpunkt 4
auf der Berdhrungslinie 12 in a J, η em Fleck konzentriert, der sich
gleichiücissig beiderseits der Berührungslinie \2 urntreckt. Der
ochwöifisarbeitsgang iia^n Jrjnn gleichmütig du. :h,;:.i'iüirt werden,
iii'lbni lie Boriihrur]^ jLi.i)(; 1-.! üu ι k-onsianter iiM-^ir^ ,,-uo.-.-iiwiri-
1 o 0 it ti.; .· ) fi )
BA ORIGINAL
digkeit bewegt wird. Für das Schweissen einer Scheibe mit einem
Durchmesser von 4 cm werden gute Ergebnisse erzielt, wenn diese in drei bis fünf Minuten eine Umdrehung durchführt. Man erhält
dadurch eine beträchtliche Zeitersparnis gegenüber den bekannten Klebeverfahren.
Man kann aber auch den Montierungsaufbau sehr schnell
umlaufen lassen. In diesem Fall wird das Schweissen nicht in einer, sondern in mehreren Umdrehungen durchgeführt.
Fig. 2 zeigt eine elliptische Scheibe 13, die horizontal auf ein senkrechtes, zylindrisches (oiuarzrohr 14 aufgebracht
ist, das einen kreisförmigen Querschnitt hat, jedoch eine schräge Achse in bezug auf die vertikale Drehachse einer Treibscheibe
15, an der sie durch ein Spannfutter 16 befestigt ist. Die Schräglage der Scheibe ist so gewählt, dass aus dem zylindrischen
Rohr parallel zu seiner Achse austretende Lichtstrahlen sie unter dem Brewster*schen Winkel durchsetzt.
Die Berührungslinie 17 am Rand der beiden miteinander zu verschweissenden Flächen hat folglich die Form einer Ellipse,
deren Mittelpunktslage beim Montieren durch die Achse einer Antriebswelle
1ö zum Antrieb der Treibscheibe 15 bestimmt wird. Die neiden miteinander zu verschweissenden Flächen werden, bevor
i\\-t ζ um Verschlissen in Berührung miteinander gebracht werden,
f!Mti£S"h -!oliert, Andererseits ist die Schweissqualitat ein-
-7-,^(5A8
BAD ORIGINAL
wandfrei, wenn die Montierung folgenden zwei wichtigen Bedingungen
entspricht:
der Brennpunkt 4 muss auf der Berührungslinie 17 gehal-
nnearer
ten und dxe Berührungslinie 17 mit konstanter/Geschwindigkeit
am Brennpunkt 4 vorbeigeführt werden. Zu diesem Zweck werden jeweils zwei Bezugsflächen verwendet, von denen die eine die
genaue Stellung des Brennpunktes 4 und die andere den gleichförmigen
Vorbeilauf der Berührungslinie 17 am Brennpunkt 4 gewährleistet
.
Der Querschnitt der Treibscheibe 15 wird dadurch erhalten, dass der Vektorstrahl, der durch den Mittelpunkt einer der
Ellipse 17 entsprechenden Ellipse geht, um eine konstante Lange über einen beliebigen Punkt dieser Ellipse hinaus verlängert
wird.
Am Hand derTreibscheibe 15 wird mittels einer Rückholfeder
20 eines beweglichen Fusses 21, an dem ein die Fassung der Konvergenzlinse 3 tragender Schaft 22 befestigt ist, ein
starr an Schaft 22 befestigter Arm 19 in Anlage gehalten. Auf diese Weise ist während der Drehung der Treibscheibe 15 stets
ein gleichmässiger Abstand zwischen der Konvergenzlinse 3 und
der Berührungslinie 17 gewährleistet, d.h. der Brennpunkt 4 auf
dieser Berührungslinie 17 gehalten.
-8-
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Für den Antrieb der Treibscheibe 15 ist auf einer Antriebswelle 18, die in einem als Wellenlager dienenden Teil 25
drehbar ist, ein Zahnrad 24 befestigt, dessen Querschnitt zu demjenigen der Treibscheibe 15 homothetisch ist. Ein Zahnrad
mit ringförmigem Querschnitt, das von einem Antriebsmotor 26
mit konstanter Drehzahl angetrieben ist, greift unter der Wirkung einer Rückholfeder 27 in das Zahnrad 24 ein. Die beiden
am Teil 23 befestigten Rückholfedern 20 und 27 wirken auf den
Fuss 21 bzw. den Motor 26 ein, die auf einem Paar Führungsschienen 28 verschieblich angeordnet sind, die/ebenso wie die
restliche Montierung, auf einem Sockel 29 sitzen.
Diese Antriebsart der Treibscheibe gewährleistet, dass die Berührungslinie 17 mit konstanter linearer Geschwindigkeit
am Brennpunkt 4 vorbeiläuft, der konstant auf dieser Berührungslinie gehalten ist.
Die Anwendung des erfindungsgemässen Verfahrens auf das
Aufschweissen von Quarzscheiben auf Quarzrohre ist besonders zur Herstellung von Laser-Resonanzräumen vorteilhaft, die aufgrund
der guten Wärmeeigenschaft und der hohen mechanischen Festigkeit
des Quarzes besonders beständig sind, wenn sie später hohen Wärmebeanspruchungen beim Schweissen und mechanischen Beanspruchungen
während des Betriebs ausgesetzt werden. Weiter kann bei einem einmal mit seinen verschiedenen Elektroden versehenen
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Resonanzraum leicht dadurch eine Entgasung seiner verschiedenen Bestandteile erzielt werden, dass man ihn in einem Ofen einer
geeigneten Wärmebehandlung unterzieht.
Selbstverständlich können auch andere Werkstoffe als Quarz einem solchen Autogenschweissverfahren unterzogen werden,
das gleichzeitig eine hohe Energiekonzentration auf einem Werkstoff mit geringer Wärmeleitfähigkeit und eine ausreichend
örtliche Begrenzung bedingt, um eine Verformung der betreffenden Teile zu vermeiden.
Das Verschweissen von optischen Elementen, Spiegln mit
dielektrischen Schichten oder Öffnungen mit Brewster*schem Einfallswinkel
bildenden Blättern mit parallelen Flächen, ohne dass die Rohre zum Bilden von Resonanzräumen mit Lasereffekt
verformt werden, ist besonders vorteilhaft, sowohl was die Qualität der hergestellten Geräte angeht, als auch deren Zuverlässigkeit,
da alle Nachteile eines herkömmlichen Klebeverfahrens ausgeschaltet sind. Die Vorteile eines solchen Verfahrens Kommen
bei jedem Anwendungsgebiet zur Geltung, bei dem optische Präzision,
mechanische Haltbarkeit und chemische Reinheit gefordert sind, die sich aus deiu /.irkungsgrad des Verschweissens mit hoher
JSnergiekonzentration ableiten lassen, das durch die Möglichkeit
einer ausserordentlichen Konzentrierung in einen funkt eine sehr
ergibt.
f/'8j Ui, C 7
Claims (11)
1. Vorrichtung zum endlosen und verformungsfreien Aufschweissen
von optischen Elementen auf ein zylindrisches Rohr zum Bilden eines dichten Hohlraums, dadurch gekennzeichnet,
dass durch optische Mittel eine ständige Fokusierung der die
Schweissenergie liefernden Strahlung auf der Berührungslinie (12, 17) der zwei miteinander zu verschweissenden Teile (5, 13;
6, 14) erzielt ist, deren zu verschweissende Flächen eben, optisch
poliert und in optischem Kontakt sind, und dass die Berührungslinie (12, 17) im Brennpunkt (4) eine konstante lineare
Geschwindigkeit hat.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zum Liefern der Schweissenergie ein Strahlenbündel paralleler
Strahlen stimulierten Lichtes, beispielsweise ein Laser, zum Bündeln der Strahlen im Brennpunkt (4) eines optischen Systems
(3) vorgesehen ist.
3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Schweiss-Laser (1) ein mit Karbongas arDeitender Molekularlaser
und das optische System eine Konvergenzlinse (3) aus Natriumchlorid ist.
4. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
oasi; sie eine r;ieh mit konstanter Winkelgeschwindigkeit drehende
BAD
Treibscheibe (7) aufweist, auf der die zu verscheiseenden Teile
(5, 6) entsprechend einer ebenen und ringförmigen Linie befestigt sind, und dass die Drehachse der Drehscheibe (7) mit der
Rotationssymmetrieachse der Linie zusammenfällt, auf der der Bildbrennpunkt des optischen Systems liegt (Fig. 1).
5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das gemäss einer ringförmigen Linie auf ein zylindrisches
Rohr (6) aufzuschweissende Element eine Scheibe (5) mit dielektrischem
Vielschichtspiegel ist.
6. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die gemäss einer elliptischen Linie zu verschweissenden
Teile auf einer Treibscheibe (15) befestigt sind, die parallel zur Ebene der Berührungslinie (17) angeordnet ist und eine Querschnittsform
hat, die sich durch Vergrössern der Ellipse um eine konstante Strecke ergibt, die vom Umfang der Ellipse ausgehend
auf durch ihren Mittelpunkt verlaufenden Vektorstrahlen
abgetragen ist (Fig. 2).
7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das optische System zum Konzentrieren der Strahlung auf einem
beweglichen Träger (21, 22) mit einem Abstandsstück (19) und einer Rückholfeder (20) angeordnet ist, die den ständigen Kontakt
des Abstandsstückes (19) mit der Treibscheibe (15) gewährleistet.
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8. Vorrichtung nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass ein Zahnrad (14) mit zu dem der Treibscheibe (15)
homothetischer Querschnittsform auf der Welle der Treibscheibe (15) befestigt ist und durch eine Rückholfeder (27) ständig mit
einem zylindrischen Zahnrad (25) mit kreisförmigem Querschnitt zusammenwirkt, das von einem Antriebsmotor (26) mit konstanter
Drehzahl angetrieben ist.
9. Vorrichtung nach den Ansprüchen 6, 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Träger (21, 22) des optischen Systems
und der Antriebsmotor (26) in ein- und demselben Paar Führungsschienen (28) mit parallelen Gleitflächen verschieblich sind.
10. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet,
dass das gemäss einer elliptischen Linie zu schweissende Element eine zwei parallele Oberflächen aufweisende Scheibe ist,
die eine Austrittsöffnung bildet, die für im Innern des zylindrischen Rohres (14) parallel zu dessen Achse verlaufende Strahlung
Brewster 1ScIIe Einfallswinkel aufweist.
11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die zur Bildung eines den Resonanzraum eines
Lasers darstellenden dichten Hohlraums miteinander zu versohweissenden Teile (5, 6; 13, 14) aus Quarz bestehen.
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