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Die
Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Erhöhung der Standzeiten/Betriebszeit
von Laserbearbeitungsoptiken, welche insbesondere zum Schweißen von
Werkstücken
verwendet werden.
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Bei
der Laserbearbeitung, insbesondere dem Schweißen von Werkstücken, treten
Emissionen, wie beispielsweise Spritzer aus dem Schmelzbad oder
Schweißrauche,
auf. Diese Emissionen lagern sich in der Umgebung der Bearbeitungsstelle
ab und führen
so auch zu einer Einschränkung
der Funktion der Bearbeitungsoptik durch Ablagerungen auf den optischen
Flächen.
Durch diese Ablagerungen wird aber nicht nur die Leistungsfähigkeit
der optischen Systeme eingeschränkt,
sondern langfristig wird die Optik auch zerstört .
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Die
Verwendung eines Schutzglases, welches vor dem optischen System
zu dessen Schutz angebracht wird, stellt die wohl einfachste aber
auch gängigste
Möglichkeit
dar, die sehr teuren optischen Systeme vor Emissionen zu schützen. Diese
Schutzmaßnahme
ist aus der
DE 100
60 176 A1 bekannt und wird dort mit einem Sensor kombiniert,
der Verschmutzungen und Beschädigungen
des Schutzglases detektiert, so dass dieses frühzeitig, um Beeinträchtigungen
des Schweißvorganges
zu vermeiden, gewechselt werden kann.
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Aus
der
DE 102 26 359
A1 ist ein Laserbearbeitungskopf bekannt, bei dem zwischen
Gehäuse und
Lasereinrichtung eine Querstrahldüse angeordnet ist. Diese dient
dazu, dass in Richtung der Laseroptik fliegende Spritzer oder Schweißrauche
zur Seite abgelenkt werden.
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Eine
weitere aus dem Stand der Technik bekannte Methode, um eine Laseroptik
zu schützen,
ist aus der
DE 100
47 057 A1 bekannt. Dabei umschließt eine ringförmige Schutzblende
die Austrittsöffnung
des Laserstrahls. Die Schutzblende hat die Form einer Tülle und
die sie lässt
nur die minimal notwendige Öffnung
zum Austritt des Laserstrahls frei. Durch die Schutzblende sollen
Spritzer und andere Emissionen von der Laseroptik ferngehalten werden.
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Die
DE 101 23 097 A1 offenbart
eine Einrichtung zum Schutz von Laseroptiken, bei der in einen Schutztrichter
aus einer Düse
Gas eingeblasen wird. An der Seite eines Laserbearbeitungskopfes
der
DE 101 23 097
A1 befindet sich zusätzlich
noch eine Absaugeinrichtung, um abgelenkte Emissionen vom Schmelzbad
zu entfernen.
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Problematisch
beim Einsatz von quer strömendem
Luft- oder Gasstrom zum Schutz der optischen Systeme ist, dass durch
den starken Luft- oder Gasstrom oberhalb und unterhalb des Luftstromes ein
Unterdruck entsteht, wodurch schweißrauchhaltige Luft angesaugt
wird und sich diese durch Verwirbelung doch auf dem Schutzglas absetzen
kann. Zudem können
langsam fliegende Spritzer auch wieder oberhalb des Querstromes
(Cross-Jet) angesaugt werden und so auf das Schutzglas treffen.
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Das
Einblasen eines Gasstromes in einen Schutztrichter ist zwar zum
Schutz vor Schweißrauchen
geeignet, gegen Spritzer aus dem Schweißbad ist diese Maßnahme jedoch
kaum wirksam.
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Die
Verwendung eines Schutztrichters mit möglichst kleiner Austrittsöffnung für den Laserstrahl ist
nicht dazu geeignet, vor Spritzern aus dem Schweißpunkt zu
schützen,
die direkt in Richtung Optik fliegen.
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Aus
dem Stand der Technik ist somit keine Schutzmaßnahme für das optische System eines
Laserbearbeitungskopfes bekannt, welches gleichermaßen wirksam
ist gegen Schweißrauche
als auch Spritzer aus dem Schweißpunkt.
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Ausgehend
von diesem Stand der Technik ist es die Aufgabe der vorliegenden
Erfindung, eine Laserbearbeitungsoptik bzw. ein davor befindliches Schutzglas
gleichermaßen
gegen Spritzer aus dem Schmelzbad als auch gegen Schweißrauche
zu schützen.
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Gelöst wird
diese Aufgabe durch die Merkmale des selbständigen Anspruchs 1. Erfindungsgemäß ist danach
vorgesehen eine Vorrichtung zur Erhöhung der Standzeiten von Laserbearbeitungsoptiken
zur Verfügung
zu stellen, welche insbesondere zum Schweißen von Werkstücken verwendet
wird, mit einem unterhalb der Bearbeitungsoptik angeordneten Schutzglas
und einer Einhausung des Laserstrahlenganges, welche am unteren
Rand der Bearbeitungsoptik anschließt und welche wenigstens den Raum
zwischen der Bearbeitungsoptik und einer Querstromdüse umschließt, wobei
die Querstromdüse
auf halber Höhe
zwischen Laseroptik und Bearbeitungsstelle angebracht ist, und wobei
diese Einhausung unmittelbar oberhalb der Querstromdüse eine Einströmöffnung aufweist
und oberhalb gegenüber der
Querstromdüse
eine Ausnehmung sowie direkt unterhalb des Schutzglases der Laseroptik
eine Vorrichtung zur Spülung
des von der Einhausung umschlossenen Raumes mit einem gasförmigen Medium
aufweist.
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Ferner
ist vorgesehen, dass die Einströmöffnung oberhalb
der Querstromdüse
in einen Hohlkanal mündet,
der parallel zur Optik nach oben ragt und nach oben geöffnet ist.
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In
einer bevorzugten Ausführung
der erfindungsgemäßen Vorrichtung
ist das gasförmige
Medium zur Spülung
der Einhausung Druckluft. Dabei kann die Vorrichtung zur Spülung der
Einhausung an die Druckluftzufuhr der Querstromdüse angeschlossen und aus dieser
mit Druckluft versorgt werden. Die Versorgung der Vorrichtung zur
Spülung
der Einhausung kann dabei über
eine Drossel, eine enge Bohrung oder eine Bohrung mit regulierbarem
Querschnitt erfolgen.
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In
dem Durchbruch, der sich oberhalb gegenüber der Querstromdüse befindet,
ist in einer bevorzugten Ausführungsform
der erfindungsgemäßen Vorrichtung
ein Leitblech angebracht.
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Die
erfindungsgemäße Vorrichtung
dient dazu, die Optik bzw. das der Optik vorgelagerte Schutzglas
einer Laserbearbeitungsoptik vor Verschmutzung zu schützen. Quelle
der Verschmutzung ist die Laserbearbeitung selbst; dabei entstehen
Spritzer und Schweißrauche,
die sich in der Umgebung der Bearbeitungsstelle ablagern. Die beim
Schweißen entstehenden
Spritzer (ausgeworfene Schmelze) können einen Durchmesser von
bis zu einem Millimeter und Geschwindigkeiten von bis zu 5 m/s oder noch
höher haben;
die kinetische Energie eines Spritzerteilchens kann also erheblich
sein.
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Um
solche Teilchen, die von der Bearbeitungsstelle in Richtung Optik
fliegen, abzulenken, wird üblicherweise
ein Druckluft-Querstrom (sog. Cross-Jet) eingesetzt, in dem die
Jet-Geschwindigkeit durchaus Überschall-Geschwindigkeit
erreichen kann. Die alleinige Verwendung eines Cross-Jets birgt
jedoch einige Schwierigkeiten in sich, die zu überwinden Aufgabe der vorliegenden
Erfindung ist. Wichtig ist die Positionierung des Cross-Jets. Je
weiter der Cross-Jet von der Optik entfernt ist, desto geringere
Ablenkwinkel werden benötigt,
um Teilchen von der Optik fernzuhalten. Andererseits erzeugt der Cross-Jet
starke Sogwirkung und Verwirbelungen, wodurch z.B. die Schutzgas-Atmosphäre über der Bearbeitungsstelle
gestört
wird. Deshalb sollte der Cross-Jet auch möglichst weit von der Bearbeitungsstelle
entfernt sein. Beides gleichzeitig geht nicht, deshalb ist eine
bevorzugte Position der Querstrom-Düse, die den Cross-Jet erzeugt,
auf halber Höhe
zwischen Bearbeitungsstelle und Optik.
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Durch
die Sogwirkung des Jets und der dadurch verursachten Luftbewegungen
fliegen allerdings praktisch alle Spritzer auf gekrümmten Bahnen.
So können
Spritzer, die seitlich am Cross-Jet vorbeifliegen und die Optik
eigentlich nicht treffen würden,
wieder in Richtung Optik gesaugt werden. Als weitere Maßnahme wird
deshalb eine Einhausung des Laserstrahlengangs zwischen Optik und Querstromdüse vorgeschlagen,
die solche „Querschläger" von der Optik fernhält. Diese
Einhausung wiederum ist noch nicht ausreichend, um Schweißrauche
fernzuhalten, da diese durch die vom Cross-Jet verursachten starken
Verwirbelungen immer noch in die Einhausung gelangen können. Weiterhin
kann durch die Einhausung der Unterdruck oberhalb des Cross-Jets
nicht mehr ausgeglichen werden, was die Verwirbelung der Luftströmung unterstützt und
die Effizienz des Jets deutlich senkt.
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Deswegen
erhält
die Einhausung an speziellen Stellen Durchbrüche und Ausnehmungen, wodurch
der Unterdruck ausgeglichen werden kann. Ein Durchbruch der Einhausung
ist unmittelbar oberhalb der Querstromdüse positioniert. Die hierdurch
angesaugte Luft kann jedoch stark schweißrauchhaltig sein, weswegen
eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung einen Hohlkanal vorsieht,
der vom Durchbruch parallel zur Optik nach oben ragt und dadurch
Luft angesaugt wird, die sehr viel weiter von der Bearbeitungsstelle
entfernt ist und daher sauberer ist. Die Ausnehmung oberhalb gegenüber der
Querstromdüse
ist notwendig, damit energiereiche Teilchen, die nur schwach abgelenkt
werden, nicht den Innenraum der Einhausung verschmut zen, sondern
die Einhausung verlassen können.
Dies erleichtert die Absaugung der Luft, in der die Teilchen mitgerissen
werden, erheblich.
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Hierfür ist ein
entsprechend geformtes Rohr vorgesehen. Da der Luftstrom am unteren
Rohransatz stark umgelenkt werden muss, werden wiederum mehr Störungen in
der Luftströmung
erzeugt, die zu minimieren sind.
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Dazu
ist im Bereich der Ausnehmung ein Leitblech vorgesehen. Dieses Leitblech
verläuft
oberhalb der Luftströmung,
beginnt an der Begrenzung des Laserstrahls, verläuft zunächst parallel zur Luftströmung und
ist dann mit einer geringen Krümmung nach
oben gebogen. Der Radius der Krümmung
sollte mindestens 10 mm betragen; der Winkel des nach oben gebogenen
Blechansatzes liegt zwischen 45 und 70 Grad. An der Unterseite legt
sich die Luftströmung
an und folgt der Blechkrümmung,
wodurch eine weitgehend störungsfreie
Ablenkung erzielt wird.
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Schließlich kann
die Einhausung zusätzlich mit
Druckluft gespült
werden, um die über
den Druckausgleichshohlkanal eingesaugte, möglicherweise schwach schweißrauchhaltige
Luft vom Schutzglas fernzuhalten. Hier kommt es darauf an, dass
die Einströmung
des Spülgases
möglichst
laminar erfolgt und ein möglichst
undurchlässiger
Luftvorhang vor dem Schutzglas entsteht. Hierzu werden mehrere vorteilhafte
Ausführungen
angegeben: Eine Ausführung
besteht in einer schmalen, komplett umlaufenden Ringdüse, wodurch
die Luft parallel zum Schutzglas radial nach innen strömt. Besonders
vorteilhaft ist es, wenn der Ringkanal, der hinter der Ringdüse sitzt,
von einer Bohrung mit Druckluft versorgt wird, die tangential in
den Ringkanal mündet.
Dadurch strömt
die Luft in dem Ringkanal in einer einheitlichen Umlaufrichtung,
wodurch auch der erzeugte Luftvorhang einen Drall bekommt, wodurch
das Abströmen der
Spülluft
nach unten in einem stabilen Wirbel erfolgen kann. Eine andere,
einfachere vorteilhafte Ausgestaltung besteht darin, die Spülluft aus
mindestens einer, besser zwei tangential in die zylindrische oder kegelige
Einhausung mündenden
Bohrungen einströmen
zu lassen. Ebenfalls kann die Ringdüse auch relativ breit gestaltet
sein; in dem breiten umlaufenden Schlitz der Ringdüse kann
man dann einen Ring aus porösem
Material einlassen, so das die Spülluft sehr gleichmäßig und
laminar ausströmt
und gleichzeitig noch gefiltert wird.
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Weitere
vorteilhafte Maßnahmen
und bevorzugte Ausführungsformen
sind in den Unteransprüchen
beschrieben; die Erfindung wird anhand von Ausführungsbeispielen und der nachfolgenden
Figuren näher
beschrieben; es zeigt:
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1 Schematische,
stark vereinfachte Schnittansicht eines erfindungsgemäßen Laserbearbeitungskopfes
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1 zeigt
eine schematische, stark vereinfachte Schnittansicht eines erfindungsgemäßen Laserbearbeitungskopfes.
Die Einhausung 30 umschließt wenigstens den Raum zwischen
der Laseroptik und der Querstromdüse 31. Auf der unteren Seite
weist die Einhausung 30 eine Blende mit Loch 32 für den Laserstrahl
auf. Unterhalb und oberhalb der Querstromdüse 31 befinden sich
Durchbrüche 35, 36,
die in einen Einsaug-Hohlkanal 38 münden, der über die Zuleitung 52 mit
Druckluft zur Spülung versehen
ist. Die Querstromdüse
ist so angeordnet, dass sie sich während der Bearbeitung eines
Werkstückes
auf halber Höhe
zwischen der Fokussierlinse 11 der Laseroptik und der Bearbeitungsstelle 22 befindet.
Die Versorgung der Querstromdüse 31 mit Gas
oder Druckluft erfolgt über
die Druckluftzufuhr 50.
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Oberhalb
gegenüber
der Querstromdüse
ist eine Ausnehmung 37 angeordnet, die nach unten mit einem
Leitblech 33 abgeschlossen wird. An die Ausnehmung 37 der
Einhausung 30 anschließend
befindet sich ein Abluft-Hohlkanal 34, durch den die verschmutze
Abluft 54 abgeführt
wird.
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Unterhalb
der Fokussierlinse 11 der Laserbearbeitungsoptik 10 befindet
sich ein wechselbares Schutzglas 12, welches mittels der
Einschübe 13 befestigt
ist. Direkt unterhalb des Schutzglases 12 ist eine schmale
komplett umlaufende Ringdüse 41 angeordnet,
welche Luft parallel zum Schutzglas radial nach innen einbläst. Hinter
der Ringdüse 41 befindet sich
ein Ringkanal 40 der über
eine Bohrung mit Drosselblende 42 mit Luft versorgt wird.
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- 10
- Laser-Bearbeitungs-Optik
- 11
- Fokussierlinse
der Bearbeitungs-Optik
- 12
- Schutzglas
- 13
- Einschub
mit Aufnahme für
Schutzglas
- 20
- Laserstrahl
- 21
- Werkstück
- 22
- Bearbeitungsstelle
(Schmelzbad)
- 23
- Emissionen
(u.a. Spritzer und Rauch)
- 30
- Einhausung
- 31
- Querstrom-Schlitzdüse
- 32
- Unterer
Abschluss der Einhausung mit Loch für Laserstrahl
- 33
- Leitblech
- 34
- Abluft-Hohlkanal
- 35
- Unterer
Durchbruch zur Einströmung
- 36
- Oberer
Durchbruch zur Einströmung
- 37
- Ausnehmung
- 38
- Einsaug-Hohlkanal
- 39
- Blende
mit Loch für
Laserstrahl
- 40
- Ringkanal
- 41
- Ringdüse
- 42
- Drosselblende
- 50
- Druckluft-Zufuhr
für Querstromdüse
- 51
- Gas-Zufuhr
für Spülung der
Einhausung
- 52
- Druckluft-Zufuhr
für Spülung des
Einsaug-Hohlkanals
- 53
- Druckluft-Querstrom
(Cross-Jet)
- 54
- Verschmutzte
Abluft zur Absaugung