DE2708039A1

DE2708039A1 - Einrichtung zur aufspaltung eines zusammengesetzten laserstrahls in zwei sekundaerstrahlen

Info

Publication number: DE2708039A1
Application number: DE19772708039
Authority: DE
Inventors: Charles Penruddocke Quartley
Original assignee: BOC Ltd; Saipem SpA
Current assignee: Saipem SpA
Priority date: 1977-02-24
Filing date: 1977-02-24
Publication date: 1979-04-19

Description

inrichtung zur Aufspaltung eines zusammengesetzten Laser-
strahls in zwei Sekundärstrahlen Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur Aufspaltung eines zusammengesetzten Laserstrahls in zwei Sekundärstrahlen, die sodann getrennten optischen Pfaden folgen und gewählte relative Lnergiearlteile aufweisen.
Gemäß der Erfindung ist eine solche binrichtung dadurch gekennzeichnet, daß im Pfad des zusaiamenesetzten Strahls ein erster Spiegel angeordnet ist, der einen Teil des zusammengesetzten Strahls zu einem zweiten Spiegel hin reflektiert, der mit radialem Abstand von der Achse des zusammengesetzten Strahls angeordnet ist, daß weiter die reflektierende Fläche des ersten Spiegels mit Bezug auf die Energieverteilung im zusammengesetzten Strahl so geformt und bemessen ist, daß die v.nergien des durch den vom ersten Spiegel reflektierten Teil des zusammengesetzten Strahls gebildeten Sekundär strahls und des durch den nicht reflektierten, seinen ursprünglichen tfieb fortsetzcnden Teil des zusammengesetzten Stranls gebildeten bekundärstrahls in einem gewählten Verhältnis zueinander stehen, und daß mit Mittel zur gemeinsamen Drehung der beiden Spiegel um die chse des zusammengesetzten Strahls herurn vorgesehen sind.
Die erfindungsgemäße Einrichtung eignet sich insbesondere zur Verwendung in Verbindung mit Laserschweißeinricritungen zum 7er schweißen von Rohrabschnitten großen Durchmessers beim Bau von Rohrleitungen. Dabei eignet sich die erfindungsgemäße Einrichtung insbesondere für den Einsatz in Schweißgeräten, mittels welchen sowonl eine innere als auch eine äußere Schweißnaht zur Verbindung zweier aneinandergrenzender Rohrabschnitte herzustellen ist, wobei diese beiden Schweißnähte entweder gleichzeitig oder nacheinander hergestellt werden.
Der zusalmaengesetzte Laserstrahl kann durch Kombination der von zwei mit gegenseitigem Abstand angeordneten Laserquellen erzeugten Strahlen (nachstehend als Primarstrahlen bezeichnet) gebildet sein, wobei mindestens einer der beiuen Primärstrahlen eine ungleichförmige Enerrieverteilung aufweist. Die Vereinigung der beiden Primärstrahlen kann dadurch erfolgen, daß diese beiden Strahlen so gerichtet werden, daß sich ihre Achsen schneiden, und inden im Schnittbereich eine reflektierende Fläche angeordnet wird, die einen der beiden Primär strahlen längs eines zum anderen Primärstrahl parallelen und vorzugsweise damit koaxialen Weges reflektiert und den anderen Primärstrahl im wesentlichen unbeeinflußt läßt.
Vorzugsweise ist die Lnergie jeues Primärstrahls in einem hohlzylindrischen Bereich konzentriert, der Koaxial mit der Strahlachse verläuft. In diesem Fall ist es wünschenswert, daß diese zylindrischen dereice der beiden Primär strahlen so bemessen sind, daß der von ihnen gebildete zusammengesetzte Strahl im Querschnitt aus zwei ineinanderliegenden, vorzugsweise koaxialen Ringbereichen hoher Energie besteht.
Es ist auch möglich, daß der zusammengesetzte Strahl im Querschnitt aus einem äußeren ringförrnigen Bereich hoher Energie und einem von diesem umschlossenen inneren kreisflächenförmigen Bereich mit gleichförmiger Energieverteilung besteht.
Die Energien der beiden durch die Aufspaltung des zusammengesetzten Strahls erzeugten Sekundärstrahlen können gleich sein.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachstehend mit Bezug auf die anliegenden Zeichnungen näher beschrieben. Es zeigt: Fig. 1 einen schematischen Axialschnitt durch eine Einrichtung zur Strahlaufspaltung nach der Erfindung, die in das Ende eines Rohrstückes eingesetzt ist, das an einer nicht dargestellten Rohrleitung angeschweißt werden soll, und Fig. 2 eine alternative Möglichkeit der Anordnung eines der Spiegel der Einrichtung derart, daß er zurückziehbar ist.
Fig. 1 zeigt ein inneres ringförmiges halteteil 1, das in ein Ende eines Rohrstückes 2 (nur teilweise dargestellt) eingesetzt und dort mittels mehrerer Spannelemente 3 gehalten ist. Die Spannelemente 3 sind radial am Außenumfang des halteteils 1 verteilt angeordnet und radial auswärts bewegbar, so daß sie sich an die Innenwandung des Rohrstückes 2 anlegen können.
din Rohr 4 ragt mit seinem einen Ende zentrisch durch das Halteteil 1 hindurch, während es mit seinem anderen Ende durch ein weiteres ringförmiges Halteteil 5 hindurchragt, das mittels einer Stütze 40 auf dem Deck eines Schiffes oder auf einer anderen StUtzfläche befestigt ist. Das Rohr 4 ist in beiaen halteteilen 1 und 5 jeweils in Lagern 6 gelagert, so daß es relativ zu den Halteteilen gedreht werden kann. Die beiden lialteteile 1 und 5 weisen einen Abstand voneiiiander auf, so dals zwischen ihnen ein ringförrni2er Spalt 9 verbleibt, durch welchen ein senkrecht vom Rohr 4 abstehendes Zweigrohr hindurchragt und in welchem dieses Zweigrohr bewegbar ist, wenn das Rohr 4 gedreht wird. Das Rohr 4 ist mittels eines rotors 8, der am Halteteil 5 befestigt ist und am äußeren Ende des Rohres 4 angreift, relativ zu den lialteteilen drehbar.
Das Rohr 4 ist so kräftig, daß es das Gewicht des Endes des Rohrstdckes 2, an welchem das Halteteil 1 festgeklemmt ist, auf die Stütze 4 übertragen kann, während die Lager 6 die erforderliche Drehbarkeit des Rohres 4 herstellen.
Außerhalb des äußeren Endes des Rohres 4 ist ein ringförmiger, frontseitig reflektierender Spiegel 10 angeordnet, der durch Verspiegeln der durch schräges Abschneiden eines Hohlzylinders 11 erhaltenen elliptischen Litirnfläche hergestellt ist. Der hohlzylinder 11 verläuft koaxial mit dem Rohr 4 und seine spiegelnde Stirnfläche ist dem gegenüberliegenden Ende des Rohres 4 zugewandt.
Entlang der Achse des Rohres 4 verläuft ein erster Primärlaserstrahl 12, der von einer Laserstrahlquelle 23 mit Kohlendioxid als Lasermedium erzeugt wird und dessen Energie in einem koaxial mit der Strahlachse verlaufenden Ringbereich konzentriert ist. Dieser Ringbereich ist so bemessen, daß der Strahl im wesentlichen unbeeinflußt durch die mittige Bohrung des Hohlzylinders 11 hindurchpassieren kann.
Ein dem ersten Primärlaserstrahl 12 ähnlicher zweiter Primärlaserstrahl 13, der von einer Laserquelle 24 ausgeht, ist radial einwärts auf den Ring spiegel 10 gerichtet. Die Energie dieses zweiten Strahls 13 ist in einem Pk ereich konzentriert, der so bemessen ist, daß, wenn der erste und der zweite Strahl koaxial miteinander verlaufen, der ringförmige Hochenergiebereich des zweiten Strahls den ersten Strahl umschließt.
Die laeigung des Ringspiegels 10 ist so gewählt, daß der zweite Strahl 13 entlang der Achse des Rohres 4 reflektiert wird. Die Abmessungen des Ringspiegels 10 sind so gewählt, daß der zweite Strahl 13 im wesentlichen total reflektiert wird und daß im dittelbereich dieses Strahls vorhandene Energie vom Spiegel absorbiert oder auf andere Weise vernichtet wird.
Folglich besteht der von der in der Zeichnung linken Seite des Spiegels 10 ausgehende zusammengesetzte Laserstrahl 14 aus zwei koaxial ineinander verlaufenden Laserstrahlen.
Innerhalb des Rohres 4 ist ein zweiter ohlzylinder 15, der ebenso wie der Hohlzylinder 11 ausgebildet ist und einen dem Spiegel 10 gleichen schrägen Ringspiegel 16 bildet, mittels mehrerer, an seinem Umfang verteilter Streben 21 montiert. Der hohlzylinder 15 ist koaxial im Rohr 4 angeordnet und seine verspiegelte Stirnfläche ist dem Spiegel 10 zugewandt und verläuft parallel zu diesem.
Der den zweiten Spiegel 16 erreichende zusammengesetzte Laserstrahl 14 wird in zwei Sekundärstrahlen aufeespalten. Der erste Sekundär strahl, der durch den äußeren Teil des zusammengesetzten Strahls gebildet ist, gelangt nach der Reflektion am zweiten Spiegel radial nach außen durch eine Öffnung 19 des Rohres 4 hindurch und fällt nach dem Durchtritt durch das Zweigrohr 7 auf einen vorderseitig reflektierenden Spiegel 18, der am Ende des Zwei0-rohres 7 angeordnet ist und den Strahl 13 durch eine Öffnung 22 des Zweigrohres 7 hindurch reflektiert. Der Strahl 13 wird zum anderen, nicht gezeigten Ende des Rohrstückes 2 geworfen, wo er auf die aneinanderstoßenden Enden des Rohrstückes und eines angrenzenden Rohrabschnittes zwecks herstellung einer äußeren, diese beiden Rohrteile miteinander verbindenden Schweißnaht fokussiert wird.
Alternativ zur Verwendung der Streben 21 kann der zweite Spiegel 15 zwischen der dargestellten Stellung und einer weiteren Stellung beweglich sein, in welcher er sich außerhalb des Bereiches des einfallenden Strahls befindet.
Bei in der weiteren Stellung befindlichem zweitem Spiegel kann die gesamte Energie des zusammengesetzten Strahls zur Herstellung einer inneren Schweißnaht verwendet werden.
Der zweite Sekundärstrahl, der durch den inneren Teil des zusammengesetzten Laserstrahls 14 gebildet ist, gelangt unbeeinflußt durch die mittige Öffnung des Hohlzylinders 15 hindurch und verläuft weiter entlang der Achse des Rohrstückes 2, an dessen anderem Ende er zur Herstellung einer inneren Schweißnaht auf den Innenumfang der aneinanderstoßenden Rohrenden fokussiert wird.
Vorzugsweise sind die Sekundärstrahlen mit den entsprechenden Primärstrahlen identisch, jedoch treten an den Spiegeln 11 und 15 unvermeidliche Energieverluste auf.
Eine Betätigung des Motors 8 bewirkt eine Drehung des Rohres 4 und damit zusammen des Ringspiegels 16 und des den Spiegel 18 tragenden Zweigrohres 7, so daß der Laserstrahl 13 mindestens einen vollständigen Umlauf um die Außenseite des Rohrstückes 2 ausführt, während der innere Strahl 12 einem entlang der Achse des Rohrstückes 2 verlaufenden Pfad folgt.
Es ist also einzusehen, daß diese Ausführungsform der Erfindung es ermöglicht, jeden der Stranlen unabhängig vom jeweils anderen Strahl zu manipulieren.
Die Fokussierung der beiden Strahlen zur Herstellung innerer und äußerer Schweißnähte erfolgt mit llilfe von Einrichtungen, die nicht zur Erfindung gehören und deshalb nicht weiter im einzelnen beschrieben werden.
Obwohl die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels beschrieben worden ist, bei welchem Hohlzylinder zur @ildung der iecal 10 und 16 verwendet erden, können stattdessen auch Vollzylinder Anwendung finden, vorausgesetzt, daß der Werkstoff dieser Zylinder für die verwendeten Laserstranlen transparent ist.
@ei dem zur Leschreibung der Erfindung herangezogenen Ausführungsbeispiel wird zur Aufspaltung eines zusammengesetzten Strahls ein Ringspiegel verwsendet, aer den äußeren Teil des Strahls reflektiert. Es liegt jedoch auch im Ralmen der Erfindung, einen kreisförmi-Wen oder elliptischen Spiegel zu verwenden, der den inneren Teil eines zusammengesetzten Strahls reflektiert. Der Spiegel ist dann so bemessen, daß er den äußeren Teil des Strahls im wesentlichen unbeeinflußt läßt, mit Ausnakne der StrahlbeeintrS;cht igung durch die Halterungen des mittien Spiegels.
Leerseite

Claims

P a t e n t a n s p r ü c h e 1. Einrichtung zum Aufspalte@ eines zusamme@ge@@tzten Laserstrahls in zwei @exundärstranlen, die sou@@@ ge trennten optischen Pfaden folgen und gew@ite relative @nergieanteile aufweisen, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß im rfai des zusammengesetzten Strahls (14) ein erster ieei (1\,) angeordnet ist, aer einen Teil (13) des zusammengesetzten Strahls zu einem zweiten Spiegel (18) @in reflektiert, der mit radialem Abstand von uer Achse des zusammengesetzten Strahls anbeordnet ist, daß weiter ciie reflextierende Fläche (16) des ersten Spiegels mit Bezug auf die Energieverteilung im zusammengesetzten Stranl so (eforrnt und bemessen ist, daß die Anergien des durch den vom ersten Spiegel reflektierten Teil des zusammengesetz@en Strahls gebildeten @ekundärstrahls und des durch den nicht reflektierten, seinen ursprünglichen Weg fortsetzenden Teil des zusammengesetzten Strahls gebildeten Sekundarstrahls in einer gewählten Verhältnis zueinander stenerl, und daß Mittel (4, 6, 7, 8) zur gemeinsamen Drenung der beiden Spiegel (15, 18) um die Achse des zusammengesetzten Strahls herum vorgesehen sind.

20 ninrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß dieselbe mit einer winricntuns, zur Vereinigung zt:eiLr ;etrennter Primr laserstranlen zur w-lerstellullg des zusammesgesetzten Strahls (14) kombiniert ist, und aaß die letztere Einrichtung einen dritten Spiegel (11) aufweist, der an der Schnittstelle der beiden Primärstranlen (12, 1S) angeordnet und so ausgebildet ist, daß er einen aer beiden Primärstrahlen längs eines zum anderen Primärstrahl parallel verlaufenden Pfades reflektiert und den anderen Primärstrahl im wesentlichen unbeeinflußt läßt.

3. Einrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die reflektierende Fläche (10) mindestens des dritten Spiegels (11) als Oeschlossene Schleife, vorzugsweise als ellipse ausgebildet ist, daß weiter der vom dritten Spiegel reflektierende Primärlaserstrahl (13) in seinem Strahlquerschnitt eine ungleichförmige Energieverteilung in Form eines energiereichen Ringbereiches und eines davon umschlosserien energiearmen Mittelbereiches besitzt, und daß der dritte Spiegel so bemessen ist, daß er nur den energiereichen Teil des einfallenden Primästrahls reflektiert und den mittigen, energiearmen Teil dieses Stranls absorbiert oder auf andere Weise vernichtet.

4. Einrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die reflektierende Fläche (16) des ersten Spiegels (15) ebenfalls die Form einer geschlossenen Schleife nat und so bemessen ist, daß der vom ersten Spiegel reflektierte Sekundärstrahl (13) den größten Teil der morgi@ des entsprechenden, vom dritten Spiegel (11) reflextierten Primärstrahls enthält.

5. Einrichtung nach Anspruch 3 oder 4, d a d u r c h g e -k e n n z e i c h n e t, daß der erste Spiegel (15) und/oder der dritte Spiegel (11) als Eohlzylinder mit einer senragen ebenen Stirnfläche (10 bzw. 16) ausgebildet ist, welch letztere poliert oder auf andere Weise reflektierend auzgebildet ist.

6. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß die Energien der beiden @ekundärstrahlen (12, 15) gleich sind.

7. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 @is @, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß der erste Spiegel (15) zwischen einer wirksamen Stellung, in welcher er sich im Strahlengang des zusammengesetzten Strabls (14) befindet, und einer unwirksamen Stellung versciiiebbar ist, in welch letzterer er sich nicht im Strahlengang des zusammengesetzten Stranls befindet.

8. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch Frekennzeichnet, daß der erste Spiegel (15) im Inneren eines rohrformigen halters (4) angeordnet ist, der seinerseits in mindestens einem hohlen halteteil (1, 5) drehbar gelagert ist, und daß das hohle Halteteil im Inneren eines Rohrendes festklemmbar ist.

9. Einrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß von dem rohrförmigen halter (4) ein Zweigrohr (7) seitwärts absteht, in dessen äußerem Ende der zweite Spiegel (18) montiert ist, und daß in der Wand des rohrförmigen Halters eine Öffnung (19) gebildet ist, durch welche der vom ersten Spiegel (15) reflektierte Teil (13) des zusafnmengesetzten Strahls (14) auf den zweiten Spiegel fallen J:ann.

10. inrichtung; nach Anspruch 8 oder a, daaurch gekennzeichnet, daß der rohrförmige halter (4) mittels eines .le;tromotors (8) relativ zum halteteil (1 bzw. 5) drehbar ist.

11. inrichtung; zum Aufspalten eines aus kohärenter oder ähnlicher Strahlung bestehenden Primärstrahls in zwei Sekundär strahlen, die sodann getrennten optischen Pfaden folgen und gewählte relative i.nergieanteile aufweisen, dadurch gekennzeichnet, daß im Stralllengang des Primärstrahls (14) ein Spiegel (15) angeordnet ist, dessen reflektierende Fläche (16) die Form einer beschlossenen Schleife hat und der den äußeren Teil des Primärstrahls als einen Sekundär strahl reflektiert, während der übrige Teil des Primärstrahls als anderer Sekundärstrahl durch die Mitte des Spiegels hindurchfällt und seinen ursprünglichen We fortsetzt, und daß die relativen Querschnittsflächen des reflektierenden Teils des Spiegels und der nichtreflektierenderi litte des Spiegels so gewählt sind, daß die gewünschte relative Energieverteilung in den beiden Sekundär strahlen nergestellt wird.