DE3034753C2

DE3034753C2 - Verfahren zur Verstärkung der Schneideigenschaften eines Flüssigkeitstrahls

Info

Publication number: DE3034753C2
Application number: DE19803034753
Authority: DE
Inventors: Marian Malkowicze Mazurkiewic; Ryszard Jan Dr. Breslau Odozynski; Burghardt 4830 Gütersloh Vossen
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1980-09-15
Filing date: 1980-09-15
Publication date: 1982-11-18
Also published as: DE3034753A1

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Verstärkung der Schneideigenschaften eines Flüssigkeitsstrahls hoher Energie, bei dem der im wesentlichen gleichförmig und kontinuierlich aus einer Düse austretende Flüssigkeitsstrahl pulsierend unterbrochen oder moduliert wird.

Flüssigkeitsstrahlen, beispielsweise Wasserstrahlen, die mit hohem Druck abgegeben werden, können beispielsweise in der Werkstoffbearbeitung und Erzförderung eingesetzt werden. Es ist bekannt, daß die Schneideigenschaften eines derartigen Flüssigkeitsstrahls dadurch verbessert werden können, daß der Strahl nicht kontinuierlich, sondern pulsierend auf die zu bearbeitende Fläche gerichtet wird.

Ein bekanntes Verfahren zur Erzeugung eines derartigen pulsierenden Flüssigkeitsstrahls besteht darin, daß der durch eine Düse austretende Strahl mit Hilfe einer rotierenden Lochscheibe in Segmente geteilt wird. Die Aufteilung in Segmente kann auch erreicht werden durch Anwendung eines rotierenden Elements in der Form eines Zylindergefäßes mit Boden und Öffnungen in der Mantelfläche, das sich in einer Verdichtungskammer vor der Düse befindet. Diese Öffnungen, die sich periodisch in die Achse zwischen der Düse und einem Zufuhrkanal einstellen, steuern lie pulsierende Flüssigkeitszufuhr zur Düse.

Eine weitere bekannte Lösung basiert auf der Anwendung eines zusätzlichen Zylinders mit Kolben vor der Düse. Der Kolben wird in Schwingungen geeigneter Frequenz und Amplitude versetzt. Aus dem polnischen Patent 2 09 646 ist es bekannt, einen unterbrochenen Flüssigkeitsstrahl dadurch zu erzeugen, daß die Düse über einen beliebigen Erreger in hochfrequente Schwingungen versetzt wird.

Neben der zuvor geschilderten Unterteilung eines Flüssigkeitsstrahls in einzelne Segmente ist es im übrigen zur Erhöhung der Schneidwirkung eines Flüssigkeitsstrahls auch bekannt, im Flüssigkeitsstrahl Kavitationen zu erzeugen. Dies kann beispielsweise durch Einbringen einer Nadel in den Düsenkanal erreicht werden, die im Flüssigkeitsstrom hydrodynamische Schatten hervorruft, die dann wiederum Quellen für Kavitationen sind. Im Flüssigkeitsstrahl entstehen durch örtliches Absinken des Druckes unter den Dampfdruck Dampfblasen, die beim Aufprall des Flüssigkejtsstrahls auf die zu bearbeitende Oberfläche schlagartig zusammenprallen und die abtragende Wirkung des Flüssigkeitsstrahls erheblich verstärken.

Unter den Bedingungen hoher Drücke sind die obengenannten Verfahren zur Erzeugung eines pulsierenden oder anderweitig modulierten Flüssigkeitsstrahls nicht immer ausreichend wirksam, im übrigen ίο verschleißen mechanische Einrichtungen zur Unterbrechung oder Modulierung eines Flüssigkeitsstrahls, wie etwa Lochscheiben oder Ventilnadeln, verhältnismäßig rasch. Zumeist besteht auch keine ausreichende Möglichkeit, die Segmentform der Strahlcegmente zu ;■> steuern.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der gattungsgemäßen Art zu schaffen, das eine ausgeprägte und gut steuerbare ModuHerung eines im wesentlichen kontinuierlichen Flüssigkeitsstrahls in einen segmentförmig unterbrochenen oder mit Kavitationen versehenen Flüssigkeitsstrahl gestattet

Zur Lösung dieser Aufgabe ist das erfindungsgemäße Verfahren der eingangs genannten Art dadurch gekennzeichnet, daß ein energiereiches, masseloses Strahlenbündel auf den Flüssigkeitsstrahl gerichtet wird. Das energiereiche Strahlenbündel verläuft vorzugsweise senkrecht tu dem Flüssigkeitsstrahl. Das Strahlenbündel kann beispielsweise ein Laser sein. Die gewünschte Modulierung des Flüssigkeitsstrahls kann erreicht werden durch Verwendung eines Impulslasers oder auch durch periodische Schwenkung eines kontinuierlichen Strahlenbündels durch die Bahn des Flüssigkeitsstrahls.

Anstelle eines Laser kommt auch ein Maserstrahl in Betracht

Die Energie eines derartigen, im wesentlichen masselosen, energiereichen Strahlenbündels ist so einzustellen, daß entweder durch Verdampfen von Flüssigkeitsabschnitten ein Flüssigkeitsstrahl in einzelne Segmente unterteilt wird oder in dem Flüssigkeitsstrahl Dampfblasen zur Erzeugung von Kavitationen gebildet werden.

Ein wesentlicher Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht darin, daß der Flüssigkeitsstrahl in

einzelne Segmente sehr regelmäßiger Form unterteilt werden kann, deren Segmentlänge und Abstand in einfacher Weise beliebig einstellbar ist. Beispielsweise kann bei Verwendung eines Impulslasers durch

Modulation der Impulsfrequenz die Schneideigenschaft

des Flüssigkeitsstrahls beeinflußt werden. Ebenso kann die Bildung von Kavitationen selbst in dünnen Strahlen kontrolliert angeregt werden.

Demgegenüber war bei den bekannten Lösungen, bei denen Kavitationen auf mechanischem Wege, etwa durch Düsennadeln erzeugt wurden, der Verschleiß der Düsen und Düsennadeln aufgrund der Kavitationsbildung erheblich. Bei allen Lösungen zur Unterbrechung des Flüssigkeitsstrahls mit Hilfe von Zylindern oder Ventilen, die vor der Düse liegen, ergibt sich ein hoher Energieverbrauch trotz einer nur begrenzt wirksamen Segmentbildung. Im übrigen war auch bei diesen Konstruktionen ebenso wie bei den hinter der Düse verwendeten Lochblenden und dgl. der Verschleiß beträchtlich.

Auf der anderen Seite ergibt sich bei dem erfindungsgemäßen Verfahren keinerlei Verschleiß. Die wirksame Aufteilung des Flüssigkeitsstrahls in einzelne Segmente und die Steuerbarkeit dieser Einteilung

ermöglichen es, den Flüssigkeitsstrahl auf die optimalen Schneideigenschaften ohne Schwierigkeiten einzustellen. Durch die Druckimpulse, die die Stöße jedes Flüssigkeitssegments begleiten, werden die Schneideigenschaften in jedem Falle wesentlich verbessert

Im folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert

F i g. 1 zeigt eine Ausführuiigsform der Erfindung mit einem Impulslaser zur Unterbrechung eines kontinuierlichen Flüssigkeitsstrahls;

Fig.2 veranschaulicht eine Ausführungsfürm mit kontinuierlichem oder Impuslaser, dessen Energie in der Achse des Flüssigkeitsstrahls zur Bildung von Kavitationen konzentriert ist

Gemäß Fig. 1 tritt ein Flüssigkeitsstrahl 1 mit hoher is Geschwindigkeit aus einer Düse 2 aus. Der Flüssigkeitsstrahl 1 wird im wesentlichen senkrecht durch einen Fotonenbündel oder einen Laserstrahl 3 geschnitten, der durch einen Impulslaser 4 angeregt wird, dessen Impulsfrequenz, Impulsdauer und Energie entsprechend der Geschwindigkeit und dem Strahldurchmesser wie auch den physikalischen Eigenschaften der Flüssigkeit gewählt sind. Der Flüssigkeitsstrahl unterliegt durch die Einwirkung des Laserstrahls einer Aufteilung in einzelne gleichförmige Segmente 5 mit gewünschter Segmentlänge und gewünschten Zwischenabständen, Die Aufteilung des Flüssigkeitsstrahls erfolgt durch plötzliches Verdampfen von Strahlabschnitten, die vom Fotonenbündel getroffen werden. Der auf diese Weise unterbrochene Flüssigkeitsstrahl trifft auf einen Bearbeitungsgegenstand 6 auf.

In Fig.2 ist wiederum ein laminarer Flüssigkeitsstrahl mit 1 und eine Düse mit 2 bezeichnet Auf den Flüssigkeitsstrahl I wirkt ein Laserstrahl 3 aus einem kontinuierlichen oder Impulslaser 4 ein. Die Impulsgröße wird entsprechend der Strömungsgeschwindigkeit und den physikalischen Eigenschaften der Flüssigkeit gewählt Der Laserstrahl ist in der Achse des Flüssigkeitsstrahls 1 konzentriert und bewirkt die Anregung von Kavitationsquellen im Inneren des Flüssigkeitsstrahls, wie in Fig.2 angedeutet ist. Die dadurch gebildeten Kavitationsblasen 7 bilden sich im Wirkungsbereich des Laserstrahls infolge plötzlichen Verdampfens von Mikroschichten im Inneren des Flüssigkeitsstrahles. Die Implosionen der Kavitationsblasen 7 der Nähe des Bearbeitungsgegenstandes 6 erhöhen die Schneidwirkung. Zur bildung derartiger Kavitationen kann sowohl ein JmpuisiaF-:r als auch ein kontinuierlicher Laser verwendet werden.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zur Verstärkung der Schneideigenschaften eines Flüssigkeitsstrahl hoher Energie, bei dem der im wesentlichen gleichförmig und kontinuierlich aus einer Döse austretende Flüssigkeitsstrahl pulsierend unterbrochen oder moduliert wird, dadurch gekennzeichnet, daß ein energiereiches, massenloses Strahlenbündel auf den Flüssigkeitsstrahl gerichtet wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das energiereiche Strahlenbündel senkrecht zu dem Flüssigkeitsstrahl gerichtet ist

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das energiereiche Strahlenbündel ein Laserstrahl ist

4. Verfahren nach Ansprach 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Laserstrahl ein Impulslaser ist

5. Verfahren nach einem der Ansprüche I bis 3, dadurch gekennzeichnet, daB das Strahlenbündel auf das Innere des Rüssigkeitsssrahls fokussiert wird.