DE3822097C2 - - Google Patents
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Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren nach dem Ober
begriff des Anspruches 1.
Beim Schweißen mit einem fokussierten Laserstrahl läßt
es sich nicht verhindern, daß von der Schweißstelle
Partikel weggeschleudert werden, die aufgrund des
elektromagnetischen Feldes in Richtung der Optik
(Linse, Spiegel, Schutzscheibe) bewegt werden. Treffen
diese Partikel auf die Optik auf, so wird diese
verschmutzt und die Laserleistung vermindert sich.
Um ein Auftreffen der Partikel auf die Optik zu
verhindern ist es bekannt, zwischen der Optik und dem
Strahlfokus eine Gasströmung quer zur Laserstrahlachse
zu erzeugen.
Nach der JP 62-1 87 591 werden hierzu zwei sich
gegenüberliegende Rohre vorgesehen. Eine aus der Düse
des einen Rohres austretende laminare Gasströmung fängt
die Partikel ein, während sie in dem gegenüberliegenden
Rohr abgesaugt werden.
Bei der EP 01 99 095 A1 ist ein Rohr senkrecht zu der
Laserstrahlachse angeordnet, welches mit einer
Queröffnung für den Laserstrahldurchtritt versehen
ist. In das Rohr mündet eine Düse, die eine den
Laserstrahl durchquerende Gasströmung erzeugt. Der
durch die Anordnung erzeugte Unterdruck, welcher die
Partikel in Richtung zur Optik beschleunigen würde,
soll dabei im Bereich der Queröffnung kompensiert
werden, indem die Gasströmung mit einer zu der
Queröffnung hingerichteten Richtungskomponente
versehen wird. Der mit dieser Richtungskomponente
erzeugte Staudruck soll dem statischen Unterdruck
entgegen wirken.
Durch diese Druckausgleichseinrichtung wird jedoch
eine unterschiedliche Gasdichte erzeugt, die zu
Verzeichnungen des Laserstrahles führen kann.
Neben dieser gattungsgemäßen Laserdüse ist es zur
Kontrolle des Metalldampf-Plasmas bekannt, koaxial zum
Laserstrahl durch die Laserdüse oder mit separater,
unter einem Winkel zum Laserstrahl angestellter
Düse, ein Arbeitsgas auf das Werkstück zu blasen
(Laser 2/87, oft vergessener Kostenfaktor: die Gase,
Erwin Kappelsberger).
Zur Durchführung des vorstehend genannten Verfahrens
wurde auch schon vorgeschlagen, die Plasmawolke mit einem
horizontal durch die Düse strömenden Schutzgasstrahl weg
zuspülen. Gleichzeitig soll die Optik durch ein horizontal
über dem ersten Schutzgasstrahl in die Düse eingeleitetes
Schutzgas geschützt werden.
Dieses Verfahren nutzt den Aufbau eines Druckes inner
halb der Düse zum Schutz der Optik aus. Es kann nur bei
einem optisch geschlossenen System angewendet werden.
Weiterhin ist es aus der DE 34 05 406 A1 beim Einstechen
in dickere Werkstücke bekannt, durch eine seitlich an
gebrachte Düse das verflüssigte bzw. verdampfte Material
aus dem Einstechkrater zu saugen und in eine vorgegebene
Richtung zu blasen.
In der US 44 67 171 ist ein Laserschneidkopf mit zur Aus
trittsöffnung des Laserstrahles gerichteten Gasdüsen be
schrieben. Mit dieser Ausbildung soll einerseits ein
unter einem Druck von über 7 bar aus der Düsen austreten
der Gasstrahl zum Entfernen der Schneidschmelze erzeugt
werden; andererseits soll der Gasstrahl koaxial innerhalb
der Düse strömen, um Ablagerungen zu entfernen.
Die DD 2 25 370 A1 schlägt demgegenüber vor, die Ver
dampfungsrückstände mittels mindestens einer Düse, die
in einem Winkelbereich von 0 bis 90 Grad zur Laserstrahl
achse angeordnet ist, aus der Bearbeitungszone zu besei
tigen.
Ausgehend von dem eingangs beschriebenen Stand der Technik
liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, die Optik unter
Beibehaltung günstiger Schweißbedingungen sicher gegen
Bearbeitungspartikel zu schützen.
Diese Aufgabe wird bei einem gattungsgemäßen Verfahren
durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruches 1 ge
löst.
Die Erfindung ermöglicht es, negative Schweißbadbeein
flussungen bei optimalem Schutz der Optik, d. h. bei im
wesentlichen gegen die Bewegungsrichtung der Partikel
und damit auf das Schweißbad gerichteten Gasstrahl zu
vermeiden.
Dies wird mit einer Einstellung der Gasstrahlen erreicht,
bei der in der Praxis vor der Austrittsöffnung des Laser
strahles eine Abdeckung, vorzugsweise ein Blatt Papier,
angeordnet wird. Dieses wird beim Erzeugen des
zweiten, horizontalen Gasstrahles aufgrund eines ober-
und unterhalb von diesem entstehenden Unterdruckes an
die Austrittsöffnung der Laserdüse gesaugt.
Anschließend wird der Druck des gegen die
Bewegungsrichtung der Partikel gerichteten, im
wesentlichen vertikalen Gastrahles so lange erhöht, bis
das Blatt Papier durch sein Eigengewicht von der
Austrittsöffnung abfällt. An der Austrittsöffnung
bildet sich bei dieser Einstellung ein gegen
Atmosphärendruck gehender Gasdruck aus. Eine negative
Beeinflussung des Schweißbades, beispielsweise ein
Fortblasen der Schmelze oder des Arbeitsgases, wird
sicher verhindert. Dabei kann die Einstellung des
Gasdruckes der Gasstrahlen durch an sich bekannte
Steuerventile in einfacher Weise vorgenommen werden.
Selbstverständlich ist es auch vorteilhaft möglich,
die Druckeinstellung automatisch über eine Steuerung
vorzunehmen, wobei in den Gaszu- oder -ableitungen
für die Gasstrahlen und/oder in bzw. an der Laserdüse,
insbesondere in oder an der Austrittsöffnung für den
Laserstrahl, Drucksensoren angeordnet sind, mittels
denen die Gasdrücke überwacht und gesteuert werden können.
Hierbei ist zu beachten, daß beim Einsatz eines
Spiegelsystemes als Optik das
Laserstrahlführungssystem offen ist, so daß kein Stau
druck in ihm aufgebaut werden kann. Als Gas wird
vorzugsweise trockene Luft verwendet.
Weitere vorteilhafte Ausbildungen der Erfindung sind
in den Unteransprüchen beschrieben.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der
Zeichnung dargestellt und wird im folgenden näher
beschrieben.
Die im Ausführungsbeispiel gezeigte Laserdüse 10
besteht aus mehreren miteinander verbundenen Bauteilen
11, 12, 13, 14, 15, 16 zwischen denen und/oder in
denen zwei Düsen 17, 18 ausgebildet sind, deren
Austrittsöffnungen in den koaxial zum Laserstrahl 19
verlaufenden Kanal 20 der Laserdüse 10 münden. Die
Düse 17 ist im wesentlichen senkrecht zur
Laserstrahlachse 21 zwischen der Optik 22,
vorzugsweise einem Spiegel, und der
Austrittsöffnung 23 der Laserdüse 10 angeordnet und
über eine Leitung 24 mit einem Steuerventil 25 an
einen Druckerzeuger 26 angeschlossen. Der Düse 17
gegenüberliegend ist eine Gasaustrittsöffnung 27 zwischen
den Bauteilen 14 und 15 ausgebildet. Die Düse 17 und
die Gasaustrittsöffnung 27 erweitern sich, ausgehend von
der Düse 17, in der horizontalen Ebene fächerförmig
bis zur Austrittsseite der Gasaustrittsöffnung 27 aus der
Laserdüse 10. An der Stelle des Durchtritts durch den
Kanal 20 der Laserdüse 10 weisen sie im wesentlichen
dessen Querschnitt auf. Wie aus der Figur ersichtlich
ist, erweitert sich die Gasaustrittsöffnung 27 auch in
der vertikalen Ebene zu der Austrittsseite aus der
Laserdüse 10 hin.
Selbstverständlich ist es auch möglich, die
Gasaustrittsöffnung 27 in anderer Geometrie
auszubilden, wobei grundsätzlich die Eingangsöffnung
in die der Gasstrahl 37 nach dem Durchqueren des
Kanals 20 eintritt, größer, vorzugsweise doppelt so
groß, als die Öffnung der Düse 17 sein muß, um
Gasturbulenzen des Gasstrahles 37 zu vermeiden.
Zwischen der Düse 17 und der Optik 22 ist die Düse 18
unter einem Winkel 28 kleiner als 90 Grad,
vorzugsweise kleiner als 30 Grad zur Laserstrahlachse 21
angeordnet. Die Düse 18 ist als Ringdüse ausgebildet,
die den Kanal 20 konzentrisch umgibt. Über einen
vorgeschalteten Ringraum 29 ist die Düse 18 über die
Leitung 30 mit Steuerventil 31 mit dem Druckerzeuger
26 verbunden. Die Düse 18 ist zwischen den Bauteilen
13 und 14 ausgebildet, die vorzugsweise über ein
Bewegungsgewinde 43 gegeneinander verstellbar sind.
Über eine Verstellung der Bauteile 13, 14 kann der
Düsenspalt 44 der Düse 18 eingestellt werden.
Der Druckerzeuger 26 und die Steuerventile 25, 31 sind
von einer Steuerung 32 automatisch über ein
Steuerprogramm 34 oder mittels Handeingabe über eine
Tastatur 33 ansteuerbar. Mit der Steuerung können
beispielsweise die Ein- bzw. Abschaltvorgänge sowie
die Leistung des Druckreglers und der
Durchlaßquerschnitt der Steuerventile 25, 31
kontrolliert werden.
Vor der Materialbearbeitung, insbesondere dem Schweißen
eines Werkstückes 35 mit dem Laserstrahl 19 erfolgt
die Einstellung der aus den Düsen 17, 18 austretenden
Gasstrahlen 36, 37 zum Ablenken von in Richtung zur
Optik 22 bewegten Partikeln. Dabei ist das
Steuerventil 31 zuerst geschlossen, während das
Steuerventil 25 geöffnet ist. Hierdurch tritt der
Gasstrahl 37 mit einem Überdruck von typischerweise
2,5 bar aus der Düse 17 aus, durchquert den Kanal 20 der
Laserdüse und tritt in die Gasaustrittsöffnung 27 ein,
über den er an die Atmosphäre abgeleitet wird.
Wie aus der Zeichnung ersichtlich, ist die
Gasaustrittsöffnung 27 über eine Leitung 38 mit einem
Schalldämpfer 39 verbunden, durch den der Gasstrahl
37 geräuscharm abgeleitet werden kann.
Ober- und unterhalb des Gasstrahles 37 entsteht ein
Unterdruck, mit dem ein vor der Austrittsöffnung 23
des Laserstrahles 19 angeordnetes, in der Zeichnung
nicht dargestelltes Blatt Papier an die Austritts
öffnung 23 der Laserdüse 10 gesaugt wird. Anschließend
wird das Steuerventil 31 geöffnet und der Druck des
gegen die Bewegungsrichtung der Partikel gerichteten,
aus der Düse 18 austretenden und im wesentlichen
vertikal zur Austrittsöffnung 23 gerichteten
Gasstrahles 36 so lange erhöht, bis das Papier
aufgrund seines Eigengewichtes abfällt. An der
Austrittsöffnung 23 bildet sich bei dieser
Einstellung ein gegen Atmosphärendruck gehender
Gasdruck aus. Durch diese Kompensation des gegen die
Bewegungsrichtung der Partikel gerichteten Gasstrahles
36 durch einen senkrecht unter ihm vorgesehenen
zweiten Gasstrahl 37, mittels dem der Gasstrahl 36
aus seiner Strömungsrichtung "geblasen" wird, werden
negative Beeinflussungen des Schweißbades vermieden.
Selbstverständlich ist es auch vorteilhaft möglich,
die bei der Ersteinstellung verwendeten Daten, wie z.
B. Stellgröße der Steuerventile 25, 31, Drücke der
Gasstrahlen 36, 37 usw., in einen Datenspeicher der
Steuerung 32 abzulegen und bei Bedarf abzurufen.
Nach einer weiteren vorteilhaften, in der Zeichnung
nicht dargestellten Ausbildung sind der
Austrittsöffnung 23 und/oder den Druckleitungen 24, 30
bzw. den Düsen 17, 18 Sensoren zur Erfassung des
Istgasdruckes an diesen Stellen zugeordnet. Die
Signale dieser Sensoren werden einer Steuerschaltung
zugeführt, die aufgrund der erhaltenen Gasdruckwerte
selbsttätig den Gasdruck der Gasstrahlen 36 bzw. 37
erhöht, bzw. vermindert. Vorteilhaft ist dabei in der
Steuerschaltung ein für den Schutz der Optik 22
aufrechtzuerhaltender minimaler Gasdruck des
Gasstrahles 36 abgelegt, der nicht unterschritten
wird. Zum Schutz der Laserdüse 10 gegen thermische
Beeinträchtigungen ist unter der im wesentlichen
senkrecht verlaufenden Düse 17 ein die
Austrittsöffnung 23 umgebender, ringförmiger
Kühlkanal 40 vorgesehen.
Vorteilhaft ist das Bauteil 13 und die mit ihm
verbundenen Bauteile 15, 16, 17 relativ zu dem
Bauteil 11 zur Brennweiteneinstellung verschiebbar. Über
das als Gewindeteil ausgebildete Bauteil 12 kann
hierzu der Abstand zwischen dem Bauteil 11 und dem
Bauteil 13 durch Drehen des Bauteiles 12 verändert
werden.
Die Zuführung eines Arbeitsgases 41 erfolgt bei der
Laserdüse 10 über eine separate Gaszuführungsdüse 42.
Claims (6)
1. Verfahren zum Ablenken von in Richtung zur Optik
(22) einer Laserstrahldüse (10) sich bewegenden
Partikeln, beim Schweißen mit fokussiertem Laser
strahl (19), bei dem ein erster, im wesentlichen
gegen die Bewegungsrichtung der Partikel gerichte
ter Gasstrahl (36) im Kanal (20) der Laserstrahl
düse (10) und ein nahezu senkrecht zum ersten Gas
strahl (36) gerichteter zweiter Gasstrahl (37) er
zeugt werden, deren Gasdrücke einstellbar sind,
gekennzeichnet durch
ein Einleiten des Gases für den ersten Gasstrahl (36) in den Kanal (20) unter einem Winkel (28) kleiner als 90° zur Laserstrahlachse (21);
ein Zuführen des Gases für den zweiten Gasstrahl (37) zwischen dem Einleitbereich für den ersten Gasstrahl (36) und der Austrittsöffnung (23) der Laserstrahldüse (10);
ein Abführen der aus den Gasstrahlen (3, 37) be stehenden Gasmenge aus dem Kanal (20) von der Aus trittsöffnung (23) der Laserstrahldüse (10);
und einer Gasdruckeinstellung, bei der sich an der Austrittsöffnung (23) ein gegen Atmosphärendruck gehender Gasdruck einstellt.
ein Einleiten des Gases für den ersten Gasstrahl (36) in den Kanal (20) unter einem Winkel (28) kleiner als 90° zur Laserstrahlachse (21);
ein Zuführen des Gases für den zweiten Gasstrahl (37) zwischen dem Einleitbereich für den ersten Gasstrahl (36) und der Austrittsöffnung (23) der Laserstrahldüse (10);
ein Abführen der aus den Gasstrahlen (3, 37) be stehenden Gasmenge aus dem Kanal (20) von der Aus trittsöffnung (23) der Laserstrahldüse (10);
und einer Gasdruckeinstellung, bei der sich an der Austrittsöffnung (23) ein gegen Atmosphärendruck gehender Gasdruck einstellt.
2. Laserdüse (10) zur Durchführung des Verfahrens nach
Patentanspruch 1 mit einer Optik (22) und einer
Austrittsöffnung (23) für den Laserstrahl,
gekennzeichnet durch
eine unter einem Winkel (28) kleiner 90 Grad zur
Laserstrahlachse (21) angeordneten Düse (18), die
zum Erzeugen eines zur Austrittsöffnung (23) des
Laserstrahles (19) gerichteten Gasstrahles (36) an
einen Druckerzeuger (26) angeschlossen ist und
einer zwischen der Düse (18) und der
Austrittsöffnung (23) der Laserstrahldüse (10)
senkrecht zur Laserstrahlachse (21) angeordneten
weiteren Düse (17), und einem Druckerzeuger (26)
zur Erzeugung eines aus der Düse (17) austretenden
Gasstrahles (37), dem gegenüberliegend eine
Gasaustrittsöffnung (27) angeordnet ist.
3. Laserdüse nach Anspruch 2,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Düse (18) unter einem Winkel (28) von
kleiner 30 Grad zur Laserstrahlachse (21) verläuft.
4. Laserdüse nach Anspruch 2 oder 3,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Düse (18) als Ringdüse mit einstellbarem
Düsenspalt (44) ausgebildet ist, die über einen
vorgeschalteten Ringraum (29) mit dem Druckerzeuger
verbunden ist.
5. Laserdüse nach einem der Ansprüche 2 bis 4,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Düse (17) und die Gasaustrittsöffnung (27)
sich in der Horizontalen fächerförmig bis zu der
Austrittsseite der Gasaustrittsöffnung (27) aufweiten
und an der Stelle des Durchtrittes durch den Kanal
(20) der Laserdüse (10) im wesentlichen dessen
Querschnitt aufweisen.
6. Laserdüse nach Anspruch 5,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Eingangsöffnung in die der Gasstrahl (37)
nach dem Durchqueren des Kanales (20) eintritt in
ihren Abmessungen größer ist, als die Austritts
öffnung der Düse (17).
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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Applications Claiming Priority (1)
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Publications (2)
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Family Applications (1)
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