DE3824047A1 - Vorrichtung zum bearbeiten von werkstuecken mit strahlung - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zum Be­ arbeiten von Werkstücken mit energiereicher Strahlung, insbesondere mit Laserstrahlung, mit einer die Strahlung auf das Werkstück fokussierenden Optik und mit einer den Bereich der Wechselwirkung zwischen der Strahlung und dem Werkstück unter Unterdruck setzenden Einrichtung.

Beim Schweißen mit Laserstrahlung ist es bekannt, daß die Energieeinkopplung durch den Umgebungsdruck beeinflußt und damit das Schweißergebnis verbessert werden kann. Bei­ spielsweise ergeben sich im Vakuum größere Einschweißtiefen, als bei Atmosphärendruck bei sonst ungeänderten Parametern. Das ist auf die Einflußnahme auf das laserinduzierte Plasma zurückzuführen, dessen Teilchendichte verringert wird, wodurch die abschirmende Wirkung des Plasmas oberhalb des Werkstücks sowie auch innerhalb der Kapillaren des Werkstücks verringert wird.

Die bekannte Einrichtung zur Erzeugung von Unterdruck ist eine Vakuumkammer, also ein im wesentlichen abgeschlos­ sener Raum, an den eine Absaugpumpe angeschlossen ist. Die­ se bekannte Vorrichtung hat den Nachteil, daß das Bearbeiten der Werkstücke in der Kammer mit hohem Handhabungsaufwand ver­ bunden ist, insbesondere wenn Bahnenwerkstoff bearbeitet wer­ den soll.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung der eingangs genannten Art so zu verbessern, daß die Ausbildung der Unterdruckeinrichtung die Handhabung des Werkstücks oder der Werkstücke oder von Werkstückbahnen nicht stört.

Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß die Unterdruck­ einrichtung eine nur im Bearbeitungsbereich einen örtlich begrenzten Unterdruck bewirkende Öffnung aufweist.

Für die Erfindung ist von Bedeutung, daß die Unterdruck­ einrichtung mit einer Öffnung einen örtlich begrenzten Unter­ druck zu erzielen vermag. Hierzu kann die Öffnung so gestal­ tet werden, wie das für den Bearbeitungsbereich erforderlich ist, um die örtliche Begrenzung des Unterdrucks zu erreichen. Es versteht sich, daß die Öffnung Bestandteil eines Vakuum­ systems ist, das im übrigen den örtlichen Gegebenheiten beim Bearbeiten von Werkstücken angepaßt werden kann.

Vorteilhafterweise ist die Öffnung als Absaugöffnung Bestandteil eines gegen den Bearbeitungsbereich abgeschlossenen Kanals, der von einem an der Öffnung Unterdruck erzeugenden Fluid durchströmbar ist. Das Fluid ist beispielsweise ein Gas, dessen schnelle Strömung in der Absaugöffnung nach dem Prinzip der Wasserstrahlpumpe einen Unterdruck erzeugt. Der gegen den Bearbeitungsbereich abgeschlossene Kanal kann so ausgebildet werden, daß eine Beeinträchtigung der Handhabung der Werkstücke beim Bearbeiten vernachlässigbar bleibt.

Um das für die Unterdruckeinrichtung erforderliche Volumen zumindest in der Nähe des zu bearbeitenden Werk­ stücks klein zu halten, so daß der Handhabungsbereich des Werkstücks nicht eingeschränkt wird, ist der Kanal dem Strahlverlauf entsprechend ausgerichtet und in seiner Quer­ schnittsgestaltung dem Strahlquerschnitt im Sinne einer zumindest teilweisen Umschließung angepaßt. Die Unterdruck­ einrichtung ist also der Strahlgeometrie entsprechend aus­ gebildet. Eine besonders vorteilhafte Anpassung der Unter­ druckeinrichtung an die Strahlgeometrie bzw. an den Bear­ beitungsbereich liegt vor, wenn der Kanal von einer hohl­ wandigen kegeligen Hohldüse mit an der Kegelspitze angeordneter Öffnung und mit mindestens einem im Kegelstumpf­ bereich gelegenen Fluidanschluß gebildet ist. Bei dieser Aus­ bildung des Kanals als kegelige Hohldüse kann die Absaug­ öffnung zugleich als Durchtrittsöffnung für die Strahlung benutzt werden. Es ergibt sich eine im wesentlichen rotations­ symmetrische und damit entsprechend stabile einfache Gestaltung des Kanals, der auch für unterschiedliche Betriebsarten ein­ setzbar ist.

Bei einer ersten Betriebsart ist der Düsenhohl­ wandraum vertikal in zwei Kammern unterteilt und die eine Kammer weist einen Zuleitungsanschluß und die andere Kam­ mer einen Ableitungsabschluß auf. Mit den beiden jeweils unterschiedlich beaufschlagten Kammern wird gewährleistet, daß das zur Erzeugung des Unterdrucks erforderliche Fluid im Bereich des Strahlverlaufs ausschließlich in Abhängigkeit von diesen beiden Kammern zu- und abgeleitet werden kann.

Die Düse ist um ihre Längsachse schwenkbar und bei Vorschubbewegung des Werkstücks relativ zu der jeweiligen Bahnrichtung ausrichtbar. Damit kann erreicht werden, daß die Absaugung im Bearbeitungsbereich in Bezug auf die Vorschubrichtung jeweils in vorbestimmter Weise, vorzugsweise symmetrisch erfolgt, also beispielsweise auf beiden Seiten einer Schweißnaht in gleichem Maße.

Der Düsenhohlwandraum kann aber in einer weiteren Be­ triebsart auch ausschließlich absaugbeaufschlagbar und bedarfsweise mit einem eine symmetrische Absaugung des Bearbeitungsbereichs bewirkenden Absauganschluß ausgebildet sein. In diesem Fall dient der Düsenhohlwandraum insgesamt der Fluidabsaugung und hat die Möglichkeit, die Absaugströ­ mung in besonderer Weise zu beeinflussen, nämlich insbesondere durch symmetrische Absaugung des Bearbeitungsbereichs. Besonders in diesem Fall hat der die Strahlung umschließende Düseninnenraum einen Zuleitungsanschluß, um die Zuströmung des Fluis zu erreichen.

Da als Fluid vorteilhafterweise ein Gas eingesetzt wird, welches seinen erheblichen Umlenkungen durch den Kanal mit vergleichsweise geringem Strömungswiderstand folgen kann, ist es besonders vorteilhaft, wenn dem Zuleitungsanschluß ein Schutzgas und/oder ein Prozeßgas mit jeweils regelbarer Zusammensetzung zuführbar ist. Das Schutzgas bzw. das Prozeß­ gas kann zusammen mit dem das Fluid bildenden Gas abgeführt werden und erlaubt es zugleich, Schutzgas- oder Prozeß­ gaswirkungen im Bereich der Wechselwirkung zwischen der Strahlung und dem Werkstück zu erzielen, beispielsweise die Verhinderung von Oxydation des Werkstoffs im Bearbeitungsbe­ reich bzw. die Beeinflussung der Plasmabildung.

Wenn der Anschluß des Düsenhohlwandraums im Sinne einer Erzeugung von Unterdruck auch im Düseninnenraum mit auf das Werkstück gerichteter Absaugströmung beauf­ schlagbar ist, so kann infolgedessen mit dem Fluid auch die Zuführung von Fluid bzw. Gas durch den Düseninnen­ raum bewirkt werden. Ein besonderes Hineinpumpen in den Düseninnenraum entfällt.

Um eine möglichst wirksame Absaugung des Bearbeitungs­ bereichs zu erhalten, ist die Vorrichtung so ausgestaltet, daß die werkstückseitigen Kanten der die Absaugöffnung bildenden Düsenwände in einem eine vertikal zur Werkstück­ oberfläche erfolgende Absaugung der letzteren begünstigen­ den vertikalen Abstand voneinander angeordnet sind.

Im Sinne einer möglichst fluidverlustfreien Unter­ druckerzeugung ist der Kanal Bestandteil eines geschlossenen Fluidkreislaufs, in den bedarfsweise eine Fluidaufbereitungs­ einrichtung eingebaut ist.

Die Vorrichtung ist so ausgestaltet, daß die Unter­ druckeinrichtung eine einem Fluid eine schnelle schrauben­ linienartige, auf das Werkstück gerichtete Strömung erteilende Düse ist, und daß das Fluid die Strahlung umschließt und mit einem zumindest fluidverdünnten Spiralinnenraum den Bear­ beitungsbereich windhosenartig umschließend auf das Werk­ stück trifft, das einen das Fluid radial abströmen las­ senden Abstand von der Düsenspitze aufweist. Mit dieser Vorrichtung wird also eine Drallströmung erzielt, deren Innenraum, wie bei Windhosen bekannt, einen herabgesetzten Druck hat, der auf den Bearbeitungsbereich begrenzt bleiben kann. Bei dieser Unterdruckeinrichtung ist die Zuführung von Schutzgas und/oder Prozeßgas im Falle einer Zumischung zum Fluid noch wirksamer, als bei den vorbeschriebenen ab­ saugenden Düsen.

In allen Fällen ist es möglich, das Schutzgas bzw. das Prozeßgas selbst als Fluid zur Unterdruckerzeugung zu benutzen.

Die Erfindung wird anhand von in der Zeichnung darge­ stellten Ausführungsbeispielen erläutert. Es zeigt:

Fig. 1 einen Längsschnitt durch eine Hohldüse,

Fig. 1a einen Querschnitt I-I der Fig. 1,

Fig. 2 bis 4 weitere Düsenlängsschnitte.

Die in Fig. 1 dargestellte Vorrichtung zum Bearbeiten von Werkstücken 1 hat eine allgemein mit 5 bezeichnete Unterdruckeinrichtung. Das Werkstück 1 ist beispielsweise einstückig und zur Herstellung einer Bohrung mit der Laser­ strahlung 2 vorgesehen. Als Werkstück 1 können aber auch mehrere Teile angesehen werden, beispielsweise zwei Bahnen oder Stege, die z. B. stumpf gestoßen in derselben horizontalen Ebene angeordnet und in Richtung 16 vorgeschoben werden, um durch Schweißung miteinander verbunden zu werden.

Die Bestrahlung des Werkstücks 1 mit Laserstrahlung 2 erfolgt in herkömmlicher Weise, bei der die Strahlung 2 mit einer fokussierenden Optik 4 auf einen Bearbeitungs­ bereich 3 fokussiert ist. Die für die Erzeugung der Laser­ strahlung 2 erforderlichen Bauteile sowie die fokussierende Optik können in bekannter Weise den jeweiligen Bedingun­ gen angepaßt ausgebildet sein und werden daher hier nicht näher beschrieben.

Die Unterdruckeinrichtung 5 hat eine Öffnung 6, die im Bearbeitungsbereich 3 angeordnet ist und dort einen örtlich begrenzten Unterdruck bewirkt. Diese Öffnung 6 ist als Absaugöffnung ausgebildet und grenzt an einen Stömungs­ kanal 7 an, der von einem Fluid 25 durchströmt wird. In­ folge der Durchströmung wird im Bereich der Absaugöffnung 6 ein Unterdruck nach dem Prinzip der Wasserstrahlpumpe er­ zeugt. Insbesondere verengt sich der Kanal 7 bis zur Öffnung 6, so daß an dieser betreffenden Stelle des Kanals 7 eine hohe Durchströmungsgeschwindigkeit herrscht und die von der Öffnung 6 weg gerichtete Fluidströmung strömt in einen sich erweiternden Kanalbereich, was der Unterdruckbildung dienlich ist.

Um die Handhabung eines oder mehrerer Werkstücke 1 im Bereich des Kanals 7 bzw. der Öffnung 6 zu erleichtern, ist der Kanal 7 dem Strahlverlauf angepaßt. Insbesondere ist der Kanalverlauf dem Strahlverlauf etwa parallel und zur Öffnung 6 gerichtet. Die Querschnittsdarstellung der Fig. 1a zeigt, daß der Kanal 7 außerdem dem Strahlquer­ schnitt angepaßt ist. Die Anpassung erfolgt so, daß eine Umschließung der Strahlung 2 gegeben ist. Als Bauteil für diese Ausgestaltung des Kanals 7 dient eine kegelige Hohl­ düse 8 in hohlwandiger Ausgestaltung. Die beiden Wände 23, 24 begrenzen den Kanal 7. Die Öffnung 6, die zugleich auch den Durchtritt der Strahlung 2 dient, ist an der Kegelspitze 8′ der Hohldüse 8 angeordnet. Gemäß Fig. 1a ist der von den Hohlwänden 23, 24 begrenzte Düsenhohlwandraum 10 der Hohl­ düse 8 vertikal mittels Stegen 28 unterteilt, so daß Kammern 11, 12 entstehen. Die eine Kammer 11 ist mit einem Zuleitungs­ anschluß 13 versehen und die andere Kammer 12 mit einem Ab­ leitungsanschluß 14. Die beiden Anschlüsse sind im Kegelstumpf­ bereich der Hohldüse 8 angeordnet, also weiter oberhalb des Werkstücks 1, so daß sie den Handhabungsraum des Werkstücks 1 nicht behindern. Durch diese Ausgestaltung ergibt sich eine Strömung des Fluids 25 entsprechend den Pfeilen.

Die Hohldüse 8 der Fig. 1 ist infolge ihrer Unterteilung in zwei unterschiedlich durchströmte Kammern 11, 12 unsymme­ trisch ausgebildet, so daß sich eine entsprechende Beein­ flussung der Absaugung des Bearbeitungsbereichs 3 ergeben könnte. Um insoweit einen Einfluß ausüben zu können, ist die Hohldüse 8 um ihre Längsachse 15 verschwenkbar. Infolge­ dessen kann beispielsweise erreicht werden, daß die Düse mit ihren Stegen 29 stets exakt vertikal zu einer von der Öffnung 6 überstrichenen Bahn der Vorschubrichtung 16 ange­ ordnet ist.

Die Unterdruckeinrichtung 5 der Fig. 2, 3 unterscheiden sich bezüglich ihrer Hohldüsen 8 im Vergleich zu derjenigen der Fig. 1 dadurch, daß ihr Düsenhohlwandraum 10 ausschließ­ lich absaugbar ist. Infolgedessen wird durch die Öffnung 6 der Bearbeitungsbereich 3 abgesaugt und die eingezeichneten Pfeile 27 veranschaulichen den Absaugvorgang. Der dazu erforderliche Absauganschluß 19 hat eine kreisringförmige Durchtrittsfläche, so daß sich eine symmetrische Absaugung des Bearbeitungsbereichs 3 ergibt.

Während die Hohldüse 8 der Fig. 2 im Bereich ihrer dem Werkstück 1 benachbarten Spitze 8′ wie in Fig. 1 ausgebildet ist, zeigt die Hohldüse 8 der Fig. 3 eine etwas abweichende Gestaltung dahingehend, daß die werkstückseitigen Kanten der Düsenwände 23, 24 abweichend angeordnet sind. Die Kante 22 der äußeren Düsenwand 24 ist nahe dem Werkstück 1 angeordnet, während die Kante 21 der inneren Düsenwand 23 mit einem ver­ tikalen Abstand vom Werkstück 1 ausgebildet ist. Dadurch er­ gibt sich grundsätzlich eine starke vertikale Komponente der aus dem Bearbeitungsbereich 3 abgesaugten Strömung, was auch durch eine entsprechende Formgebung der Düsenwände 23, 24 noch unterstützt werden kann. Diese Ausgestaltung gestattet es, den Unterdruck zu erhöhen bzw. einen bestimmten Unterdruck mit geringerer Leistung der Absaugeinrichtung zu erzielen.

Unabhängig von der Fluidführung im Kanal 7 bzw. von der Absaugung durch die Öffnung 6 kann der Düseninnenraum 17 der Hohldüse 8 mit einem Fluid bzw. mit Gas beschickt werden, das zusammen mit dem abgesaugten Fluid bzw. mit dem abgesaugten Gas durch den Kanal 7 bzw. den Absauganschluß 9 oder 19 abtransportiert wird. Hierzu ist in den Fig. 1, 2 jeweils ein Zuleitungsanschluß 18 vorgesehen, durch den Fluid 25 in Pfeilrichtung zuströmen kann. Zweckmäßigerweise ist dieses Fluid ein Gas, insbesondere ein Schutzgas und/oder ein Prozeßgas. Diese Gase können bei einer in Richtung auf die Öffnung 6 erzeugter Absaugströmung 20 aufgrund der im Bereich der Öffnung 6 gegebenen Turbulenzen soweit in die Bearbei­ tungszone bzw. in einen von Plasma erfüllten Bereich vor­ dringen, daß sie dort ihre Wirkungen ausüben können.

In Fig. 4 ist eine Düse 26 dargestellt, die als Hohl­ düse die Laserstrahlung 2 und deren Optik 4 umschließt, jedoch eine lediglich schematisch dargestellte Fluidführungs­ einrichtung 30 hat, mit der um die Laserstrahlung 2 herum eine spiralige Fluidströmung erzeugt wird, die sich infolge der konischen Verjüngung der Düse 26 zunehmend beschleunigt. Die dadurch entstehende Drallströmung des Fluids bewirkt nach dem Prinzip der Windhose im Inneren einen zumindest fluidverdünnten Unterdruckraum, mit dessen Hilfe der Bear­ beitungsbereich 3 abgesaugt werden kann, weil die Düse 26 mit ihrer Spitze 26′ einen Abstand vom Werkstück 1 wahrt, der das Fluid 25 radial abströmen läßt.

Claims (13)

1. Vorrichtung zum Bearbeiten von Werkstücken mit energie­ reicher Strahlung, insbesondere mit Laserstrahlung, mit einer die Strahlung auf das Werkstück fokussierenden Optik und mit einer den Bereich der Wechselwirkung zwischen der Strahlung und dem Werkstück unter Unterdruck setzenden Einrichtung, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Unterdruckeinrichtung (5) eine nur im Bearbeitungsbereich (3) einen örtlich begrenzten Unterdruck bewirkende Öffnung (6) aufweist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Öffnung (6) als Absaugöffnung Be­ standteil eines gegen den Bearbeitungsbereich (3) abge­ schlossenen Kanals (7) ist, der von einem an der Öffnung (6) Unterdruck erzeugenden Fluid (25) durchström­ bar ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der Kanal (7) dem Strahlver­ lauf entsprechend ausgerichtet und in seiner Querschnitts­ gestaltung dem Strahlquerschnitt im Sinne einer zumindest teilweisen Umschließung angepaßt ist.

4. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Kanal (7) von einer hohlwandigen kegeligen Hohldüse (8) mit an der Kegelspitze (8′) angeordneter Öffnung (6) und mit mindestens einem im Kegelstumpfbereich gelegenen Fluidanschluß (9) gebildet ist.

5. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Düsenhohlwandraum (10) vertikal in zwei Kammern (11, 12) unterteilt ist, und daß die eine Kammer (11) einen Zulei­ tungsanschluß (13) und die andere Kammer (12) einen Ab­ leitungsanschluß (14) aufweist.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Düse (8) um ihre Längsachse (15) schwenkbar und bei Vorschubbewegungen des Werkstücks (1) relativ zu der jeweiligen Bahnrichtung (16) ausrichtbar ist.

7. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Düsenhohlwandraum (10) ausschließlich absaugbeaufschlagbar und bedarfsweise mit einem eine symmetrische Absaugung des Bearbeitungsbereichs bewirkenden Absauganschluß (19) ausge­ bildet ist.

8. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der die Strahlung (2) umschließende Düseninnenraum (17) einen Zuleitungsanschluß (18) hat.

9. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß dem Zuleitungsanschluß (18) ein Schutzgas und/oder ein Prozeß­ gas mit jeweils regelbarer Zusammensetzung zuführbar ist.

10. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Anschluß (14, 19) des Düsenhohlwandraums (10) im Sinne einer Erzeugung von Unterdruck auch im Düseninnen­ raum (17) mit auf das Werkstück (1) gerichteter Absaug­ strömung (20) beaufschlagbar ist.

11. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die werkstückseitigen Kanten (21, 22) der die Absaugöffnung (6) bildenden Düsenwände (23, 24) in einem eine vertikal zur Werkstückoberfläche erfolgende Absaugung der letzteren begünstigenden vertikalen Abstand voneinander angeordnet sind.

12. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 2 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Kanal (7) Bestandteil eines geschlossenen Fluid­ kreislaufs ist, in den bedarfsweise eine Fluidaufbe­ reitungseinrichtung eingebaut ist.

13. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Unterdruckeinrichtung (5) eine einem Fluid (25) eine schnelle schraubenlinienartige, auf das Werkstück (1) gerichtete Strömung erteilende Düse (26) ist, und daß das Fluid (25) die Strahlung (2) umschließt und mit einem zumindest fluidverdünnten Spiralinnenraum (28) den Bearbeitungsbereich (3) wind­ hosenartig umschließend auf das Werkstück (1) trifft, das einen das Fluid (25) radial abströmen lassenden Ab­ stand von der Düsenspitze (26′) aufweist.