DE3824047C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zum Schweißbearbeiten von Werkstücken mit energiereicher Strahlung, insbesondere mit Laserstrahlung, die auf den Bearbeitungsbe­ reich des Werkstücks fokussiert und von einer hohlwandigen ke­ geligen Düse umgeben ist, die eine nahe dem Bearbeitungsbereich angeordnete, dem Durchtritt der Laserstrahlung dienende Öffnung aufweist und mit einem zwischen eine innere und eine äußere Dü­ senwand der hohlwandigen Düse mündenden Fluidanschluß versehen ist, und die ein einen Unterdruck erzeugendes Fluid durch­ strömt.

Beim Schweißen mit Laserstrahlung ist es bekannt, daß die Energieeinkopplung durch den Umgebungsdruck beeinflußt und da­ mit das Schweißergebnis verbessert werden kann. Beispielsweise ergeben sich im Vakuum größere Einschweißtiefen als bei Atmos­ phärendruck 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 inner­ halb der Kapillaren des Werkstücks verringert wird.

Die bekannte Einrichtung zur Erzeugung von Unterdruck ist eine Vakuumkammer, also ein im wesentlichen abgeschlossener Raum, an den eine Absaugpumpe angeschlossen ist. Diese bekannte Vorrichtung hat den Nachteil, daß das Bearbeiten der Werkstücke in der Kammer mit hohem Handhabungsaufwand verbunden ist, ins­ besondere wenn Bahnenwerkstoff bearbeitet werden soll.

Aus der JP 58-1 19 485A, in: "Patents abstr. of Japan", 1983, Vol. 7/No. 227 Sec.M-248, ist eine Düse mit den eingangs genannten Merkmalen bekannt. Die kegelige Düse ist hohlwandig und hat etwa auf mittlerer Höhe ihres Kegelstumpfbereichs einen Gasanschluß, durch den ein Gas in den Innenraum der Hohlwand strömt. Aus diesem Innenraum tritt das Gas zum Bearbeitungsbe­ reich des Werkstücks durch eine ringförmige, die innere Düsen­ wand der Düse umgebene Austrittsöffnung aus. Auf gleicher Höhe mit dieser Austrittsöffnung ist von einer werkstücknahen Kante der inneren Düsenwand eine Durchtrittsöffnung gebildet, durch die die Laserstrahlung dem Werkstück zugeführt wird, und durch die Gas in den für die fokussierte Laserstrahlung vorgesehenen Düseninnenraum eintreten kann. Oberhalb des Kegelstumpfbereichs der Düse ist der Kanal angeordnet, dessen Fluid jedenfalls im oberen Bereich des Düseninnenraums einen Unterdruck erzeugt, so daß das aus dem Innenraum der Hohlwand der Düse austretende, das Werkstück bedeckende Gas in den Innenraum der Düse eintre­ ten und zusammen mit der Fluidströmung aus dem Innenraum der Düse austreten kann. Die Druckverhältnisse im Bereich der von der Innenwand gebildeten Düsenöffnung sind nicht so, daß die gewünschte Einflußnahme auf laserinduziertes Plasma im Bearbei­ tungsbereich erreicht werden könnte. Die Düse ist im wesentli­ chen kegelstumpfförmig und hat infolge der zentralen Durch­ trittsöffnung und der diese umgebenden Austrittsöffnung der Hohlwand eine beträchtliche Erstreckung parallel zum Werkstück, so daß sich Schwierigkeiten beim Einsatz der Düse zum Bearbei­ ten dreidimensionaler Werkstücke ergeben können.

Des weiteren ist aus der US-PS 36 26 141 eine Ritzeinrich­ tung für Halbleiterscheiben bekannt, die mit einem fokussierten Laserstrahl arbeitet. Beim Ritzen der Halbleiterscheiben ent­ stehen Spritzer und die bekannte Einrichtung weist daher eine Absaugung auf, damit die Spritzer nicht auf die Halbleiterober­ fläche zurückfallen können. Eine der aus dieser Druckschrift bekannten Einrichtungen weist ein koaxiales zweiteiliges Gehäu­ se auf, das zwischen den einander zugekehrten Wänden einen zy­ lindrischen Hohlraum hat, der halbleiterscheibenseitig in einen hohlkegelartigen Ringraum übergeht. Die beiden strömungsmäßig hintereinandergeschalteten Ringräume werden durch zwei in den zylindrischen Ringraum mündende Absaugleitungen abgesaugt. Das innere Gehäuseteil beinhaltet eine Fokussierlinse für die La­ serstrahlung und ist dementsprechend hohl. An diesen Hohlraum sind zwei Gaszuleitungen angeschlossen. Das äußere und das in­ nere Gehäuseteil haben je eine werkstücknahe, kreisförmige Öff­ nung, wobei die Öffnung des äußeren Gehäuseteils erheblich größer ist als die des inneren Gehäuseteils, um die von der Halbleiterscheibe wegspritzenden Teilchen einfangen zu können. Mit Hilfe von Einlässen wird der Innenraum des Gehäuseinnen­ teils belüftet. An die Auslässe der Absaugleitungen ist eine Vakuumpumpe angeschlossen. Bei diesem Aufbau der bekannten Ein­ richtung liegen die die Öffnungen bildenden Kanten der beiden Gehäuseteile fast in einer horizontalen Ebene. Diese bekannte Einrichtung ist daher zur Erzeugung eines örtlich begrenzten Unterdrucks im Bereich der Bearbeitungsstelle des Werkstücks nicht geeignet. Außerdem kann sie bei dreidimensionaler Werk­ stückausbildung im Bereich der Bearbeitungsstelle nicht oder nicht genügend werkstücknah verwendet werden, da erhebliche Er­ streckungen des Gehäuseaufbaus in radialer Richtung vom Laser­ strahl vorhanden sind, vor allem auch in der Nähe der Bearbei­ tungsstelle.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung mit den eingangs genannten Merkmalen so zu verbessern, daß sie einen örtlich begrenzten Unterdruck bewirkende Öffnung auf­ weist, die zur Einflußnahme auf laserinduziertes Plasma im Hin­ blick auf dreidimensionale Werkstückbearbeitung besonders ge­ eignet ist.

Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß der in die Hohlwand mündende Fluidanschluß ein Absauganschluß ist, und daß an der Kegelspitze der Düse eine in einer von der Kante der äußeren Düsenwand gebildeten Öffnung mit dem Fluid Unterdruck erzeugbar ist, wobei diese Öffnung zugleich dem Durchtritt der Strahlung dient.

Für die Erfindung ist von Bedeutung, daß die Vorrichtung mit der Öffnung einen örtlich begrenzten Unterdruck zu erzielen vermag. Hierzu ist die Düse infolge ihrer Kegelspitze so ge­ staltet, wie das für das Unterdrucksystem erforderlich ist und um den örtlichen Gegebenheiten beim Bearbeiten von Werkstücken angepaßt zu sein. Vorteilhafterweise ist die Öffnung als Absaugöffnung Bestandteil der äußeren Düsenwand eines gegen den Bearbeitungsbereich abgeschlossenen Kanals, der von dem 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 abge­ schlossene Kanal kann so ausgebildet werden, daß eine Beein­ trächtigung der Handhabung der Werkstücke beim Bearbeiten ver­ nachlässigbar bleibt. Da die dem Absaugen dienende Öffnung an der Kegelspitze angeordnet ist, kann sie zugleich als Durchtrittsöffnung für die Strahlung benutzt werden. Es ergibt sich eine im wesentlichen rotationssymmetrische und damit entsprechend stabile einfache und wenig raumaufwendige Gestal­ tung radial zur Laserstrahlung.

Bei einer ersten Betriebsart ist der Düsenhohlwandraum vertikal in zwei Kammern unterteilt und die eine Kammer weist einen Zuleitungsanschluß und die andere Kammer einen Ablei­ tungsabschluß auf. Mit den beiden jeweils unterschiedlich be­ aufschlagten Kammern wird gewährleistet, daß das zur Erzeugung des Unterdrucks erforderliche Fluid im Bereich des Strahlver­ laufs ausschließlich in Abhängigkeit von diesen beiden Kammern zu- und abgeleitet werden kann.

Die Düse ist um ihre Längsachse schwenkbar und bei Vor­ schubbewegung des Werkstücks relativ zu der jeweiligen Bahn­ richtung ausrichtbar. Damit kann erreicht werden, daß die Ab­ saugung im Bearbeitungsbereich in bezug auf die Vorschubrich­ tung jeweils in vorbestimmter Weise, vorzugsweise symmetrisch erfolgt, also beispielsweise auf beiden Seiten einer Schweiß­ naht in gleichem Maße.

Der Düsenhohlwandraum kann aber in einer weiteren Be­ triebsart auch ausschließlich absaugbeaufschlagbar und mit ei­ nem eine symmetrische Absaugung des Bearbeitungsbereichs bewir­ kenden Absauganschluß ausgebildet sein. In diesem Fall dient der Düsenhohlwandraum insgesamt der Fluidabsaugung und hat die Möglichkeit, die Absaugströmung in besonderer Weise zu beein­ flussen, nämlich insbesondere durch symmetrische Absaugung des Bearbeitungsbereichs. Besonders in diesem Fall hat der die Strahlung umschließende Düseninnenraum einen Fluidzuleitungsan­ schluß, um die Zuströmung des Fluids zu erreichen. Als Fluid wird vorteilhafterweise ein Gas eingesetzt wird, welches seinen erheblichen Umlenkungen mit vergleichsweise geringem Strömungs­ widerstand folgen kann.

Um eine möglichst wirksame Absaugung des Bearbeitungsbe­ reichs zu erhalten, ist die Vorrichtung so ausgestaltet, daß die werkstückseitigen Kanten der Düsenwände in einem eine ver­ tikal zur Werkstückoberfläche erfolgende Absaugung der letzte­ ren begünstigenden vertikalen Abstand voneinander angeordnet sind.

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 dargestell­ ten Ausführungsbeispielen erläutert. Es zeigt

Fig. 1 einen Längsschnitt durch eine Hohldüse,

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

Fig. 2 und 3 weitere Düsenlängsschnitte.

Die in Fig. 1 dargestellte Vorrichtung zum Bearbeiten von Werkstücken 1 hat eine allgemein mit 5 bezeichnete Unterdruck­ einrichtung. Das Werkstück 1 ist beispielsweise einstückig und zur Herstellung einer Bohrung mit der Laserstrahlung 2 vorgese­ hen. 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 miteinan­ der verbunden zu werden.

Die Bestrahlung des Werkstücks 1 mit Laserstrahlung 2 er­ folgt in herkömmlicher Weise, bei der die Strahlung 2 mit einer fokussierenden Optik 4 auf einen Bearbeitungsbereich 3 fokus­ siert ist. Die für die Erzeugung der Laserstrahlung 2 erforder­ lichen Bauteile sowie die fokussierende Optik können in bekann­ ter Weise den jeweiligen Bedingungen angepaßt ausgebildet sein und werden daher hier nicht näher beschrieben.

Die Unterdruckeinrichtung 5 hat eine Öffnung 6, die im Be­ arbeitungsbereich 3 angeordnet ist und dort einen örtlich be­ grenzten Unterdruck bewirkt. Diese Öffnung 6 ist als Absaugöff­ nung ausgebildet und grenzt an einen Strömungskanal 7 an, der von einem Fluid 25 durchströmt wird. Infolge der Durchströmung wird im Bereich der Absaugöffnung 6 ein Unterdruck nach dem Prinzip der Wasserstrahlpumpe erzeugt. Insbesondere verengt sich der Kanal 7 bis zur Öffnung 6, so daß an dieser betreffen­ den 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 Unter­ druckbildung dienlich ist.

Um die Handhabung eines oder mehrerer Werkstücke 1 im Be­ reich des Kanals 7 bzw. der Öffnung 6 zu erleichtern, ist der Kanal 7 dem Strahlverlauf angepaßt. Insbesondere ist der Kanal­ verlauf dem Strahlverlauf etwa parallel und zur Öffnung 6 ge­ richtet. Die Querschnittsdarstellung der Fig. 1a zeigt, daß der Kanal 7 außerdem dem Strahlquerschnitt angepaßt ist. Die Anpas­ sung erfolgt so, daß eine Umschließung der Strahlung 2 gegeben ist. Als Bauteil für diese Ausgestaltung des Kanals 7 dient eine kegelige Düse 8 in hohlwandiger Ausgestaltung. Die beiden Wände 23, 24 begrenzen den Kanal 7. Die Öffnung 6, die zugleich auch dem Durchtritt der Stahlung 2 dient, ist an der Kegel­ spitze 8′ der Hohldüse 8 angeordnet. Gemäß Fig. 1a ist der von den Düsenwänden 23, 24 begrenzte Düsenhohlwandraum 10 der Düse 8 vertikal mittels Stegen 29 unterteilt, so daß Kammern 11, 12 entstehen. Die eine Kammer 11 ist mit einem Zuleitungsanschluß 13 versehen und die andere Kammer 12 mit einem Ableitungsan­ schluß 14. Die beiden Anschlüsse sind im Kegelstumpfbereich der Düse 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 Düse 8 der Fig. 1 ist infolge ihrer Unterteilung in zwei unterschiedlich durchströmte Kammern 11, 12 unsymmetrisch ausgebildet, so daß sich eine entsprechende Beeinflussung der Absaugung des Bearbeitungsbereichs 3 ergeben könnte. Um inso­ weit einen Einfluß ausüben zu können, ist die Düse 8 um ihre Längsachse 15 verschwenkbar. Infolgedessen 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 angeordnet ist.

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

Während die Düse 8 der Fig. 2 im Bereich ihrer dem Werk­ stück 1 benachbarten Spitze 8′ wie in Fig. 1 ausgebildet ist, zeigt die Düse 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 Dü­ senwand 24 ist nahe dem Werkstück 1 angeordnet, während die Kante 21 der inneren Düsenwand 23 mit einem vertikalen Abstand vom Werkstück 1 ausgebildet ist. Dadurch ergibt sich grundsätz­ lich eine starke vertikale Komponente der aus dem Bearbeitungs­ bereich 3 abgesaugten Strömung, was auch durch eine entspre­ chende Formgebung der Düsenwände 23, 24 noch unterstützt werden kann. Diese Ausgestaltung gestattet es, den Unterdruck zu erhö­ hen 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 Düse 8 mit einem Fluid bzw. mit Gas beschickt werden, das zu­ sammen mit dem abgesaugten Fluid bzw. mit dem abgesaugten Gas durch den Kanal 7 bzw. den Absauganschluß 9 oder 19 abtranspor­ tiert wird. Hierzu ist in den Fig. 1, 2 jeweils ein Zuleitungsan­ schluß 18 vorgesehen, durch den Fluid 25 in Pfeilrichtung zu­ strömen kann. Zweckmäßigerweise ist dieses Fluid ein Gas, ins­ besondere ein Schutzgas und/oder ein in seiner Zusammensetzung auch regelbares Prozeßgas. Diese Gase können bei einer in Rich­ tung auf die Öffnung 6 erzeugter Absaugströmung 20 aufgrund der im Bereich der Öffnung 6 gegebenen Turbulenzen soweit in die Bearbeitungszone bzw. in einen von Plasma erfüllten Bereich vordringen, daß sie dort ihre Wirkungen ausüben können. Bei­ spielsweise die Verhinderung von Oxidation des Werkstoffs im Bearbeitungsbereich bzw. die Beeinflussung der Plasmabildung.

Claims (6)

1. Vorrichtung zum Schweißbearbeiten von Werkstücken mit energiereicher Strahlung, insbesondere mit Laserstrahlung, die auf den Bearbeitungsbereich des Werkstücks fokussiert und von einer hohlwandigen kegeligen Düse umgeben ist, die eine nahe dem Bearbeitungsbereich angeordnete, dem Durch­ tritt der Laserstrahlung dienende Öffnung aufweist und mit einem zwischen eine innere und eine äußere Düsenwand der hohlwandigen Düse mündenden Fluidanschluß versehen ist, und die ein einen Unterdruck erzeugendes Fluid durch­ strömt, dadurch gekennzeichnet, daß der in die Hohlwand mündende Fluidanschluß ein Absauganschluß (9, 19) ist, und daß an der Kegelspitze (8′) der Düse (8) eine in einer von der Kante (22) der äußeren Düsenwand (24) gebildeten Öff­ nung (6) mit dem Fluid Unterdruck erzeugbar ist, wobei diese Öffnung (6) zugleich dem Durchtritt der Strahlung (2) dient.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Düsenhohlwandraum (10) vertikal in zwei Kammern (11, 12) unterteilt ist, und daß die eine Kammer (11) einen Zuleitungsanschluß (13) und die andere Kammer (12) den Ab­ sauganschluß (9) aufweist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, 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.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Düsenhohlwandraum (10) aus­ schließlich absaugbeaufschlagbar und mit einem eine symme­ trische Absaugung des Bearbeitungsbereichs bewirkenden Ab­ sauganschluß (19) ausgebildet ist.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der die Strahlung (2) umschließende Dü­ seninnenraum (17) einen Fluidzuleitungsanschluß (18) hat.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die werkstückseitigen Kanten (21, 22) der Düsenwände (23, 24) in einem eine vertikal zur Werk­ stückoberfläche erfolgende Absaugung der letzteren begün­ stigenden vertikalen Abstand voneinander angeordnet sind.