DE3918363A1 - Vorrichtung fuer einen leistungslaser - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung gemäß dem Oberbegriff des Hauptanspruchs. Solche Laser sind meistens CO₂-Laser mit einer Ausgangsleistung von einigen Kilo­ watt. Sie werden vor allem beim Schweißen, Trennen oder Auftragen von Materialien verwendet. Der aus dem Laser austretende Lichtstrahl wird vor dem Werkstück durch eine Sammellinse gesammelt, die beispielsweise eine Brennweite von 17 cm hat. Der Linsendurchmesser liegt in der Gegend von zum Beispiel 30 bis 50 mm. Die Linsen bestehen beispielsweise aus Zn/Se. Sie kosten ungefähr 3000,- bis 6000,- franzö­ sische Franc. Wie auch sonst vom Schweißen, Trennen, Auftragen oder dergleichen her bekannt, gehen vom Werkstück aus heiße Spritzer als Funkenregen nach allen Seiten. Der Vorgang ist explosionsartig. Schweißt man oder trennt man zum Beispiel Aluminium, dann bildet sich unter der Aluminium-Oxid-Schicht eine von dieser Schicht überdeckte Schmelze. In der Zeitspanne, bis diese Schicht reißt, entwickelt sich unter ihr ein erheblicher Druck, bis dann das flüssige Aluminium explosions­ artig wegspritzt.

Bei den oben genannten Arbeitsgängen benötigt man außer dem gebündelten Laser­ strahl auch Gase. Es kann sich hier um Schutzgase, wie zum Beispiel Argon, Stick­ stoff handeln, die die Bearbeitungsstelle abdecken oder es kann sich auch zum Beispiel um Sauerstoff handeln, der die Wirkung des Laserstrahls auf das Werk­ stück verstärken kann.

Die Zn/Se-Sammellinsen sind hoch-lichtdurchlässig. Trifft diese Linse bei den oben erwähnten Arbeitsgängen ein Spritzer, dann absorbiert dieser Linsenbereich aus dem Laserstrahl so viel Energie, daß die Linse sehr schnell zerstört wird. Dies hat eine ganze Reihe von Nachteilen: Man muß die Kosten für eine neue Linse auf­ bringen. Ferner steht während des Wechsels das Werkzeug. Für die Bearbeitung ist ein Stopp insofern nicht günstig, als man dann später am Werkzeug sieht, wo die Arbeitsunterbrechung stattfand. Weitere Nachteile sind dem Fachmann geläufig.

Gemäß dem Oberbegriff des Hauptanspruchs ist es bekannt, eine Falle gegen die hochspritzenden Teilchen vorzusehen. Zum Teil sieht man in der Falle Prallbleche vor, gegen die hochschießende Teilchen prallen sollen. Ferner hat man im Stand der Technik in radialer Richtung Gas in den Hohlraum der Falle eingeblasen, das dann zur koaxialen Ausnehmung und zu weiteren nicht koaxialen Ausnehmungen in der Falle geströmt ist und dort die Falle verlassen hat. Es hat sich jedoch gezeigt, daß der radiale Gasstrahl und auch das zur koaxialen Ausnehmung strö­ mende Gas die Beschädigung der Sammellinse nicht verhindern kann.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Lösung anzugeben, bei der ganz oder in einem statistisch wesentlich höheren Maße ausgeschlossen wird, daß die durch die Aus­ nehmung zur Linse hin geschleuderten Teilchen diese treffen können.

Erfindungsgemäß wird diese Schutzwirkung durch die aus dem kennzeichnenden Teil ersichtlichen Merkmale erreicht.

Dazu erzeugt man also eine Drallströmung. Bekanntlich hat dieser Wirbel theore­ tisch längs der geometrischen Längsachse die Rotationsgeschwindigkeit unendlich. Diese Geschwindigkeit nimmt im Wirbel nach außen hin, gemäß dem Dreh-Impuls­ gesetz, ab und außen rotiert er am langsamsten. Natürlich wird eine unendlich hohe Rotationsgeschwindigkeit längs der geometrischen Längsachse in Wirklichkeit nicht erreicht, und zwar wegen der inneren Reibung. Trotzdem reicht die hohe Rotations­ geschwindigkeit schon aus, Teilchen, die längs der geometrischen Längsachse fliegen, durch Fliehkräfte von der Achse weg nach außen abzulenken. Selbst wenn sie anfangs genau längs der geometrischen Längsachse geflogen sind, bewirkt dann die Unwucht und die Unsymmetrie ihrer Gestalt, daß sie auch dann nach außen abgelenkt werden. Dort können sie von Prallblechen, weichen Wandauskleidungen oder dergleichen abgefangen werden.

Durch die Merkmale des Anspruchs 2 erreicht man, daß die Einlaßdüse mit dem überwiegenden Teil der Gasenergie den Wirbel anregt.

Durch die Merkmale des Anspruchs 3 erreicht man eine besonders gute Anregung des Wirbels, insbesondere dann, wenn die Einlaßdüse wirklich tangential angeord­ net ist.

Durch die Merkmale des Anspruchs 4 kann man den Wirbel an mehreren Stellen anregen, zum Beispiel um 180° versetzt, um 120° versetzt, um 90° versetzt und so weiter. Man kann aber auch - je nach Arbeitsproblem - nur eine Einlaßdüse oder aber auch zwei Einlaßdüsen und so weiter mit Gas versorgen. Man könnte dann alle Einlaßdüsen dann betreiben, wenn sehr viele Partikel spritzen.

Durch die Merkmale des Anspruchs 5 erreicht man, daß der Wirbel sich gleich­ mäßig ausbildet und außerdem kann man dann die Einlaßdüse konstruktiv besser herstellen, zum Beispiel in einem Einlaßdüsenring.

Durch die Merkmale des Anspruchs 6 erreicht man, daß man bei gleichem Gas­ druck je nach Zuschalten bestimmter Einlaßdüsen unterschiedlich große Dreh­ impulse des Wirbels erzeugen kann.

Durch die Merkmale des Anspruchs 7 ergibt sich eine besonders einfache Ferti­ gung und ein eine besonders ideale Form aufweisender Wirbel.

Durch die Merkmale des Anspruchs 8 erreicht man, daß die Wirbelspitze beson­ ders stark rotiert und damit die Spritzer gleich von Anfang an nach außen weg­ geschleudert werden.

Durch die Merkmale des Anspruchs 9 benötigt man für den Wirbel keine beson­ dere Gasquelle.

Durch die Merkmale des Anspruchs 10 paßt man sich den am meisten verwende­ ten Gassorten an.

Durch die Merkmale des Anspruchs 11 erhält man Parameter, wie sie in der Praxis mit Erfolg erprobt worden sind.

Durch die Merkmale des Anspruchs 12 bleibt die Vorrichtung selbst genügend kühl und man kann mit ihr nahe an ein Werkstück heran.

Durch die Merkmale des Anspruchs 13 erhält man eine Falle, die nicht hindert, wenn man viel in Ecken oder sonstigen, schlecht zugänglichen Stellen arbeiten muß.

Durch die Merkmale des Anspruchs 14 verbleibt das Gas länger im zu bearbeiten­ den Bereich des Werkstücks.

Durch die Merkmale des Anspruchs 15 kann man die Falle sehr schnell umrüsten, je nachdem, welche Falle zu welcher Bearbeitungsart paßt. Die Falle gemäß Anspruch 13 ist dann sozusagen der Grundaufbau.

Durch die Merkmale des Anspruchs 16 erreicht man eine besonders einfache Befestigungsart ohne denjenigen Bereich zu stören, in dem die Einlaßdüsen vor­ gesehen sind.

Durch die Merkmale des Anspruchs 17 erhält man zusätzlich noch eine weitere formschlüssige Verbindung zwischen der ebenen Bodenwand und der kegeligen Bodenwand.

Durch die Merkmale des Anspruchs 18 ändert sich der Abstand zum Werkstück nicht, unabhängig davon, ob man die kegelige Bodenwand oder die ebene Boden­ wand verwendet.

Die Erfindung wird nunmehr anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele beschrieben. In der Zeichnung zeigen:

Fig. 1 eine schematische Seitenansicht einer Falle mit Wirbel und Linse,

Fig. 2 die Draufsicht zu Fig. 1, jedoch ohne Linse,

Fig. 3 einen Radialschnitt durch einen ersten Teil einer Falle,

Fig. 4 die Obersicht zu Fig. 3,

Fig. 5 einen Schnitt längs der Linie 5-5 in Fig. 6 durch einen Düsenring,

Fig. 6 einen Schnitt längs der Linie 6-6 aus Fig. 5,

Fig. 7 die Draufsicht auf einen Deckring,

Fig. 8 einen Radialschnitt durch einen Teil einer Falle mit kegeliger Bodenwand,

Fig. 9 einen Axialschnitt durch einen aufschraubbaren Teil mit ebenem Boden.

Längs einer geometrischen Längsachse 11 tritt ein nicht dargestellter Strahl eines nicht dargestellten Leistungslasers aus. Der Strahl wird durch eine Linse 12 gebün­ delt. Der Brennpunkt liegt auf der geometrischen Längsachse 11 unterhalb einer Falle 13. Die Linse 12 liegt im Bereich 14 oberhalb der Falle. Die Falle 13 ist im wesentlichen rotationssymmetrisch zur geometrischen Längsachse 11. Sie hat eine kreiszylindrische Mantelwand 16 aus Messing und eine radial zur geometrischen Längsachse 11 sich erstreckende Bodenwand 17. Beide sind einstückig. Unterhalb des oberen Bereichs 14, nahe der Linse 12, ist eine Gasleitung 18 vorgesehen, die unter Druck stehendes Gas von einer nicht dargestellten Gasquelle empfängt. Die Mündung 19 der Gasleitung führt in den Innenraum 21 der Falle 13 und ist zusam­ men mit der Gasleitung 18 zumindest in deren der Mantelwand 16 nahem Bereich so angeordnet, daß Gas tangential in den oberen Bereich des Innenraums 21 ein­ strömt. Koaxial zur geometrischen Längsachse 11 hat die Bodenwand 17 eine kreis­ zylindrische Ausnehmung 22, deren Durchmesser jedoch wesentlich kleiner als der Innendurchmesser der Mantelwand 16 ist. Diese Anordnung hat zur Folge, daß sich im Betrieb ein Wirbel 23 ausbildet, dessen Strömungspfade schematisch in Fig. 1 und 2 dargestellt sind. Der Wirbel 23 ist vom Drehimpulstyp. Je größer der Abstand eines Gasteilchens von der geometrischen Längsachse 11 ist, desto langsamer fliegt es. Im Bereich der geometrischen Längsachse 11 ist die Rotationsgeschwindigkeit also am größten. Sollte durch die Ausnehmung 22 ein Spritzer längs der geometri­ schen Längsachse 11 nach oben steigen wollen, so ist die Wahrscheinlichkeit bereits in der Ausnehmung 22 oder dicht darüber am größten, daß er durch Un­ wucht, Fliehkräfte oder dergleichen eine von der Längsachse 11 wegführende Bahn aufgezwungen bekommt und der Spritzer dann sehr schnell nach außen abgelenkt wird, so daß er an die Innenfläche der Mantelwand 16 prallt. Nicht dargestellt ist, daß diese Mantelwand 16 innen mit Prallwänden und/oder Schikanen ausgerüstet sein kann. Ferner kann die Innenwand 16 weich ausgekleidet sein, zum Beispiel mit Metallwolle, um aufprallende Teilchen zu absorbieren. Sofern Prallbleche vorhanden sind, können diese ebenfalls mit einer dünnen Schicht Energie absorbierendem Material ausgerüstet sein, so daß die Spritzer nicht wieder abprallen können, sondern sich dort festsetzen, wo sie auftreffen.

Aus dem Drehimpulsgesetz zusammen mit Fig. 1 und 2 kann man erkennen, daß die Rotationsgeschwindigkeit extrem hoch ist, ganz wesentlich höher, als die Geschwindigkeit des durch die Gasleitung 18 einströmenden Gases.

Gemäß den im Maßstab 1:1 dargestellten Fig. 3 und 4 hat die Mantelwand 24 zur geometrischen Längsachse 11 koaxiale Gestalt. Unten ist die Bodenwand 26 radial zur Längsachse 11. Aus Gründen guter Wärmeleitung haben beide Wände eine erhebliche aus den Figuren ausmeßbare Dicke. Die Ausnehmung 27 ist wiederum koaxial und hat oben eine Ansenkung 28, die das Eindringen der Wirbelspitze in die Ausnehmung 27 begünstigt. Die Unterseite 29 der Bodenwand 26 verläuft radial und ist eben, so daß sich der unten aus der Ausnehmung 27 austretende und wieder ausbreitende Wirbel zwischen der Unterseite 29 und der Oberseite des Werkstücks 31 ausbreiten kann. Fig. 3 läßt erkennen, daß durch die Erfindung zum Beispiel nicht so sehr in das Schweißbett 32 hineingeblasen wird, wie dies der Fall wäre, wenn Gas mit einer rein axialen Bewegungsrichtung aus der Ausnehmung 27 parallel der geometrischen Längsachse 11 ausströmen würde. Das Schweißbett 32 bleibt somit durch die Erfindung auch in seinem flüssigen Zustand ruhiger, was für die Qualität der Schweißnaht von großer Bedeutung ist.

Oben an der Mantelwand 24 ist ein radialer, kreisringförmiger Befestigungs­ flansch 33 vorgesehen, in dem drei um 120° versetzte Befestigungslöcher 34 vorgesehen sind.

Der in Fig. 5 und 6 im Maßstab 1:1 gezeichnete Düsenring 36 ist ebenfalls aus Metall. Seine innere Durchgangsbohrung 37 hat einen Innendurchmesser gemäß dem Innendurchmesser der Mantelwand 24. Er hat drei Befestigungslöcher 37 ent­ sprechend den Befestigungslöchern 34, so daß beide Teile durch Schrauben mit­ einander verbunden werden können. Tangential zur Innenwand 38 des Befestigungs­ lochs 37 münden Bohrungen 39, 41, 42, 43, die geradlinig verlaufen. Sie werden im Durchmesser immer größer, und zwar hat die Bohrung 39 einen Durchmesser von 2 mm, die Bohrung 41 einen Durchmesser von 3 mm, die Bohrung 42 von 4 mm und die Bohrung 43 von 5 mm. Am äußeren Endbereich gehen die Boh­ rungen 39, 43 in gleichgestaltete Stufenbohrungen 44 mit Innengewinde 46 über. Es können dort von einer Gasquelle kommende flexible Gasschläuche eingeschraubt werden. Damit gegebenenfalls vorhandene Kontermuttern eine ebene Anlagefläche finden, sind Anfräsungen 47 senkrecht zur Längserstreckung der Bohrungen 39, 41, 42, 43 vorgesehen. Der Düsenring 36 paßt gasdicht auf den Befestigungsflansch 33. Auf den Befestigungsflansch 33 wiederum paßt ein Halteflansch 48, der im Maß­ stab 1:1 gezeichnet ist, aus Metall ist und dessen Funktion selbstverständlich ist.

Die im Maßstab 1:1 gezeichnete Fig. 8 zeigt den unteren Teil einer Falle ohne Halteflansch und Düsenring. Sie ist koaxial zur geometrischen Längsachse 11. Auf einen Bund 49 paßt der nicht dargestellte Düsenring. Ein Befestigungsflansch 51 dient bereits erwähnten Zwecken. Unterhalb des Befestigungsflansches 51 ist eine kurze, kreisringförmige Seitenwand 52 vorgesehen, an die sich nach unten eine unter einem Winkel von 34° verlaufende kegelige Bodenwand 53 anschließt. In den oberen Bereich der Bodenwand 53 und in die Seitenwand 52 ist ein Außengewinde 54 eingeschnitten. Die Bodenwand 53 läuft nicht exakt spitzkegelig aus. Vielmehr ist eine radiale Innenfläche und eine radiale Außenfläche 57 vor­ gesehen, die von der koaxialen Ausnehmung 58 durchquert werden. Die Boden­ wand 53 in dieser Winkelstellung hindert die Außenzonen des sich im Betrieb bildenden Wirbels 23 wenig und erlaubt damit eine größere Intensität des Wirbels in seinem zentralen Bereich.

Gemäß Fig. 9 ist eine Kappe für die Vorrichtung nach Fig. 8 vorgesehen. Die Kappe 59 hat einen koaxialen Rand 61, der an seinem oberen inneren Bereich ein Innengewinde 62 hat, das auf das Außengewinde 54 aufschraubbar ist. Ansonsten berührt der Rand 61 im aufgeschraubten Zustand nirgends die Bodenwand 53 in ihrem schräg verlaufenden Bereich. Unten geht der Rand 61 in einen radialen Boden 63 über, dessen Unterseite 64 ebenfalls radial zur geometrischen Längs­ achse 11 ist. Eine Ausnehmung 66 hat kegelstumpfförmige Gestalt mit einem Winkel von 34° entsprechend demjenigen Winkel, unter dem auch die Außenfläche der Bodenwand 53 verläuft. Im eingeschraubten Zustand fluchtet außerdem die Unterseite 64 mit der Außenfläche 57. Im relativ dicken Boden 63 sind Kühl­ bohrungen 67 vorgesehen und auf dem Boden 63 sind außerhalb des 34° Kegel­ winkels Kühlleitungen 68 vorgesehen.

Die dem Werkstück 31 zugewandte Bodenwand 53 ist mit einem Wärmeschutz 69 aus geeignetem Material wie Grafit beschichtet. Das Grafit ist auf die Boden­ wand aufgesprüht.

Bei den bislang bekannten Konstruktionen ist die Linse 12 und ihre Fassung ein Bauteil für sich und ebenso die Falle 13.

Gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung kann man jedoch beide vereinen, wie dies Fig. 1 schematisch zeigt und das Gas kühlt dann zumindest auch die Unterseite der Linse 12, so daß diese keine besondere Kühlgaszufuhr benötigt. In diesem Fall hat dann das Gas eine der Fachwelt bekannte, niedere Kühltemperatur.

Durch innerhalb der Erfindung liegende Abwandlungen kann man aber auch erreichen, daß die Oberseite der Linse 12 ebenfalls gekühlt wird, wie zum Beispiel durch einen zweiten Anschlußstutzen. Die rotatorische Bewegung des Gases ergibt eine bessere, gradientenfreiere Kühlung als die seither verwendete Querströmung.

Anstelle der Linse 12 kann auch jede andere Vorrichtung treten, die den Laserstrahl sammelt, wie zum Beispiel ein oder mehrere entsprechend gekrümmte Spiegel. Jedes fokussierende System kann verwendet werden.

Claims (22)

1. Vorrichtung für einen Leistungslaser, der eine optische Linse am Ausgang auf weist, die den Laserstrahl längs einer geometrischen Längsachse beugt, mit einer der Linse nachgeschalteten Falle für vom Werkstück zur Linse hin spritzenden Teilchen, welche Falle im wesentlichen koaxial zur Längsachse ist, eine Mantelwand und eine Bodenwand aufweist, eine Einlaßdüse für Gas aufweist und in der Boden­ wand eine koaxiale Ausnehmung für den Austritt des Laserstrahls und des Gases aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß die Einlaßdüse zusammen mit der Mantelwand ein Drehimpulserzeuger ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Einlaßdüse überwiegend tangential zur Mantelwand angeordnet ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Einlaßdüse von tangential bis ±20° angeordnet ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Einlaß­ düsen vorgesehen sind.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Einlaßdüsen auf der gleichen Höhe angeordnet sind.

6. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß alle Einlaßdüsen unterschiedlichen Durchmesser haben.

7. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß alle Einlaßdüsen gleichen Durchmesser haben.

8. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die koaxiale Aus­ nehmung der einzige Austritt für einen durch den Drehimpulserzeuger erzeug­ ten Wirbel ist.

9. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß an die Einlaßdüse eine Gasquelle angeschlossen ist, die ein ohnehin auf dem Werkstück beim Arbeiten des Lasers benötigtes Gas abgibt.

10. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Gas ein inertes Gas und/oder Sauerstoff ist.

11. Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Geschwindigkeit des aus der Einlaßdüse austretenden Gases im Dekameter-Bereich/Sek. liegt, daß der charakteristische Innendurch­ messer der Falle im Dekazentimeter-Bereich liegt und daß der Gasdurchsatz im Bereich Dezi-m³/h bis unterem Bereich m³/h liegt.

12. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Bodenwand eine Kühlvorrichtung aufweist.

13. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Falle eine koaxiale, kreiskegelige Bodenwand aufweist.

14. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Falle eine koaxiale, im wesentlichen ebene Bodenwand aufweist.

15. Vorrichtung nach Anspruch 13 und 14, dadurch gekennzeichnet, daß die ebene Bodenwand einen koaxialen Fassungsrand aufweist, der die kegelige Bodenwand umfassen kann und in deren Bereich lösbar befestigt ist.

16. Vorrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß die die kegelige Bodenwand aufweisende Falle im Bereich ihrer Mantelwand ein Außengewinde aufweist, auf das der Fassungsrand mit seinem Innengewinde aufschraubbar ist.

17. Vorrichtung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß der Spitzenbereich der kegeligen Bodenwand von einer Kegelsenkung in der ebenen Bodenwand passend aufgenommen wird.

18. Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, daß die Spitze der kegeligen Bodenwand senkrecht zur geome­ trischen Längsachse eben ist und bei aufgeschraubtem Fassungsrand mit der Unterseite der ebenen Bodenwand fluchtet.

19. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß bei einer einzigen Einlaßdüse das Gas als Mischung zugeführt wird.

20. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß bei mehreren Einlaßdüsen jedes Gas für sich zugeführt wird.

21. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Bodenwand auf ihrer dem Werkstück zugewandten Seite mit einer Wärmeschutzschicht bedeckt ist.

22. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Linse und die Einlaßdüse eine solche Lage haben, daß das Gas zugleich auch die Linse kühlt.