DE3931401A1

DE3931401A1 - Fokussierkopf fuer laserschweissanlagen

Info

Publication number: DE3931401A1
Application number: DE3931401A
Authority: DE
Inventors: Ruediger A Gnann
Original assignee: ARNOLD KARL H MASCH
Current assignee: ARNOLD KARL H MASCH
Priority date: 1989-09-20
Filing date: 1989-09-20
Publication date: 1991-03-28
Anticipated expiration: 2009-09-21
Also published as: DE3931401C2

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Fokussierkopf für Laserschweißanlagen mit einem Parabol-Fokussierspiegel in einem Spiegelgehäuse und einem gasgespülten Düsenrohr zwischen Fokussierspiegel und Schweißstelle.

Auf dem Gebiet des Laserschweißens, vornehmlich mit CO₂-Lasern, ist ein Fokussierkopf mit einem Parabol- Fokussierspiegel in einem Spiegelgehäuse bekannt. Unter halb des Fokussierspiegels befindet sich dort eine Blas düse, die in einem Gehäuse einen quer zum Strahlengang des Lasers verlaufenden Gasstrom erzeugt. Durch diese Strömung soll ein Verschmutzen des Fokussierspiegels verhindert werden. Nachteilig bei dieser Cross-Jet-Blas düse ist einmal, daß durch den Blasdruck ein sehr hoher Schallpegel in der Größenordnung von 80 bis 100 dBa er zeugt wird und zum anderen durch den Einsatz von Preßluft ein hoher Energieverbrauch auftritt. Weiter liegt der Strahlengang zwischen dem Cross-Jet-Gehäuse und dem Schweißplasma offen, so daß eine radiale Schutzgasführung praktisch nicht möglich ist.

Bei dem bekannten Fokussierkopf muß der Parabol-Fokus sierspiegel in regelmäßigen Intervallen von etwa 4 bis 10 Stunden ausgebaut und von Verunreinigungen, insbesondere von von der Schweißstelle emittierten Partikeln, gerei nigt werden. Durch die Reinigung wird die ungeschützte Metalloberfläche des Spiegels zunehmend beschädigt, wo durch die Fokussierbarkeit abnimmt. Nach etwa 250 bis 1000 Betriebsstunden muß der hochwertige und teure Spie gel ersetzt werden.

Es ist weiter eine Schweißdüse oder ein Fokussierkopf bekanntgeworden, bei dem sich unterhalb des Fokussier spiegels ein Führungsrohr mit einer Düse befindet, das den Strahlengang des Lasers zwischen Fokussierspiegel und Schweißstelle abdeckt. Die Austrittsöffnung für den fo kussierten Laserstrahl wird dort möglichst klein gehal ten. Nachteilig ist hier, daß die zur Spülung des Strah lengangs verwendete Preßluft aus der Öffnung der Düse austritt und sich negativ auf das Schweißplasma, insbe sondere infolge von Oxidation, auswirkt. Zwar läßt sich mit kleinerer Düsenbohrung und höherer Luftströmung hier ein verbesserter Schutz des Fokussierspiegels gegen Schweißspritzer erreichen, die Schweißstelle bzw. Schweißzone wird jedoch durch die an ihr austretende Luft zunehmend nachteilig beeinflußt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Fokus sierkopf für Laserschweißanlagen der eingangs beschrie benen Art zu schaffen, in dem sicher verhindert wird, daß die bei der Schweißung aus dem Plasma herausspritzenden Partikel zum Parabol-Fokussierspiegel gelangen und dort festbrennen können, ohne daß an der Schweißstelle Oxida tion eintreten kann.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß in der Wandung des Düsenrohrs nahe der Düsenspitze ein Ab saugrohr angeordnet und diesem gegenüber eine Ansaugöff nung in der Wandung des Düsenrohrs vorgesehen ist, durch die ein Hauptgasstrom im Düsenrohr quer zum Strahlengang des Lasers und ein Nebengasstrom durch den Fokussierkopf in Richtung des Strahlengangs des Lasers und entgegen einem von der Schweißstelle emittierten Partikelstrom er zeugbar ist.

Durch diese erfindungsgemäße Cross-Jet-Saugdüsenanordnung und die erzeugten Strömungen läßt sich eine regelbar ge filterte Frischluftzufuhr im Strahlengang mit hoher Spül wirkung und Strömungsrichtung gegen den von der Schweiß stelle emittierten Partikelstrom bei sehr niedrig gehal tenem Schallpegel erzielen, ohne daß trotz hoher zu- und abgeführter Luftmengen an der Schweißstelle Oxidationen auftreten können.

Vorteilhaft ist die Ansaugöffnung innerhalb einer die Düsenspitze umgebenden Absaugglocke angeordnet. Weiter ist zweckmäßig dem Absaugrohr ein Rauchgasfilter nach geschaltet.

Hiermit läßt sich mit dem erfindungsgemäßen Fokussierkopf ohne jegliche Beeinträchtigung dessen Wirkung das an der Schweißstelle entstehende Rauchgas zuverlässig und auf einfache Weise entsorgen. Der Hauptgasstrom wird dem Ab saugrohr von der gegenüberliegenden Seite von der Ansaug öffnung innerhalb der Absaugglocke zugeführt.

Zweckmäßig ist an der Ansaugöffnung eine einstellbare Strömungsblende angeordnet, die eine Einstellung der Strömungen in Verbindung mit der Druckdifferenz in dem System ermöglicht.

Vorteilhaft ist an der Außenseite der Ansaugöffnung ein regelbar blasendes Querdüsenrohr mit in Richtung des Hauptgasstroms blasender Düsenspitze vorgesehen. Hier durch wird der Hauptgasstrom quer zum Strahlengang des Lasers verstärkt, wodurch von der Schweißstelle emit tierte Partikel in Absaugrichtung abgelenkt werden.

Weiter ist zweckmäßig in die Düsenspitze des Düsenrohres eine radiale Schutzgaszuführung mit einem Gasanschluß an dem Düsenrohr integriert. Damit lassen sich mit dem er findungsgemäßen Fokussierkopf optimale Schutzgasverhält nisse erzielen.

Neben dem Düsenrohr ist zweckmäßig eine zwischen Düsen spitze und Schweißstelle gerichtete, horizontal liegende Schutzgasdüse angeordnet. Durch diese Schutzgasdüse läßt sich das Schweißplasma niederdrücken.

Für die Saugwirkung des Systems im Fokussierkopf ist vorteilhaft eine Druckdifferenz von etwa 50 kPa (0,5 bar) vorgesehen.

Das Düsenrohr ist vorteilhaft über einen Zentrierflansch quer zum Strahlengang des Lasers verschiebbar an dem Spiegelgehäuse angebracht, so daß sich eine einfach hand habbare Einstellmöglichkeit des Düsenrohrs in Bezug auf die Achse des Strahlengangs des Lasers in diesem ergibt.

Schließlich ist zweckmäßig in dem Spiegelgehäuse auf der Seite des Düsenrohrs ein Wasser-Kühlkanal vorgesehen.

Vorteilhaft ist das Spiegelgehäuse schwenkbar.

Mit dem Fokussierkopf für Laserschweißanlagen gemäß der Erfindung läßt sich durch Absaugung quer zum Strahlengang des Lasers zwischen Schweißzone und Fokussierspiegel ein Gasstrom erzeugen, der die im folgenden beschriebenen vorteilhaften Wirkungen aufweist:

1. Die fokussierende Optik wird wirksam gegen Ver schmutzung geschützt, so daß sich die Reinigungs intervalle um Größenordnungen von 10² und mehr verlängern und dementsprechend sowohl der Anlage nutzungsgrad als auch die Lebensdauer der Spiegel um ein Vielfaches erhöht wird.
2. Eine freiwählbare Gasmenge wird im Bereich des Aus koppelfensters am Laser eingeführt. Dadurch wird in Richtung des Strahlengangs des Lasers ein Gasstrom erzeugt, durch den die Spiegelflächen im Spiegel gehäuse gekühlt werden und der dem von der Schweiß stelle ausgehenden Partikelstrom entgegengerichtet ist.
3. Die in der Schweißzone entstehenden Rauchgase werden gesammelt, unter der Absaugglocke abgesaugt und einer Entsorgung zugeführt.
4. Durch das Cross-Jet-Saugprinzip werden die erzeugten Volumenströme regelbar und die verschiedenen Strö mungsrichtungen beeinflußbar.
5. Durch das in das Absaugrohr gerichtete zusätzliche Querdüsenrohr können die Strömungsverhältnisse im Querstrom so verändert werden, daß zusätzlich aus der Schweißzone emittierte Partikel in Absaugrichtung ab gelenkt werden.
6. Durch die Kombination der Gasströme, die in der Ab saugung gesammelt werden, wird die notwendige Düsen kühlung erzielt.
7. Die Geräuschentwicklung ist sehr gering und der Ener gieverbrauch sehr niedrig.

Besonders vorteilhaft läßt sich das erfindungsgemäße Düsenrohr auch zwischen Fokussierlinse und Schreibstelle eines Beschriftungslasers zum Schutz der Fokussierlinse aufgrund des Cross-Jet-Saugprinzips verwenden.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist im folgenden anhand der Zeichnung näher beschrieben. In der Zeichnung zeigt

Fig. 1 eine Seitenansicht eines Fokussierkopfes oder einer Schweißdüse für Laserschweißanlagen, teilweise im Schnitt, gemäß der Erfindung.

Der in der Zeichnung dargestellte Fokussierkopf für Laserschweißanlagen weist zunächst ein schwenkbares Spie gelgehäuse 1 mit einem auswechselbaren Parabol-Fokussier spiegel 2 auf. Ein durch Pfeile bezeichneter Laserstrahl tritt auf der Oberseite des Spiegelgehäuses 1 ein und wird durch den Parabol-Fokussierspiegel 2 auf eine Schweißstelle 3 (Fokus) fokussiert. An der Unterseite des Spiegelgehäuses 1 ist entlang dem Strahlengang des Lasers zwischen Parabol-Fokussierspiegel 2 und Schweißstelle 3 ein Düsenrohr 4 mit Düsenspitze 5 angeordnet. Das Spie gelgehäuse 1 weist an seiner Unterseite, insbesondere im Bereich des Düsenrohres 4, einen Wasser-Kühlkanal 6 auf.

Das Düsenrohr 4 ist mittels einer Überwurfmutter 7 an einem Zentrierflansch 8 angebracht, und dieser ist im Bereich eines Düsenhalters 9 quer verschiebbar an dem Spiegelgehäuse 1 angebracht.

Nahe der Düsenspitze 5 ist in der Wandung des Düsenrohrs 4 eine Ansaugöffnung 10 vorgesehen, während in der Wan dung des Düsenrohrs 4 gegenüber der Ansaugöffnung 10 ein Absaugrohr 11 angeordnet ist. Von dem Absaugrohr 11 führt ein Verbindungsschlauch 12 zu einem nicht dargestellten Rauchgasfilter. An der Ansaugöffnung 10 ist eine ein stellbare Strömungsblende 13 angeordnet.

Die Ansaugöffnung 10 ist innerhalb einer die Düsenspitze 5 des Düsenrohrs 4 umgebenden Absaugglocke 14 angeordnet.

In die Düsenspitze 5 des Düsenrohres 4 ist weiter eine radiale Schutzgaszuführung 15 integriert, für die ein Gasanschluß 16 nahe dem Spiegelgehäuse 1 vorgesehen ist.

An der Außenseite der Ansaugöffnung 10 ist zusätzlich ein regelbar blasendes Querdüsenrohr 17 vorgesehen. Das Quer düsenrohr 17 ist mittels einer Kontermutter 18 in der Absaugglocke 14 gehalten. Die Düsenspitze 19 des Quer düsenrohres 17 ist so ausgerichtet, daß ein Gasstrom durch die Ansaugöffnung 10 in das Absaugrohr 11 quer zur Richtung des Strahlengangs des Lasers geblasen werden kann.

Schließlich ist neben dem Düsenrohr 4 eine zwischen dessen Düsenspitze 5 und die Schweißstelle 3 gerichtete, horizontal liegende Schutzgasdüse 20 zur Beeinflussung der Schweißplasmahöhe vorgesehen.

In dem Düsenrohr 4 wird durch Absaugen ein Hauptgasstrom quer zum Strahlengang des Lasers und durch das Spiegel gehäuse 1 sowie das Düsenrohr 4 bis zum Absaugrohr 11 ein Nebengasstrom in Richtung des Strahlengangs des Lasers und entgegen einem von der Schweißstelle emittierten Par tikelstrom erzeugt.

Claims

1. Fokussierkopf für Laserschweißanlagen mit einem Parabol-Fokussierspiegel (2) in einem Spiegelgehäuse (1) und einem gasgespülten Düsenrohr (4) zwischen Fokussierspiegel (2) und Schweißstelle (3), dadurch gekennzeichnet, daß in der Wandung des Düsenrohrs (4) nahe der Düsen spitze (5) ein Absaugrohr (11) angeordnet und diesem gegenüber eine Ansaugöffnung (10) in der Wandung des Düsenrohrs (4) vorgesehen ist, durch die ein Haupt gasstrom im Düsenrohr (4) quer zum Strahlengang des Lasers und ein Nebengasstrom durch den Fokussierkopf in Richtung des Strahlengangs des Lasers und entgegen einem von der Schweißstelle (3) emittierten Partikel strom erzeugbar ist.

2. Fokussierkopf für Laserschweißanlagen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Ansaugöffnung (10) innerhalb einer die Düsen spitze (5) umgebenden Absaugglocke (14) angeordnet ist.

3. Fokussierkopf für Laserschweißanlagen nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß dem Absaugrohr (11) ein Rauchgasfilter nachge schaltet ist.

4. Fokussierkopf für Laserschweißanlagen nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß an der Ansaugöffnung (10) eine einstellbare Strö mungsblende (13) angeordnet ist.

5. Fokussierkopf für Laserschweißanlagen nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß an der Außenseite der Ansaugöffnung (10) ein re gelbar blasendes Querdüsenrohr (17) mit in Richtung des Hauptgasstroms blasender Düsenspitze (19) vorge sehen ist.

6. Fokussierkopf für Laserschweißanlagen nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß in die Düsenspitze (5) des Düsenrohrs (4) eine radiale Schutzgaszuführung (15) mit einem Gasanschluß (16) an dem Düsenrohr (4) integriert ist.

7. Fokussierkopf für Laserschweißanlagen nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß neben dem Düsenrohr (4) eine zwischen Düsenspitze (5) und Schweißstelle (3) gerichtete horizontal lie gende Schutzgasdüse (20) angeordnet ist.

8. Fokussierkopf für Laserschweißanlagen nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß für die Saugwirkung des Systems im Fokussierkopf eine Druckdifferenz von etwa 50 kPa (0,5 bar) vorge sehen ist.

9. Fokussierkopf für Laserschweißanlagen nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Düsenrohr (4) über einen Zentrierflansch (8) quer zum Strahlengang des Lasers verschiebbar an dem Spiegelgehäuse (1) angebracht ist.

10. Fokussierkopf für Laserschweißanlagen nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß in dem Spiegelgehäuse (1) auf der Seite des Dü senrohrs (4) ein Wasser-Kühlkanal (6) vorgesehen ist.

11. Fokussierkopf für Laserschweißanlagen nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Spiegelgehäuse (1) schwenkbar ist.

12. Verwendung des Düsenrohrs (4) nach einem der vor hergehenden Ansprüche zwischen Fokussierlinse und Schreibstelle eines Beschriftungslasers.