DE4115561A1 - Vorrichtung und verfahren zum laserschweissen eines rohres - Google Patents
Vorrichtung und verfahren zum laserschweissen eines rohresInfo
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Description
Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung und ein
Verfahren zum Laserschweißen eines Rohres entlang seinem
Innenumfang mit einer in das Rohr einführbaren Sonde.
Eine Vorrichtung zum Laserschweißen eines Rohres mit einer in
das Rohr einführbaren Sonde ist beispielsweise aus der
EP-A1 03 11 458 bekannt. Die dort offenbarte Sonde ist über
einen Lichtwellenleiter mit einem N : YAG-Festkörperlaser ver
bunden. Das innerhalb der Sonde aus einem Ende des Licht
wellenleiters austretende Laserlicht wird durch ein aus mehre
ren Linsen bestehendes Linsensystem und einen Umlenkspiegel
auf einen außerhalb der Sonde liegenden Brennpunkt fokussiert.
Der Umlenkspiegel ist unter einem Winkel von 45° gegen die
Längsachse der Sonde geneigt und lenkt den durch das Linsen
system fokussierten und sich innerhalb der Sonde zwischen dem
Linsensystem und dem Umlenkspiegel ausbreitenden Laserstrahl
um 90° um. Der umgelenkte Laserstrahl verläßt die Sonde durch
eine im Gehäuse der Sonde radial angeordnete zylindrische
Austrittsöffnung. Die Sonde ist außerdem mit einem Strömungs
kanal für ein Schutzgas versehen, das in der Gehäusewand der
Sonde verläuft, in die Austrittsöffnung mündet, und in den
Raum zwischen dem Umlenkspiegel und dem Schweißort ausströmt.
Bei dieser bekannten Vorrichtung wird somit der Schutzgasstrom
unmittelbar gegenüber der Schweißstelle in einen ins Innere
der Sonde gerichteten Teilgasstrom und einen zur Schweißstelle
hin gerichteten Teilgasstrom aufgespalten. Dies führt zu einer
Wirbelbildung im Bereich der Austrittsöffnung, so daß sich
Schweißdampf oder Schweißplasma und insbesondere bei Verwen
dung eines gepulsten Lasers aus der Schmelze ausgelöste
Tropfen auf dem Umlenkspiegel und an der Austrittsöffnung
niederschlagen können und die Lebensdauer der Sonde wesentlich
verkürzen.
Der Erfindung liegen nun die Aufgaben zugrunde, eine Vorrich
tung und ein Verfahren zum Laserschweißen eines Rohrs entlang
seinem Innenumfang mit einer in das Rohr einführbaren Sonde
anzugeben, mit denen ein Niederschlag von Schweißdampf auf dem
Umlenkspiegel und im Bereich der Austrittsöffnung weitgehend
verringert sind.
Die genannten Aufgaben werden gemäß der Erfindung jeweils mit
den Merkmalen des Anspruches 1 bzw. 16 gelöst. Eine in das
Rohr einführbare Sonde gemäß der Erfindung enthält
- a) wenigstens ein Abbildungselement zum Fokussieren und Um lenken eines sich innerhalb der Sonde im wesentlichen entlang ihrer Längsachse ausbreitenden Laserstrahlbündels,
- b) eine Austrittsöffnung durch das ein von dem Abbildungs element erzeugtes umgelenktes fokussiertes Laserstrahl bündel aus der Sonde austritt,
- c) innerhalb der Sonde angeordnete Mittel zum Führen eines Schutzgasstromes bis zur Austrittsöffnung, der wenigstens zu einem Teil durch die Austrittsöffnung ausströmt, sowie
- d) Mittel mit denen ein Teil des sich innerhalb der Sonde ausbreitenden Schutzgasstromes vor Erreichen der Austritts öffnung abzweigbar und mit einer zur Austrittsöffnung hin gerichteten axialen Strömungskomponente zur Außenoberfläche der Sonde führbar ist.
Dadurch ergibt sich zwischen der Außenwand der Sonde und dem
Innenumfang des Rohres eine axial gerichtete Strömung, mit
der aus der Schweißschmelze austretendes Schweißgut rasch aus
dem Bereich der Austrittsöffnung in Richtung zum Kopf der
Sonde hin geführt wird. Dadurch wird der Niederschlag von
Schweißdampf im Bereich der Austrittsöffnung und auf den Ab
bildungselementen verringert.
In einer bevorzugten Ausführungsform sind innerhalb der Sonde
Mittel zur Einstellung des Mengenverhältnisses der beiden
Teilgasströme, insbesondere eine in einem Strömungskanal für
einen Teilgasstrom angeordnete Reduzierdüse, vorgesehen.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist zur
Führung des nach außen abgezweigten Teilgasstromes eine die
Sonde umgebende Hülse vorgesehen, die an ihrer Innenoberfläche
mit einer Ringnut versehen ist, in die ein in der Sonde ver
laufender Strömungskanal für den Teilgasstrom mündet. Die
Hülse ist mit axialen Bohrungen versehen, die sich von der dem
Kopf der Sonde zugewandten Stirnfläche der Hülse bis zur Ring
nut erstrecken. Dadurch ergibt sich ein besonders homogener
axialer Schutzgasstrom in den zwischen Sonde und Rohr befind
lichen Zwischenraum.
Ein Niederschlag von verdampfendem Schweißgut auf dem Umlenk
spiegel wird in einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung
dadurch zusätzlich verringert, daß Mittel vorgesehen sind, mit
denen von einem sich innerhalb der Sonde ausbreitenden Schutz
gasstrom an der Austrittsöffnung ein Teilgasstrom abgezweigt
und durch innerhalb der Sonde liegende Kanäle geführt wird.
Insbesondere ist vorgesehen, daß die Kanäle in eine Ausnehmung
des Umlenkspiegels münden, die sich unmittelbar gegenüber der
Austrittsöffnung befindet.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung
ist ein Abbildungselement vorgesehen, das ein in einem außer
halb der Sonde liegenden Brennpunkt fokussiertes umgelenktes
Laserstrahlbündel erzeugt, dessen Ausbreitungsrichtung schräg
zur Längsachse orientiert ist. Als Abbildungselement ist
dabei eine optische Komponente zu verstehen, mit der die Aus
breitungsrichtung eines Laserstrahles geändert werden kann,
beispielsweise ein Planspiegel, ein Spiegel mit gekrümmter
Oberfläche oder eine Linse.
Durch die schräge Auskopplung des umgelenkten Laserstrahlbün
dels wird vermieden, daß sich die Austrittsöffnung unmittel
bar gegenüber dem Schweißort befinden muß, so daß der Nieder
schlag von Schweißdampf im Bereich der Austrittsöffnung und
im Innern der Sonde verringert ist.
Der Neigungswinkel des umgelenkten Laserstrahls gegen die
Längsachse der Sonde beträgt vorzugsweise zwischen 60° und
80°. Dadurch ist gewährleistet, daß auch bei einer großen
Austrittsöffnung für das Laserlicht ein Zurückreflektieren des
Laserlichtes in das Innere der Sonde praktisch vermieden ist.
In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist in der
Sonde zum Umlenken des fokussierten Laserstrahles ein Umlenk
spiegel mit ebener Spiegelfläche vorgesehen, deren Oberflä
chennormale gegen die Längsachse der Sonde einen Winkel ein
schließt, der größer als 45° ist, vorzugsweise zwischen 50°
und 60° beträgt.
In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist ein konkaver
Umlenkspiegel vorgesehen, der sowohl zur Fokussierung als auch
zum Umlenken der sich im Mittel entlang der Längsachse der
Sonde ausbreitenden Laserstrahlen vorgesehen ist. Dadurch ist
der Querschnitt des auf den Umlenkspiegel auftreffenden Laser
strahlenbündels gegenüber der Ausführungsform mit einem ebenen
Umlenkspiegel vergrößert. Die pro Flächeneinheit auf dem Um
lenkspiegel auftreffende Strahlungsleistung und somit auch die
lokale Aufheizung des Umlenkspiegels sind dadurch redu
ziert.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform sind zur Verbes
serung der Abbildungseigenschaften des Abbildungssystems bei
einer über einen Lichtwellenleiter mit einem Laser optisch ge
koppelten Sonde zwischen dem Ende des Lichtwellenleiters und
dem konkaven Umlenkspiegel Mittel zum Kollimieren des aus dem
Lichtwellenleiter austretenden Laserstrahlbündels vorgesehen.
Insbesondere ist ein Umlenkspiegel aus einem Werkstoff mit
hoher Wärmeleitfähigkeit, vorzugsweise Kupfer Cu, vorgesehen.
Durch diese Maßnahme wird die thermische Belastung des Umlenk
spiegels weiter verringert und somit die Haltbarkeit der Re
flektorschicht zusätzlich erhöht.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist zum Auskoppeln des
umgelenkten Laserstrahlbündels aus der Sonde eine Austritts
öffnung vorgesehen, die einem aus ihr ausströmenden Schutz
gasstrom eine axial gerichtete Strömungskomponente erteilt.
Ein Verfahren zum Laserschweißen eines Rohres entlang seinem
Innenumfang umfaßt folgende Merkmale:
- a) aus einem sich innerhalb einer in das Rohr eingeführten Sonde im wesentlichen entlang ihrer Längsachse ausbreiten den Laserstrahlbündel wird ein umgelenktes und auf eine Stelle am Innenumfang des Rohres fokussiertes Laserstrahl bündel erzeugt,
- b) das Laserstrahlbündel tritt durch eine Austrittsöffnung aus der Sonde aus,
- c) der Sonde wird ein Schutzgasstrom zugeführt, der in ihrem Inneren in Richtung zur Austrittsöffnung strömt, wobei
- d) ein Teil des Schutzgasstromes durch die Austrittsöffnung ausströmt und
- e) ein weiterer Teil vor Erreichen der Austrittsöffnung abge zweigt wird und mit einer axialen Strömungskomponente in den zwischen dem Rohr und der Sonde befindlichen Zwischen raum geleitet wird.
Eine zusätzliche Verringerung von Schweißgut-Niederschlag auf
dem Umlenkspiegel wird dadurch erreicht, daß von dem sich
innerhalb der Sonde zur Austrittsöffnung strömenden Schutzgas
innerhalb der Sonde an der Austrittsöffnung ein weiterer
Teilgasstrom mit einer axial gerichteten Strömungskomponente
abgezweigt wird, der sich innerhalb der Sonde ausbreitet.
In einer bevorzugten Ausgestaltung des Verfahrens wird das
Laserstrahlbündel schräg zur Längsachse der Sonde umgelenkt.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens
ist die Verwendung eines im cw-Betrieb arbeitenden Festkörper
lasers vorgesehen. Dadurch wird ein Auslösen von Tropfen aus
der Schweißschmelze vermieden.
Zur weiteren Erläuterung der Erfindung wird auf die Ausfüh
rungsbeispiele der Zeichnung verwiesen, in deren
Fig. 1 eine in das Rohr eingeführte Sonde gemäß der Erfindung
in einem Längsschnitt veranschaulicht ist. In
Fig. 2, 3 und 4 zeigen jeweils in einem vergrößerten
Ausschnitt vorteilhafte Ausgestaltungen der Sonde im Bereich
der Umlenkeinrichtung.
Entsprechend Fig. 1 enthält eine Sonde 1 gemäß der Erfindung
eine Zentriereinheit 2, eine Umlenkeinheit 4, eine Fokussier
einheit 6 sowie eine Antriebseinheit 8, die hintereinander
entlang einer Längsachse 10 der Sonde 1 angeordnet sind. Die
Sonde 1 ist in ein zu bearbeitendes Rohr 12 eingeführt und
ragt mit ihrem die Umlenkeinheit 4 enthaltenden Kopfteil in
das Innere eines in das Rohr 12 eingefügten Sleeverohres 14,
das mit dem Rohr 12 verschweißt werden soll.
Die Zentriereinheit 2 umfaßt eine Welle 21, die am kopfsei
tigen Ende der Sonde 1 über Kugellager 22 drehbar auf der
Umlenkeinheit 4 gelagert und mit einer Überwurfmutter 23 in
axialer Richtung fixiert ist. Die Zentriereinheit enthält
wenigstens drei Rollen 24, von denen nur zwei in der Figur
dargestellt sind, und die jeweils federnd über ein Drehgelenk
getriebe mit zwei Gliedern 25 gelagert sind. Die beiden Glie
der 25 bilden das Schenkelpaar eines gleichschenkligen Drei
ecks und berühren sich in einem die Rolle 24 aufnehmenden
Drehgelenk 26. Auf der Welle 21 sind die beiden Glieder 25
ebenfalls über Drehgelenke 28 verschiebbar gelagert sind.
Eines dieser beiden Drehgelenke 28 ist kraftschlüssig an einen
beweglichen Flansch 29 gekoppelt, der die Welle 21 umgibt. An
der Welle 21 ist an ihrem freien Ende ein weiterer Flansch 30
befestigt. Zwischen dem Flansch 29 und dem Flansch 30 ist eine
Spiralfeder 31 angeordnet, so daß eine radial nach innen ge
richtete Bewegung der Rolle 26 gegen die Wirkung dieser Spi
ralfeder 31 erfolgt. Eine auf der Welle 21 angeordnete
Distanzhülse 27 verhindert das Zusammenklappen des Drehge
lenkes 26 und erleichtert das Einführen der Sonde 1 in das
Rohr 12.
Die Umlenkeinheit 4 umfaßt ein zylindrisches Gehäuse 40, in
dem ein Umlenkspiegel 41 angeordnet ist. Der Umlenkspiegel 41
besteht aus einem massiven zylindrischen Kupferblock, der an
seinem der Zentriereinheit 2 zugewandten Ende eine flansch
artige Erweiterung 42 hat, die zur axialen Fixierung des Um
lenkspiegels 41 mit einer Überwurfmutter 43 dient. Der Kupfer
block ist an seinem von der flanschartigen Erweiterung 42 ab
gewandten Ende mit einer schräg zu seiner Längsachse orien
tierten Stirnfläche versehen. Diese Stirnfläche ist mit einem
spiegelnden Überzug beschichtet und bildet eine Spiegelfläche
44. Als spiegelnder Überzug ist beispielsweise eine dielek
trische Schicht, vorzugsweise Titannitrid TiN, oder eine
metallische Schicht, vorzugsweise aufgedampftes Gold Au, vor
gesehen. Die reflektierende Schicht kann zusätzlich noch mit
einer Schutzschicht aus Quarz versehen sein.
Die Spiegelfläche 44 ist innerhalb der Sonde 1 derart angeord
net, daß ihre Normale 18 mit der Längsachse 10 der Sonde einen
Winkel β1 einschließt, der größer als 45° ist, vorzugsweise
zwischen 50° und 60° beträgt. Ein sich im Mittel entlang der
Längsachse 10 ausbreitendes und auf die Spiegelfläche 44 auf
treffendes Laserstrahlbündel 58 wird somit schräg nach vorne
umgelenkt. Der Mittenstrahl des umgelenkten Laserstrahlbün
dels 59 tritt gegenüber der Längsachse 10 unter einem Winkel
β2 zwischen 60° und 80° aus dem Gehäuse 40 durch eine Aus
trittsöffnung 45 aus. Im Beispiel der Figur ist als Austritts
öffnung 45 eine ebenfalls schräg zur Längsachse 10 verlaufende
Bohrung vorgesehen.
Der Umlenkspiegel 41 ist außerdem durch eine parallel zu sei
ner Längsrichtung 10 verlaufenden Nut 46 sowie einen Paßstift
47 gegen ein Verdrehen im Gehäuse 40 gesichert.
Durch die Verwendung eines massiven Kupferblockes als Umlenk
spiegel 41 wird die Aufheizung der Spiegelfläche durch den
Laserstrahl 58 verringert und die Lebensdauer der Verspie
gelung erhöht.
Das Gehäuse 40 der Umlenkeinheit 4 ist an seinem vom Umlenk
spiegel 41 abgewandten Ende am Innenumfang mit einem Zahnkranz
48 versehen, in den ein von der Antriebseinheit 8 aus ange
triebenes Ritzel 49 eingreift. Dieses Ritzel 49 ist drehmo
mentschlüssig mit einer biegsamen Welle 50 verbunden, die an
die Antriebswelle eines in der Antriebseinheit 8 angeordneten
Elektromotors 81 gekoppelt ist. Über das vom Elektromotor 81
angetriebene Ritzel 49 wird das Gehäuse 40 in eine Drehbe
wegung versetzt, so daß die Stelle F, an der das austretende
Laserstrahlbündel 59 auf dem Innenmantel des zu schweißenden
Sleeverohres 14 auftrifft, in Umfangsrichtung bewegt wird und
eine Kreisbahn beschreibt.
Zwischen der Umlenkeinheit 4 und der Antriebseinheit 8 ist die
Fokussiereinheit 6 angeordnet, deren Gehäuse 60 starr mit dem
Gehäuse 80 der Antriebseinheit 8 verbunden ist. Das Gehäuse 60
enthält eine zentrale Bohrung 61, in die auf der der Antriebs
einheit 8 zugewandten Seite eine Hülse 62 zur Aufnahme eines
Lichtwellenleiters 63 eingelegt ist. Der Lichtwellenleiter 63
mündet mit seinem freien Ende 64 in der Bohrung 61 und wird
durch die Hülse 62 axial zentriert. Mit seinem anderen Ende
ist der Lichtwellenleiter 63 an einen in der Figur nicht dar
gestellten Laser, vorzugsweise ein Festkörperlaser, insbe
sondere ein Nd : YAG-Festkörperlaser, gekoppelt.
Am dem Umlenkspiegel 41 zugewandten Ende der Fokussiereinheit
6 ist ein Fokussierelement, vorzugsweise eine Linse 65 oder
ein Linsensystem, angeordnet, die ein aus dem Ende 64 des
Lichtwellenleiters 63 austretendes divergentes Laserstrahl
bündel 57 fokussiert. Die Lage des Fokus F des Laserstrahl
bündels 59 kann durch die Veränderung des Abstandes zwischen
dem Ende 64 und der Linse 65 justiert werden.
Das Gehäuse 40 umgreift das Gehäuse 60 im Bereich der Linse
65 und ist über Kugellager 66 und Distanzhülsen 68 auf dem
Gehäuse 60 drehbar gelagert und mit ihm axial kraftschlüssig
verbunden. Durch die Drehung des Ritzels 49 wird somit nur das
die Umlenkeinheit 41 tragende Gehäuse 40 in Drehbewegung ver
setzt. Die Linse 65 und der Lichtwellenleiter 63 nehmen an
dieser Drehbewegung nicht teil.
Die Linse 65 wird von mehreren kraftschlüssig miteinander
verbundenen und nicht rotierenden Gehäuseteilen 60a, 60b, 60c
getragen, die in das Innere des Gehäuses 40 hineinragen. Die
Gehäuseteile 60b und 60c bilden einen annähernd V-förmigen
Zwischenraum 71, der über Bohrungen 78a mit einem im Gehäuse
teil 60c angeordneten Strömungskanal 70 verbunden ist. Dieser
Strömungskanal 70 führt Schutzgas, beispielsweise Argon, in
den zwischen Linse 65 und dem freien Ende 64 des Lichtwellen
leiters 63 befindlichen Zwischenraum 71. Im Strömungskanal 70
ist eine querschnittsverengende Reduzierdüse 77 eingelegt. Das
im Strömungskanal 70 oberhalb der Reduzierdüse 77 strömende
Schutzgas tritt über die Bohrungen 78a in den Zwischenraum 71
ein, verläßt über weitere Bohrungen 78b im Gehäuseteil 60b den
Zwischenraum 71, tritt in einen Ringkanal 79 aus und gelangt
von dort in den zwischen Linse 65 und Umlenkspiegel befindli
chen Zwischenraum 72.
Das auf diese Weise die Linse 65 umströmende und am Umlenk
spiegel 41 vorbeiströmende Schutzgas verläßt die Sonde durch
die Austrittsöffnung 45. Dadurch wird nicht nur die Schweiß
stelle mit Schutzgas beblasen, sondern außerdem eine Kühlung
der von den Laserstrahlen 57 und 58 beaufschlagten Abbil
dungselemente bewirkt. Außerdem wird durch den nach außen
gerichteten Schutzgasstrom ein Niederschlag von Schweißdampf
auf dem Umlenkspiegel verhindert.
Die Austrittsöffnung 45 wird im Beispiel der Figur durch eine
in der Wand des Gehäuses 40 schräg nach vorne gerichtete Boh
rung gebildet. Dadurch erhält das durch die Austrittsöffnung
45 strömende Schutzgas zusätzlich eine axiale Strömungskompo
nente, die ein Wegführen des Schweißdampfes aus dem Bereich
der Austrittsöffnung 45 unterstützt.
Der Strömungskanal 70 ist außerdem mit einem radial abzweigen
den Strömungskanal 73 verbunden, der in eine Ringnut 74 einer
das Gehäuse 60 umgebenden Hülse 75 mündet. Die Hülse 75 bildet
eine manschettenförmige Erweiterung der Sonde 1. Parallel zur
Längsachse 10 der Sonde 1 ist die Hülse 75 mit mehreren Boh
rungen 76 versehen, die eine Verbindung zur Ringnut 74 her
stellen. Durch den Querkanal 73 wird von dem ausgehend von der
Antriebseinheit 8 in den Strömungskanal 70 eintretenden
Schutzgasstrom ein radialer Teilgasstrom abgezweigt, der in
der Ringnut 74 in eine axiale Richtung umgelenkt wird und an
der der Umlenkeinheit 4 zugewandten Stirnfläche der Hülse 75
in den zwischen dem Rohr 12 und dem Außenmantel der Sonde 1
befindlichen Kanal austritt. Dadurch ist die Aufrechterhaltung
einer effektiven Schutzgasatmosphäre im Bereich der Schweiß
stelle gewährleistet. Außerdem wird der beim Aufschmelzen
entstehende Schweißdampf durch die Axialströmung wirksam von
der Schweißstelle abgeführt und die Gefahr, daß sich Schweiß
dampf im Innern der Sonde 1 niederschlägt, wird verringert.
Zum Einstellen des Mengenverhältnisses zwischen dem sich
innerhalb der Sonde 1 zum Umlenkspiegel 41 hin strömenden
Schutzgasstrom und dem radial nach außen abgeführten Schutz
gasstrom ist die in den Strömungskanal 70 eingelegte Redu
zierdüse 77 vorgesehen.
Das Gehäuse 80 der Antriebseinheit 8 ist an seinem von der
Fokussiereinheit 6 abgewandten Ende zur Aufnahme eines in der
Figur nicht dargestellten Schubschlauches vorgesehen, durch
den das Schutzgas zur Sonde transportiert wird, und der den
Lichtwellenleiter 63 und die zur elektrischen Versorgung des
Elektromotors 81 erforderlichen Leitungen 82 aufnimmt.
Im Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 2 ist ein Umlenkspiegel 41
mit einer zentralen Bohrung 51 versehen, die ausgehend von der
flanschartigen Erweiterung 42 in das Innere des Umlenkspiegels
41 geführt ist und durch eine schräg nach außen verlaufende
und an der Spiegelfläche 44 im Bereich der Austrittsöffnung 45
in eine Ausnehmung 56 austretende Bohrung 52 verbunden ist.
Die flanschartige Erweiterung 42 ist an ihrer der Überwurf
mutter 43 zugewandten Stirnfläche mit ,mehreren radialen Nuten
54 versehen. Diese radialen Nuten 54 stellen eine Verbindung
zwischen der zentralen Bohrung 51 und innerhalb der Über
wurfmutter 43 schräg nach außen verlaufenden Bohrungen 55
her.
Der sich entlang dem Umlenkspiegel 41 innerhalb des Gehäuses
40 ausbreitende Schutzgasstrom wird somit vor Verlassen des
Gehäuses durch die Austrittsöffnung 45 nochmals aufgespalten.
Ein Teilgasstrom gelangt über die Bohrung 52 in die Bohrung 51
des Umlenkspiegels 41 und tritt über die Bohrungen 55 in der
Überwurfmutter 43 aus der Sonde 1 aus. Durch diesen Gasstrom
im Inneren des Umlenkspiegels 41 wird die Kühlung des Um
lenkspiegels 41 verbessert und seine Lebensdauer erhöht.
Die Austrittsöffnung 45 und die Ausnehmung 56 schließen un
mittelbar aneinander an, so daß ein vom strömenden Schutzgas
nicht erfaßter Totraum vermieden ist. Solche Toträume zwischen
Umlenkspiegel 41 und der Gehäusewand, in der die Austritts
öffnung 45 angeordnet ist, würden nämlich zu einer Verwirbe
lung und somit zu einer Erhöhung des Niederschlags von
Schweißgut auf der Spiegelfläche 44 führen.
Der Figur ist außerdem zu entnehmen, daß das aus der Sonde 1
austretende Laserstrahlbündel 59 im Fokus F schräg zur Innen
oberfläche des Rohres 14 auftrifft. Zwischen der vom Fokus F
ausgehenden, senkrecht auf der Innenoberfläche des Rohres 14
stehenden Normalen 16 und dem Mittenstrahl des austretenden
Laserbündels 59 ist vorzugsweise ein Winkel β3 vorgesehen, der
zwischen 10° und 30° beträgt.
Im Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 3 ist in der Umlenkeinheit 4
ein Umlenkspiegel 141 vorgesehen, dessen Spiegelfläche 144
konkav gekrümmt ist. Der Umlenkspiegel 141 dient in dieser
Ausführungsform sowohl zum Umlenken des sich in der innerhalb
der Sonde ausbreitenden Laserstrahlbündels 58 als auch zum
Fokussieren dieses Laserstrahlbündels 58 auf einen außerhalb
der Sonde 1 liegenden Brennpunkt F. In dieser Ausführungsform
ist eine Linsenanordnung zum Fokussieren der aus dem Licht
wellenleiter austretenden Laserstrahlen nicht mehr erforder
lich.
Entsprechend Fig. 4 kann einem konkaven Umlenkspiegel 141a eine
Kollimatorlinse 65a vorgeschaltet sein, die ein aus dem
Lichtwellenleiter 63 austretendes Laserstrahlbündel 57 zu
einem parallelen Bündel 58a kollimiert, das dann vom Umlenk
spiegel 141a fokussiert und umgelenkt wird. Dadurch wird bei
gleicher Entfernung des Fokus F vom Umlenkspiegel 141a ein
größerer Abstand zwischen dem Lichtwellenleiter 63 und dem
Umlenkspiegel 141a ermöglicht.
Claims (19)
1. Vorrichtung zum Laserschweißen eines Rohres (12, 14) ent
lang seinem Innenumfang mit einer in das Rohr (12, 14) ein
führbaren Sonde (1) mit
- a) wenigstens einem Abbildungselement (41, 65) zum Fokussieren und Umlenken eines sich innerhalb der Sonde (1) im wesent lichen entlang ihrer Längsachse (10) ausbreitenden Laser strahlbündels (57),
- b) einer Austrittsöffnung (45) durch das ein von dem Ab bildungselement (41, 65) erzeugtes umgelenktes fokussier tes Laserstrahlbündel (59) aus der Sonde (1) austritt,
- c) innerhalb der Sonde (1) angeordneten Mitteln (70, 78a, 78b, 79) zum Führen eines Schutzgasstromes bis zur Austritts öffnung (45), der wenigstens zu einem Teil durch die Aus trittsöffnung (45) ausströmt, sowie
- d) Mittel (73, 74, 76) mit denen ein Teil des sich innerhalb der Sonde (1) ausbreitenden Schutzgasstromes vor Erreichen der Austrittsöffnung (45) abzweigbar und mit einer zur Austrittsöffnung (45) hin gerichteten axialen Strömungs komponente zur Außenoberfläche der Sonde (1) führbar ist.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch ge
kennzeichnet, daß innerhalb der Sonde (1) Mittel
(77) zur Einstellung des Mengenverhältnisses der beiden Teil
gasströme vorgesehen sind.
3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch ge
kennzeichnet, daß in einem Strömungskanal (70)
für einen Teilgasstrom eine Reduzierdüse (77) vorgesehen ist.
4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
dadurch gekennzeichnet, daß zur
Führung des nach außen abgezweigten Teilgasstromes eine die
Sonde (1) umgebende Hülse (75) vorgesehen ist, die an ihrer
Innenoberfläche mit einer Ringnut (74) versehen ist, in die
ein in der Sonde (1) verlaufender Strömungskanal (73) für den
Teilgasstrom mündet und die mit axialen Bohrungen (76) ver
sehen ist, die sich von der dem Kopf der Sonde (1) zugewandten
Stirnfläche der Hülse (75) bis zur Ringnut (74) erstrecken.
5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, da
durch gekennzeichnet, daß Mittel vor
gesehen sind, mit denen von einem sich innerhalb der Sonde (1)
ausbreitenden Schutzgasstrom an der Austrittsöffnung (45) ein
Teilgasstrom abgezweigt und durch innerhalb der Sonde (1)
liegende Kanäle (53, 54, 55) geführt wird.
6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch ge
kennzeichnet, daß die Kanäle (53, 54, 55) in
eine Ausnehmung (56) des Umlenkspiegels (41, 141) münden,
die sich unmittelbar gegenüber der Austrittsöffnung (45)
befindet.
7. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß ein
Abbildungselement (41, 65) vorgesehen ist, das ein in einem
außerhalb der Sonde (1) liegenden Brennpunkt (F) fokussiertes
umgelenktes Laserstrahlbündel (59) erzeugt, dessen Ausbrei
tungsrichtung schräg zur Längsachse (10) orientiert ist.
8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekenn
zeichnet, daß der Neigungswinkel (ß2) des Mitten
strahls des umgelenkten Laserstrahlbündels (59) gegen die
Längsachse (10) im Mittel zwischen 60° und 80° beträgt.
9. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekenn
zeichnet, daß die Sonde (1) eine Fokussiereinheit
(6) mit wenigstens einer Linse (65) sowie eine Umlenkeinheit
(4) mit einem Umlenkspiegel (41) mit einer ebenen Spiegel
fläche (44) enthält, deren Oberflächennormale (18) gegen die
Längsachse (10) der Sonde (1) einen Winkel (β1) einschließt,
der größer als 45° ist.
10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch ge
kennzeichnet, daß dieser Winkel (β1) zwischen
50° und 60° beträgt.
11. Vorrichtung nach Anspruch 7 oder 8, dadurch
gekennzeichnet, daß die Sonde (1) einen konka
ven Umlenkspiegel (141) enthält, der sowohl zur Fokussierung
als auch zum Umlenken des Laserstrahlbündels (57) vorgesehen
ist.
12. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch ge
kennzeichnet, daß bei einer über einen Licht
wellenleiter (63) mit einem Laser optisch gekoppelten Sonde
(1) zwischen dem Ende (64) des Lichtwellenleiters (63) und dem
konkaven Umlenkspiegel (141) Mittel zum Kollimieren des aus
dem Lichtwellenleiter (63) austretenden Laserstrahlbündels
(57) vorgesehen sind.
13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 12, da
durch gekennzeichnet, daß der Umlenk
spiegel (41, 141) aus einem Werkstoff mit hoher Wärmeleit
fähigkeit besteht.
14. Vorrichtung nach Anspruch 13, dadurch ge
kennzeichnet, daß die Spiegeloberfläche (44,
144) des Umlenkspiegels (41 bzw. 141) mit Gold Au bedampft
ist.
15. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 14, da
durch gekennzeichnet, daß zum Aus
koppeln des umgelenkten Laserstrahlbündels (59) aus der Sonde
(1) eine Austrittsöffnung (45) vorgesehen ist, die einem aus
ihr ausströmenden Schutzgasstrom eine axial gerichtete
Strömungskomponente erteilt.
16. Verfahren zum Laserschweißen eines Rohres (12, 14) entlang
seinem Innenumfang mit folgenden Merkmalen:
- a) Aus einem sich innerhalb einer in das Rohr (12, 14) ein geführten Sonde (1) im wesentlichen entlang ihrer Längsachse ausbreitenden Laserstrahlbündel (57) wird ein umgelenktes und auf eine Stelle am Innenumfang des Rohres (14) fokussiertes Laserstrahlbündel (59) erzeugt,
- b) das Laserstrahlbündel (59) tritt durch eine Austritts öffnung (45) aus der Sonde (1) aus,
- c) der Sonde (1) wird ein Schutzgasstrom zugeführt, das in ihrem Inneren in Richtung zur Austrittsöffnung (45) strömt, wobei
- d) ein Teil des Schutzgasstromes durch die Austrittsöffnung (45) ausströmt und
- e) ein weiterer Teil vor Erreichen der Austrittsöffnung (45) abgezweigt wird und mit einer axialen Strömungskomponente in den zwischen dem Rohr (12, 14) und der Sonde (1) befind lichen Zwischenraum geleitet wird.
17. Verfahren nach Anspruch 16, dadurch ge
kennzeichnet, daß von dem sich innerhalb der
Sonde (1) zur Austrittsöffnung (45) ausbreitenden Schutzgas
strom innerhalb der Sonde (1) an der Austrittsöffnung (45) ein
weiterer Teilgasstrom mit einer axial gerichteten Strömungs
komponente abgezweigt wird, der sich innerhalb der Sonde (1)
ausbreitet.
18. Verfahren nach einem der Ansprüche 16 oder 17, da
durch gekennzeichnet, daß das Laser
strahlbündel (57) schräg zur Längsachse (10) der Sonde (1)
umgelenkt wird.
19. Verfahren nach einem der Ansprüche 16 bis 18, da
durch gekennzeichnet, daß ein im
cw-Betrieb arbeitender Festkörperlaser verwendet wird.
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