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Diese
Erfindung betrifft eine Hochleistungs-Laserstrahl-Schweißvorrichtung,
mit einer Leistung von beispielsweise 500 Watt bis mehreren Kilowatt,
die gemäß dem Oberbegriff
von Anspruch 1 miniaturisiert ist, und die geeignet ist, sehr nahe
an zu schweißende
Oberflächen
von Werkstücken
herangeführt
zu werden und zu schweißende
Oberflächen
zu erreichen, die auf Grund von über
ihnen befindlichen Hindernissen schwer zu erreichen sind. In der
Schrift
EP 300458 A ist
eine solche Vorrichtung beschrieben.
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Es
ist bekannt, Metalle mittels eines Hochleistungs-Laserstrahls zu
schweißen.
Dazu verwendet man eine Schweißvorrichtung,
die einen gewöhnlich
länglich
geformten abgeschlossenen Raum aufweist, in dessen Inneren der Laserstrahl
umlaufen kann und an einem Ende des abgeschlossenen Raums austreten
kann, um auf das zu schweißende Werkstück zu treffen.
Der abgeschlossene Raum ist lichtdicht, um den Bediener vor jeglicher
ungewollten Ausbreitung des Laserstrahls außerhalb des abgeschlossenen
Raums zu schützen.
Unter dem Begriff „lichtdicht" versteht man, dass
der abgeschlossene Raum jegliches ungewollte Austreten des Laserstrahls,
beispielsweise auf Grund des Verstellens einer Optik-Komponente,
verhindert.
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Der
Laserstrahl verfolgt im Inneren des abgeschlossenen Raums einen
Weg, auf dem sich nacheinander befinden: eine Hochleistungs-Laserlichtquelle,
ein konvergentes Optiksystem und eine sogenannte „Frontseitenöffnung", durch die der Laserstrahl
aus dem abgeschlossenen Raum in Richtung des zu schweißenden Werkstücks wieder
austreten kann. Das konvergente Optiksystem bündelt den Laserstrahl auf einen
Brennpunkt, der sich außerhalb
des abgeschlossenen Raums befindet, wobei selbstverständlich das
Werkstück
in diesen Brennpunkt gebracht wird, um geschweißt zu werden. Die Laserlichtquelle
kann ein Laserlichtgenerator oder das Ende einer Lichtleitfaser,
die den Laserstrahl von einem entfernten Laserlichtgenerator in den
abgeschlossenen Raum führt,
sein. Bei komplizierteren Ausführungsformen
kann der abgeschlossene Raum gelenkig ausgeführt sein und/oder einen oder
mehrere Optikspiegel enthalten, die in der Bahn des Laserstrahls
angeordnet sind und die geeigneten Umlenkungen des Laserstrahls
gewährleisten.
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Zur
Vereinfachung der Ausdrucksweise sagt man im Folgenden, dass sich
ein Gegenstand vor der Frontseitenöffnung befindet, wenn er sich
außerhalb der
Vorrichtung und gegenüber
der Frontseitenöffnung
befindet. Umgekehrt sagt man im Folgenden, dass sich ein Gegenstand
hinter der Frontseitenöffnung
befindet, wenn er sich auf der anderen Seite der Frontseitenöffnung befindet.
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Die
Optik-Komponenten müssen
während des
Schweißens
vor den Dämpfen
und Spritzern des schmelzenden Metalls geschützt werden. Normalerweise gewährleistet
der abgeschlossene Raum diese Schutzfunktion, jedoch können Dämpfe und
Spritzer des schmelzenden Metalls durch die Frontseitenöffnung gelangen,
in den abgeschlossenen Raum eindringen und die Optik-Komponenten
beflecken, insbesondere diejenigen, die sich nahe an der Frontseitenöffnung befinden.
Es werden unterschiedliche Mittel verwendet, um dies zu verhindern:
- – Verkleinerung
des Durchmessers der Frontseitenöffnung
auf das absolute Minimum, um die Laserstrahlen noch durchzulassen,
- – Einspritzen
eines neutralen Gases unter ausreichendem Druck in den abgeschlossenen
Raum, woraufhin das Gas durch die Frontseitenöffnung entweicht und so ein
Hindernis für
die Dämpfe und
Spritzer des schmelzenden Metalls bildet; das Gas kann auch, wie
in der Schrift EP 300458 A beschrieben,
in die Frontseitenöffnung
und zu dem Zwischenraum zwischen dem Spiegel und dem Schweißbereich
hin gespritzt werden,
- – Entfernen
der Optik-Komponenten von der Frontseitenöffnung oder Entfernen der Frontseitenöffnung von
dem zu schweißenden
Werkstück.
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In
der Patentschrift
EP 0 514 235 ist
eine Vorrichtung beschrieben, mit der Oberflächen geschweißt werden
können, über denen
sich Hindernisse befinden, wobei diese Schweißvorrichtung einen rohrförmigen,
länglichen
abgeschlossenen Raum umfasst, wobei an einem Ende eine Laserlichtquelle angeordnet
ist, wobei die Frontseitenöffnung
seitlich am anderen Ende angeordnet ist, wobei ein Spiegel hinter
der Frontseitenöffnung
angeordnet ist und den von der Laserlichtquelle kommenden Laserstrahl
zu dieser hin umlenkt, wobei das Arbeitsende der Schweißvorrichtung
zwischen die zu schweißenden Oberflächen und
die Hindernisse eingeschoben wird, in diesem Fall die Innenwand
eines Rohrs eines Kernkraftwerks. Ein neutrales Gas tritt durch
die Frontseitenöffnung
wieder aus und schützt
dadurch die im Schweißprozess
befindliche Oberfläche
vor der Umgebungsluft. Diese Schweißvorrichtung hat jedoch den
Nachteil, dass der Spiegel den Dämpfen und
Spritzern von schmelzendem Metall ausgesetzt ist, da:
- – sich
dieser Spiegel sehr nahe an dem schmelzenden Metall im Schweißbereich
befindet,
- – der
Druck des schützenden
Gases aus wirtschaftlichen Gründen,
und um das schmelzende Metall nicht zu verstreuen, notwendigerweise
begrenzt bleibt; in der Figur ist zu sehen, dass die Öffnung deutlich
größer ist
als der Laserstrahl, der durch sie gelangt; dies ermöglicht es,
den Schweißbereich
mit neutralem Gas zu umgeben, ohne einen Gasstrom zu erzeugen, der
das im Schmelzen befindliche Metall zerstreut; dafür hat das
schützende
Gas nur eine geringe Geschwindigkeit, wenn es die Frontseitenöffnung durchquert;
es kann daher nur ein schwaches Hindernis gegen die Dämpfe und
Spritzer von schmelzendem Metall bilden, und der Spiegel wird daher schnell
beeinträchtigt.
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Dieser
Spiegel muss daher oft ausgetauscht werden. Damit ist eine solche
Schweißvorrichtung zwar
für Reparaturen
dünner
Werkstücke
geeignet, für
die nur eine geringe Leistung erforderlich ist, nicht aber für eine gewerbliche
Verwendung in der Werkstatt an dicken Werkstücken mit hoher Laserleistung.
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Ein
erstes zu lösendes
Problem besteht darin, einen Schweißkopf vorzuschlagen, dessen
Frontseitenöffnung
sehr nahe an die zu schweißende Oberfläche herangeführt werden
kann, ohne dass die Optik-Komponenten durch die Dampfe und Spritzer von
schmelzendem Metall befleckt werden und ohne dass dieses schmelzende
Metall verwirbelt wird, beispielsweise durch einen aus der Frontseitenöffnung austretenden
Gasstrom.
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Ein
zweites zu lösendes
Problem besteht darin, einen Schweißkopf vorzuschlagen, der zwischen die
zu schweißenden
Oberflächen
und die sich über diesen
befindlichen, nahegelegenen Hindernisse eingeschoben werden kann.
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Zur
Lösung
des ersten Problems wird mit dieser Erfindung eine miniaturisierte
Laserstrahl-Schweißvorrichtung
gemäß Anspruch
1 vorgeschlagen.
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Unter
dem Begriff „quer" versteht man, dass der
Nebenstrom parallel zur Fläche
der Frontseitenöffnung
geführt
wird. Bei einer solchen Anordnung
- a) drückt der
Primärstrom
die Dämpfe
und Spritzer von schmelzendem Metall, die auf die Frontseitenöffnung gerichtet
sind, zurück,
wodurch verhindert wird, dass diese Dampfe und Spritzer ins Innere
des Schweißkopfs
eindringen;
- b) trifft der Nebenstrom auf den Primärstrom, und zwar im rechten
Winkel zu diesem und in dem Augenblick, in dem er durch die Frontseitenöffnung austritt,
was zur Wirkung hat, dass der Primärstrom abgelenkt wird und so
daran gehindert wird, auf das flüssige
Metall zu treffen, das sich ein Stückchen weiter im Bereich des
Brennpunkts bildet;
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So
können
die Dämpfe
und Spritzer von schmelzendem Metall nicht durch die Frontseitenöffnung in
den Schweißkopf
eindringen und das schmelzende Schweiß-Metall wird durch den Primärgasstrom
nicht verwirbelt, verformt oder gar zerstreut, so dass es möglich wird,
den Schweißkopf sehr
nahe an die zu schweißende
Oberfläche
zu bringen, und auf diese Weise das erste Problem gelöst ist.
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Der
Bediener stellt den Primärstrom
mit einer ausreichenden Kraft ein, um die Dämpfe und Spritzer von schmelzendem
Metall, die sich der Frontseitenöffnung
nähern,
fortzudrücken.
Desgleichen stellt der Bediener den Nebenstrom mit einer ausreichenden Kraft
ein, um den Primärstrom
abzulenken, damit er das flüssige
Metall, das sich im Bereich des Brennpunkts vor der Frontseitenöffnung bildet,
nicht erreicht, zumindest nicht direkt.
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Vorteilhafterweise
weist der Schweißkopf ferner
einen Schutzschild auf, der vor der Frontseitenöffnung angeordnet ist, wobei
dieser Schutzschild aus starrem, hochtemperaturfesten Werkstoff
besteht, beispielsweise aus Nobelium, wobei dieser Schutzschild
von einem Loch durchsetzt ist, das sich auf der Geometrieachse der
Frontseitenöffnung
befindet. Dieser Schutzschild ermöglicht es, den Primärstrom und
den Nebenstrom quer zur Frontseitenöffnung zu führen, was den Schutz des schmelzenden
Metalls vor dem Primärstrom
verbessert.
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Der
Schutzschild bildet auch ein mechanisches Hindernis für die Dampfe
und Spritzer von schmelzendem Metall, die sich auf den Schweißkopf zu
und um die Frontseitenöffnung
herum bewegen, wodurch die Verkrustung des Schweißkopfs reduziert wird.
Insbesondere bildet der Schutzschild ein Hindernis für die Dämpfe und
Spritzer von schmelzendem Metall, die sich zwischen der Frontseitenöffnung und
der Düse
bewegen, wobei diese Spritzer ohne den Schutzschild durch den Nebenstrom
vor die Frontseitenöffnung
befördert
werden könnten.
So wird trotz des Lochs zwischen dem schmelzenden Metall und der
Frontseitenöffnung
durch diese Hinderniswirkung die Unversehrtheit des Inneren des Schweißkopfs vor
den Dämpfen
und Spritzern von schmelzendem Metall weiter verbessert.
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Vorteilhafterweise
ist der Schutzschild abnehmbar, um gereinigt oder ausgetauscht zu
werden, wenn er verkrustet ist.
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Ebenfalls
vorteilhafterweise weist der Schweißkopf einen Mantel auf, der
die Frontseitenöffnung,
die Düse
und den Schutzschild umgibt, wobei der Mantel vor dem Schutzschild
offen und ist und sich erweitert, wobei der Mantel aus einem dünnen, biegsamen
und gasdichten Werkstoff besteht, wobei ein Zwischenraum zwischen
mindestens einem Rand des Schutzschilds und dem Mantel vorgesehen
ist. Auf diese Weise wirkt der Mantel mit diesem Zwischenraum zusammen,
um das Gas des Primärstroms
und des Nebenstroms oberhalb des gerade im Schweißprozess
befindlichen Bereichs zurückzuführen, wodurch
der Schweißbereich
mit geringerem Gasverbrauch vor der Umgebungsluft geschützt werden
kann. Indem der Mantel eine geeignete Länge aufweist, um in Kontakt
mit der zu schweißenden Oberfläche des
Werkstücks
zu kommen, ermöglicht es
dieser Mantel auch, das Gas des Primärstroms und des Nebenstroms
oberhalb des Schweißbereichs
zurückzuhalten
und damit zugleich den Gasverbrauch und die Oxidation des Werkstücks während des
Schweißens
zu reduzieren.
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Ebenfalls
vorteilhafterweise weist der Schweißkopf ferner einen Spiegel
auf, der direkt hinter der Frontseitenöffnung angeordnet ist und den
Laserstrahl zu dieser Frontseitenöffnung hin umlenkt. Durch diese
Anordnung kann der Platzbedarf des Schweißkopfs hinter der Frontseitenöffnung verringert
werden, wodurch es möglich
wird, den Schweißkopf
zwischen die zu schweißenden
Oberflächen
und ein nahegelegenes Hindernis zu schieben, wobei mit dieser Anordnung
das zweite Problem gelöst
werden kann.
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Insbesondere
beansprucht die Anmelderin einen Schweißkopf, dessen Dicke E1 zwischen
der Frontseitenöffnung
und der der Frontseitenöffnung gegenüberliegenden
Wandung geringer ist als 50 mm.
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Die
Erfindung geht näher
aus einer genauen Beschreibung eines Ausführungsbeispiels und den beigefügten Figuren
hervor.
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1 zeigt
einen Schweißkopf,
der am Ende einer Schweißvorrichtung
angebracht ist, die durch eine Lichtleitfaser mit Licht versorgt
wird.
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2 stellt
den eigentlichen Schweißkopf
im Einzelnen dar.
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Es
wird zunächst
auf 1 Bezug genommen. Die Schweißvorrichtung 10 weist
einen Schweißkopf 12 auf,
der von einer Wandung 14 gebildet wird, die einen Hohlraum 16 umgibt,
wobei die Wandung 14 lichtdicht ist, wobei die Wandung 14 jedoch
eine sogenannte „Einlassöffnung" 18 und
eine sogenannte „Frontseitenöffnung" 20 aufweist,
wobei ein Laserstrahl 22 in der Lage ist, durch die Einlassöffnung 18 in
den Hohlraum 16 einzudringen und aus diesem Hohlraum 16 durch
die Frontseitenöffnung 20 wieder
auszutreten, indem er einen optischen Weg 24 verfolgt.
Der Schweißkopf 12 weist
ferner eine Versorgung 26 auf, die an eine Quelle für neutrales, unter
Druck stehendes Gas angeschlossen werden kann, beispielsweise Argon,
wobei diese Versorgung 26 in diesem Beispiel eine Leitung
ist, die durch die Wandung 14 verläuft und in den Hohlraum 16 mündet.
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In
diesem Beispiel sind die Einlassöffnung 18 und
die Frontseitenöffnung 20 eben,
kreisförmig
und auf den optischen Weg 24 zentriert, welcher ihre Geometrieachsen
bildet. Die Einlassöffnung 18 und
die Frontseitenöffnung 20 stehen
im rechten Winkel zueinander. Ein Spiegel 28 ist in dem
Hohlraum 16 auf dem optischen Weg 24 angeordnet.
Der Spiegel 28 lenkt den Laserstrahl um 90° um, um ihn
zur Frontseitenöffnung 20 zu
leiten. Natürlich
muss der Spiegel 28 hohen Temperaturen standhalten. Er
kann beispielsweise aus ZnSe, aus Kupfer mit Kühlungskreislauf oder „dielektrisch" sein.
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Die
Schweißvorrichtung 10 weist
ferner einen allgemein länglich
geformten abgeschlossenen Raum 30 auf, dessen entgegengesetzte
Enden mit den Bezugszahlen 30a und 30b bezeichnet
sind. Eine Laserlichtquelle 32 ist an einem ersten Ende 30a angeordnet
und produziert den Laserstrahl 22, der das Innere des abgeschlossenen
Raums 30 durchquert, indem er dem optischen Weg 24 folgt, wobei
der Laserstrahl 22 an dem anderen Ende 30b ankommt,
an dem der Schweißkopf 12 angebracht ist,
wobei das Ende 30b die Einlassöffnung 18 umgibt,
wobei der Laserstrahl 22 auf diese Weise vom Inneren des
abgeschlossenen Raums 30 in den Hohlraum 16 des
Schweißkopfs 12 gelangen
kann.
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In
diesem Beispiel ist die Laserlichtquelle 32 punktuell und
wird von einer Lichtleitfaser gebildet, die das Laserlicht von einem
entfernten, nicht dargestellten Generator mit ihrem Ende 32a ins
Innere des abgeschlossenen Raums 30 führt. In diesem Beispiel wird
ferner das Ende 30a des abgeschlossenen Raums 30 von
einem Fußteil 34 gebildet,
das die Laserlichtquelle 32 hält, wobei dieses Fußteil 34 bis zum
anderen Ende 30b von einem geraden Rohr 36 fortgesetzt
wird, wobei das gerade Rohr 36 an dem Fußteil durch
Schrauben ohne Bezugszahlen angebracht ist. Der Schweißkopf 12 ist
ebenfalls am Ende des geraden Rohrs 36 angebracht. Bei
einer bevorzugten Ausführungsform
ist die Verbindung zwischen dem Schweißkopf 12 und dem abgeschlossenen Raum 30 abnehmbar,
damit Schweißköpfe 12 mit
unterschiedlichen Geometrien mit geraden Rohren 36 von
unterschiedlichen Längen
kombiniert werden können.
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Die
Schweißvorrichtung 10 enthält auf dem optischen
Weg 24 ein Optiksystem 42, das den Laserstrahl 22 auf
einen Brennpunkt 44 vor der Frontseitenöffnung 20 außerhalb
des Schweißkopfs 12 bündelt, wobei
dieser Brennpunkt 44 sich auf dem optischen Weg 24 befindet.
Falls die Laserlichtquelle 32 punktuell ist, ist das Optiksystem 42 konvergent und
ergibt an diesem Brennpunkt 44 ein Realbild von der Laserquelle 32.
Ferner umfasst das konvergente Optiksystem 42 zwei Konvergenzlinsen.
Die erste Linse, eine sogenannte Kollimatorlinse 46, formt
den divergierenden Laserstrahl, der aus dem Ende 32a der
Lichtleitfaser kommt, in einen parallelen Strahl um, wobei die zweite
Linse 48, eine sogenannte Fokussierungslinse, diesen parallelen
Strahl in einen auf den Brennpunkt 44 konvergierenden Lichtstrahl umformt.
Diese Anordnung ermöglicht
es, gerade Rohre 36 von unterschiedlichen Längen zu
verwenden, ohne dass sich die Position des Brennpunkts 44 gegenüber der
Frontseitenöffnung 20 und
der Schweißkopf 12 ändert, solange
die relative Position der Kollimatorlinse zum Ende 32a der
Laserlichtquelle sowie die relative Position der Fokussierungslinse 48 zum
Schweißkopf 12 unverändert bleiben.
Bei diesem Beispiel umfasst das Optiksystem 42 auch ein Prisma 49,
das zwischen der Kollimatorlinse 46 und der Fokussierungslinse 48 nahe
bei der letzteren angeordnet ist, wobei das Prisma 49 den
Laserstrahl 22 in seinem zylindrischen Abschnitt über die
Hälfte
von dessen Querschnitt schneidet, wobei das Prisma 49 die
Hälfte
des Laserstrahls 22 leicht auf einen zweiten Brennpunkt
umlenkt, der kein Bezugszeichen besitzt und zu dem Brennpunkt 44 leicht
versetzt ist, wobei diese Anordnung an sich bekannt ist.
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Es
wird nun der Schweißkopf
eingehender beschrieben, und es wird dabei gleichzeitig auf 1 und 2 Bezug
genommen.
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Die
Versorgung 26 produziert einen Gasstrom 50, den
sogenannten „Primärstrom". Der Schweißkopf 12 ist
oberhalb der Oberflächen 52a der zu
schweißenden
Werkstücke 52 positioniert,
wobei der Brennpunkt 44 sich auf diesen Oberflächen 52a befindet,
wobei der Schweißkopf 12 einer
Verschiebung parallel zu den Oberflächen 52a unterzogen wird,
wobei diese Verschiebung durch den Geschwindigkeitsvektor 54 dargestellt
ist. Unter der Wärmeeinwirkung
des Laserstrahls 22 verflüssigt sich das Metall in der
Nähe des
Brennpunkts 44 und wird dann wieder fest, um die Schweißnaht 58 zu
bilden. Mit der Bezugszahl 56 wird das flüssige Metall bezeichnet,
das sich während
des Schweißens
in der Nähe
des Brennpunkts 44 bildet. Dieses flüssige Metall gibt Dampfe und
Spritzer ab, die durch die Frontseitenöffnung 20 gelangen,
in den abgeschlossenen Raum 16 des Schweißkopfs 12 eindringen
und in Berührung
mit dem Spiegel 28 kommen können, der sich direkt hinter
der Frontseitenöffnung 20 befindet. Wenn
man die Starke des Primärstroms 50 erhöht, um zu
verhindern, dass die Dampfe und Spritzer des schmelzenden Metalls 56 in
den abgeschlossenen Raum 16 eindringen, dann trifft der
Primärstrom 50 natürlich mit
einer zu großen
Geschwindigkeit auf das flüssige
Metall 56, was dessen Verformung ja sogar dessen Zerstreuen
bewirkt und so die sich gerade bildende Schweißnaht 58 verformt.
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Der
Schweißkopf 12 weist
eine Düse 60 auf, die
an eine nicht dargestellte Druckgas-Quelle angeschlossen werden kann, wobei
diese Düse
so positioniert ist, dass sie einen sogenannten Neben-Druckgasstrom 62 abgibt,
der vor der Frontseitenöffnung 20 und
quer zu dieser fließt.
Der Nebengasstrom 62 bestreicht die gesamte Fläche der
Frontseitenöffnung 20,
ohne jedoch durch diese Frontseitenöffnung 20 ins Innere
des abgeschlossenen Raums 16 einzudringen. Der Nebengasstrom 62 kommt
daher vor der Frontseitenöffnung 20 mit
dem Primärgasstrom 50 im Wesentlichen
im rechten Winkel zu dem optischen Weg 24 in Kollision,
wobei der Nebengasstrom 62 den Primärgasstrom 50 auf diese
Weise umlenkt, so dass dieser nicht mehr direkt auf das flüssige Metall 56 treffen
und dessen Zerstreuen bewirken kann. Mit dem Begriff „Frontseitenwandung" 64 wird
die Außenfläche der
Wandung 14 des Schweißkopfs 12 bezeichnet,
die sich um die Frontseitenöffnung 20 herum
befindet. Die Frontseitenwandung 64 ist praktisch eben
und steht im rechten Winkel zu dem optischen Weg 24, wo
er durch die Frontseitenöffnung 20 verläuft. Die
Düse 60 ist
an der Frontseitenwandung 64 befestigt, aber zur Frontseitenöffnung 20 außermittig angeordnet.
Die Düse 60 ist
aber zur Frontseitenöffnung 20 hin
gerichtet und erzeugt den Nebengasstrom 62 quer zur Frontseitenöffnung 20 und
parallel zur Frontseitenwandung 64.
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Ferner
wird vor der Frontseitenöffnung 20 ein ebener,
dünner
Schutzschild 66 parallel zu der Frontseitenwandung 64 und
damit im rechten Winkel zu dem optischen Weg 24 angeordnet,
wobei die Düse 60 sich
zwischen der Frontseitenwandung 64 und dem Schutzschild 66 befindet,
wobei durch den Schutzschild 66 ein Loch 68 gebohrt
ist, das auf den optischen Weg 24 zentriert ist, wobei
sich der Schutzschild 66 näher an der Frontseitenwandung 64 befindet
als der Brennpunkt 44. Dieser Schutzschild ist aus einem
wärmebeständigen Werkstoff
gefertigt, beispielsweise aus Nobelium. Ein solcher Schutzschild
bietet mehrere Vorteile:
- – Erstens kanalisiert er den
Nebengasstrom 62 und den Primärgasstrom 50 parallel
zur Frontseitenwandung 64, wodurch der Schutz des flüssigen Metalls 56 vor
dem Primärgasstrom 50 verbessert
wird.
- – Zweitens
bildet er ein Hindernis gegen die Dämpfe und Spritzer des schmelzenden
Metalls 56, wodurch die Verkrustung des Schweißkopfs 12 selbst
vermieden werden kann.
- – Drittens
bildet er ein Hindernis gegen die Dämpfe und Spritzer des schmelzenden
Metalls, die sonst zwischen die Frontseitenöffnung 20 und die Düse 60 gelangen
und dann durch den Nebengasstrom 62 zur Frontseitenöffnung 20 hin
umgelenkt würden.
So wird durch diese zusätzliche Hinderniswirkung
trotz des Lochs, das sich auf dem optischen Weg befindet, der Schutz
der Optik-Komponenten, insbesondere des Spiegels 28, vor
den Dämpfen
und Spritzern von schmelzendem Metall 56 durch den Schutzschild 66 noch weiter
verbessert.
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Dieser
Schutzschild kann aus Nobelium, aus einer Metalllegierung, deren
Hauptbestandteil Nobelium ist, oder aus einer Superlegierung auf
Nickelbasis bestehen. Das Loch 68 und die Frontseitenöffnung 20 sind
in Bezug auf den Brennpunkt 44 vorzugsweise gleich angeordnet,
so dass ihre Abmessungen auf das absolut Notwendige für den Durchlass
des Laserstrahls 22 beschränkt werden können.
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Ferner
wird ein Mantel 70 vorgesehen, der den Laserstrahl 22 zwischen
der Frontseitenöffnung 20 und
dem Brennpunkt 44 umgibt, wobei eine Ende des Mantels bis
zu der Frontseitenwandung 64 hinauf reicht und eine Öffnung bildet,
die die Frontseitenöffnung 20 umgibt,
während
das andere Ende des Mantels eine sich erweiternde Öffnung um
den Brennpunkt 44 herum bildet, wobei dieser Mantel 70 aus
einem wärmebeständigen,
insbesondere gegen Spritzer von flüssigem Metall 56 beständigen Werkstoff besteht,
wobei dieser Mantel seitlich gasdicht ist, wobei dieser Mantel ferner
die Düse 60 und
den Schutzschild 66 umgibt, wobei ein Zwischenraum 74 zu
dem der Düse 60 gegenüberliegenden
Rand 66a des Schutzschilds 66 hin bleibt. Der
Mantel weist eine geeignete Höhe
auf, damit sein sich erweiterndes Ende 70a während des
Schweißens
mit der Oberfläche 52a des
zu schweißenden
Werkstücks 52 fluchtet. Der
Mantel 70 führt
und hält
die Primär-
und Nebenströme 50, 62 oberhalb
des flüssigen
Metalls 56, indem er sie durch den oben bestimmten Zwischenraum 74 strömen lässt. Das
so geführte
Gas schützt die
zu schweißende
Oberfläche 52a um
das flüssige Metall 56 herum
auf wirksame Weise. Dieses Gas strömt sodann zwischen dem Mantel 70 und
den zu schweißenden
Oberflächen 52a.
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Während des
Schweißens
wird der Schweißkopf
vorzugsweise in der Richtung des aus der Düse 60 austretenden
Nebenstroms 62 verschoben. Auf diese Weise kommen die vereinten
Primär-
und Nebenströme 50, 62 mit
verringerter Geschwindigkeit parallel zu der sich gerade bildende
Schweißnaht 58 an,
wodurch verhindert wird, dass sie sich verformt.
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In
der Praxis ist der Schutzschild abnehmbar, um gereinigt oder ausgetauscht
zu werden, wenn er durch die Dämpfe
und Spritzer von flüssigem
Metall zu stark verkrustet ist. Ist der Schweißkopf stark miniaturisiert,
dann kann er von zwei Schrauben gehalten werden, die in die Frontseitenwandung
eingeschraubt werden, wobei die Düse zwischen dem Schutzschild
und der Frontseitenwandung in Sandwich-Anordnung vorgesehen wird.
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Der
Mantel ist aus einem eng gewebten Glasfasergewebe ausgeschnitten,
wobei dieser Mantel an seiner Außenseite mit einer Silikonelastomerschicht überzogen
ist, die hochtemperaturfest ist, wobei diese Werkstoffe handelsüblich sind.
Ein solcher Mantel ist biegsam und rissfest zugleich. Außerdem gewährleistet
das Silikonelastomer die Gas-Dichtigkeit des Mantels, und das Glasfasergewebe
schützt das
Silikonelastomer vor den Dämpfen
und Spritzern von schmelzendem Metall sowie vor der Wärmestrahlung.
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Die
Erfindung hat es ermöglicht,
die Schweißvorrichtung
stark zu miniaturisieren. Deswegen beansprucht die Anmelderin ferner
eine Schweißvorrichtung
mit einem Schweißkopf
gemäß dieser
Erfindung, dessen Dicke E1, entlang der Geometrieachse 24a der
Frontseitenöffnung
höchstens 50
mm beträgt.
Im Falle eines Schweißkopfs 12 mit Mantel 70 entspricht
dieser Platzbedarf in der Praxis dem Abstand zwischen der sich erweiternden Öffnung 70a des
Mantels 70 und der Außenseite 76 der Wandung 14 hinter
der Frontseitenöffnung 20.
So ermöglicht
es die Schweißvorrichtung 10,
Oberflächen 52a von
Werkstücken 52 zu
schweißen,
obwohl sich ein Hindernis 78 in einem Abstand E1 über den
zu schweißenden
Oberflächen 52a befindet.
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Diese
Erfindung hat es insbesondere ermöglicht, einen Schweißkopf auszuführen, der
durch einen YAG-Laser mit 4 kW gespeist wird und dennoch nur einen
Freiraum von 24 mm über
den zu schweißenden
Oberflächen 52a erfordert.