DE69507575T3 - Verfahren und Vorrichtung zur Zufuhr von Stickstoff zu einer Laserstrahlmaschine - Google Patents
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Description
- Die vorliegende Erfindung betrifft eine Laserstrahlmaschine nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
- Wie es gut bekannt ist, ist eine Laserstrahlmaschine mit einem Laserstrahloszillator und einem Laserstrahlkopf versehen. Des weiteren ist eine Mehrzahl gebogener Spiegel zwischen dem Laserstrahloszillator und dem Laserstrahlkopf vorgesehen, um den Laserstrahl, der von dem Laserstrahloszillator erzeugt wird, zu dem Laserstrahlkopf zu leiten.
- Hier wird der Laserstrahlpfad von dem Laserstrahloszillator zu dem Laserstrahlkopf als ein optisches Pfadsystem bezeichnet, das üblicherweise gegenüber der Außenluft durch die Verwendung eines Rohrteils zur Sicherheit und zum Staubschutz abgeteilt ist.
- Des weiteren sind in der Laserstrahlmaschine mit bewegbarem Laserstrahlkopf beide unter Verwendung von Balgen oder einem Teleskoprohr, usw. verbunden, da sich die optische Pfadlänge von dem Laserstrahloszillator zu dem Laserstrahlkopf ändert. Des weiteren wird, um zu verhindern, daß Außenluft in das optische Pfadsystem eintritt, trockene, von einer Trocknungseinheit gereinigte Luft üblicherweise in das optische Pfadsystem eingeführt, um verschiedene optische Elemente, wie gebogene Spiegel, Linsen, usw. zu schützen.
- Bei der oben erwähnten, herkömmlichen Konstruktion der Laserstrahlmaschine ist Staub äußerst gering verglichen mit der Außenluft, da trockene und reine Luft dem optischen Pfadsystem zugeführt wird, um zu verhindern, daß Außenluft in das optische Pfadsystem eintritt. Jedoch gibt es ein Problem dahingehend, daß sich die optischen Elemente durch Sauerstoff oder eine sehr geringe Menge Feuchtigkeit verschlechtern, die in der trockenen und reinen Luft enthalten ist, wenn die Laserstrahlmaschine während mehrerer Stunden verwendet worden ist.
- Des weiteren wird ein Hilfsgas, wie Luft, Sauerstoff, Stickstoff, Argon, usw., üblicherweise bei der Laserstrahlbearbeitung verwendet, das entsprechend der Art des Plattenmaterials, den Laserstrahlbearbeitungsbedingungen, usw. geeignet ausgewählt wird.
- Luft, Sauerstoff und Stickstoff werden im allgemeinen jedoch als das Hilfsgas verwendet, weil Argon teuer ist (mit Ausnahme des Falls, bei dem das zu bearbeitenden Material Titan ist).
- In dem Fall, in dem Luft als das Hilfsgas verwendet wird, kann Druckluft ohne weiteres durch Verwendung eines Kompressors erhalten werden. In dem Fall von Sauerstoff oder Stickstoff jedoch müssen eine Sauerstoffflasche oder eine Stickstoffflasche hergestellt werden, so daß das Hilfsgas nicht wirtschaftlich ist.
- Um diese Probleme zu überwinden, offenbart JP-A-05 084590, die eine Laserstrahlmaschine nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 repräsentiert, ein Verfahren und eine Vorrichtung, wobei Sauerstoff und Stickstoff in Luft voneinander durch eine Lufttrennvorrichtung getrennt werden, so daß der abgetrennte Sauerstoff und Stickstoff als das Hilfsgas verwendet werden können. Bei diesem Verfahren kann, da Sauerstoff und Stickstoff in Luft nach der Trennung ohne Verwendung irgendwelcher Gasflaschen verwendet werden kann, das Hilfsgas zu relativ niedrigen Kosten erhalten werden.
- Bei dem oben erwähnten Verfahren und Vorrichtung besteht jedoch, da der Druck des Hilfsgases, das dem Laserstrahlkopf zugeführt wird, entsprechend den Laserstrahlbearbeitungsbedingungen eingestellt werden muß, ein anderes Problem dahingehend, daß sich die Reinheit des Sauerstoffs oder Stickstoffs, die durch die Lufttrennvorrichtung getrennt worden sind, ändert, wenn immer der Hilfsgasdruck eingestellt wird mit dem Ergebnis, daß ein schädlicher Einfluß auf die Laserstrahlbearbeitung erzeugt wird.
- Sich dieser Probleme bewusst, ist es deshalb die Zielsetzung der vorliegenden Erfindung, die Qualität eines Laserstrahls in einer Laserstrahlmaschine zu verbessern, um das optische Pfadsystem zuverlässiger gegenüber einer Verschlechterung (aufgrund von Oxidation, Feuchtigkeit usw.) statt durch trockene und reine Luft zu schützen.
- Um die erwähnte Zielsetzung zu erreichen, schafft die vorliegende Erfindung eine Laserstrahlmaschine gemäß Anspruch 1.
- Des weiteren wird bevorzugt, daß die Laserstrahlmaschine ferner umfaßt: einen ersten Filter zur Entfernung von Staub aus der Druckluft, bevor die Druckluft der genannten Lufttrennvorrichtung zugeführt wird; und einen zweiten in der genannten ersten Leitungseinrichtung angeordneten Filter zur Entfernung von Ölnebel, der in dem stickstoffreichen Gas enthalten ist, bevor das stickstoffreiche Gas in die optische Pfadabdeckung des optischen Pfadsystems der Laserstrahlmaschine eingeführt wird.
- In der Laserstrahlmaschine gemäß der vorliegenden Erfindung ist es, da das stickstoffreiche Gas, das eine äußerst geringe Menge an Sauerstoff und Feuchtigkeit enthält, dem optischen Pfadsystem unter einem höheren Druck als der Atmosphärendruck zugeführt wird, möglich, wirksam einen Brandunfall des optischen Pfadsystems zu verhindern und die optischen Teile gegenüber einer Verschlechterung aufgrund von Oxidation und Feuchtigkeit verglichen mit der herkömmlichen trockenen Luft zu schützen.
- Des weiteren ist es in der Laserstrahlmaschine gemäß der vorliegenden Erfindung, da das stickstoffreiche Gas ebenfalls dem Laserstrahlkopf als ein Hilfsgas zugeführt wird, möglich, das stickstoffreiche Gas wirksam zu nutzen, das durch die Lufttrennvorrichtung abgetrennt worden ist.
- Des weiteren ist es in der Laserstrahlmaschine gemäß der vorliegenden Erfindung möglich, da das stickstoffreiche Gas dem Laserstrahlkopf als ein Hilfsgas zugeführt wird, indem die Reinheit des stickstoffreichen Gases oder des sauerstoffreichen Gases auf einem erwünschten konstanten Wert oder innerhalb eines vorbestimmten Bereiches (z. B. 94 bis 99,5 %) die ganze Zeit gehalten wird, das Auftreten von Metallzunder während der Laserstrahlverarbeitung zu verhindern.
- Des weiteren ist es in der Laserstrahlmaschine gemäß der vorliegenden Erfindung, da der erste Filter zur Entfernung von Staub aus der Luft, die der Lufttrennvorrichtung zugeführt wird, und der zweite Filter zum Entfernen von Ölnebel aus dem abgetrennten Stickstoff, der der optischen Pfadabdeckung zugeführt wird, vorgesehen sind, möglich, die Lebensdauer der optischen Teile des optischen Pfadsystems zu verbessern.
- Kurze Beschreibung der Zeichnungen:
-
1 ist eine schematische Darstellung, die eine erste Ausführungsform der Laserstrahlmaschine gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt; -
2A und2B sind Darstellungen zur Unterstützung bei der Erklärung des Ölnebel-Anhafttestverfahrens bzw. der Testergebnisse; - Ausführungsformen der Laserstrahlmaschine gemäß der vorliegenden Erfindung werden hier unten unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben.
- In
1 ist die Laserstrahlmaschine1 mit einem Laserstrahloszillator3 und einem Laserstrahlkopf7 versehen, der eine Kondensatorlinse5 aufweist. Der Laserstrahloszillator3 ist mit dem Laserstrahlkopf7 über ein optisches Pfadsystem13 verbunden, das aus einer Mehrzahl gebogener Spiegel9 und einer optischen Abdeckung11 zusammengesetzt ist. Die gebogenen Spiegel9 führen einen Laserstrahl LD, der durch den Laserstrahloszillator3 erzeugt wird, zu dem Laserstrahlkopf7 . Die optische Abdeckung11 ist ein geeignetes Rohrteil, Balgen, Teleskoprohr, usw. Des weiteren ist das optische Pfadsystem13 das gleiche wie in dem Fall des Standes der Technik, so daß irgendeine ausführliche Beschreibung von ihm hier unterlassen wird. - Zusätzlich ist eine Lufttrennvorrichtung
15 vorgesehen, um Sauerstoff und Stickstoff von der Druckluft abzutrennen. Das abgetrennte, stickstoffreiche Gas wird in die optische Pfadabdeckung11 eingebracht, um das optische Pfadsystem13 zu schützen. Die Lufttrennvorrichtung15 ist ein Modul, in dem eine große Anzahl hohler Fäden (aus Polyimid gebildet) als ein Paket innerhalb eines Behälters angeordnet ist. Die hohle Polyimidfasermembrane ist mit einer solchen Funktion versehen, daß Sauerstoff leichter als Stickstoff hindurchdringen kann. - Deshalb ist es, wenn Druckluft in die Lufttrennvorrichtung
15 durch eine Einlaßöffnung15A eingebracht wird, und deshalb durch die hohlen Fäden fließt, da Sauerstoff, Feuchtigkeit und Ölnebel der Druckluft selektiv durch die Membranen der hohlen Polyimidfäden hindurchgehen, möglich, ein stickstoffreiches Gas (Reinheit: 94 bis 99,5 %) von einer ersten Auslaßöffnung15B zu erhalten. Andererseits werden der hindurchgegangene Sauerstoff, Feuchtigkeit und Ölnebel durch eine zweite Auslaßöffnung15C als ein sauerstoffreiches Gas ausgetragen. Das oben erwähnte, stickstoffreiche Gas (durch Entfernen von Sauerstoff, Feuchtigkeit und Ölnebel aus der Luft erhalten) ist trockenes Gas (Stickstoff), die einen Taupunkt von ungefähr –50 Grad unter Atmosphärendruck aufweist. Im Vergleich mit dem üblichen Kühlschranktrockner, der einen Taupunkt von ungefähr –10 Grad unter Atmosphärendruck aufweist, kann man verstehen, daß das stickstoffreiche Gas äußerst vorteilhaft ist, wenn es verwendet wird, das optische Pfadsystem13 zu schützen. - Um Druckluft in die Lufttrennvorrichtung
15 einzuführen, wird eine Druckquelle17 , wie ein Kompressor, vorgesehen. Des weiteren ist ein Filter19 zwischen der Druckquelle17 und der Einlaßöffnung15A der Lufttrennvorrichtung15 verbunden, um Staub und Ölnebel zu entfernen, die in der Hochdruckluft enthalten sind, die durch die Druckquelle17 erhalten wird. - Des weiteren ist, um das stickstoffreiche Gas, das von der Druckluft durch die Lufttrennvorrichtung
15 abgetrennt worden ist, in die optische Pfadabdeckung11 des optischen Pfadsystems13 einzubringen, eine Leitung (Rohr23 ) zwischen der ersten Auslaßöffnung15B der Lufttrennvorrichtung15 und einer Verbindungsöffnung21 der optischen Pfadabdeckung11 verbunden. Des weiteren ist die zweite Auslaßöffnung15C der Lufttrennvorrrichtung15 zum Atmosphärendruck geöffnet. - In der oben erwähnten Konstruktion wird die Druckluft der Druckquelle
17 , nachdem sie durch den Filter19 zur Entfernung von Staub- und Ölnebel hindurchgegangen ist, der Lufttrennvorrichtung15 durch die Einlaßöffnung15A hindurch zugeführt. Die dem Lufttrennvorrichtung15 durch die Einlaßöffnung15A hindurch zugeführte Druckluft wird in Sauerstoff (der Feuchtigkeit, restlichen Ölnebel enthält (die durch den Filter19 hin durchgegangen sind)) und Stickstoff getrennt, wenn sie durch die hohlen Fadenmembranen hindurchgeht. Als Ergebnis ist es möglich, ein stickstoffreiches Gas (Reinheit: 94 bis 99,5 %) durch die erste Auslaßöftnung15B hindurch bzw. das sauerstoffreiche Gas zu erhalten, das durch die zweite Auslaßöffnung15C der Lufttrennvorrrichtung15 hindurchgegangen ist. - In diesem Fall ist es, da das stickstoffreiche Gas trockene Luft mit einem Taupunkt von ungefähr –50 Grad unter Atmosphärendruck aufweist, wenn es der optischen Pfadabdeckung
11 des optischen Pfadsystems13 durch die Leitung23 zugeführt wird, möglich, den Druck innerhalb der optischen Pfadabdeckung11 höher als den Atmosphärendruck beizubehalten. - In anderen Worten ist es, da die optische Abdeckung
11 bei einem höheren als dem Atmosphärendruck gehalten wird und des weiteren mit stickstoffreichem Gas gefüllt ist, die äußerst wenig Sauerstoff enthält (Stickstoffreinheit: 94 bis 99,5 %) möglich, die optische Abdeckung11 gegenüber einem Brandunfall oder die optischen Teile (z. B. die gebogenen Spiegel9 ) gegenüber einer Verschlechterung (z. B. aufgrund von Oxidation oder Feuchtigkeit) wirksamer im Vergleich mit dem herkömmlichen Fall zu schützen, bei dem die trockene Luft dem optischen Pfadsystem zugeführt wird. - In der obigen Beschreibung wird das stickstoffreiche Gas einfach in die optische Pfadabdeckung
11 zum Schutz des optischen Pfadsystems13 eingeführt. Hier jedoch ist es möglich, zu überlegen, daß das trockene Gas unmittelbar auf die gebogenen Spiegel9 geblasen werden kann, um die Oberflächen der gebogenen Spiegel9 zu reinigen. Um die Möglichkeit des direkten Blasens des trockenen Gases gegen die gebogenen Spiegel9 zur Oberflächenreinigung zu prüfen, wurden die folgenden Tests gemacht:
Wie es in2(A) gezeigt ist, ist eine Testleitung27 mit der ersten Auslaßöftnung15B der Lufttrennvorrrichtung15 statt der Leitung23 verbunden. Ein Testspiegel25 wird in die Luft in einem Abstand von ungefähr 50 mm von einem Ende27E der Testleitung27 entfernt gehalten. Des weiteren ist eine kegelförmige Abdeckung29 nahe dem Ende der Testleitung27 angebracht, um zu verhindern, daß Außenluft eingeführt wird. - In der oben erwähnten Konstruktion wurde das stickstoffreiche Gas gegen den Testspiegel
25 geblasen. In diesem Test jedoch wurde bestätigt, daß einiger Ölnebel31 auf der Oberfläche des Testspiegels25 nach ungefähr sechs Stunden anhaftete. - Der oben erwähnte Test gibt an, daß das stickstoffreiche Gas weiterhin eine geringe Menge Ölnebel enthält. Deshalb besteht, wenn das stickstoffreiche Gas unmittelbar gegen die gebogenen Spiegel
9 geblasen wird, um deren Oberfläche zu reinigen, obgleich die gebogenen Spiegel9 nicht in kurzer Zeit verschlechtert werden, die Möglichkeit, daß die gebogenen Spiegel9 nach der Verwendung einer längeren Zeit verschlechtert werden (z. B. sieben Stunden oder länger). - Um das oben erwähnte Problem zu überwinden, wurde, wie es in
2(B) gezeigt ist, ein Filter33 , der aktiven Kohlenstoff (Holzkohle) aufwies, auf halber Strecke mit der Testleitung27 verbunden, und ein ähnlicher Test wurde ausgeführt. In diesem Fall wurde bestätigt, daß kein Ölnebel auf der Oberfläche des Prüfspiegels25 selbst nach 400 Stunden bestätigt wurde. Der oben erwähnte Test gibt an, daß es äußerst wirksam ist, Ölnebel unter Verwendung des Filters33 mit aktivem Kohlenstoff zu entfernen. - Demgemäß ist es in der Laserstrahlmaschine, die in
1 gezeigt ist, erwünscht, den Filter33 , der aktiven Kohlenstoff aufweist, mit der Leitung23 zu verbinden, um sicher eine kleine Menge Ölnebel zu entfernen, die noch in dem stickstoffreichen Gas zurückbleibt. - Hier ist es auch möglich, den Filter
33 , der aktiven Kohlenstoff aufweist, zwischen den Filter19 und die Einlaßöffnung15A der Lufttrennvorrrichtung15 einzufügen. In diesem Fall wird jedoch, da die gesamte Menge Druckluft, die der Lufttrennvorrichtung15 zugeführt wird, gefiltert werden muß, bevorzugt, den Filter33 auf der Seite der Leitung23 im Hinblick auf die Lebensdauer des Filters33 einzufügen. - Andererseits wird der Druck innerhalb der optischen Pfadabdeckung
11 des optischen Systems13 höher als der Atmosphärendruck (Außenluftdruck) gehalten. In diesem Fall ist es möglich, die optische Pfadabdeckung11 derart zu konstruieren, daß ein Teil des zugeführten stickstoffreichen Gases nach außen durch einen geeigneten Zwischenraum ausgebracht werden kann, der zwischen den Verbindungsabschnitten einiger Elemente der optischen Pfadabdeckung11 gebildet wird. Bei dieser Ausführungsform jedoch wird, um den Druck innerhalb der optischen Pfadabdeckung11 auf einem stabilen, konstanten Wert beizubehalten, eine Austragsöffnung34 an einer Position der optischen Pfadabdeckung11 gebildet, und des weiteren ist ein Ablaßventil35 mit dieser Austragsöffnung34 verbunden. - Als Ergebnis ist es, da der Innendruck innerhalb der optischen Pfadabdeckung
11 auf einen konstanten Wert durch das Ablaßventil35 eingestellt werden kann, selbst wenn das Volumen der optischen Pfadabdeckung11 verringert oder vergrößert wird, und dadurch sein Innendruck erhöht oder verringert wird, wenn der Laserstrahlkopf7 bewegt wird, möglich, stets den Innendruck innerhalb der optischen Pfadabdeckung11 auf einem konstanten Druckwert beizubehalten. Deshalb ist es möglich, zu verhindern, daß die gebogenen Spiegel9 aufgrund von Schwankungen des Innendrucks gestört werden. - Des weiteren ist bei der vorliegenden Erfindung, da das stickstoffreiche Gas wirksam als ein Schutzgas für das optische Pfadsystem
13 verwendet wird, die Austragsöffnung34 der optischen Pfadabdeckung11 mit dem Laserstrahlkopf7 über eine Leitung39 verbunden, die ein in ihrer Mitte verbundenes Sperrventil37 aufweist. In anderen Worten ist es möglich, das stickstoffreiche Gas in der optischen Pfadabdeckung11 als ein Hilfsgas nach Bedarf zu verwenden. In diesem Fall kann das stickstoffreiche Gas wirksamer verwendet werden. - Des weiteren ist es auch möglich, ein Abzweigungsrohr
41 , das ein Drosselventil34 aufweist, zwischen der Leitung23 und dem Laserstrahlkopf7 zu verbinden, so daß das stickstoffreiche Gas unmittelbar dem Laserstrahlkopf7 als ein Hilfsgas zugeführt werden kann. In diesem Fall ist es, solange die Menge an stickstoffreichem Gas in der Leitung23 ausreichend ist, möglich, das stickstoffreiche Gas als das Hilfsgas zu verwenden, ohne einen schädlichen Einfluß auf den Druck innerhalb der optischen Pfadabdeckung11 auszuüben (kein Ausführungsbeispiel der Erfindung). - Industrielle Anwendbarkeit
- Wie es oben beschrieben worden ist, ist es in der Laserstrahlmaschine gemäß der vorliegenden Erfindung, da das stickstoffreiche Gas, das eine äußerst geringe Menge an Sauerstoff und Feuchtigkeit enthält, dem optischen Pfadsystem unter einem höheren Druck als der Atmosphärendruck zugeführt wird, möglich, wirksam einen Brandunfall des optischen Pfadsystems zu verhindern und die optischen Teile gegenüber einer Verschlechterung aufgrund von Oxidation und Feuchtigkeit im Vergleich zu herkömmlicher trockener Luft zu schützen.
- Des weiteren ist es bei der Laserstrahlmaschine gemäß der vorliegenden Erfindung, da das stickstoffreiche Gas auch dem Laserstrahlkopf als ein Hilfsgas zugeführt wird, möglich, das stickstoffreiche Gas, das durch die Lufttrennvorrichtung abgetrennt worden ist, wirksam zu verwenden.
- Ferner ist es bei der Laserstrahlmaschine gemäß der vorliegenden Erfindung, da das stickstoffreiche Gas dem Laserstrahlkopf als ein Hilfsgas zugeführt wird, indem die Reinheit des stickstoffreichen Gases oder des sauerstoffreichen Gases auf einem erwünschten konstanten Wert oder innerhalb eines vorbestimmten Bereiches (z. B. 94 bis 99,5 %) die ganze Zeit gehalten werden kann, möglich, das Auftreten von Metallzunder während der Laserstrahlbearbeitung zu verhindern.
- Des weiteren ist es bei der Laserstrahlmaschine gemäß der vorliegenden Erfindung möglich, da der erste Filter zur Entfernung von Staub aus der Luft, die der Lufttrennvorrichtung zugeführt wird, und der zweite Filter zur Entfernung von Ölnebel aus dem abgetrennten Stickstoff, der der optischen Pfadabdeckung zugeführt wird, vorgesehen sind, die Lebensdauer der optischen Teile des optischen Pfadsystems zu verbessern.
Claims (4)
- Laserstrahlmaschine, aufweisend: einen Laserstrahloszillator (
3 ) zur Erzeugung eines Laserstrahls, einen Laserstrahlkopf (7 ) zur Bearbeitung eines Werkstückes, und ein optisches Pfadsystem (13 ), das den Laserstrahloszillator (3 ) mit dem Laserstrahlkopf (7 ) verbindet, wobei das optische Pfadsystem (13 ) von einer optischen Pfadabdeckung (11 ) umschlossen ist, und die optische Pfadabdeckung (11 ) den Laserstrahlmaschinenkopf (7 ) mit dem Laseroszillator (3 ) verbindet, und eine Vorrichtung zur Zuführung von stickstoffreichem Gas aufweisend: eine Lufttrennvorrichtung (15 ) zur Abscheidung von Sauerstoff und Stickstoff aus komprimierter Luft; eine erste Leitungseinrichtung, die ausgebildet ist, um stickstoffreiches Gas von der Lufttrennvorrichtung (15 ) zu dem Laserstrahlmaschinenkopf (7 ) der Laserstrahlmaschine zu fördern, als Hilfsgas zur Verwendung in einem Bearbeitungsvorgang; gekennzeichnet durch eine zweite Leitungsvorrichtung zum Zuführen von stickstoffreichem Gas von der Lufttrennvorrichtung (15 ) zu der optischen Pfadabdeckung (11 ) als ein Schutzgas für ein optisches Pfadsystem (13 ), das die optische Pfadabdeckung (11 ) aufweist, wobei die erste Leitungseinrichtung eine Leitung (39 ) ist, die die optische Pfadabdeckung (11 ) mit dem Laserstrahlkopf (7 ) verbindet, zum Einführen von stickstoffreichem gas in der optischen Pfadabdeckung (11 ) in den Laserstrahlkopf (7 ) als Schutzgas. - Laserstrahlmaschine nach Anspruch 1, außerdem aufweisend: einen ersten Filter (
19 ) zur Beseitigung von Staub aus der komprimierten Luft bevor die komprimierte Luft zu der Lufttrennvorrichtung (15 ) zugeführt wird; und einen zweiten Filter (33 ) angeordnet in der zweiten Leitungseinrichtung (23 ) zum Beseitigen von Ölnebel, enthalten in dem stickstoffreichen Gas, ehe das stickstoffreiche Gas in die optische Pfadabdeckung (11 ) eingeführt wird. - Laserstrahlmaschine nach Anspruch 1 oder 2, wobei das optische Pfadsystem (
13 ) außerdem zumindest einen gebogenen Spiegel aufweist. - Laserstrahlmaschine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Druck des stickstoffreichen Gases in dem Laserpfadsystem (
13 ) auf einem Niveau höher als Atmosphärendruck gehalten wird.
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