EP3383576A1 - Laserstrahl-bearbeitungsvorrichtung mit einer einkoppelvorrichtung zum einkoppeln eines fokussierten laserstrahls in einen flüssigkeitsstrahl - Google Patents

Laserstrahl-bearbeitungsvorrichtung mit einer einkoppelvorrichtung zum einkoppeln eines fokussierten laserstrahls in einen flüssigkeitsstrahl

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Publication number
EP3383576A1
EP3383576A1 EP16802113.7A EP16802113A EP3383576A1 EP 3383576 A1 EP3383576 A1 EP 3383576A1 EP 16802113 A EP16802113 A EP 16802113A EP 3383576 A1 EP3383576 A1 EP 3383576A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
pressure
section
liquid jet
cross
chamber
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
EP16802113.7A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Jens Günter GÄBELEIN
Jeroen Hribar
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Avonisys AG
Original Assignee
Avonisys AG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Avonisys AG filed Critical Avonisys AG
Publication of EP3383576A1 publication Critical patent/EP3383576A1/de
Pending legal-status Critical Current

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    • B23K26/00—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring
    • B23K26/14—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring using a fluid stream, e.g. a jet of gas, in conjunction with the laser beam; Nozzles therefor
    • B23K26/1462—Nozzles; Features related to nozzles
    • B23K26/1464—Supply to, or discharge from, nozzles of media, e.g. gas, powder, wire
    • B23K26/1476—Features inside the nozzle for feeding the fluid stream through the nozzle
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
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    • B23K26/142—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring using a fluid stream, e.g. a jet of gas, in conjunction with the laser beam; Nozzles therefor for the removal of by-products
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    • B23K26/1435—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring using a fluid stream, e.g. a jet of gas, in conjunction with the laser beam; Nozzles therefor involving specially adapted flow control means
    • B23K26/1436—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring using a fluid stream, e.g. a jet of gas, in conjunction with the laser beam; Nozzles therefor involving specially adapted flow control means for pressure control
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    • B23K26/146—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring using a fluid stream, e.g. a jet of gas, in conjunction with the laser beam; Nozzles therefor the fluid stream containing a liquid
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    • B23K26/00—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring
    • B23K26/16—Removal of by-products, e.g. particles or vapours produced during treatment of a workpiece

Definitions

  • the invention relates! a laser beam processing apparatus according to the preamble of claim 1.
  • the laser technology is increasingly used for material processing of workpieces on the surfaces thereof and is used for cutting, drilling, welding, marking, engraving and for surface removal of material on a workpiece to be machined .
  • the advantage of laser technology is that almost all materials can be processed, such as metals, metal alloys, ceramics, even diamonds including synthetic diamonds, carbon fibers, sapphires, quartz, glass, plastics, and others.
  • the laser beam In order for the laser beam to realize the processing task reliably, the laser beam must be focused as much as possible so that sufficient energy is available for workpiece machining at the location of machining of the workpiece.
  • a laser beam which is focused is coupled into a fluid jet, which may be as thin as a human hair, or preferably.
  • the actual coupling of the laser beam into the liquid jet is realized in a coupling unit.
  • the coupling unit is known to consist of a metal chamber which is closed on the side of the focusing lens for the laser beam by means of a laser protection window. On the opposite side of the chamber carries a nozzle.
  • the liquid supplied to the coupling unit flows between the protective window and the nozzle and leaves the nozzle in the form of a liquid jet. In this case, the energy of the focused laser beam to a point in the focal plane is trapped within the liquid jet and guided to the processing site on the workpiece by means of the liquid jet.
  • the advantage of this type of application of the laser beam to the processing surface of the workpiece eliminates the need to precisely control the distance of the workpiece relative to the location of the nozzle for generating the liquid jet, since the energy required for processing in the area of the entire laminar liquid jet is present.
  • any liquid can be used which has a suitable light conductibility. Numerous measures for improving the behavior and improving the effectiveness of the laser beam used have been made for these known laser beam processing devices as part of their development and further development.
  • the coupling unit below the nozzle for the generation of the liquid jet has a passage chamber which downwardly in the direction of the exit of the liquid jet from this passage chamber a funnel-shaped taper in which a gas is introduced and which has an existing at the exit point, the gas flow-forming nozzle.
  • the gas flow at the outlet is formed by the funnel-shaped design of the passage chamber so that it envelops the liquid jet and thus largely preserved from fanning. For this it is necessary that the passage chamber is under a certain pressure.
  • the coating gas stream is intended to reduce the friction of the liquid jet to the surrounding air so as to improve the coherence of the liquid jet.
  • the envelope gas flow In order for the envelope gas flow to be fair, its pressure and flow characteristics can only be varied within relatively narrow limits.
  • the kinetic energy of which is not sufficient, especially for cavities in the workpiece in which the liquid collects quickly. Therefore, the laser beam coupled into the liquid jet must first penetrate through liquid accumulated on the workpiece surface until it reaches the surface to be processed. As a result, its workability on the workpiece surface is considerably limited.
  • WO 2015087209 A2 describes a coupling-in unit in which the gas which is to displace the liquid on the workpiece surface is separated from the liquid jet or is spaced therefrom by a certain amount.
  • This gas jet is designed as a ring beam and envelops the liquid jet. Within the ring jet of the gas, the liquid jet is formed as a free jet.
  • a so-called insert is inserted in the coupling device, by means of which a passage chamber for the liquid jet is formed, which is separated from a arranged on the outer circumference of the insert second chamber, the pressure chamber for the gas, ie separated is.
  • this known coupling device further comprises a second gas source is provided, from which to a relatively small extent, at least to a much lesser extent than for the ring beam to displace the liquid is required on the workpiece surface, an auxiliary gas is introduced into the füreriem mer for the liquid jet whose task is to protect the liquid jet in a certain way only on the surface.
  • the insert is retracted at its lower outlet end, which is arranged opposite the nozzle in which the liquid jet is generated.
  • a disadvantage of this known device is that gas particles or air particles entrained by the liquid jet, in addition to the auxiliary gas, can be carried out of the passage chamber to the outside, so that a negative pressure or vacuum can definitely arise in the passage chamber.
  • a negative pressure can cause the liquid jet, if a critical value of the negative pressure is reached in the passage chamber, possibly even completely fanned and thus its actual function is interrupted.
  • WO 2015087209 A2 according to a further exemplary embodiment describes that bores are provided in the insert between the supply line or the pressure chamber of the surface gas jet and the passage chamber for the liquid jet. These holes should compensate for the pressure in the passage chamber with respect to the external pressure.
  • these balancing bores do not take into account the circumstance, and this aspect is also not described in this known coupling device according to this prior art, that the pressure in the passage chamber from the upper region, which faces the nozzle for the generation of the liquid jet, and the lower Range from which the liquid jet emerges varies.
  • the object of the invention is therefore to overcome the disadvantages of the devices according to the prior art and to achieve a further improvement of the effectiveness of the processing and the reliability of the coupling device.
  • the laser beam processing device has a coupling device for coupling a focused laser beam into a liquid jet having a defined cross section.
  • the coupling device has a housing in which a liquid nozzle is provided, which forms the liquid jet.
  • the housing has an outlet opening through which the liquid jet previously exited and formed from the liquid nozzle emerges from the housing.
  • the cross section of the outlet opening is larger than the cross section of the liquid jet.
  • the cross-section of the at least one throttle bore and a resulting outlet opening cross-section, which is defined by the cross-section of the outlet opening is defined around the cross-section of the liquid jet jet, which no direct enclosure by a gas jet at its exit from and during its passage through the passage chamber and has also after its exit from the outlet opening, dimensioned such that there is no overpressure in the passage chamber relative to the pressure in the pressure chamber.
  • the pressure in the pressure chamber is greater than the external pressure.
  • the throttle bore is dimensioned so that there is no overpressure in the passage chamber compared to the external pressure.
  • the throttle bore realizes such an overflow from the pressure chamber into the passage chamber that a negative pressure is formed or created there which does not exceed the pressure in the pressure chamber. Since overflow of the gas from the pressure chamber into the passage chamber occurs via the throttle bore under a pressure drop due to dimensioning, it is now provided according to the invention that the cross section of the throttle bore and the resulting outlet opening cross section are dimensioned in such a way and that pressure conditions in the passage chamber are adjusted. which, even after prolonged operation, reduces the pressure to a critical pressure, otherwise the liquid jet! would break up, is avoided.
  • the kineti- see energy of the liquid jet is high enough that in the case of, for example, flat or convex surfaces to be processed, the transported with the liquid jet to the processing point water or the liquid transported there can easily run, so that in the liquid jet Coupled laser can be guided directly to the processing surface, without having to penetrate a negative impact on the effectiveness of the processing water column.
  • the average pressure in the passage chamber is slightly less than or at most equal to the ambient pressure, but in no case greater than the ambient pressure in the sense of overpressure.
  • the device can work reliably without contaminant particles getting into the interior of the passage chamber and, nevertheless, the water impinging on the workpiece surface with the liquid jet can be removed from there.
  • the Einkoppe device a so-called insert is present, which separates the passage chamber of the pressure chamber - with the exception of both chambers Drosseibohrung - .
  • the gas acting on the pressure chamber is preferably via a passage region which between the outside of the insert and the Housing is formed outwardly preferably in the form of a ring-shaped gas jet. Although this annularly formed gas jet surrounds the liquid jet, it does not touch it, at least not in the region of the exit of the liquid jet from the coupling-in device.
  • This gas jet is designed in the manner of an airjet and has such a kinetic energy that at the processing location of the laser beam on the workpiece itself in cavities present in the workpiece, the liquid accumulated there can be kept away from the processing location of the laser.
  • the separation between the passage chamber and the pressure chamber thus offers the advantage of leaving the laminar region or the laminar length of the liquid jet as undisturbed as possible until it hits the work piece on the workpiece, but equally making available an air jet by means of which to displace the existing water on the workpiece, ie, so to speak, to blow free the processing surface of the workpiece.
  • the separation of passage chamber and pressure chamber it is also possible to adjust the respectively required parameters for the liquid, the pressure conditions in the chambers as well as for the gas for the Airjet so that optimal processing results can be achieved. Since in a coupling device according to the prior art both the air jet and the liquid jet emerge from a common nozzle, which forms the air jet on the liquid jet, this independent adjustment and influencing of the parameters of the fluids is not readily possible there.
  • the throttle bores or the at least one throttle bore are preferably aligned parallel to the longitudinal axis of the insert. Other orientations of the throttle bores are also possible.
  • the resulting outlet opening cross section is greater than the cross section of the at least one throttle bore, more preferably, the resulting outlet opening cross section is approximately twice as large as the cross section of the at least one throttle bore. So that the liquid jet can pass undisturbed through the interior of the insert, which is part of the passage chamber, the diameter of the insert for the passage of the liquid jet is many times greater than the diameter of the liquid jet.
  • an aperture is provided at the outlet of the insert, so that a defined cross-section is present, which can be dimensioned in relation to the throttle bores.
  • This aperture-like indentation at the outlet of the insert serves to adjust the pressure conditions in the passage chamber according to the invention so that on the one hand no overpressure compared to the pressure in the pressure chamber occurs, but on the other hand, the opening is only so large that a backflow of contaminants in the passage chamber minimized or is eliminated and the size of the diaphragm-like opening or the diaphragm-like intake is selected so that a corresponding pressure equalization in the passage chamber at the outlet end can be realized as well as in the region of the passage chamber, which on the side of the liquid nozzle the throttle bores is formed.
  • the diameters of the throttle bores are chosen so small that in addition to the throttle effect when flowing through these throttle bores just so much pressure equalization is realized that there is no overpressure in the passage chamber with respect to the pressure in the pressure chamber or the external pressure.
  • four throttle bores also for reasons of symmetry, are present, each having a diameter of 0.4 mm, ie. real throttle holes are.
  • the cross section of each individual throttle bore is therefore 0.125 mm 2 , so that the total cross section of the throttle bores amounts to 0.5 mm 2 .
  • the resulting outlet opening in the diameter range of 1, 2 to 1, 5 mm the associated resulting outlet opening area is about 1, 1 mm 2 , which is twice as large as the total cross-sectional area of all throttle holes.
  • the throttle bores all have an equal cross section.
  • the outlet of the pressure chamber is formed concentrically to the outlet opening in the insert for the liquid jet and as a gas outlet nozzle. This arrangement results in an annularly shaped jet for the gas, wherein the interior of this gas ring, the outside of the liquid jet is not touched, that is spaced therefrom.
  • the at least one throttle bore or the plurality of throttle bores and the resulting outlet opening cross-section are dimensioned such that no negative pressure and no overpressure prevail in the passage chamber with respect to the external pressure.
  • both the throttle bore and the resulting outlet opening cross-section are dimensioned so that both cross-sections are coordinated so that in the passage chamber a negative pressure, in particular a low negative pressure prevails, but which is so large that a defined critical value is not exceeded.
  • a defined critical value is to be understood that this is the value of the negative pressure at which the liquid jet emerging from the liquid nozzle disintegrates and forms as a spray, thus no longer has a laminar length. This would interrupt the function of the laser processing device.
  • the laser processing device can work continuously without interruption and without malfunction until the processing task is fulfilled, without the device must be switched off in between times or editing must be at least temporarily set to possibly reset the device on the processing task.
  • a second aspect of the invention relates to a method of adjusting a pressure in a liquid jet passage chamber of a laser processing apparatus disposed between a liquid jet generating liquid nozzle and a housing outlet opening.
  • the coupled into the liquid jet for processing a workpiece surface laser beam exits together with the liquid jet from the liquid nozzle and passes through together with the liquid jet, the passage chamber.
  • a throttle bore is provided, which is acted upon on its side facing away from the passage chamber with a gas in a pressure chamber whose pressure is greater than the pressure in the passage chamber, preferably greater than an external pressure outside the device.
  • the passage chamber is limited relative to the liquid nozzle by an outlet opening for the liquid jet, wherein the outlet opening cross section is greater than the cross section of the liquid jet.
  • the resulting opening cross-section which is reduced from the exit-opening cross-section defined by the diameter, to the cross-section of the liquid jet, is to be regarded as the outlet opening.
  • the adjustment of the pressure in the passage chamber can preferably be achieved via a change in the gas pressure in the pressure chamber.
  • the pressure in the passage chamber is adjusted by changing the cross-section of the throttle bore and / or the outlet opening cross-section.
  • the pressure in the passage chamber can be adjusted by changing the relation of the cross section of the throttle bore to the outlet opening cross section.
  • the pressure in the passage chamber is adjusted by changing the viscosity of the gas in the pressure chamber.
  • the pressure in the passage chamber is adjusted so that no overpressure arises with respect to the external pressure and that more preferably with respect to the external pressure no negative pressure is created, so that there is essentially external pressure in the passage chamber.
  • the pressure in the passage chamber is adjusted via the relation of the cross sections of the throttle bore and the resulting outlet opening and / or the viscosity of the gas in the pressure chamber as well as by the change in the pressure of the gas in the pressure chamber such that in the passage chamber a defined critical value of the negative pressure is not exceeded. This is particularly important because at too low a pressure in the passage chamber, the liquid jet from its laminar jet behavior can go into a spray form, whereby editing the workpiece surface is completely impossible.
  • FIG. 1 shows a simplified, schematic view of a coupling device for a laser beam machining device according to the prior art
  • Figure 2 is a schematic sectional view of a coupling device according to the invention.
  • FIG. 3 shows a coupling device according to the invention according to FIG. 2 during the machining of a workpiece surface in a cavity
  • Figure 5 the Einkoppeivoroplasty invention according to Figure 2 with an enlarged view of liquid nozzles and insert with an indication of the fluid flows.
  • the coupling device according to the prior art illustrated in FIG. 1 is used for a laser beam processing device, wherein in FIG. 1 a workpiece surface 14 is shown. is net, which is incident on a liquid jet 3 with coupled laser beam 2 for the processing thereof.
  • a protective window 16 is provided to separate the dry portion of a laser beam 2 and the liquid portion of a liquid jet 3 from each other.
  • a lens, not shown, serves to focus the laser beam 2 on the liquid jet.
  • a liquid nozzle 5 is functionally connected to the protective window 16 while leaving a gap for receiving a liquid, such as a liquid.
  • B. Water from a liquid source or liquid chamber 15 is coupled. The nozzle 5 has an opening through which the liquid emerges as a liquid jet 3.
  • the nozzle 5 opens in the direction of a passage chamber 7, which serves inter alia to improve the laminar flow of the liquid jet 3.
  • a gas source 20 an auxiliary gas stream 21 is fed into the passage chamber through a separate feed line.
  • the auxiliary gas flows in the direction of the liquid jet 3 and surrounds this up to the outlet from the passage chamber 7.
  • an insert 10 is provided below the nozzle 5, which closes the passage chamber 7 down and inside the liquid jet 3 leads.
  • the insert 10 is designed such that on its exterior a pressure chamber 9 is formed, which serves to form an airjet or a gas jet 17 and which is acted upon by a gas source 19 in accordance with this gas.
  • an annular gap is formed around the lower, protruding end of the insert 10, via which an annular airjet 17 exits and surrounds the liquid jet at a distance.
  • the airjet 17 is formed parallel to the liquid jet 14.
  • the insert has a physical
  • the passage space 7 in the interior of the coupling device has a diameter or a cross section in the interior of the insert which is larger than the immediate exit cross section. cut of the insert through which the liquid jet leaves the insert coated with the auxiliary gas supplied by the gas source.
  • the aperture-like diameter d 3 of the outlet opening of the insert is significantly smaller than the inner diameter d of the insert with this part of the passage chamber 7 formed there.
  • FIG. 2 shows a coupling device 1 according to the invention which avoids the disadvantages of the prior art.
  • This coupling device 1 according to a first exemplary embodiment has, in a manner known per se, a housing 4 in which a protective window 16 is provided above a liquid nozzle 5. Between the protective window 16 and the liquid nozzle 5, a gap is provided, in which the liquid, preferably water, is supplied to exit via the liquid nozzle 5 as a liquid jet 3 in the passage chamber 7 below the liquid nozzle 5.
  • a converging by means of a lens, not shown, laser beam is introduced so that its focus is located directly in the liquid nozzle 5 and is coupled as a focused laser beam in the liquid nozzle 5 in the liquid jet 3.
  • an insert 10 is provided in the interior of the housing 4 of the coupling device 1, which the passage chamber 7 for the water jet from a arranged around the outer surface of the insert 10 around pressure chamber 9 for a gas jet 17, which is also referred to as Airjet, separates. Opposite the housing and the outer surface of the insert 10, the insert 10 protrudes through a gas outlet nozzle 11, so that it is formed as an annular nozzle around the outer surface of the insert.
  • the pressure chamber 9 is acted upon via a gas inlet, preferably an air supply, introduced into the housing.
  • the ring-shaped gas jet 17 is intended to apply to the workpiece surface, not shown in FIG. 2, and there the liquid jet! 3 to displace conveyed water or the liquid conveyed to this workpiece surface, so that the liquid jet with the laser beam does not first penetrate a liquid wall or a liquid layer before the laser beam can reach the location for machining on the workpiece surface.
  • an outlet opening 6 is provided, which corresponds to the inner diameter of the insert for the liquid jet 3 in FIG.
  • This inner diameter of the insert is significantly larger than theticiansstechniksstrahi 3 itself, which is formed hair-thin.
  • a collar-like flange is provided, in which throttle bores 8 are present.
  • the throttle bores 8 have a very small diameter, d. H. a very small cross-sectional area and connect the pressure chamber 9 with the passage chamber 7.
  • the throttle bores are aligned parallel to the longitudinal axis of the insert in this embodiment.
  • the liquid jet which emerges from the liquid nozzle 5 at high speed and is guided through the passage chamber 7, permanently entrains air molecules.
  • the liquid jet has a certain roughness on its surface, which causes entrainment of the air molecules.
  • the pressure in the passage chamber 7 drops due to the discharge of air molecules. If the pressure reaches a defined critical value, ie negative pressure, there is a risk that the liquid jet will fan out, ie change into a spray-like form, which is also referred to as critical jet evaporation point.
  • the coupling device 1 in the collar-like flange of the insert the formation of throttle bores 8 is provided.
  • These throttle bores make it possible to compensate for the possibly arising negative pressure in the passage chamber 7 with respect to the gas pressure in the pressure chamber 9.
  • this larger diameter has the disadvantage that if there is a return flow into the interior of the passage chamber 7 dirt particles are conveyed in, which can accumulate on the nozzle and thus, after a certain period of operation, interrupt the reliable operation of the coupling device and clean it require.
  • the gas jet 17, which exits via the annular gas outlet nozzle 11, is at a distance from the liquid jet 3, although it surrounds it in an annular manner, but initially has no direct contact with the liquid jet.
  • the gas jet 17 serves to displace the liquid conveyed with the liquid jet 3 onto the workpiece surface, which is not shown in FIG. 2, so that the liquid introduced into the liquid jet 3 coupled laser beam 2 can strike the workpiece surface directly and without any obstacle.
  • the ring-shaped gas jet 17 also serves to displace liquid accumulating in a cavity present in the workpiece surface, so that workpiece surfaces which lie within a cavity and which without a gas jet for displacement of the latter can also be processed with the device according to the invention At best, only a very limited amount of liquid would be processed.
  • the passage cross section of the throttle bores 8 is dimensioned relative to the cross section of the outlet opening 6 and thus of the passage region of the liquid jet 3 through the insert according to this embodiment.
  • This dimensioning is performed so that the outlet opening cross section of the outlet opening 6 is greater than the cross section of the throttle bores.
  • this cross section is twice as large as that of the throttle bores.
  • FIG. 3 shows a further exemplary embodiment of a coupling device 1 according to the invention, in which the impact of the liquid jet, in which the laser beam 2 is coupled, is directed onto and impinges on a workpiece surface 14 of a workpiece 12, without the liquid jet 3 passing through Liquid column must penetrate because the gas jet 17 meets the liquid collecting in the cavity 13 and discharges the liquid to be displaced 18 via the edge of the cavity to the outside. This ensures that the liquid jet impinges directly on the workpiece surface to be machined 14 at the bottom of the cavity.
  • the basic structure of the coupling device 1 is very similar to that shown in FIG 2, so that the individual components will not be explained again here. In contrast to FIG.
  • the insert 10 provided in this exemplary embodiment is provided with an outlet opening 6 that is smaller than the inner passage diameter.
  • This outlet opening 6 is designed in the form of an aperture-like constriction or an aperture-like indentation and ensures that the outlet opening 6 is just of such a size that the liquid jet without sheathing with a gas jet is well inside the through-chamber 7 can leave, but too strong backflow of outside air or outside gas through the outlet opening 6 is minimized in the interior of the passage chamber 7 in due to an optionally developing negative pressure. This prevents or at least greatly reduces that dirt particles reach the interior of the passage chamber 7.
  • the dimensioning of the cross sections of the throttle bores and the resulting outlet opening cross-section 6 is such that the pressure in the passage chamber formed as uniformly as possible and has such a value that in the passage chamber 7 either no overpressure to the external pressure or at least no pressure over the pressure in the pressure chamber 9 is present. In this way, it is prevented with the coupling device 1 according to the invention that even with prolonged operation in the passage chamber 7, a negative pressure is formed, which develops in the vicinity of a critical negative pressure, from which the liquid jet breaks up and becomes a spray, whereby the function the coupling device would no longer be guaranteed.
  • the coupling device according to FIG. 3 is structurally particularly favorable or simple in comparison with that according to the prior art.
  • FIG. 4 a shows a coupling device according to FIG. 3, without a gas jet 17 having to be provided.
  • the workpiece surface to be machined is either convex or at least flat at the processing location, from where the water conveyed with the liquid jet to the processing site or the liquid conveyed can flow away.
  • the advantage of machining a workpiece surface with a laser beam 2 coupled in a liquid jet 3 is that the laminar length of the liquid jet is greater than in the presence of an annular gas jet, as shown in FIG. 4b).
  • the insert - as well as in the embodiment of Figure 3 - in the upper collar region throttle holes 8, which connect the passage space 7 with the pressure chamber 9, in which there is external pressure in the present embodiment.
  • the liquid for the liquid jet 3 passes via a feed line and a liquid chamber 15 to the liquid nozzle 5, from which the liquid jet emerges and in which the laser beam 2 is coupled via a protective window 16.
  • FIG. 4b shows a coupling device according to FIG. 4a), in which, however, a gas jet is additionally conveyed into the pressure chamber 9, which exits the coupling chamber 1 from the pressure chamber as an annular gas jet 17.
  • the rest of the construction corresponds to that according to FIG. 4a). Since the annular gas jet fans out relatively quickly after it leaves the annular gas outlet nozzle, after a defined distance the annular gas jet contacts the liquid jet. From this point, the liquid jet 3 with respect to its laminarity disturbed, and the liquid jet 3 fanned out. This is also referred to as the atomization point for the liquid jet 3. It is clear from FIGS.
  • the annular gas jet has the advantage of displacing liquid accumulating in a cavity of a workpiece to be machined, the liquid jet can reliably reach the processing site directly with the laser beam. However, because of its fanning, the annular gas jet reduces the laminar length of the liquid jet after it exits the exit opening 6 at the lower end of the insert 10.
  • the laminar length of the liquid jet is particularly large and is, for example, approximately 50 mm.
  • the laminar length in the embodiment according to Figure 4b) is smaller and is for example 30 to 35 mm. In both cases, however, this laminar length is sufficient because the distance between the exit of the liquid jet and the workpiece surface is generally about 20 mm.
  • the annular airjet develops a good protective effect for the fluid jet and thus the laser beam coupled in up to the atomization point. This is important, for example, when the laser beam processing device with the coupling device is moved over the workpiece surface during processing and the protective effect of the airjet prevents the liquid jet from being deflected or deformed with the laser beam coupled in.
  • FIG. 5 shows an inventive coupling device 1 according to FIG. 2, in which the pressure and flow conditions are indicated in the enlarged detail view for the area of the liquid nozzle 5, the passage space 7 and the insert 10. All other elements or components correspond to those according to FIG. 2 or also FIG. 3, so that they will not be discussed again here.
  • the bracketed letters mean:
  • the passage space 7 for the liquid jet 3 has a resulting output cross section A4, which is greater than the cross section of the throttle holes A3.
  • the pressure equalization takes place to an otherwise forming negative pressure in the passage chamber 7 automatically.
  • the average pressure level in the passage space 7 is less or at most equal to the external pressure. This can be the ambient pressure in many cases.
  • the device according to the invention is encapsulated and operates under pressure, wherein, instead of air, a gas which meets the requirements can also be used.

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Abstract

Es wird eine Laserstrahl-Bearbeitungsvorrichtung beschrieben, deren Hauptteil eine Einkoppelvorrichtung (1) zum Einkoppeln eines fokussierten Laserstrahls (2) in einen Flüssigkeitsstrahl (3) definierten Querschnittes ist. Die Einkoppelvorrichtung (1) weist ein Gehäuse (4) auf, in welchem eine Flüssigkeitsdüse zur Ausbildung des Flüssigkeitsstrahls (3) ausgebildet ist. In dem Gehäuse ist des Weiteren eine Austrittsöffnung (6) vorgesehen, durch welche der Flüssigkeitsstrahl (3) aus dem Gehäuse (4) austritt und deren Querschnitt größer ist als der Querschnitt des Flüssigkeitsstrahls (3). Zwischen der Flüssigkeitsdüse (5) und der Austrittsöffnung (6) ist eine Durchtrittskammer für den Flüssigkeitsstrahl (3) vorgesehen. Gemäß der Erfindung ist eine Drosselbohrung vorgesehen, welche die Durchtrittskammer (7) mit der Druckkammer verbindet und in Relation zur Austrittsöffnung dimensioniert ist, so dass in dem Bereich der Durchtrittskammer, welche um die Flüssigkeitsdüse (5) angeordnet ist, ein Druck herrscht, welcher kleiner ist als der in der Druckkammer, so dass in der Durchtrittskammer gegenüber dem Druck in der Druckkammer kein Überdruck sich ausbildet. Außerdem ist ein Verfahren zum Einstellen eines Druckes in der Durchtrittskammer (7) in einer solchen Einkoppelvorrichtung beschrieben, bei welchem der Druck den Druck in der Druckkammer nicht übersteigt.

Description

LASERSTRAHL-BEARBEITUNGSVORRICHTUNG MIT EINER EINKOPPELVORRICHTUNG ZUM EINKOPPELN ESNES FOKUSSIERTEN LASERSTRAHLS IN EINEN FLÜSSIGKEITS- STRAHL
Die Erfindung betriff! eine Laserstrahl-Bearbeitungsvorrichtung gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1. Die Lasertechnologie wird zunehmend auch zur Materialbearbeitung von Werkstücken an deren Oberflächen benutzt und wird dabei zum Schneiden, Bohren, Schweißen, Mar- kieren, Eingravieren sowie zur Oberflächenabtragung von Material an einem zu bearbeitenden Werkstück eingesetzt. Der Vorteil der Lasertechnologie besteht darin, dass nahezu sämtliche Materialien bearbeitet werden können wie zum Bespiel Metalle, Metalllegierungen, Keramiken, selbst Diamanten einschließlich synthetischer Diamanten, Karbonfasern, Saphire, Quarz, Glas, Kunststoffe und andere. Damit im Rahmen der Lasertechnologie der die eigentliche Bearbeitung realisierende Laserstrahl die Bearbeitungsaufgabe zuverlässig ausführen kann, muss der Laserstrahl möglichst stark fokussiert werden, damit ausreichend Energie zur Werkstückbearbeitung am Ort der Bearbeitung des Werkstückes vorliegt. Bei flüssigkeits-geführten Laserstrahlen wird ein Laserstrahl, welcher fokussiert ist, in einen Flüssigkeitsstrahl eingekoppelt, welcher dünn wie ein menschliches Haar sein kann bzw. vorzugsweise ist.
Diese flüssigkeitsstrahl-geführten Laser sind bekannt. Das eigentliche Einkoppeln des Laserstrahls in den Flüssigkeitsstrahl wird in einer Koppeleinheit realisiert. Die Koppeleinheit besteht bekanntermaßen aus einer Metallkammer, welche auf der Seite der Fokussieriinse für den Laserstrahl mittels eines Laserschutzfensters geschlossen ist. Auf der dazu gegenüberliegenden Seite trägt die Kammer eine Düse. Die zur Koppeleinheit zugeführte Flüssigkeit strömt zwischen dem Schutzfenster und der Düse und verläset die Düse in Form eines Flüssigkeitsstrahles. Dabei wird die Energie des zu einem Punkt fokussierten Laserstrahls in der Brennpunktebene innerhalb des Flüssigkeitsstrahls gefangen und zu dem Bearbeitungsort am Werkstück mittels des Flüssigkeitsstrahles geführt. Der Vorteil dieser Art des Hinbringens des Laserstrahls an die Be- arbeitungsoberfläche des Werkstückes eliminiert die Notwendigkeit, die Entfernung des Werkstückes - bezogen auf den Ort der Düse zur Erzeugung des Flüssigkeitsstrahls - präzise zu steuern, da die für die Bearbeitung notwendige Energie im Bereich des gesamten laminaren Flüssigkeitsstrahles vorhanden ist. Dabei kann jede Flüssigkeit verwendet werden, welche eine geeignete Lichtleitungsfähigkeit hat. Für diese bekannten Laserstrahl-Bearbeitungsvorrichtungen sind im Rahmen von deren Entwicklung und Weiterentwicklung zahlreiche Maßnahmen zur Verbesserung des Verhaltens und zur Verbesserung der Effektivität des eingesetzten Laserstrahls vorgenommen worden. So ist gemäß EP 1 833 636 B1 eine Vorrichtung zur Erzeugung eines Flüssigkeitsstrahles für eine Materialbearbeitung beschrieben, bei welcher die Koppeleinheit unterhalb der Düse für die Erzeugung des Flüssigkeitsstrahles eine Durchtrittskammer aufweist, welche nach unten in Richtung des Austritts des Flüssigkeitsstrahles aus dieser Durchtrittskammer eine trichterförmige Verjüngung aufweist, in welche ein Gas eingeleitet wird und welche eine an der Austrittsstelle vorhandene, den Gasstrom formende Düse aufweist. Der Gasstrom am Austritt wird durch die trichterförmige Gestaltung der Durchtrittskammer so geformt, dass er den Flüssigkeitsstrahl umhüllt und somit weitestgehend auch vor Auffächerung bewahrt. Dazu ist es erforderlich, dass die Durchtrittskammer unter einem gewissen Überdruck steht.
Der Umhüllungsgasstram soll die Reibung des Flüssigkeitsstrahls an der umgebenden Luft verringern, um so die Kohärenz des Flüssigkeitsstrahls zu verbessern. Damit der Umhüllungsgasstrom dem gerecht wird, können dessen Druck und Strömmungseigenschaften nur in relativ engen Grenzen variiert werden. Für ein Verdrängen der mit dem Flüssigkeitsstrahl auf die zu bearbeitende Werkstückoberfläche transportierte Flüssigkeit reicht vor allem bei Kavitäten im Werkstück, in denen sich die Flüssigkeit rasch sammelt, dessen kinetische Energie nicht aus. Deshalb muss der in den Flüssigkeitsstrahl eingekoppelte Laserstrahl durch auf der Werkstückoberfläche angesammelte Flüssigkeit erst hindurchdringen, bis dieser die zu bearbeitende Oberfläche erreicht. Dadurch ist dessen Bearbeitungsfähigkeit an der Werkstückoberfläche erheblich eingeschränkt.
Des Weiteren ist in der WO 2015087209 A2 eine Einkoppeleinheit beschrieben, bei welcher das Gas, welches die Flüssigkeit an der Werkstückoberfläche verdrängen soll, vom Flüssigkeitsstrahl getrennt ist bzw. um einen gewissen Betrag davon beabstandet ist. Dieser Gasstrahl ist als Ringstrahl ausgebildet und umhüllt den Flüssigkeitsstrahl. Innerhalb des Ringstrahles des Gases ist der Flüssigkeitsstrahl aber als Freistrahl ausgebildet.
Dies wird bei der bekannten Einkoppeleinheit dadurch erreicht, dass ein sogenanntes Insert in der Einkoppeleinrichtung eingefügt ist, mittels welchem eine Durchtrittskammer für den Flüssigkeitsstrahl gebildet wird, welche separat von einer am Außenumfang des Inserts angeordneten zweiten Kammer, der Druckkammer für das Gas, d. h. davon getrennt ist. Bei dieser bekannten Einkoppelvorrichtung ist des Weiteren eine zweite Gasquelle vorgesehen, aus welcher in relativ geringem Maße, jedenfalls in deutlich geringerem Maße als für den Ringstrahl zum Verdrängen der Flüssigkeit an der Werkstückoberfläche erforderlich, ein Hilfsgas in die Durchtrittskam mer für den Flüssigkeitsstrahl eingeleitet wird, dessen Aufgabe darin besteht, den Flüssigkeitsstrahl in gewisser Weise nur an dessen Oberfläche zu schützen. Das Insert ist an seinem unteren Austrittsende, welches gegenüber der Düse, in welcher der Flüssigkeitsstrahl erzeugt wird, an- geordnet ist, blendenartig eingezogen ist. Ein Nachteil dieser bekannten Vorrichtung besteht darin, dass durch den Flüssigkeitsstrahl mitgerissene Gaspartikel bzw. Luftpartikel, und zwar zusätzlich zu dem Hilfsgas, aus der Durchtrittskammer nach außen getragen werden können, so dass in der Durchtrittskammer durchaus ein Unterdruck oder Vakuum entstehen kann. Bei längerem Betrieb der Einkoppeleinrichtung kann ein solcher Unterdruck dazu führen, dass der Flüssigkeitsstrahl, wenn ein kritischer Wert des Unterdruckes in der Durchtrittskammer erreicht ist, gegebenenfalls sogar komplett auffächert und damit seine eigentliche Funktion unterbrochen wird.
Des Weiteren ist in der WO 2015087209 A2 gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel be- schrieben, dass in dem Insert Bohrungen zwischen der Zuleitung bzw. der Druckkammer des Oberflächengasstrahls und der Durchtrittskammer für den Flüssigkeitsstrahi vorgesehen sind. Diese Bohrungen sollen den Druck in der Durchtrittskammer bezüglich des Außendruckes ausgleichen. Diese Ausgleichsbohrungen berücksichtigen jedoch nicht den Umstand, und dieser Gesichtspunkt ist in dieser bekannten Einkoppeleinrichtung gemäß diesem Stand der Technik auch nicht ansatzweise beschrieben, dass der Druck in der Durchtrittskammer vom oberen Bereich, welcher der Düse für die Erzeugung des Flüssigkeitsstrahls zugewandt ist, und dem unteren Bereich, aus welchem der Flüssigkeitsstrahl austritt, variiert. Damit dennoch verhindert werden kann, dass der Flüssigkeitsstrahl durch das Mitreißen von Luftmolekülen beim Durchdringen des Durchtrittsraumes schrittweise den Druck darin absenkt, so dass gegebenenfalls auch ein kritischer Druck erreicht wird, bei welchem der Flüssigkeitsstrahi auffächert, ist bei diesem bekannten Ausführungsbeispiel zusätzlich vorgesehen, dass in die Durchtrittskammer ein Hilfsgas eingebracht wird, welches den Flüssigkeitsstrahl umhüllen und mit diesem gemeinsam aus der unteren Öffnung des Inserts austreten soll. Dieses zusätzliche Hilfsgas mag zwar dazu beitragen, dass Verschmutzungen in das Innere der Durchtrittskammer von außen nicht eindrin- gen, der zusätzliche Hilfsgasstrom verkompliziert jedoch den baulichen Aufwand für die Einkop- pelvorrichtung und erfordert eine relativ komplexe Steuerung, soll überhaupt der gewünschte Druckausgleichseffekt erreicht werden, und zwar eine Steuerung bzw. Regelung der Gasmenge, des Gasdruckes und der Gasparameter der Hilfsgasversorgung in Abhängigkeit von dem Druck des ringförmigen Oberflächengasstrah les.
Diese zahlreichen Versuche einer Optimierung der eigentlichen Bearbeitung am Werkstück mittels dieser verschiedenen bekannten Einkoppelvorrichtungen haben schon zu recht brauchba- ren Ergebnissen bei der Bearbeitung der Werkstücke mittels Laserstrahl geführt, weisen aber noch immer Nachteile bzw. Verbesserungsmöglichkeiten auf.
Die Aufgabe der Erfindung besteht daher darin, die Nachteile der Vorrichtungen gemäß dem Stand der Technik zu überwinden und eine weitere Verbesserung der Effektivität der Bearbeitung und der Zuverlässigkeit der Einkoppelvorrichtung zu erreichen.
Diese Aufgabe wird durch eine Laserstrahl-Bearbeitungsvorrichtung mit den Merkmalen gemäß Anspruch 1 und durch ein Verfahren zum Einstellen eines Druckes in einer Einkoppelvorrichtung mit den Merkmalen gemäß Anspruch 8 erreicht. Zweckmäßige Weiterbildungen sind in den jeweiligen abhängigen Ansprüchen definiert.
Gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung weist die Laserstrahl-Bearbeitungsvorrichtung eine Einkoppelvorrichtung auf zum Einkoppeln eines fokussierten Laserstrahls in einen Flüssigkeits- strahl mit einem definierten Querschnitt. Die Einkoppelvorrichtung weist ein Gehäuse auf, in welchem eine Flüssigkeitsdüse vorgesehen ist, welche den Flüssigkeitsstrahl ausbildet. Außerdem weist das Gehäuse eine Austrittsöffnung auf, durch welche der aus der Flüssigkeitsdüse zuvor ausgetretene und ausgebildete Flüssigkeitsstrahl aus dem Gehäuse austritt. Vorzugsweise ist der Querschnitt der Austrittsöffnung größer als der Querschnitt des Flüssigkeitsstrahls. Nachdem der Flüssigkeitsstrahl durch die Flüssigkeitsdüse ausgebildet worden ist, durchläuft er eine Durchtrittskammer, bis er aus der Austrittsöffnung austritt. Das bedeutet, dass die Durchtrittskammer zwischen der Flüssigkeitsdüse und der Austrittsöffnung im Gehäuse angeordnet ist. Erfindungsgemäß ist nun eine Druckkammer vorgesehen, welche mit einem Gas beaufschlagt wird. Von der Druckkammer zur Durchtrittskammer führt zumindest eine beide Kammern Strömungsverbindende Drosselbohrung. An deren durchtrittskammerabgewandter Seite, d. h. auf der Seite der Druckkammer, liegt ein Druck an, welcher größer ist als der Druck in der Durchtrittskammer. Erfindungsgemäß sind der Querschnitt der zumindest einen Drosselbohrung und ein resultierender Austrittsöffnungsquerschnitt, welcher aus dem Querschnitt der Austrittsöffnung vermindert um den Querschnitt des Flüssigkertsstrahles definiert ist, welcher keine di- rekte Umhüllung durch einen Gasstrahl bei seinem Austritt aus der und bei seinem Durchtritt durch die Durchtrittskammer und auch nach seinem Austritt aus der Austrittsöffnung aufweist, derart dimensioniert, dass in der Durchtrittskammer gegenüber dem Druck in der Druckkammer kein Überdruck herrscht. Vorzugsweise ist der Druck in der Druckkammer größer als der Außendruck. Das bedeutet für diesen Fall, dass die Drosselbohrung so dimensioniert ist, dass in der Durchtrittskammer gegenüber dem Außendruck kein Überdruck herrscht. Es ist jedoch auch möglich, dass in der Druckkammer aufgrund einer entsprechend vorgesehenen Ableitung des der Druckkammer zunächst zugeführten Gases ein gewisser Unterdruck im Vergleich zum Au- ßendruck herrscht. Wegen des sich in der Durchtrittskammer ausbildenden Druckes, welcher den Druck in der Druckkammer nicht übersteigt, d. h. kein Überdruck oder ein Unterdr ck ist, erfolgt ein entsprechendes Überströmen des Gases von der Druckkammer in die Durch tri tts- kammer. Vorzugsweise ist jede Drosselbohrung parallel zur Ausbreitungsrichtung des Flüssig- keitsstrahles verlaufend angeordnet. In einem solchen Fall realisiert die Drosselbohrung ein derartiges Überströmen von der Druckkammer in die Durchtrittskammer, dass dort ein Unterdruck sich ausbildet oder geschaffen wird, welcher nicht den Druck in der Druckkammer übersteigt. Da über die Drosselbohrung ein Überströmen des Gases von der Druckkammer in die Durchtrittskammer unter einem dimensionierungsbedingt vorhandenen Druckabfall auftritt, ist erfindungsgemäß nun vorgesehen, dass der Querschnitt der Drosselbohrung wie auch der resultierende Austrittsöffnungsquerschnitt derart und zueinander dimensioniert sind, dass sich Druckverhältnisse in der Durchtrittskammer einstellen, welche auch nach längerem Betrieb ein Absin- ken des Druckes bis auf einen kritischen Druck, bei welchem ansonsten der Flüssigkeitsstrah! aufbrechen würde, vermieden wird. Durch diese dimensionsmäßige Abstimmung des Querschnittes der Drosselbohrung bzw. des Querschnittes von vorzugsweise vorhandenen mehreren Drosselbohrungen und dem resultierenden Austrittsöffnungsquerschnitt am Gehäuse der Einkoppelvorrichtung wird gewährleistet, dass der Flüssigkeitsstrahl einen solche laminare Länge beibehält, dass der eingekoppelte Laserstrahl zuverlässig zu der Bearbeitungsstelle an der Werkstücko berfläche gebracht werden kann und dort mit hoher Effektivität den vorgesehenen Materialabtrag realisiert. Und dies ist gemäß der Erfindung möglich, ohne dass für den Flüssigkeitsstrahl eine direkte Ummanteiung durch ein Hilfsgas oder durch einen Gasstrahl ringförmiger Anordnung, welcher direkt an den Flüssigkeitsstrahl anliegt, vorhanden sein muss. Die kineti- sehe Energie des Flüssigkeitsstrahles ist dabei hoch genug, dass im Falle beispielsweise von ebenen oder konvexen zu bearbeitenden Oberflächen, das mit dem Flüssigkeitsstrahl an die Bearbeitungsstelle transportierte Wasser bzw. die dorthin transportierte Flüssigkeit ohne Weiteres ablaufen kann, so dass der in den Flüssigkeitsstrahl eingekoppelte Laser direkt zur Bearbeitungsoberfläche geführt werden kann, ohne dass er eine die Effektivität der Bearbeitung negativ beeinflussende Wassersäule durchdringen muss.
Dadurch, dass durch eine geeignete Abstimmung des Durchmessers der Drosselbohrung auf den resultierenden Austrittsöffnungsquerschnitt bzw. umgekehrt wird erreicht, dass der Druck in der Durchtrittskammer nicht größer ist als in der Druckkammer. Dadurch ist gewährleistet, dass keine Luftummantelung des Flüssigkeitsstrahls zur Angleichung der Geschwindigkeitsverhältnisse zwischen dem Flüssigkeitsstrahl und seiner Umgebung entsteht. Der Druckausgleich in der Durchtrittskammer bezüglich der Tendenz eines sich bildenden Unterdruckes durch den Durchtritt des Flüssigkeitsstrahls und dessen Mitreißen von Luftmolekülen erfolgt selbsttätig.
Vorzugsweise ist der durchschnittliche Druck in der Durchtrittskammer leicht geringer als der oder maximal gleich dem Umgebungsdruck, keinesfalls jedoch größer als der Umgebungsdruck im Sinne eines Überdruckes.
Wenn die Druckverhältnisse in der Durchtrittskammer wie vorstehend geschildert sind, besteht eher eine Tendenz, dass Außenluft oder außen befindliches Gas entgegen der Durchtrittsrich- tung des Flüssigkeitsstrahles durch die Austrittsöffnung in das Innere der Durchtrittskammer zurückströmt. Dies ist von Vorteil bezüglich des zuvor geschilderten Druckausgleiches in der Durchtrittskammer, hat jedoch den Nachteil, dass bei zu großer Austrittsöffnung gegebenenfalls Verschmutzungspartikel in das Innere des Durchtrittsraumes hineingefördert werden können. Das bedeutet, dass der Querschnitt der resultierenden Austrittsöffnung nicht zu groß gewählt werden darf. Andererseits darf dieser Austrittsöffnungsquerschnitt auch nicht zu klein gewählt werden. Im Grenzfall wäre der Austrittsöffnungsquerschnitt gerade so groß wie der Querschnitt des Flüssigkeitsstrahles. In einem solchen Fall ließe sich nicht verhindern, dass mit dem Flüssigkeitsstrahl dennoch Luftmoleküle aus der Durchtrittskammer nach außen mitgerissen werden. Letztendlich würde dies zu einem Druckabsenken in der Durchtrittskammer führen. Wenn die Druckabsenkung so groß wird, dass ein kritischer Wert für den Druck unterschritten wird, besteht die Gefahr, dass der Flüssigkeitsstrahl sich auflöst, d, h. von der Strahlform in eine Sprayform übergeht. Dies muss unter allen Umständen vermieden werden, weil dadurch die Funktion der Laserstrahl-Bearbeitungsvorrichtung nicht mehr gegeben wäre.
Überraschenderweise hat sich nun gezeigt, dass es im Rahmen doch relativ enger Grenzen durch eine geeignete Dimensionierung sowohl der Drosselbohrung als auch des resultierenden Austrittsöffnungsquerschnittes, und zwar im Hinblick auf eine gegenseitige Abstimmung der jeweiligen Querschnitte, erreicht werden kann, dass die für die Bearbeitung notwendige laminare Länge ausreichend groß ist, dass der Flüssigkeitsstrahl möglichst ungestört und damit im Flüssigkeitsstrahl auch der darin eingekoppelte Laserstrahl zur Bearbeitungsoberfläche am
Werkstück geleitet werden kann. Dadurch kann die Vorrichtung zuverlässig arbeiten, ohne dass Verschmutzungspartikel in das Innere der Durchtrittskammer hineingelangen und dass dennoch das an der Werkstücksoberfläche mit dem Flüssigkeitsstraht auftreffende Wasser von dort abgeführt werden kann.
Vorzugsweise ist in der Einkoppe (Vorrichtung ein so genanntes Insert vorhanden, welches die Durchtrittskammer von der Druckkammer - mit Ausnahme der beide Kammern verbindenden Drosseibohrung - voneinander trennt. Das die Druckkammer beaufschlagende Gas wird vorzugsweise über einen Durchtrittsbereich, welcher zwischen der Außenseite des Inserts und dem Gehäuse ausgebildet ist, nach außen vorzugsweise in Form eines ringförmig ausgebildeten Gasstrahls geführt. Dieser ringförmig ausgebildete Gasstrahl umgibt zwar den Flüssigkeitsstrahl, berührt diesen jedoch nicht, zumindest nicht im Bereich des Austritts des Flüssigkeitsstrahls aus der Einkoppelvorrichtung. Dieser Gasstrahl ist in der Art eines Airjets ausgebildet und weist eine derartige kinetische Energie auf, dass am Bearbeitungsort des Laserstrahls am Werkstück selbst in im Werkstück vorhandenen Kavitäten die sich dort angesammelte Flüssigkeit vom Bearbeitungsort des Lasers ferngehalten werden kann. Die Trennung zwischen der Durchtrittskammer und der Druckkammer bietet somit den Vorteil, den laminaren Bereich bzw. die laminare Länge des Flüssigkeitsstrahls möglichst ungestört bis zum Auftreffen auf dem Be- arbeitung sort am Werkstück zu belassen, aber gleichermaßen einen Airjet zur Verfügung zu stellen, mittels welchem das am Werkstück vorhandene Wasser zu verdrängen, d. h. sozusagen die Bearbeitungsoberfläche des Werkstückes freizublasen. Durch die Trennung von Durchtrittskammer und Druckkammer ist es darüber hinaus möglich, die jeweils erforderlichen Parameter für die Flüssigkeit, die Druckbedingungen in den Kammern wie entsprechend auch für das Gas für den Airjet so anzupassen, dass optimale Bearbeitungsergebnisse erreicht werden können. Da bei einer Einkoppelvorrichtung gemäß dem Stand der Technik sowohl der Airjet als auch der Flüssigkeitsstrahl aus einer gemeinsamen Düse austreten, welche den Airjet an den Flüssigkeitsstrahl anformt, ist diese unabhängige Einstellung und Beeinflussung der Parameter der Fluide dort nicht ohne Weiteres möglich. Vorzugsweise sind die Drosselbohrungen beziehungs- weise ist die zumindest eine Drosselbohrung parallel zur Längsachse des Inserts ausgerichtet. Andere Ausrichtungen der Drosselbohrungen sind aber auch möglich.
Vorzugsweise ist der resultierende Austrittsöffnungsquerschnitt größer als der Querschnitt der zumindest einen Drosselbohrung, noch weiter bevorzugt ist der resultierende Austrittsöffnungs- querschnitt ca. doppelt so groß wie der Querschnitt der zumindest einen Drosselbohrung. Damit der Flüssigkeitsstrahl durch das Innere des Inserts, welches Teil der Durchtrittskammer ist, ungestört hindurchtreten kann, ist der Durchmesser des Inserts zum Durchtritt des Flüssigkeitsstrahls um ein Vielfaches größer als der Durchmesser des Flüssigkeitsstrahls. Vorzugsweise ist am Austritt des Inserts eine Blende vorgesehen, damit ein definierter Querschnitt vorhanden ist, welcher in Relation zu den Drosselbohrungen dimensioniert werden kann. Dieser blendenartige Einzug am Austritt des Inserts dient dazu, die Druckverhältnisse in der Durchtrittskammer erfindungsgemäß so einzustellen, dass einerseits kein Überdruck gegenüber dem Druck in der Druckkammer auftritt, dass aber andererseits die Öffnung nur so groß ist, dass ein Rückströmen von Verschmutzungen in die Durchtrittskammer minimiert oder eliminiert wird und die Größe der blendenartigen Öffnung bzw. des blendenartigen Einzugs so gewählt wird, dass ein entsprechender Druckausgleich in der Durchtrittskammer am Austrittsende ebenso realisiert werden kann, wie im Bereich der Durchtrittskammer, welcher auf der Seite der Flüssigkeitsdüse durch die Drosselbohrungen ausgebildet ist. Die Durchmesser der Drosselbohrungen sind so klein gewählt, dass neben der Drosselwirkung beim Durchströmen dieser Drosselbohrungen gerade so viel Druckausgleich realisiert wird, dass in der Durchtrittskammer kein Überdruck gegenüber dem Druck in der Druckkammer bzw. dem Außendruck herrscht. Vorzugsweise sind beispiels- weise vier Drosselbohrungen, auch aus Gründen der Symmetrie, vorhanden, welche jeweils einen Durchmesser von 0,4 mm aufweisen, d. h.. echte Drosselbohrungen sind. Der Querschnitt jeder einzelnen Drosselbohrung beträgt daher 0,125 mm2, so dass der Gesamtquerschnitt der Drosselbohrungen sich auf 0,5 mm2 beläuft. Wenn demgegenüber beispielsweise die resultierende Austrittsöffnung im Durchmesserbereich von 1 ,2 bis 1 ,5 mm liegt, beträgt der zugehörige resultierende Austrittsöffnungsquerschnitt ca. 1 ,1 mm2, was reichlich doppelt so groß ist wie die Gesamtquerschnittsfläche aller Drosselbohrungen. Das Vorsehen von vier oder zwei Drosselbohrungen ist aus Gründen der Symmetrie bevorzugt. Vorzugsweise haben die Drosselbohrungen alle einen gleich großen Querschnitt. Weiter bevorzugt ist, dass der Auslass der Druckkammer konzentrisch zur Austrittsöffnung im Insert für den Flüssigkeitsstrahl und als Gasaustrittsdüse ausgebildet ist. Diese Anordnung führt zu einer ringförmig ausgebildeten Strahlform für das Gas, wobei das Innere dieses Gasringes das Äußere des Flüssigkeitsstrahls nicht berührt, d. h. von diesem beabstandet ist. Vorzugsweise ist die zumindest eine Drosselbohrung bzw. sind die mehreren Drosselbohrungen und der resultierende Austrittsöffnungsquerschnitt derartig dimensioniert, dass in der Durchtrittskammer gegenüber dem Außendruck kein Unterdruck und kein Überdruck herrschen.
Vorzugsweise sind sowohl die Drosselbohrung als auch der resultierende Austrittsöffnungsquerschnitt so dimensioniert und sind beide Querschnitte so aufeinander abgestimmt, dass in der Durchtrittskammer ein Unterdruck, insbesondere ein geringer Unterdruck herrscht, welcher jedoch so groß ist, dass ein definierter kritischer Wert nicht unterschritten wird. Unter definiertem kritischen Wert ist zu verstehen, dass das der Wert des Unterdruckes ist, bei welchem der aus der Flüssigkeitsdüse austretende Flüssigkeitsstrahl zerfällt und sich als Spray ausbildet, mithin keine laminare Länge mehr hat. Damit wäre die Funktion der Laser-Bearbeitungsvorrichtung unterbrochen.
Wie schnell im Betrieb bei fehlerhafter Dimensionierung der Querschnitte der Drosselbohrung und der resultierenden Austrittsöffnung zueinander dieser kritische Wert erreicht wird, hängt zum einen von den Durchmesserverhältnissen von Drosselbohrung und resultierendem Aus- trittsöffnungsquerschnitt ab, hangt aber zum anderen auch von den Parametern der Flüssigkeit wie auch des Airjets wie auch der Druckverhältnisse in der Durchtrittskammer und der Druckkammer ab. Erfindungsgemäß sind die genannten Verhältnisse und Parameter so gewählt, dass θ
die Laser-Bearbeitungsvorrichtung ohne Unterbrechung und ohne Fehlfunktion kontinuierlich so lange arbeiten kann, bis die Bearbeitungsaufgabe erfüllt ist, ohne dass die Vorrichtung zwischendurch abgeschaltet werden muss oder das Bearbeiten zumindest zeitweise eingestellt werden muss, um die Vorrichtung gegebenenfalls neu auf die Bearbeitungsaufgabe einzustel- len.
Ein zweiter Aspekt der Erfindung betrifft ein Verfahren zum Einstellen eines Druckes in einer Durchtrittskammer für einen Flüssigkeitsstrahl einer Laser-Bearbeitungsvorrichtung, welche zwischen einer den Flüssigkeitsstrahl erzeugenden Flüssigkeitsdüse und einer Gehäuseaustritts- Öffnu g angeordnet ist. Der in den Flüssigkeitsstrahl zur Bearbeitung einer Werkstückoberfläche eingekoppelte Laserstrahl tritt zusammen mit dem Flüssigkeitsstrahl aus der Flüssigkeitsdüse aus und durchläuft zusammen mit dem Flüssigkeitsstrahl die Durchtrittskammer. Im Bereich der Durchtrittskammer, welcher auf die Flüssigkeitsdüse weist, ist eine Drosselbohrung vorgesehen, welche an ihrer der Durchtrittskammer abgewandten Seite mit einem Gas in einer Druckkammer beaufschlagt wird, deren Druck größer ist als der Druck in der Durchtrittskammer, vorzugsweise größer ist als ein Außendruck außerhalb der Vorrichtung. Die Durchtrittskammer ist gegenüber der Flüssigkeitsdüse durch eine Austrittsöffnung für den Flüssigkeitsstrahl begrenzt, wobei der Austrittsöffnungsquerschnitt größer als der Querschnitt des Flüssigkeitsstrahls ist. Als Austrittsöffnung squerschnitt ist dabei der resultierende Öffnungsquerschnitt zu betrachten, welcher sich aus dem durch den Durchmesser definierten Austrittsöffnungsquerschnitt vermindert um den Querschnitt des Flüssigkeitsstrahls ergibt. Gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren wird der Druck in der Durchtrittskammer nun derart eingestellt, dass dieser gegenüber dem Druck in der Druckkammer kleiner als oder allenfalls so groß wie dieser ist, d. h. dass in der Durchtrittskammer kein Überdruck gegenüber dem Druck in der Druckkammer vorhanden ist.
Die Einstellung des Druckes in der Durchtrittskammer kann dabei vorzugsweise auch über eine Veränderung des Gasdruckes in der Druckkammer erreicht werden. Vorzugsweise ist es auch oder zusätzlich möglich, dass der Druck in der Durchtrittskammer durch Veränderung des Querschnittes der Drosselbohrung und/oder des Austrittsöffnungsquerschnittes eingestellt wird. Ins- besondere kann über die Veränderung der Relation des Querschnittes der Drosselbohrung zu dem Austrittsöffnungsquerschnitt der Druck in der Durchtrittskammer eingestellt werden.
Es ist jedoch auch möglich, dass vorzugsweise der Druck in der Durchtrittskammer durch Veränderung der Viskosität des Gases in der Druckkammer eingestellt wird.
Vorzugsweise wird der Druck in der Durchtrittskammer so eingestellt, dass gegenüber dem Außendruck kein Überdruck entsteht und dass weiter vorzugsweise gegenüber dem Außendruck auch kein Unterdruck entsteht, so dass in der Durchtrittskammer im Wesentlichen Außendruck herrscht.
Weiter vorzugsweise wird der Druck in der Durchtrittskammer über die Relation der Querschnit- te der Drosselbohrung und der resultierenden Austrittsöffnung und/oder die Viskosität des Gases in der Druckkammer sowie auch durch die Veränderung des Druckes des Gases in der Druckkammer derart eingestellt, dass in der Durchtrittskammer ein definierter kritischer Wert des Unterdruckes nicht unterschritten wird. Dies ist besonders von Bedeutung, weil bei einem zu niedrigem Druck in der Durchtrittskammer der Flüssigkeitsstrahl von seinem laminaren Strahlverhalten in eine Sprayform übergehen kann, wodurch ein Bearbeiten der Werkstückoberfläche gänzlich unmöglich wird.
Besonders vorteilhaft ist es, wenn der Druck in der Durchtrittskammer in einer Vorrichtung geregelt wird, wie sie zuvor beschrieben ist.
Weitere Vorteile, Anwendungsmöglichkeiten und Details zu der vorliegenden Erfindung werden nun anhand der Beschreibung der Figuren deutlich. In der Zeichnung zeigen:
Figur 1 : eine vereinfachte, schematische Ansicht einer Einkoppelvorrichtung für eine Laser- strahl-Bearbeitungsvorrichtung gemäß dem Stand der Technik;
Figur 2: eine prinzipielle Schnittansicht einer erfindungsgemäßen Einkoppelvorrichtung;
Figur 3: eine erfindungsgemäße Einkoppelvorrichtung gemäß Figur 2 bei der Bearbeitung einer Werkstückoberfläche in einer Kavität;
Figur 4a): die erfindungsgemäße Einkoppelvorrichtung gemäß Figur 2, jedoch ohne Airjet mit längerer laminarer Länge des Flüssigkeitsstrahls; Figur 4b): die erfindungsgemäße Einkoppelvorrichtung gemäß Figur 2 mit kürzerer laminarer
Länge des Flüssigkeitsstrahls und Airjet; und
Figur 5: die erfindungsgemäße Einkoppeivorrichtung gemäß Figur 2 mit vergrößerter Darstellung von Flüssigkeitsdüsen und Insert mit Andeutung der Fluidströme.
Die in Figur 1 dargestellte Einkoppelvorrichtung gemäß dem Stand der Technik dient für eine Laserstrahl-Bearbeitungsvonichtung, wobei in Figur 1 eine Werkstückoberfläche 14 eingezeich- net ist, auf welche ein Flüssigkeitsstrahl 3 mit eingekoppeltem Laserstrahl 2 zu deren Bearbeitung auftrifft. Ein Schutzfenster 16 ist vorgesehen, um den trockenen Abschnitt eines Laserstrahles 2 und den flüssigen Abschnitt eines Flüssigkeitsstrahles 3 voneinander zu trennen. Eine nicht dargestellte Linse dient dazu, den Laserstrahl 2 auf den Flüssigkeitsstrahl zu fokussie- ren. Eine Flüssigkeitsdüse 5 ist mit dem Schutzfenster 16 funktionell unter Belassung eines Spaltes zur Aufnahme einer Flüssigkeit wie z. B. Wasser von einer Flüssigkeitsquelle bzw. Flüssigkeitskammer 15 gekoppelt. Die Düse 5 weist eine Öffnung auf, durch welche die Flüssigkeit als Flüssigkeitsstrahl 3 austritt. Die Düse 5 öffnet sich in Richtung auf eine Durchtrittskammer 7, welche unter anderem zur Verbesserung der laminaren Strömung des Flüssigkeitsstrahles 3 dient. Aus einer Gasquelle 20 wird ein Hilfsgasstrom 21 in die Durch trittskammer über eine separate Zuleitung zugeführt. Das Hilfsgas strömt in Richtung auf den Flüssigkeitsstrahl 3 und ummantelt diesen bis hin zum Austritt aus der Durchtrittskammer 7. Unterhalb der Düse 5 ist ein Insert 10 vorgesehen, welches die Durchtrittskammer 7 nach unten schließt und im Innern den Flüssigkeitsstrahl 3 führt. Das Insert 10 ist so ausgebildet, dass an seinem Äußeren eine Druck- kammer 9 ausgebildet ist, welche zur Ausbildung eines Airjets bzw. eines Gasstrahls 17 dient und welche von einer Gasquelle 19 entsprechend mit diesem Gas beaufschlagt ist. Am Austritt aus dem Gehäuse 4 der Einkoppelvorrichtung 1 ist um das untere, hindurc ragende Ende des Inserts 10 ein Ringspalt ausgebildet, über welchen ein kreisringförmiger Airjet 17 austritt und den Flüssigkeitsstrahl beabstandet umgibt. Der Airjet 17 ist dabei parallel zum Flüssigkeitsstrahl 14 ausgebildet. Bei dieser bekannten Einkoppelvorrichtung weist das Insert eine physische
Trennung zwischen dem Gasstrahl bzw. Airjet 17 und dem Flüssigkeitsstrahl 13 auf. Das bedeutet, dass der Flüssigkeitsstrahl 3 und der Gasstrahl 17 die Einkoppelvorrichtung durch zwei unterschiedliche, voneinander separate Düsenöffnungen verlassen. Durch die physische Trennung des Flüssigkeitsstrahls von dem Gasstrahl ist es möglich, dass eine unabhängige Steuerung des auf die Werkstückobe rfläche geleiteten Gasstrahles 17 geleitet wird, d. h. die Parameter des Gasstrahles können unabhängig von denen des Flüssigkeitsstrahles 3 gesteuert werden. Das betrifft insbesondere den Druck und den Volumenstrom, so dass recht gute Bedingungen zum Verdrängen des an der Werkstückoberfläche vorhandenen bzw. sich dort sammelnden Wassers geschaffen werden können, und zwar derart, dass der Gasstrahl 17 nicht in negative Wechselwirkung mit dem Flüssigkeitsstrahl 3 tritt, in dessen Innern der Laserstrahl zur Bearbeitung der Werkstückoberfläche 14 eingekoppelt ist. Die äußere mantelförmige Oberfläche des Inserts 10 erstreckt sich parallel zur Durchtrittsrichtung des Flüssigkeitsstrahls 3 im Innern des inserts, so dass der als Ringstrahl ausgebildete Gasstrahl parallel zum Flüssigkeitsstrahi 3 ve läuft.
Der Durchtrittsraum 7 im Innern der Einkoppelvorrichtung weist im Innern des Inserts einen Durchmesser bzw. einen Querschnitt auf, welcher größer ist als der unmittelbare Austrittsquer- schnitt des Inserts, durch welchen der Flüssigkeitsstrahl das Insert - ummantelt mit dem von der Gasquelle gelieferten Hilfsgas - veriässt. Der blendenartige Durchmesser d3 der Austrittsöffnung des Inserts ist deutlich kleiner als der Innendurchmesser d des Inserts mit diesem dort ausgebildeten Teil der Durchtrittskammer 7.
Diese bekannte Einkoppelvorrichtung soll durch das zusätzlich zum Gasstrahl 17 in das Innere der Durchtrittskammer 7 und das Innere des Inserts 10 eingeführte, von der Gasquelle 20 stammende Hilfsgas eine Ummantelung des Flüssigkeitsstrahls 3 sichern, damit der Flüssigkeitsstrahl an seiner Oberfläche möglichst wenig oder keine Luftmoleküle aus der Durchtritts- kammer 7 ins Äußere befördert und gleichzeitig gegenüber der den Flüssigkeitsstrahl ansonsten umgebenden im Wesentlichen ruhenden Luft nicht nachteilig beeinflusst wird. Dazu ist jedoch ein erhöhter baulicher Aufwand für eine zusätzliche Gasquelle 20 mit den entsprechenden Leitungen, Zuleitungen und Einführungen in das Innere der Einkoppelvorrichtung 1 , d. h. das Innere der Durchtrittskammer 7, erforderlich.
In Figur 2 ist eine erfindungsgemäße Einkoppelvorrichtung 1 dargestellt, welche die Nachteile des Standes der Technik vermeidet Diese Einkoppelvorrichtung 1 gemäß einem ersten Ausfüh- rurtgsbeispiel weist in an sich bekannter Weise ein Gehäuse 4 auf, in welchem ein Schutzfenster 16 oberhalb einer Flüssigkeitsdüse 5 vorgesehen ist. Zwischen dem Schutzfenster 16 und der Flüssigkeitsdüse 5 ist ein Zwischenraum vorgesehen, in welchen die Flüssigkeit, vorzugsweise Wasser, zugeführt wird, um über die Flüssigkeitsdüse 5 als Flüssigkeitsstrahl 3 in die Durchtrittskammer 7 unterhalb der Flüssigkeitsdüse 5 auszutreten. In die Einkoppelvorrichtung 1 wird ein mittels einer nicht dargestellten Linse konvergierender Laserstrahl so eingeführt, dass deren Fokus unmittelbar in der Flüssigkeitsdüse 5 liegt und als fokussierter Laserstrahl in der Flüssigkeitsdüse 5 in den Flüssigkeitsstrahl 3 eingekoppelt wird. Unterhalb der Flüssigkeitsdüse 5 ist im Innern des Gehäuses 4 der Einkoppelvorrichtung 1 ein insert 10 vorgesehen, welches die Durchtrittskammer 7 für den Wasserstrahl von einer um die äußere Mantelfläche des Inserts 10 herum angeordneter Druckkammer 9 für einen Gasstrahl 17, welcher auch als Airjet bezeichnet wird, trennt. Gegenüber dem Gehäuse und der äußeren Mantelfläche des Inserts 10 ragt das Insert 10 durch eine Gasaustrittsdüse 11 heraus, so dass diese als Ringdüse um die äußere Mantelfläche des Inserts ausgebildet ist. Die Druckkammer 9 wird über eine in das Gehäuse eingeführte Gaszufuhr, vorzugsweise Luftzufuhr, beaufschlagt. Der ringförmig ausgebildete Gasstrahl 17 ist dafür vorgesehen, auf die in Figur 2 nicht dargestellte Werkstückoberflä- che auf zutreffen und dort das mit dem Flüssigkeitsstrah! 3 auf diese Werkstückoberfläche ge- förderte Wasser bzw. die geförderte Flüssigkeit zu verdrängen, so dass der Flüssigkeitsstrahl mit dem Laserstrahl nicht erst eine Flüssigkeitswand oder eine Flüssigkeitsschicht durchdringen muss, bevor der Laserstrahl an den Ort für die Bearbeitung an der Werkstückoberfläche gelangen kann.
Am unteren Austrittsende des Inserts 10 ist eine Austrittsöffnung 6 vorgesehen, welche in Figur 2 dem inneren Durchmesser des Inserts für den Flüssigkeitsstrahl 3 entspricht. Dieser innere Durchmesser des Inserts ist deutlich größer ausgebildet als der Flüssigkeitsstrahi 3 selbst, welcher haardünn ausgebildet ist. Im oberen, zur Flüssigkeitsdüse 5 weisenden Bereich des Inserts 10 ist ein kragenartiger Flansch vorgesehen, in welchem Drosselbohrungen 8 vorhanden sind. Die Drosselbohrungen 8 weisen einen sehr geringen Durchmesser, d. h. eine sehr geringe Querschnittsfläche auf und verbinden die Druckkammer 9 mit der Durchtrittskammer 7. Die Drosselbohrungen sind bei diesem Ausführungsbeispiel parallel zur Längsachse des Inserts ausgerichtet.
Im laufenden Betrieb der Laserstrahl-Bearbeitungsvorrichtung reißt der Flüssigkeitsstrahl, wel- eher mit hoher Geschwindigkeit aus der Flüssigkeitsdüse 5 austritt und durch die Durchtrittskammer 7 geleitet wird, Luftmoleküle permanent mit. Trotz der Laminarität des Flüssigkeits- strahis weist dieser an seiner Oberfläche eine gewisse Rauhigkeit auf, wodurch das Mitreißen der Luftmoleküle erfolgt. Im laufenden Betrieb kann es daher passieren, dass durch den Austrag von Luftmolekülen der Druck in der Durchtrittskammer 7 absinkt. Wenn dabei der Druck einen definierten kritischen Wert, d. h. Unterdruck, erreicht, besteht die Gefahr, dass der Flüssigkeitsstrahl ausfächert, d. h. in eine sprayartige Form übergeht, was auch als kritischer Strahlverdampfungspunkt bezeichnet wird. Daher ist bei diesem erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel der Einkoppelvorrichtung 1 im kragenartigen Flansch des Inserts die Ausbildung von Drosselbohrungen 8 vorgesehen. Diese Drosselbohrungen ermöglichen es, den möglicherweise ent- stehenden Unterdruck in der Durchtrittskammer 7 gegenüber dem Gasdruck in der Druckkammer 9 auszugleichen. Gleichermaßen dient der relativ große Durchmesser des inneren Durchtrittsbereichs des Inserts 10, welcher sich bis zu der Austrittsöffnung 6 für den Flüssigkeitsstrahl 3 erstreckt, dazu, jedenfalls am Austrittsbereich aus der Durchtrittskammer 7 für einen gewissen Druckausgleich zu sorgen. Dieser größere Durchmesser hat jedoch den Nachteil, dass bei ge- gebenenfalls erfolgender Rückströmung ins Innere der Durchtrittskammer 7 Schmutzpartikel mit hineinbefördert werden, welche sich an der Düse anlagern können und damit nach einer gewissen Betriebszeit zum Unterbrechen der zuverlässigen Funktion der Einkoppelvorrichtung führen und eine Reinigung derselben erfordern. Der Gasstrahl 17, welcher über die ringförmige Gasaustrittsdüse 11 austritt, ist vom Flüssigkeitsstrahl 3 beabstandet, umgibt diesen zwar ring- förmig, hat aber zunächst keinen direkten Kontakt mit dem Flüssigkeitsstrahl. Der Gasstrahl 17 dient dazu, die mit dem Flüssigkeitsstrahl 3 auf die Werkstückoberfläche, welche in Figur 2 nicht dargestellt ist, geförderte Flüssigkeit zu verdrängen, so dass der in den Flüssigkeitsstrahi 3 ein- gekoppelte Laserstrahl 2 direkt und ohne Hindernis auf die Werkstückfläche auftreffen kann. Vor allen Dingen dient der ringförmige Gasstrahl 17 auch dazu, gegebenenfalls in einer in der Werkstückoberfläche vorhandenen Kavität sich ansammelnde Flüssigkeit zu verdrängen, so dass mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung auch Werkstückoberflächen bearbeitet werden können, welche innerhalb einer Kavität liegen und welche ohne einen Gasstrahl zur Verdrängung dieser Flüssigkeit sich allenfalls nur sehr eingeschränkt bearbeiten lassen würden.
Gemäß der Erfindung wird nun der Durchtrittsquerschnitt der Drosselbohrungen 8 relativ zu dem Querschnitt der Austrittsöffnung 6 und damit des Durchtrittsbereichs des Flüssigkeitsstrahls 3 durch das Insert gemäß diesem Ausführungsbeispiel dimensioniert. Diese Dimensionierung wird so durchgeführt, dass der Austrittsöffnungsquerschnitt der Austrittsöffnung 6 größer ist als der Querschnitt der Drosselbohrungen. Vorzugsweise ist dieser Querschnitt doppelt so groß wie der der Drosselbohrungen. Als Austrittsöffnungsquerschnitt wird dabei der resultierende Austrittsöffnungsquerschnitt zum Ansatz für die Dimensionierung gebracht, welcher sich ergibt aus dem Querschnitt des inneren Durchmessers des Inserts 10 vermindert um den Querschnitt des Flüssigkeitsstrahls 3.
Figur 3 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Einkoppelvorrichtung 1 , bei welcher das Auftreffen des Flüssigkeitsstrahls, in welchen der Laserstrahl 2 einge- koppelt ist, auf eine Werkstückoberfläche 14 eines Werkstückes 12 gerichtet ist und dort auftrifft, und zwar ohne dass der Flüssigkeitsstrahl 3 durch eine Flüssigkeitssäule dringen muss, weil der Gasstrahl 17 auf die sich in der Kavität 13 sammelnde Flüssigkeit trifft und die zu verdrängende Flüssigkeit 18 über den Rand der Kavität nach außen abführt. Dadurch ist gewährleistet, dass der Flüssigkeitsstrahl direkt auf der zu bearbeitenden Werkstückoberfläche 14 am Boden der Kavität auftrifft. Der prinzipielle Aufbau der Einkoppelvorrichtung 1 ist dem gemäß Figur 2 sehr ähnlich, so dass die einzelnen Bauteile hier nicht nochmals erläutert werden. Im Unterschied zu Figur 2 ist das bei diesem Ausführungsbeispiel vorgesehene Insert 10 mit einer gegenüber dem inneren Durchtrittsdurchmesser verkleinerten Austrittsöffnung 6 versehen. Diese Austrittsöff- nung 6 ist in Form einer blendenartigen Einengung bzw. eines blendenartigen Einzugs ausge- bildet und gewährleistet, dass die Austrittsöffnung 6 gerade eine solche Größe aufweist, dass der Flüssigkeitsstrahl ohne Ummantelung mit einem Gasstrahl gut das Innere der Durch tri tts- kammer 7 verlassen kann, aber ein zu starkes Rückströmen von Außenluft oder Außengas durch die Austrittsöffnung 6 in das Innere der Durchtrittskammer 7 hinein aufgrund von einem gegebenenfalls sich ausbildenden Unterdruck minimiert wird. Damit wird verhindert oder zumin- dest stark reduziert, dass Schmutzpartikel ins Innere der Durchtrittskammer 7 gelangen. Die Dimensionierung der Querschnitte der Drosselbohrungen und des resultierenden Austrittsöffnungsquerschnittes 6 erfolgt derart, dass der Druck in der Durchtrittskammer möglichst gleichmäßig ausgebildet und einen solchen Wert aufweist, dass in der Durchtrittskammer 7 entweder kein Überdruck gegenüber dem Außendruck oder zumindest kein Überdruck gegenüber dem Druck in der Druckkammer 9 vorhanden ist. Auf diese Weise wird mit der erfindungsgemäßen Einkoppelvorrichtung 1 verhindert, dass auch bei längerem Betrieb in der Durchtrittskammer 7 sich ein Unterdruck ausbildet, welcher sich in die Nähe eines kritischen Unterdruckes sich entwickelt, ab welchem der Flüssigkeitsstrahl aufbricht und zu einem Spray wird, wodurch die Funktion der Einkoppelvorrichtung nicht mehr gewährleistet wäre. Dies tritt bei der erfindungs- gemäßen E inkop pelvorri chtu ng gerade nicht auf, und zwar, ohne dass - wie es im Stand der Technik vorgesehen ist - ein zusätzliches, den Flüssigkeitsstrahl unmittelbar einschließendes Hilfsgas mit entsprechenden Leitungen, Druckbehältern etc. vorgesehen werden muss. Die Ein- koppelvorrichtung gemäß Figur 3 ist dabei konstruktiv besonders günstig bzw. einfach im Vergleich mit der gemäß dem Stand der Technik.
In Figur 4a) ist eine Einkoppelvorrichtung gemäß Figur 3 dargestellt, und zwar ohne dass ein Gasstrahl 17 vorgesehen sein muss. Eine solche Anordnung ist vor allen Dingen möglich, wenn die zu bearbeitende Werkstückoberfläche entweder konvex oder zumindest eben an der Bearbeitungsstelle ist, von wo das mit dem Flüssigkeitsstrahl an die Bearbertungsstelle geförderte Wasser bzw. die geförderte Flüssigkeit abfließen kann. Der Vorteil einer Bearbeitung einer Werkstückoberfläche mit einem in einem Flüssigkeitsstrahl 3 eingekoppelten Laserstrahl 2 besteht darin, dass die laminare Länge des Flüssigkeitsstrahls größer ist als bei Vorhandensein eines ringförmigen Gasstrahls, wie dies in Figur 4b) dargestellt ist. In Figur 4a) weist das Insert - ebenso wie bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Figur 3 - im oberen Kragenbereich Drosselbohrungen 8 auf, welche den Durchtrittsraum 7 mit der Druckkammer 9 verbinden, in welcher in dem vorliegenden Ausführungsbeispiel Außen druck herrscht. Die Flüssigkeit für den Flüssigkeitsstrahl 3 gelangt über eine Zuleitung und eine Flüssigkeitskammer 15 zur Flüssigkeitsdüse 5, aus welcher der Flüssigkeitsstrahl austritt und in welcher der Laserstrahl 2 über ein Schutzfenster 16 eingekoppelt wird.
In Figur 4b) ist eine Einkoppelvorrichtung gemäß Figur 4a) dargestellt, bei welcher jedoch zusätzlich ein Gasstrahl in die Druckkammer 9 gefördert wird, welcher aus der Druckkammer als ringförmig ausgebildeter Gasstrahl 17 aus der Einkoppelvorrichtung 1 austritt. Der restliche Auf- bau entspricht dem gemäß Figur 4a). Da der ringförmige Gasstrahl nach seinem Austritt aus der ringförmigen Gasaustrittsdüse relativ rasch auffächert, berührt nach einer definierten Entfernung der ringförmige Gasstrahl den Flüssigkeitsstrahl. Ab diesem Punkt wird der Flüssigkeitsstrahl 3 bezüglich seiner Laminarität gestört, und der Flüssigkeitsstrahl 3 fächert aus. Dies wird auch als Atomisierungspunkt für den Flüssigkeitsstrahl 3 bezeichnet. Aus den Figuren 4a) und 4b) wird deutlich, dass der ringförmige Gasstrahl zwar den Vorteil hat, sich in einer Kavität eines zu bearbeitenden Werkstückes ansammelnde Flüssigkeit zu verdrängen, damit der Flüssigkeitsstrahl mit dem Laserstrahl zuverlässig direkt an die Bearbeitungsstelle gelangen kann. Wegen seiner Auffächerung reduziert der ringförmige Gasstrahl jedoch die laminare Länge des Flüssigkeitsstrahls nach seinem Austritt aus der Austrittsöffnung 6 am unteren Ende des Inserts 10.
Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Figur 4a) ist die laminare Länge des Flüssigkeitsstrahles besonders groß und beträgt beispielsweise ca. 50 mm. Demgegenüber ist die laminare Länge bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Figur 4b) kleiner und beträgt beispielsweise 30 bis 35 mm. In beiden Fällen ist diese laminare Länge jedoch ausreichend, weil die Distanz zwischen Austritt des Flüssigkeitsstrahles und Werkstückoberfläche in der Regel ca. 20 mm beträgt. Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Figur 4b) besteht ein weiterer Vorteil darin, dass der ringförmige Airjet bis zum Atomisierungspunkt eine gute Schutzwirkung für den Fiüssigkeitsstrahl und damit den darin eingekoppelten Laserstrahl entfaltet. Dies ist beispielsweise von Bedeutung, wenn die Laserstrahl-Bearbeitungsvorrichtung mit der E in koppelvo rrichtu ng während der Bearbeitung über die Werkstückoberfläche bewegt wird und die Schutzwirkung des Airjets verhindert, dass der Flüssigkeitsstrahl mit eingekoppelten Laserstrahl abgelenkt oder deformiert wird.
Und schließlich ist in Figur 5 eine erfindungsgemäße Einkoppelvorrichtung 1 gemäß Figur 2 dargestellt, bei welcher in der vergrößerten Ausschnittsdarstellung für den Bereich von Flüssigkeitsdüse 5, Durchtrittsraum 7 und Insert 10 die Druck- und Strömungsverhältnisse angedeutet sind. Alle übrigen Elemente bzw. Bauteile entsprechen denen gemäß Figur 2 bzw. auch Figur 3, so dass darauf hier nicht nochmals eingegangen wird. In der Figur bedeuten die in Klammer gesetzten Buchstaben folgendes:
(a) Gas-/Luft-Zuführung mit dem Querschnitt A1 und dem Druck p1 ,
(b) Druckraum mit Querschnitt A2 und Druck p2 in Form eines Stauraumes,
(c) Drosselbohrung zum Druckausgleich zwischen Durchtrittsraum 7 für den Wasserstrahl 3 und der Druckkammer 9 mit dem Querschnitt A3 und dem Druck p3,
(d) Austrittsöffnung für den Flüssigkeitsstrahl aus dem Insert mit dem Querschnitt A4 und dem Druck p4 und
(e) Ausgang des ringförmigen Gasstrahles 17 aus der Gasaustrittsdüse 11 mit dem Querschnitt A5 und dem Druck p5. Für die Dimensionierung gilt nun, dass A1 < A2 > A3 < A4 und insbesondere A5 > A1 ist. Bezüglich der Drücke gilt p1 > p2 < p5. Die Luftströmung baut sich wie folgt auf: Das Gas bzw. die Luft strömt über die Zufuhrleitung in die Druckkammer 9. Die Druckkammer 9 ist kein Druckspeicher, da der als Ringspalt ausgebildete Ausgangsquerschnitt für das Gas stets größer ist als der Querschnitt der Zufuhrleitung für das Gas bzw. für die Luft. Insbesondere ist der Ausgangsquerschnitt doppelt so groß wie der Querschnitt der Drosselbohrungen 8. Der Durchtrittsraum 7 für den Flüssigkeitsstrahl 3 weist einen resultierenden Ausgangsquerschnitt A4 auf, welcher größer ist als der Querschnitt der Drossel bohrungen A3. Dadurch entsteht kein Überdruck im Durchtrittsraum 7. Es entsteht dadurch auch keine Luftummantelung bzw. Gasummantelung zur Angleichung der Geschwindigkeitsverhältnisse zwischen dem Flüssigkeitsstrahl 3 und seiner Umgebung. Aufgrund dieser erfindungsgemäßen Ausgestaltung des Inserts mit einem definierten Ausgangsquerschnitt 5 und den Drosselbohrungen 8 erfolgt der Druckausgleich zu einem sich ansonsten bildenden Unterdrück in der Durchtrittskammer 7 selbsttätig. Das durchschnittliche Druckniveau im Durchtrittsraum 7 ist geringer oder maximal gleich dem Außendruck. Dies kann in vielen Fällen der Umgebungsdruck sein. Es ist jedoch auch denkbar, dass die erfindungsgemäße Vorrichtung gekapselt ist und unter Druck arbeitet, wobei anstelle von Luft auch ein den Anforderungsbedingungen gemäßes Gas Anwendung finden kann.
Über die Dimensionierung und die Steuerung des Druckes, der Temperatur und der Viskosität der eingesetzten Fluide ist es somit möglich, den Druck im Durchtrittsraum 7 der erfindungsgemäßen Einkoppelvorrichtung zu regeln, so dass ein kontinuierlicher, dauerhafter und zuverlässiger Betrieb der Laserstrahl-Bearbeitungsvorrichtung gewährleistet werden kann, wobei der apparative Aufwand gegenüber dem gemäß dem Stand der Technik geringer gehalten ist.
Bezugszeichenliste
1 Einkoppelvorrichtung
2 Laserstrahl
3 Flüssigkeitsstrahl
4 Gehäuse
5 Flüssigkeitsdüse
6 Austrittsöffnung
7 Durchtrittskammer
8 Drosselbohrung
9 Druckkammer
10 Insert
11 Gasaustrittsdüse
12 Werkstück
13 Kavitat
14 Werkstückoberfläche
15 Flüssigkeitskammer
16 Schutzfenster
17 Gasstrahl/Airjet
18 zu verdrängende Flüssigkeit
19 Gasquelle Airjet
20 Gasquelle Hilfsgas
21 Hilfsgasstrom

Claims

NEUE ANSPRÜCHE
Laserstrahl-Bearbeitungsvorrichtung mit einer Einkoppelvorrichtung (1) zum Einkoppeln eines fokussierten Laserstrahls
(2) in einen Flüssigkeitsstrahl (3) definierten Querschnittes, aufweisend:
eine in einem Gehäuse (4) angeordnete Flüssigkeitsdüse (5) zur Ausbildung des Flüssigkeitsstrahls (3); und
eine in dem Gehäuse (4) angeordnete Austrittsöffnung (6), durch welche der Flüssigkeitsstrahl (3) aus dem Gehäuse (4) austritt und deren Querschnitt größer als der Querschnitt des Flüssigkeitsstrahls (3) ist; und
eine zwischen der Flüssigkeitsdüse (5) und der Austrittsöffnung (6) angeordnete Durchtrittskammer (7) für den Flüssigkeitsstrahl (3);
dadurch gekennzeichnet, dass
zumindest eine mit der Durchtrittskammer (7) strömungsverbundene Drossel bohrung (8) mit einem Strömungsquerschnitt Aa, an deren durchtrittskammerabgewandter Seite ein Gas in einer Druckkammer (9) mit einem Druck größer als in der Durchtrittskammer (7) anliegt, vorgesehen ist, wobei ein aus dem Querschnitt der als Blende ausgebildeten Austrittsöffnung (6) vermindert um den Querschnitt des Flüssigkeitsstrahles (3) gebildeter resultierender Austrittsöffnungsquerschnitt Ae bezüglich der Drosselbohrung (8) und einem am Austritt des Gases aus der Druckkammer (9) am zu der Drosselbohrung (8) gegenüberliegenden Ende gebildeter Ausgangsquerschnitt An derart dimensioniert ist, dass An und Ae jeweils größer als A$ sind und An größer als A@ ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass das Gas über einen mittels eines im Gehäuse (4) angeordneten Inserts (10) von der Durchtrittskammer (7) abgetrennten Durchtrittsbereich außerhalb von der Austrittsöffnung (6) - den Flüssigkeitsstrahl
(3) umgebend - in der Art eines Airjets aus dem Gehäuse
(4) mit einer derartigen kinetischen Energie austritt, dass an einem Bearbeitungsort des Laserstrahls (2) an einem Werkstück (12) eine selbst in Kavitäten (13) vorhandene Flüssigkeit vom Bearbeitungsort des Laserstrahles (2) verdrängbar ist. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der resultierende Austrittsöffnungsquerschnitt Aß , doppelt so groß wie der Querschnitt Ag der zumindest einen Drosselbohrung (8) ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass vier Drosselbohrungen (8), insbesondere gleichen Querschnitts, vorhanden sind.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Druckkammer (9) eine konzentrisch zur Austrittsöffnung (6) im Insert (10) ausgebildete Gasaustrittsdüse (11) aufweist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die zumindest eine Drosseibohrung (8) und der resultierende Austrittsöffnungsquerschnitt Aa derart dimensioniert sind, dass in der Durchtrittskammer (7) gegenüber dem Außendruck kein Unterdruck herrscht.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die zumindest eine Drosselbohrung (8) und der resultierende Austrittsöffnungsquerschnitt Ae derart dimensioniert sind, dass in der Durchtrittskammer (7) ein Unterdruck herrscht, weicher nicht unter einen definierten kritischen Wert fällt.
Verfahren zum Einstellen eines Druckes in einer zwischen einer Flüssigkeitsdüse
(5) zur Erzeugung eines Flüssigkeitsstrahles (3) und einer Austrittsöffnung
(6) am Gehäuse (4) angeordneten Durchtrittskammer (7) für den Flüssigkeitsstrahl (3) einer Laserstrahl- Bearbeitungsvorrichtung mit den Merkmalen gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7, bei welcher ein einer Bearbeitung an einer Werkstückoberfläche (14) dienender Laserstrahl (2) in den Flüssigkeitsstrahl (3) eingekoppert wird, wobei zumindest eine mit der Durchtrittskammer
(7) strömungsverbundene Drosselbohrung
(8) an ihrer d urchtrittskam mera b- gewandten Seite mit einem Gas in einer Druckkammer (9) mit einem gegenüber dem Druck in der Durchtrittskammer (7) vorhandenen Überdruck beaufschlagt wird und die Durchtrittskammer (7) durch eine Austrittsöffnung (6) für den Flüssigkeitsstrahl (3) begrenzt wird, deren Austrittsöffnungsquerschnitt Ae größer als der Querschnitt des Flüssigkeitsstrahls (3) ist,
dadurch gekennzeichnet, dass
der Druck p7 in der Durch tri ttskammer (7) bei demgegenüber höheren Druck p9 in der Druckkammer (9) derart eingestellt, insbesondere geregelt, wird, dass darin gegenüber dem Außendruck pa ein Überdruck entsteht.
9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Druck in der Durchtrittskammer (7) durch Veränderung des Gasdruckes in der Druckkammer (9) eingestellt wird.
10. Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Druck In der
Durchtrittskammer (7) durch Veränderung des Querschnittes der Drosselbohrung (8) und/oder des Austrittsöffnungsquerschnittes eingestellt wird.
11. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Druck in der Durchtrittskammer (7) durch Veränderung der Viskosität des Gases in der Druckkammer (9) eingestellt wird.
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