IT9083400A1 - Dispositivo per un laser di potenza soprattutto per la saldatura - Google Patents

Description

Descrizione del brevetto per invenzione industriale

Titolo: DISPOSITIVO PER UN LASER DI POTENZA SOPRATTUTTO PER LA SALDATURA

DESCRIZIONE

L'invenzione concerne un dispositivo secondo la definizione generica della rivendicazione principale.

Questi laser sono per lo più laser a C02 con una potenza di uscita di alcuni kilowatt. Essi vengono impiegati soprattutto per la saldatura, taglio od applicazione di materiali. Il raggio luminoso che esce dal laser viene raccolto davanti al pezzo tramite una lente collettrice avente, ad esempio, una distanza focale di 17 cm. Il diametro della lente va, ad esempio, da 30 a 50 mm. Le lenti sono, ad esempio, di Zn/Se. Esse costano circa da 3.000 a 6.000 franchi francesi. Come già noto dalle operazioni di saldatura, taglio e simili, dal materiale si staccano spruzzi caldi formanti una pioggia di scintille da ogni parte. Il fenomeno assume forma di esplosione. Se, ad esempio, si salda o si taglia alluminio, sotto lo strato di ossido alluminio si forma un bagno fuso coperto da tale stra Nell'intervallo di tempo fino alla lacerazione di tale strato, si sviluppa al di sotto di esso una notevole pressione, finché poi l'alluminio fuso schizza da ogni parie in forma di una esplosione.

Nelle lavorazioni suddette sono necessari, oltre al raggio laser concentrato, anche dei gas. Si può trattare di gas proiettivi come, ad esempio, argon od azoto che coprono la zona di lavoro oppure si può trattare di ossigeno il quale può incrementare l'effetto del raggio laser sul pezzo.

Le lenti collettrici Zn/Se sono altamente permeabili alla luce. Se durante le operazioni suddette uno spruzzo colpisce la lente, allora tale zona della lente assorbe dal raggio laser tanta energia, che la lente viene molto rapidamente distrutta. Ciò comporta tutta una serie di svantaggi: si deve spendere per una nuova lente, l'utensile rimane fermo durante la sostituzione e per la lavorazione un arresto rappresenta anche lo svantaggio che il punto di interruzione é visibile. Questi ed altri svantaggi sono noti al tecnico.

Secondo la definizione generale della rivendicazione principale é noto l'uso di una trappola contro gli spruzzi di particelle. Talvolta si prevedono nella trappola dei deflcttori contro i quali vanno a cozzare le particelle. Inoltre, allo stato attuale della tecnica, si insuffla nella cavità della trappola, in direzione radiale, del gas, il quale poi viene fatto affluire verso l'apertura coassiale e verso altre aperture non coassiali della trappola facendolo quindi uscire dalla trappola stessa. E' risultalo però che il getto radiale di gas ed anche il gas fluente verso l'apertura coassiale non possono impedire il danneggiamento della lente collettrice.

Scopo dell'invenzione è quello di indicare una soluzione con la quale venga escluso del tutto, od in una misura statìsticamente mollo elevata, che le particelle lanciate attraverso l'apertura verso la lente possano colpire la lente stessa.

Secondo l'invenzione questo effetto protettivo si ottiene tramile le caratteristiche risultanti dalla parte caratterizzante.

A tale scopo si genera un flusso elicoidale. Notoriamente questo vortice ha, teoricamente, lungo l’asse geometrico longitudinale, una velocità di rotazione infinita.

Questa velocità, nel vortice, diminuisce verso l'esterno secondo la legge del momento angolare ed esso ha all'esterno la velocità minima. Naturalmente una velocità di rotazione infinita lungo l'asse geometrico longitudinale non viene raggiunta a causa dell'attrito interno. Tuttavia l'elevata velocità di rotazione è sufficiente a far deviare dall'asse, verso l'esterno, per forza centrifuga, le particelle lanciate lungo l'asse geometrico longitudinale. Anche nel caso in cui esse all'inizio siano lanciate esattamente lungo l’asse geometrico longitudinale, esse poi vengono deviate verso l’esterno in seguito a difetto di equilibrio ed alla asimmetria della loro forma. Quindi esse possono veni catturate da deflettori, rivestimenti soffici delle pareti e simili.

Tramite le caratteristiche della rivendicazione 2 si ottiene che l'ugello di immissione attivi il vortice con la parte preponderante del'energia del gas.

Tramite le caratteristiche della rivendicazione 3 si ottiene una attivazione particolarmente buona del vortice, in particolare nel caso in cui l'ugello di immissione sia disposto effettivamente in posizione tangenziale.

Tramite le caratteristiche della rivendicazione 4 si può attivare il vortice da più punti, ad esempio con una disposizione a 180°, 120°, 90°, e così via.

A seconda del problema, si può alimentare con il gas solo un ugello di immissione, due ugelli, e così via. Si potranno allora mettere in funzione tutti gli ugelli nel caso che le particelle che vengono sprizzate siano moltissime.

Tramite le caratteristiche della rivendicazione 5 si ottiene che il vortice si formi in modo uniforme ed inoltre c possibile migliorare la costruzione degli ugelli, ad esempio in forma anulare.

Tramite le caratteristiche della rivendicazione 6 si ottiene che, a parità di pressione del gas, a seconda dell'inserzione di determinati ugelli, si possono generare momenti angolari del vortice di diversa entità.

Tramite le caratteristiche della rivendicazione 7 si ottiene una costruzione particolarmente semplice ed un vortice che presenta una forma particolarmente vantaggiosa.

Tramite le caratteristiche della rivendicazione 8 si ottiene che la punta del vortice ruoti in modo particolarmente forte e quindi che le spruzzature vengano proiettate all'esterno subito all'inizio.

Tramite le caratteristiche della rivendicazione 9, per il vortice non é necessaria una fonte di gas particolare.

Tramite le caratteristiche della rivendicazione 10 si ottiene un adattamento alle qualità di gas maggiormente impiegate.

Tramite le caratteristiche della rivendicazione 1 1 si ottengono parametri che sono già stati collaudati con successo nella pratica.

Tramite le caratteristiche della rivendicazione 12 il dispositivo stesso rimane sufficientemente freddo e lo si può avvicinare ad un pezzo in lavorazione.

Tramite le caratteristiche della rivendicazione 13 si ottiene una trappola la quale non è di ostacolo nel caso di debba lavorare molto in angoli oppure in altri punti difficilmente accessibili.

Tramite le caratteristiche della rivendicazione 14 il gas rimane più a lungo nella zona da lavorare del pezzo.

Tramite le caratteristiche della rivendicazione 15 é possibile riapplicare la trappola in modo molto rapido a seconda di quale trappola é più adatta ad un tipo di lavorazione. La trappola secondo la rivendicazione 13 é, per così dire la costruzione base.

Tramite le caratteristiche della rivendicazione 16 si ottiene un tipo di fissaggio particolarmente semplice senza creare disturbo in quella zona in cui sono previsti gli ugelli.

Tramite le caratteristiche della rivendicazione 17 si ottiene inoltre un accoppiamento geometrico tra la parete di fondo piana e la parete di fondo conica.

Tramite le caratteristiche della rivendicazione 18 la distanza rispetto al pezzo non varia indipendentemente dal fatto che si usi la parete di fondo conica o la parete di fondo piana.

L'invenzione viene ora descritta sulla base di esempi di esecuzione preferiti. Il disegno mostra:

Fig.1 Una vista schematica laterale di una trappola con vortice e lente.

Fig. 2 Una vista dall'alto di fig.l però senza lente.

Fig.3 Una sezione radiale attraverso una prima parte della trappola.

Fig.4 La vista dall'alto di Fig.3.

Fig. 5 Una sezione lungo la linea 5-5 in fig.6 attraverso un anello portaugelli.

Fig.6 Una sezione lungo la linea 6-6 di fig. 5.

Fig.7 La vista su un anello di copertura.

Fig. 8 Una sezione radiale attraverso una parte di una trappola con parete di fondo conica.

Fig. 9 Una sezione assiale attraverso una parte avitabile con fondo piano.

Lungo un asse geometrico longitudinale 11 esce un raggio non rappresentato, di un laser di potenza, non rappresentato. 11 raggio viene concentrato da una lente 12. Il fuoco giace sull’asse geometrico longitudinale al di sotto di una trappola 13. La lente 12 si trova nella zona 14, al di sopra della trappola. La trappola 13 c sostanzialmente simmetrica di rotazione rispetto all'asse geometrico longitudinale 11. Essa ha una parete a mantello 16 cilindrica circolare in ottone ed una parete di fondo 17 che si estende radialmente rispetto all'asse geometrico longitudinale 11. Ambedue sono in un unico pezzo. Al di sotto della zona superiore 14, vicino alla lente 12, é prevista una condotta di gas 18 la quale riceve un gas sotto pressione da una sorgente, non rappresentata. La bocca 19 della condotta di gas porta nel vano interno 21 della trappola 13 ed é disposta assieme alla condotta 18, almeno nella zona vicina alla parete 16, in modo tale che il gas fluisce tangenzialmente nella zona superiore del vano interno 21.

Coassialmente all'asse geometrico longitudinale 11 la parete di fondo 17 ha una apertura 22 cilindrica circolare il cui diametro é tuttavia notevolmente minore del diametro interno della parete 16. Ciò ha come conseguenza che, durante l’esercizio, si forma un vortice 23 il cui percorso é rappresentato schematicamente nelle figg. 1 e 2. Il vortice é del tipo a momento angolare. Quanto più grande é la distanza di una particella di gas dall’asse geometrico longitudinale 11 e tanto più lentamente essa si muove. Nella zona dell'asse geometrico longitudinale 11 la velocità di rotazione é massima.

Se uno spruzzo vuole salire verso l'alto attraverso l'apertura 22, lungo l'asse geometrico longitudinale 1 1 , c'è la massima probabilità già nell’apertura 22 od immediatamente al di sopra di essa, che lo spruzzo assuma forzatamente, in seguito a squilibrio, forze centrifughe o simili, una traiettoria che si scosta dall’asse 11 c quindi che esso molto rapidamente venga deviato verso l'esterno in modo da andare ad urtare sulla superficie interna della parete 16. Non vengono qui rappresentati deflettori e/o pareti di rimbalzo di cui può essere munita all'interno la parete 16.

Inoltre la parete interna 16 può avere un rivestimento soffice, ad esempio, di lana metallica, per frenare le particelle dopo l'urto. Nel caso che siano previsti dei deflettori, anche questi possono essere muniti di uno strato sottile di un materiale assorbente l'energia in modo che gli spruzzi non possano ancora rimbalzare, rimanendo nel punto in cui c avvenuto l’urto.

Dalla legge del momento angolare e dalle figg. 1 e 2 risulta che la velocità di rotazione é estremamente elevala, mollo più elevata della velocità del gas immesso attraverso la condotta 18.

Secondo le figure 3 e 4 rappresentate in scala 1 : 1 , la parete a mantello 24 è coassiale rispetto all'asse geometrico longitudinale 11. Al di sotto, la parete di fondo 26 é radiale rispetto all'asse 11. Per motivi di buona conduttività termica, ambedue le pareti hanno uno spessore notevole, come si vede dalle figure. La apertura 27 c anch'essa coassiale ed ha in alto una svasatura 28 che favorisce penetrazione della punta del vortice nell'apertura 27.

La faccia inferiore 29 della parete di fondo 26 ha andamento radiale ed é piana, sicché il vortice uscente in basso dall'apertura 27, può nuovamente ampliarsi tra la faccia inferiore 29 e la faccia superiore del pezzo 31.

La figura 3 mostra come, ad esempio, tramite l'invenzione, l'insufflazione nella conca di saldatura non é tanto forte come sarebbe il caso, se del gas defluisse con una direzione di movimento puramente assiale dall'apertura 27, parallelamente all'asse longitudinale 11. La conca di saldatura rimane quindi, grazie all'invenzione, più calma anche nel suo stato fluido e ciò è molto importante per la qualità del cordone di saldatura.

In alto, sulla parete 24, é prevista una flangia di fissaggio 33 radiale, di forma circolare, nella quale sono previsti tre fori di fissaggio 34 disposti a 120° l’uno rispetto al l’altro.

L’anello portaugelli 36 rappresentato in scala 1 :1 nelle figg. 5 c 6 é anch'esso in metallo. Il suo foro passante interno 38 ha un diametro conforme al diametro interno della parete 24. Esso ha tre fori di fissaggio 37 corrispondenti ai fori di fissaggio 34, sicché i due pezzi possono venir tra di loro collegati tramite vili.

Tangenzialmente alla parete interna 38 sboccano i fori 39, 41, 42, 43 che hanno andamento rettilineo.

Essi hanno diametro crescente e cioè il foro 39 ha un diametro di 2 mm, il foro 41 di 3 mm, il foro 42 di 4 mm ed il foro 43 di 5 mm. Nella zona finale esterna i fori da 39 a 43 diventano i fori . di uguale forma 44 con filettatura interna 46. Qui si possono avvitare dei tubi flessibili per il gas provenienti da una sorgente di alimentazione. Affinché degli eventuali controdadi trovino una superficie di battuta, ortogonalmente rispetto all'asse longitudinale dei fori 39, 41, 42 e 43 sono previste delle superfici fresate.

L'anello portaugelli 36 si adatta a tenuta dì gas alla flangia dì fissaggio 33. A sua volta alla flangia di fissaggio 33 si adatta una flangia di tenuta 48 disegnata in scala 1:1, di metallo, la cui funzione é ovvia.

La figura 8, in scala 1:1, mostra la parte inferiore di una trappola, senza flangia di tenuta e senza anello portaugellì. Essa é coassiale all'asse geometrico longitudinale 11. Su un collare 49 si adatta l'anello portaugellì, non rappresentato. Una flangia di fissaggio 51 serve agli scopi già menzionati. Al di sotto della flangia di fissaggio 51 é prevista una breve parete 52 di forma anulare che continua verso il basso con la parete conica 53 avente un angolo di 34°.

Nella zona superiore della parete di fondo 53 e nella parete laterale 52 si trova una filettatura 54. La parete 53 non finisce in punta, ma é prevista una superficie radiale interna 56 cd una superficie radiale esterna 57, le quali sono attraversate dal foro coassiale 58.

La parete di fondo 53, con questo angolo, ostacola poco le zone esterne del vortice 23 che si forma durante il funzionamento e quindi permette una maggiore intensità del vortice nella sua zona centrale.

Secondo la figura 9, per il dispositivo secondo la figura 8 é prevista una cappa. La cappa 59 ha un bordo coassiale 61 il quale, nella sua zona superiore interna presenta una filettatura interna 62, avvitabile sulla filettatura esterna 54. Per il resto, il bordo 61, in posizione di avvitatura, non tocca in alcun punto la parete 53 nel suo andamento obliquo. In basso, il bordo 61 si unisce ad un fondo radiale 63 la cui faccia inferiore 64 é anch'essa radiale rispetto all'asse geometrico longitudinale 11.

Un'apertura 66 ha forma tronco-conica con un angolo di 34°, ossia lo stesso angolo che presenta la superficie esterna della parete di fondo 53. In condizioni di avvitamento la faccia inferiore 64 viene a trovarsi a filo con la superficie esterna 57. Nel fondo 63, relativamente spesso, sono previsti dei fori di refrigerazione 67 e sul fondo 63 sopo previsti, al di fuori dell'angolo di 34° dei condotti di refrigerazione 68.

La parete di fondo 53 rivolta verso il pezzo 31 é munita di una protezione contro il calore 69 in un materiale adatto, come la grafite. La grafite viene spruzzata sulla parete di fondo.

Nelle costruzioni finora note la lente 12 ed il suo supporto sono componenti a sé e così pure la trappola 13.

Secondo un esempio dell'invenzione, però, ambedue possono venir riuniti, come mostra schematicamente la fig.1 ed il gas raffredda allora per lo meno anche la faccia inferiore della lente 12, sicché questa non ha bisogno dell'apporto particolare di altro gas di refrigerazione. In questo caso il gas ha una temperatura di refrigerazione bassa, come é già nolo.

Nell'ambito delle varianti dell'invenzione si può anche ottenere la refrigerazione della faccia superiore della lente 12, ad esempio, tramite una seconda bocchetta. Il movimento rotatorio del gas dà una refrigerazione, migliore, più libera da gradienti, che non la corrente trasversale finora impiegata.

Al posto della lente 12 può subentrare anche un altro dispositivo che raccoglie il raggio laser come, ad esempio, uno o più specchi opportunamente curvi . Si può impiegare un sistema dì focalizzazione qualsiasi.

Claims (22)

1. RIVENDICAZIONI 1. Dispositivo per un laser di potenza, il quale presenta all'uscita un sistema di focalizzazione che piega il raggio laser lungo un asse geometrico longitudinale, con una trappola a valle del sistema di focalizzazione per particelle che sprizzano dal pezzo verso il sistema di focalizzazione, la quale trappol a è sostanzialmente coassiale rispetto all'asse longitudinale, presenta una parete a mantello ed una parete di fondo, presenta un ugello di immissione per gas e presenta nella parete di fondo un'apertura coassiale per l'uscita del raggio laser e del gas, caratterizzato dal fallo che l'ugello di immissione, assieme alla parete a mantello, c un generatore di un momento angolare.
2. 2. Dispositivo secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che l’ugello di immissione é disposto in genere tangenziale rispetto alla parete a mantello.
3. 3. Dispositivo secondo la rivendicazione 2, caratterizzalo dal fatto che l’ugello di immissione ha una disposizione da tangenziale fino a /- 20°.
4. 4. Dispositivo secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che sono previsti più ugelli di immissione.
5. 5. Dispositivo secondo la rivendicazione 4, caratterizzalo dal fatto che gli ugelli di immissione sono sistemati alla stessa altezza.
6. 6. Dispositivo secondo la rivendicazione 4, caratterizzato dal fatto che tulli gli ugelli di immissione hanno diametri tra di loro diversi .
7. 7. Dispositivo secondo la rivendicazione 4, caratterizzato dal fatto che tutti gli ugelli hanno diametro uguale.
8. 8. Dispositivo secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che l’apertura coassiale é l’unica uscita per un vortice generato dal generatore di momento angolare.
9. 9. Dispositivo secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che all’ugello di immissione é collegata una sorgente di gas, la quale eroga un gas comunque necessario sul pezzo quando il laser é in funzione.
10. 10. Dispositivo secondo la rivendicazione 1, caratterizzalo dal fatto che il gas é un gas inerte c/o ossigeno.
11. 11. Dispositivo secondo una o più delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fallo che la velocità del gas uscente dall'ugello di immissione giace nel campo dei decametri/scc, che il diametro interno caratteristico della trappola giace nel campo dei centimetri e che la portata del gas giace nel campo dei deci-m3/h fino al campo inferiore dei m3/h.
12. 12. Dispositivo secondo la rivendicazione 1, caratterizzalo dal fatto che la parete di fondo presenta un dispositivo di refrigerazione.
13. 13. Dispositivo secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che la trappola presenta una parete di fondo coassiale, conica circolare.
14. 14. Dispositivo secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che la trappola presenta una parete di fondo coassiale, sostanzialmente piana.
15. 15. Dispositivo secondo le rivendicazioni 13 e 14, caratterizzato dal fatto che la parete di fondo piana presenta un bordo di supporto coassiale che può supportare la parete di fondo conica con un fissaggio che è smontabile.
16. 16. Dispositivo secondo la rivendicazione 15, caratterizzato dal fatto che la trappola, la quale presenta la parete a fondo conico, nella zona della sua parete a mantello, presenta una filettatura esterna sulla quale é avvitabile, con la sua filettatura interna il bordo di supporto.
17. 17. Dispositivo secondo la rivendicazione 16, caratterizzato dal fatto che la zona della punta della parete di fondo conica viene alloggiata e si adatta in una svasatura conica nella parete di fondo piana.
18. 18. Dispositivo secondo una o più delle precedenti rivendicazioni, caratterizzato dal fatto che l'estremità della parete di fondo conica, ortogonalmente rispetto all'asse geometrico longitudinale, è piana e che, quando il bordo di supporto é avvitato, essa é a filo con la faccia inferiore della parete di fondo piana.
19. 19. Dispositivo secondo la rivendicazione 10, caratterizzato dal fatto che, nel caso di un solo ugello di immissione, il gas viene addotto quale miscela.
20. 20. Dispositivo secondo la rivendicazione 10, caratterizzato dal fatto che, nel caso di più ugelli di immissione, ogni gas viene addotto separatamente.
21. 21. Dispositivo secondo la rivendicazione 1 , caratterizzalo dal fatto che la parete di fondo, sulla sua faccia rivolta al pezzo, é coperta con uno strato di protezione termica,
22. 22. Dispositivo secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che il sistema di focalizzazione e l’ugello di immissione hanno una posizione tale, per cui il gas refrigera anche il sistema di focalizzazione.