LU100538B1

LU100538B1 - Vorrichtung zum Schutz von Laseroptiken

Info

Publication number: LU100538B1
Application number: LU100538A
Authority: LU
Inventors: Andreas Ziemann
Original assignee: Highyag Lasertechnologie Gmbh
Priority date: 2017-12-11
Filing date: 2017-12-11
Publication date: 2019-06-12
Also published as: US11400543B2; DE102018131668A1; US20190176263A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Schutz von Laseroptiken bzw. zu deren Standzeiterhöhung. Dazu stellt die Erfindung eine Vorrichtung zum Schutz von Laseroptiken, umfassend ein unterhalb einer Laseroptik angeordnetes Gehäuse mit einem Anschluss für die Zuführung eines Schneidgases, einer auf der zur Laseroptik entgegengesetzten Seite angeordneten Austrittsdüse für das Schneidgas sowie einem druckfesten Schutzglas an der Seite der Laseroptik und einem prozessseitigen Schutzglas, welches zwischen Düse und druckfestem Schutzglas angeordnet ist zur Verfügung.

Description

VORRICHTUNG ZUM SCHUTZ VON LASEROPTIKEN

Beschreibung

GEBIET DER ERFINDUNG

[OOOlJDie Erfmdung betrifft eine Vorrichtung zum Schutz von Laseroptiken.

HINTERGRUND DER ERFINDUNG

[0002] Beim Schweißen und Schneiden von Werkstücken treten Emissionen auf, welche sichin der Umgebung der Bearbeitungsstelle ablagem und so zu einer Einschränkung der Funkti-on einer Laseroptik durch Ablagerungen auf den optischen Flächen fuhren können. Diese Ab-lagerungen schränken nicht nur die Leistungsfahigkeit der optischen Système ein, sondemkönnen auch die Laseroptik beschadigen oder sogar zerstören. Dies bedeutet, dass der Ar-beitsprozess zur Instandsetzung unterbrochen werden muss, was mit Kostenverlusten in derFertigung verbunden ist.

[0003] Die Verwendung eines Schutzglases vor einem optischen System zu dessen Schutz istaus dem Stand der Technik bekannt und stellt die wohl einfachste aber auch gängigste Mög-lichkeit dar, die sehr teuren optischen Système vor Emissionen zu schiitzen. Die Verwendungeines Schutzglases ist aus der DE 100 60 176 Al bekannt und wird dort mit einem Sensorkombiniert, der Verschmutzungen und Beschädigungen des Schutzglases detektiert, so dassdieses frühzeitig gewechselt werden kann. Nachteilig an dieser Lösung ist, dass der Wechseldes teuren Schutzglases die Betriebskosten der Anlage deutlich erhöht.

[0004] Die DE 43 29 322 Al lehrt eine Vorrichtung zur Erhöhung der Standzeiten von Laser-bearbeitungsoptiken, die ein unterhalb einer Bearbeitungsoptik angeordnetes Schutzglas undeine Einhausung des Laserstrahlenganges aufweist. Ferner umfasst die in diesem Dokumentoffenbarte Vorrichtung eine auf halber Höhe zwischen der Bearbeitungsoptik und einer Bear- beitungsstelle angebrachte Querstromdüse. Auch bei dieser Lösung muss wiederum ein teuresSchutzglas gewechselt werden.

[0005] In der WO 95/03911 Al wird eine Vorrichtung offenbart, bei der oberhalb einer Quer-stromdüse eine Einstromöffnung angebracht ist. Weiterhin offenbart die US 5,239,552 A,dass die Spülung eines Schutzglases einer Verschmutzung entgegenwirkt. Nachteilig an dieserLösung aus dem Stand der Technik ist, dass bei jeder Spülung des Schutzglases der Produkti-onsprozess unterbrochen wird und gegebenenfalls auch das teure Schutzglas gewechselt wer-den muss.

[0006] Die DE 102 26 359 Al lehrt einen Laserbearbeitungskopf, bei dem zwischen Gehäuseund Lasereinrichtung eine Querstrahldüse angeordnet ist. Diese dient dazu in Richtungder Laseroptik fliegende Spritzer oder Schweißrauche zur Seite abzulenken. Auch hier mussim Zweifelsfall ein verschmutztes Schutzglas gewechselt werden, was mit nicht unerhebli-chen Kosten verblinden ist.

[0007] In der DE 100 47 057 Al wird eine Vorrichtung offenbart, bei der eine ringförmigeSchutzblende die Austrittsöffnung des Laserstrahls umschließt. Die offenbarte Schutzblendehat die Form einer Tülle und weist nur die notwendige Öffhung zum Austritt des Laserstrahlsauf. Durch die Schutzblende sollen Spritzer und andere Emissionen vonder Laseroptik femgehalten werden.

[0008] Die DE 101 23 097 Al offenbart eine Einrichtung zum Schutz von Laseroptiken, wo-bei mittels eines Schutztrichters aus einer Düse Gas eingeblasen wird. An der Seite eines La-serbearbeitungskopfes der DE 101 23 097 Albefindet sich zusätzlich noch eine Absaugein-richtung, um abgelenkte Emissionen vom Schmelzbad abzusaugen.

[0009] In der DE 10 2005 0251 119 Al wird eine Vorrichtung zur Erhöhung der Standzeitenvon Laserbearbeitungsoptiken offenbart, welche insbesondere zum Schweißen von Werkstü-cken verwendet wird, mit einem unterhalb der Bearbeitungsoptik angeordneten Schutzglasund einer Einhausung des Laserstrahlenganges, welche am unteren Rand der Bearbeitungsop-tik anschließt und welche wenigstens den Raum zwischen der Bearbeitungsoptik und einer

Querstromdüse umschließt, wobei die Querstromdüse auf halber Höhe zwischen Laseroptikund Bearbeitungsstelle angebracht ist, und wobei diese Einhausung unmittelbar oberhalb derQuerstromdüse eine Einströmöffnung aufweist und oberhalb gegenüber der Querstromdüseeine Ausnehmung sowie direkt unterhalb des Schutzglases der Laseroptik eine Vorrichtungzur Spülung des von der Einhausung umschlossenen Raumes mit einem gasförmigen Mediumaufweist.

[0010] Die vorliegende Erfmdung soil das Problem lösen, dass der Wechsel eines hochdruck-beständigen Schutzglases teuer und aufwändig ist.

KURZE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG

[0011] Die vorlegende Erfmdung stellt eine Vorrichtung zum Schutz von Laseroptiken, um-fassend ein unterhalb einer Laseroptik angeordnetes Gehäuse mit einem Anschluss für dieZufuhrung eines Schneidgases, einer auf der zur Laseroptik entgegengesetzten Seite angeord-neten Austrittsdüse fur das Schneidgas sowie einem druckfesten Schutzglas an der Seite derLaseroptik und einem prozessseitigen Schutzglas, welches zwischen Düse und druckfestemSchutzglas angeordnet ist zur Verfügung.

[0012] In einem weiteren Aspekt der Erfmdung sind das druckfestes und das prozessseitigesSchutzglas in einer Schublade zum Entnehmen und Einsetzen angeordnet.

[0013] Es ist weiterhin vorgesehen, dass sich zwischen druckfestem und prozessseitigem Glasein Hohlraum befindet.

[0014] Weiterhin kann das Gehäuse eine Einströmöffnung für das Schneidgas in den Hohl-raum zwischen druckfestem und prozessseitigen Glas aufweisen und eine weitere Einstro-möffiiung auf der Seite des prozessseitigen Glases, welche der Austrittsdüse des Schneidgaseszugewandt ist.

[0015] Das prozessseitige Glas kann eine Stärke von weniger als 2 mm aufweisen. I_U I uuuoo[0016] Es ist weiterhin vorgesehen, dass das druckfeste Glas gasdicht zur Laseroptik ange-ordnet ist.

[0017] Weiterhin kann die erfindungsgemäße Vorrichtung in einer Ausfuhrungsform eineSteuereinheit zur Regulierung des Drucks zwischen dem druckfesten und prozessseitigen Glaseinerseits und zwischen dem prozessseitigen Glas und der Austrittsdüse des Schneidgasesandererseits umfassen.

[0018] Es ist auch erfindungsgemäß vorgesehen das prozessseitig angeordnete Schutzglas alsVentil zum Druckausgleich zu verwenden. Dabei kann es durch Druck des Schneidgases ent-weder in dem Raum des Gehäuses oberhalb der Schneiddüse gegen Abdichtungen in derSchublade auf der Seite des hochdruckfesten Schutzglases gepresst werden oder auch durchDruck in dem Hohlraum zwischen den Schutzgläsem gegen eine Abdichtung auf der Seite zurSchneiddüse hin.

[0019] Die vorliegende Erfindung umfasst weiterhin ein Verfahren zum Schutz von Laserop-tiken, umfassen die Schritte: a. Anordnen eines prozessseitigen Glases zwischen einem druckfesten Glas undeiner Austrittsdüse für ein Schneidgas, und b. Beaufschlagen des prozessseitigen Glases von beiden Seiten mit einem Druckdes Schneidgases.

[0020] Das Verfahren kann derart ausgestaltet sein, dass der Druck des Schneidgases zwi-schen dem druckfesten und prozessseitigen Glas gleich oder größer ist als der Druck desSchneidgases zwischen prozessseitigem Glas und Austrittsdüse des Schneidgases.

[0021] Weiterhin ist vorgesehen, dass der Druck jeweils oberhalb und unterhalb des prozess-seitigen Glases bis zu 25 bar maximal beträgt.

[0022] Das Verfahren der vorliegenden Erfindung kann auch den Schritt umfassen, dass dasprozessseitige Glas in einer Schublade zum Entnehmen und Einsetzen angeordnet wird.

[0023] Weiterhin betrifft die vorliegende Erfmdung noch die Verwendung eines prozessseitigangeordneten, zusätzlichen Schutzglases zum Schutz eines druckfesten Schutzglases vor einerLaseroptik vor Verschmutzungen resultierend aus der Bearbeitung eines Werkstücks.

[0024] Eine weitere Ausfuhrungsform des Druckausgleichs kann eine elastische Abdichtungdes prozessseitigen Schutzglases sein, wobei ab einem bestimmten Differenzdruck zwischenOber- und Unterseite des Schutzglases das Schutzglas sich bis zum Druckausgleich von derDichtung abhebt und somit als Druckausgleichsventil fungiert (Siehe fig. 2)

KURZE BESCHREIBUNG DER FIGUREN

[0025] Die Erfmdung wird im Folgenden anhand von Figuren näher dargestellt. Dabei ist furden Fachmann offensichtlich, dass es sich nur um beispielhaft gezeigte Ausfuhrungsformenhandelt, ohne dass die Erfmdung auf die gezeigten Ausfuhrungsformen beschränkt ist. Eszeigt:

Figur 1 Schematische Darstellung der Anordnung eines prozessseitigen Schutzglases

Figur 2 Schematische Darstellung prozessseitig angeordnetes Schutzglas mit Abdichtungin einer Schublade

Figur 3 Schematische Darstellung prozessseitig angeordnetes Schutzglas als Ventil mitAbdichtung in einer Schublade

AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG

[0026] Die vorliegende Erfmdung betrifft die Standzeiterhöhung einer Laserbearbeitungsop-tik. Bei Laserbearbeitungsköpfen zum Schneiden oder Fügen von Werkstücken wird nahe derFokussierlinse bzw. dem prozessnahen optischen Element ein Schutzglas angeordnet, dasMetallspritzer und Verschmutzungen aus dem Prozess und der Umgebung vor der Optik fem-halten soli. Dieses Schutzglas ist druckfest und damit vergleichsweise teuer. Zudem muss eshäufig gewechselt werden, was die Betriebskosten eine Anlage deutlich erhöht.

[0027] Die vorliegende Erfindung schlägt daher ein weiteres Schutzglas vor, welches pro-zessseitig angeordnet ist, d.h. das zusätzliche Schutzglas ist zwischen dem Bearbeitungspro-zess und dem druckfesten Schutzglas angeordnet.

[0028] Bei dem zusätzlichen Schutzglas kann ein dunnes, preiswertes Glas verwendet wer-den, Welches dann anstelle des teureren, hochdruckbeständigen Schutzglases, gewechseltwerden kann. Das zusätzliche Schutzglas, welches prozessseitig angeordnet ist, wird von bei-den Seiten, d.h. In Richtung des druckfesten Schutzglases und in Richtung des Bearbeitungs-prozesses mit dem gleichen Schneidgasdruck beaufschlagt. Dadurch kann das zusätzlicheGlas, obwohl es mit dem Schneidgas unter bis zu 25 bar Druck in Kontakt ist, sehr dünn aus-gefuhrt werden, da es ja keine wesentlichen Druckunterschiede aushalten muss.

[0029] In dem Raum zwischen zusätzlichem Glas und druckfestem Schutzglas bildet sich einim Wesentlichen konstanter Druck aus. Das hochdruckfeste, teurere Schutzglas übemimmtweiterhin die Funktion der sicheren Abdichtung der Optik gegen den Schneidgasdruck, aller-dings muss dieses Gias im Betrieb, da es durch das zusätzliche Glas weitgehend vor Ver-schmutzungen aus den Bearbeitungsprozess geschützt ist, seltener gewechselt werden.

[0030] Der Druck auf beiden Seiten des zusätzlichen Schutzglases soli in Betrieb im Wesent-lichen gleich sein. Er kann aber in dem Raum zwischen dem zusätzlichen Schutzglas und demdruckfesten Schutzglas etwas höher sein als zwischen zusätzlichem Glas und Bearbeitungs-prozess, da im Betrieb Schneidgas durch die Schneidgasdüse austritt und somit der Schneid-gasdruck in diesem Raum geringfugig abfallen kann.

[0031] Durch das Schneidgas könnte in Betrieb der Laserbearbeitungsoptik eine Verschmut-zung des oberen druckfesten Schutzglases durch Schmutzeinschleppung mittels des Schneid-gases erfolgen. Eine Verschmutzung des druckfesten Schutzglases ist weiterhin dadurchdenkbar, dass das zusätzliche Schutzglas nicht vollständig zum Bearbeitungsprozess hin ab-gedichtet ist. Ein derartiges Risiko einer Verschmutzung ist aber eher unwahrscheinlich da derRaum zwischen den Schutzgläser im Wesentlichen einmal mit Schneidgas gefullt wird unddann nur noch ein sehr geringer Durchfluss beziehungsweise Austausch des Schutzgases start- tendenziell höhere Druck im Hohlraum zwischen den Schutzgläsem macht eine Einschleppungvon Verschmutzungen auf das druckfeste Schutzglas zudem unwahrscheinlicher.

[0032] Als wesentlicher Vorteil der erfindimgsgemäßen Maßnahme ist der Schutz des teureren,hochdruckfesten Schutzglases vor Verschmutzungen zu sehen. Ein Wechsel des deutlich güns-tigeren zusätzlichen Schutzglases ist mit geringeren Kosten verbunden, wodurch sich bei einerdurchgängig in Betrieb befindliche Anlage die Kosten über die Zeit erheblich senken.

[0033] Ein weiterer wesentlicher Vorteil ist, dass beim Wechsel des prozessseitigen Schutzgla-ses die Optik nicht mehr geöffnet werden muss wie bei bekannten Systemen. Wird nämlich beikonventionellen System das optikseitige Schutzglas als Verschleißteil ausgefuhrt, so ist inner-halb der Tauschzeit die Optik geöffnet und es können Verunreinigungen durch die Luft in dieempfindliche Optik eingetragen werden. Diese können bei Wiederinbetriebnahme der Schneid-oder Schweißoptik die Optik beschadigen und eine Reparatur erforderlich machen. Die vorge-schlagene Lösung ist somit im praktischen Einsatz fehlertoleranter und robuster.

[0034] lm Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung ist es möglich und unter wirtschaft-lichen Gesichtspunkten dann auch sinnvoll, das druckfeste Schutzglas deutlich überdimensio-niert zu verwenden, um einen Bruch im Betrieb noch sicherer auszuschließen. Durch einenBruch des druckfesten Schutzglases können dessen Teile in die Optik gelangen und diese soschwer beschadigen. Bei konventionellen, aus dem Stand der Technik bekannten Anordnungenist die Überdimensionierung unwirtschaftlich, da das druckfeste Schutzglas ein dann noch teu-reres Verschleißteil wäre.

[0035] Figur 1 zeigt schematisch ein hochdruckfestes Schutzglas 1, welches mittels einer Dich-tung 4 mit zu einer Laserbearbeitungsoptik 5 druckdicht abgedichtet angeordnet ist. Das hoch-druckfeste Schutzglas 1 ist in einer Schublade zum Entnehmen und Einsetzen in einem Gehäuse7 angeordnet.

[0036] Unterhalb des hochdruckfesten Schutzglases ist ein zusätzlich ein prozessseitigesSchutzglas 2 angeordnet. Dieses befindet sich ebenfalls in einer Schublade zum Entnehmenund Einsetzen in das Gehäuse 7.

[0037] Zwischen dem hochdruckfesten Schutzglas 1 und dem prozessseitigen Schutzglas 2befindet sich ein mit Schneidgas gefullter Hohlraum, in welchen das Schneidgas über die Zu-fuhrung 3 strömt. Das Schneidgas befullt nicht nur den Hohlraum zwischen den Schutzglä-sem, sondem es strömt auch über die Zufiihrung 3 in das Gehäuse 7, um letztlich zur Düse 6zu gelangen, durch welche das Schneidgas unter Druck aus dem Gehäuse 7 austritt und sodem Bearbeitungsprozess zugefuhrt wird.

[0038] Im Sinne der vorliegenden Erfmdung wird der Hohlraum zwischen den Schutzgläsemauch als oberhalb des prozessseitigen oder zusätzlichen Schutzglases bezeichnet. Der Raumzwischen zusätzlichem oder prozessseitigen Schutzglas und der Düse 6 wird auch als unter-halb des zusätzlichen oder prozessseitigen Schutzglases bezeichnet.

[0039] Figur 2 zeigt noch einmal ein prozessseitig angeordnetes Schutzglas 2 mit Abdichtun-gen 4 zum hochdruckfesten Schutzglas in einer Schublade 8 zum Entnehmen und Einsetzen.Die Pfeile deuten den von beiden Seiten ausgeübten Druck auf das prozessseitig angeordneteSchutzglas an.

[0040] Figur 3 zeigt schematische ein prozessseitig angeordnetes Schutzglas 2 als Ventil mitAbdichtung 4 in einer Schublade 8. Sofem der Druck von der Prozessseite groß genug ist,wird das Schutzglas an die Abdichtung auf der Seite zum hochdruckfesten Schutzglas (nichtgezeigt) gedruckt und dichtet so den Hohlraum zwischen den Schutzgläsem ab. Dies hat denVorteil, das im Betrieb- Druckausgleich vorausgesetzt - keine Verschmutzungen aus demSchneid- oder Schweißprozess über den Spalt zwischen Schutzglas und Schutzglasschubladein den Hohlraum zwischen den Schutzgläsem eintreten können. Lediglich bei zu hohem Dif-ferenzdruck zwischen Düsenseite und dem Hohlraum findet ein kurzes und definiertes Anhe-ben des Schutzglases statt um ein Bersten aufgrund zu hohen Differenzdrucks zu vermeiden.

BEZUGSZEICHEN 1 hochdruckfestes Schutzglas 2 prozessseitiges Schutzglas 3 Zufïihrung Schneidgas 4 Dichtung 5 Optik 6 Düse 7 Gehäuse 8 Schublade

Claims

1. Eine Vorrichtung zum Schutz von Laseroptiken, umfassend ein unterhalb einer Laser-optik angeordnetes Gehâuse mit einem Anschluss für die Zufuhrung eines Schneidga-ses, einer auf der zur Laseroptik entgegengesetzten Seite angeordneten Austrittsdüse fürdas Schneidgas sowie einem druckfesten Schutzglas an der Seite der Laseroptik undeinem prozessseitigen Schutzglas, welches zwischen Düse und druckfestem Schutzglasangeordnet ist.

2. Die Vorrichtung nach Anspruch, wobei das druckfeste und das prozessseitige Schutz-glas in einer Schublade zum Entnehmen und Einsetzen angeordnet sind.

3. Die Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, wobei sich zwischen druckfestemund prozessseitigem Schutzglas ein Hohlraum befindet.

4. Die Vorrichtung nach Anspruch 3, wobei das Gehäuse eine Einströmöffnung für dasSchneidgas in den Hohlraum zwischen druckfestem und prozessseitigem Glas aufweistund eine weitere Einströmöffnung auf der Seite des prozessseitigen Glases, welche derAustrittsdüse des Schneidgases zugewandt ist.

5. Die Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei das prozessseitige Glas eineStärke von weniger als 2 mm aufweist.

6. Die Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei das druckfeste Glas gasdichtzur Laseroptik angeordnet ist.

7. Die Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, umfassend eine Steuereinheit zurRegulierung des Drucks zwischen dem druckfesten und prozessseitigen Glas einerseitsund zwischen dem prozessseitigen Glas und der Austrittsdüse des Schneidgases ande-rerseits.

8. Die Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei das prozessseitig angeordneteSchutzglas ein Ventil zum Druckausgleich ist.

9. Ein Verfahren zum Schutz von Laseroptiken, umfassen die Schritte a. Anordnen eines prozessseitigen Glases zwischen einem druckfesten Gias undeiner Austrittsdüse fur ein Schneidgas, und b. Beaufschlagen des prozessseitigen Glases von beiden Seiten mit einem Druckdes Schneidgases.

10. Das Verfahren nach Anspruch 9, wobei der Druck des Schneidgases zwischen demdruckfesten und prozessseitigen Gias gleich oder größer ist als der Druck desSchneidgases zwischen prozessseitigem Glas und Austrittsdüse des Schneidgases.

11. Das Verfahren nach Anspruch 9 oder 10, wobei der Druck jeweils bis zu 25 bar ma-ximal beträgt.

12. Das Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 11, wobei zumindest das prozessseiti-ge Gias in einer Schublade zum Entnehmen und Einsetzen angeordnet wird.

13. Die Verwendung eines prozessseitig angeordneten, zusätzlichen Schutzglases zumSchutz eines druckfesten Schutzglases vor einer Laseroptik vor Verschmutzungen re-sultierend aus der Bearbeitung eines Werkstücks.