NO311751B1 - Laserbearbeidingshode og fremgangsmåte for laserbearbeiding - Google Patents

Description

Den foreliggende oppfinnelse er rettet mot laserbearbeidings-hoder og mer bestemt mot et forbedret laserbearbeidlngshode egnet for bruk ved høyeffektiv ablasjon, skjæring eller boring i materialer slik som plast og metall.

Laserbearbeiding er velkjent innenfor maskinverktøy- og trykkeindustrien. Laserbearbeiding benyttes for å skjære og/eller bortsmelte materialer.

Et laserbearbeidlngshode omfatter typisk en fokuseringslinse montert i et generelt sylindrisk hus. Fokuseringslinsen kan holdes i huset ved bruk av et par av holderinger, en på hver side av linsen. Laserbearbeidingshodet omfatter typisk også et munnstykke som er festet til huset ved den ene enden. Munnstykket har en smal åpning gjennom hvilken den fokuserte laserstrålen passerer når den trer ut av bearbeidingshodet før den treffer arbeidsstykket. I bruk rettes en laserstråle gjennom fokuseringslinsen på arbeidsstykket. I noen tilfeller avbøyes laserstrålen fra ett eller flere fjernt plasserte speil før den rettes gjennom fokuseringslinsen på arbeidsstykket. Et vakuumavfallsfjerningssystem, adskilt fra laserbearbeidingshodet, benyttes vanligvis for å samle opp og fjerne avfall produsert ved skjæring eller ablasjon av arbeidsstykket ved hjelp av den fokuserte laserstrålen. Det forannevnte munnstykket beskytter fokuseringslinsen fra kontakt med avfallet som ikke tas opp av vakuumavf alls-fjerningssystemet.

Figur 1 er et tverrsnitt gjennom et konvensjonelt laserbearbeidlngshode. Laserbearbeidingshodet 1 omfatter en hul sylindrisk linseholder 2 omfattende et indre kammer 15 i hvilket en fokuseringslinse 3 holdes ved hjelp av et par av låseringer 4 og 5. Et munnstykke 6 er festet til den ytre overflaten av holderen 2 ved hjelp av en O-ring 7, som tetter kammeret 15, og en låsende settskrue 8. Munnstykket 6 omfatter—en tupp 9 med en trang åpning 10. En laserstråle, eventuelt reflektert fra et fjernt plassert speil (ikke vist i figur 1), fokuseres ved hjelp av linsen 3 og rettes gjennom åpningen 10. Ved utløp fra åpningen 10 skjærer eller bort-smelter laserstrålen det nødvendige materialet på arbeidsstykket. Som indikert tidligere omslutter et vakuumavfallsfjerningssystem (ikke vist i tegningene) munnstykket 6 for å fjerne mesteparten av det bortskårede eller det bortsmeltede materialet. Imidlertid, på grunn av det bortsmeltede materialets, som forlater overflaten, høye hastighet ' vil ikke vakuumsystemet som ligger rundt laserbearbeidingshodet ikke fjerne alt avfallet og noe av det kan entre åpningen i munnstykket. Munnstykket 6, med den trange åpningen 10, forhindrer store stykker av bortsmeltet materiale fra å kastes tilbake mot linsen. Selv med dette arrangementet kan imidlertid forurensninger og avfall sprette tilbake fra arbeidsoverflaten gjennom åpningen 10, skade linsen og etter-late den ubrukelig.

I et forsøk på å løse dette problemet ble et system benyttet i teknikkens stand for å tvinge luft eller andre gasser gjennom åpningen 10 mot arbeidsstykket for å forhindre at partikler kastes tilbake mot linseholderen 2. Som illustrert i figur 1 omfatter systemet et gassinnløp 11 og et omkrets-liggende gasskammer 12 i munnstykket 6, likesom spalter 13 i holderen 2. Gassveien er vist ved henvisningstall 14. Selv om det tidligere kjente laserbearbeidingshodet vist i figur 1 er tilstrekkelig for flere formål, krever bruk av høy-effektive lasere for fjerning av store mengder materiale fra arbeidsstykkeoverflater et forbedret system. Ved slik anvendelse benyttes en laserstråle med et energinivå på 1200 watt og høyere for å bortsmelte materialet fra arbeidsoverflaten. Et konvensjonelt laserbearbeidlngshode av typen vist generelt i figur 1 er utilstrekkelig for å forhindre at avsmeltet materiale spretter tilbake gjennom munnstykkeåpningen med stor kraft over en lengre tidsperiode. Linsen kan bli belagt med forurensninger fra arbeidsoverflaten. I noen tilfelle*- fører denne kontamineringen til varmeoppbygging, noe som kan føre til at fokuseringslinsen sprekker eller skades på annen måte. For å unngå den foran nevnte kontamineringen og/eller varmeoppbyggingen er det nødvendig periodisk å avbryte prosessen og rense fokuseringslinsen. Dette resulterer i kostbar dødtid og redusert drifts-effektivitet . ;Ifølge oppfinnelsen er det således tilveiebragt et laserbearbeidlngshode som angitt i innledningen til det medfølgende selvstendige krav 1 og en fremgangsmåte for laserbearbeiding av et arbeidsstykke som angitt i innledningen til det selvstendige krav 10. Laserbearbeidingshodet og fremgangs-måten for laserberabeidingen er kjennetegnet ved de karakte-riserende trekk som angitt i de selvstendige kravene, henholdsvis krav 1 og krav 10. Foretrukne trekk ved laserbearbeidingshodet fremgår av de medfølgende uselsv-stendige kravene 1 til 9, og foretrukne trekkved fremgangs-måten for laserbearbeidingen fremgår av kravene 11 og 12. ;Den foreliggende oppfinnelse er rettet mot et forbedret laserbearbeidlngshode som omfatter en gassfordelingsinnretning for innføring av gass i hodet under trykk nær linsen for å forhindre at linsen skades av forurensninger eller avsmeltet materiale som kommer fra arbeidsstykket. Gass-strømningen, etter at den entrer ved linsen, rettes bort fra linsen og mot munnstykket. I en foretrukket utførelsesform av oppfinnelsen omfatter gassfordelingsinnretningen en inn-retning for å danne en virvelbevegelse når gassen entrer hodet nær linsen. Gassvirvelen holder linsen ren og eliminer-er varmeoppbygning i linsen. Gassvirvelen skaper en ytterligere kraft som forhindrer forurensninger og avsmeltet materiale i å nå. linsen. Virvelen resulterer i at linsen holdes ren, kjølig og skadefri gjennom hele laserdriften. I en illustrativ utførelsesform tilveiebringes virvel-bevegelsen av en ringformet gassfordeler med et antall avvinklede spalter slik at gassen som entrer huset der linsen er monterT, entrer i en spiralbevegelse som skaper virvelen. ;t ;Laserbearbeidingshodet ifølge den foreliggende oppfinnelse omfatter i en annen foretrukket utførelsesform et munnstykke med et legemsavsnitt som omfatter et gassinnløp motsatt av et gassutløp og et indre kammer avsmalnet fra en vid åpning ved innløpet til en trang åpning ved utløpet. Det avsmalnende indre kammeret gir rom for gasstrømning fra en vid åpning til en trang åpning som resulterer i øket gasstrømningshastighet når den strømmer ut fra den trange åpningen. Den økede hastigheten tjener til å forhindre at forurensninger og avsmeltet materiale spretter tilbake gjennom munnstykket og når linsen. Figur 1 er et skjematisk tverrsnitt gjennom et laserbearbeidlngshode ifølge teknikkens stand. Figur~2 er et skjematisk tverrsnitt gjennom et laserbearbeidlngshode ifølge den foreliggende oppfinnelse. Figur 3 er et tverrsnitt gjennom linseholderavsnittet i laserbearbeidingshodet i figur 2. Figur 4 er et enderiss av gassfordeleren tatt langs linjen 4-41 figur 3. ;Det vises nå til figur 2 der det forbedrede laserbearbeidingshodet 20 ifølge den foreliggende oppfinnelse består av en sammenstilling som omfatter et ytre hus 22 og et indre 1inseholder-munnstykke 24. En laserfokuseringslinse 26 er anordnet inne i det ytre huset 22 ved dettes ene ende. Som vist i figur 2 holdes linsen 26 i det ytre huset 22 ved hjelp av en ytre låser ing 28 som står i inngrep med gjenger 30 på det ytre husets 22 indre diameter. Linsen 26 holdes på sin indre overflate ved linseholder-munnstykkets 24 innløps-ende 32. Selv om linsen kan holdes på sin indre overflate ved hjelp av en annen låsering eller egnet holdeelement, oppnås fordelene*"" ved den foreliggende oppfinnelse best når linsen holdes'på sin indre overflate ved hjelp av linseholder-munnstykket 24.

Linseholder-munnstykket 24 vist i figur 2 er en foretrukket utførelsesform av denne som omfatter et avsmalnet indre kammer 34 og en gassfordeler 36 ved innløpsenden 32. Det indre kammeret 34 er dannet ved et avsmalnet legemsavsnitt 38 og tilveiebringer en vid innløpsåpning 40 og en trang utløps-åpning 42. Utførelsesformen vist i figur 2 omfatter en f jernbar tupp 44 vist i denne utførelsesformen som skrudd inn i åpningen 43. Den fjernbare tuppen 44 er valgfri.

Fordelaktig kan tuppen 44 skrus inn i eller ut av åpningen 43 i linseholder-munnstykket 24 for å justere klaringen fra tuppens 44 frontoverflate mot arbeidsstykkets overflate.

Linseholder-munnstykket 24 holdes inne i det sylindriske huset 22 ved hjelp av en gjenget flens 46 som griper inn i indre plasserte gjenger 30 i huset 22. I tillegg inneholder et ringformet spor 48 en O-ringstetning 50 for å tilveiebringe en gasstett tetning ved utløpsenden mellom huset 22 og linseholder-munnstykket 24.

Huset 22 omfatter videre et gassinnløp 52. En gasspassasje 54 er utformet mellom husets 22 indre overflate og linse-holderens 24 ytre overflate. Flensen 56 og 0-ringen 50 forhindrer gass fra å unnslippe ved munnstykkets 24 utløpsende slik at gasstrømmen, som vist ved pilene 58, først rettes mot linseholder-munnstykkets 24 innløpsende 32.

Laserbearbeidingshodet ifølge den foreliggende oppfinnelse omfatter videre en ringformet gassfordeler 36 for mottak av gass fra passasjen 54 og for å rette gassen først over fokuseringslinsens 26 indre flate 26a og deretter gjennom kammeret 34 fra innløpsenden 32 mot åpningen 42 der den strømmei—at av laserbearbeidingshodet 20. Således vil det forstås at gassfordeleren 36 tilveiebringer passasje for gass

L

fra passasjen 54 inn i kammeret 34. Gassf ordeleren 36 omfatter fordelingshull 60 plassert i avstand rundt for-delerens 36 omkrets. Den ringformede gassfordeleren 36 er dannet av en ring 62 med fordelingshull 60, der hvert av disse står i gasskommunikasjon med et antall fordelingsspalter 63. I en foretrukket utførelsesform vist i figur 4 danner lengdeaksen 67 av hver spalte 63 en vinkel 64 (målt ved ringens 62 ytre overflate) med en forlengelse 66' av ringens 62 radius. Gassfordeleren 36 er fortrinnsvis en integrert del av linseholderen 24. Imidlertid kan alternativt fordeleren være et separat element som er festet til holderens 24 innløpsende. Spesifikt er gassfordeleren fortrinnsvis tilveiebragt som en integrert del av linseholder-munnstykket s 24 gjengede flens 46. Med andre ord fungerer i den foretrukne utførelsesformen den gjengede flenserr 46 som den nevnte ringen 62. I dette arrangementet er en rekke fordelingshull 60 anordnet rundt omkretsen tilveiebragt i flensen 46. Disse fordelingshullenes 60 akser er generelt parallelle med laserbearbeidingshodets 20 akse og generelt vinkelrett på den gjengede flensens 46 innvendig anordnede overflate 46a (se figur 3). Fordelingsspalter 63 tilveiebringer gasskommunikasjon mellom fordelingshull 60 og kammeret 34.

Innføringen av gass først nær 1inseholderarrangementet og deretter ved hjelp av vinklede spalter 63 som skaper en virvelbevegelse over linsens innvendige overflate, forhindrer at linsen 26 skades eller forurenses av avsmeltede partikler fra arbeidsstykket. Virvelen av gasstrømning renser linsen og forhindrer varmeoppbygning i linsen 26 ved å fjerne varme ved tvunget konveksjon. Gasstrømmen rettes mot munnstykkeutløpet 42. Dette forhindrer at partikler og forurensninger når linsen 26 og forlenger derved linsens levetid betydelig.

Det er ttr variabler som bør kontrolleres for å oppnå optimal ytelse fra laserbearbeidingshodet ifølge den foreliggende oppfinnelse. Disse er størrelsen på den trange utløps-åpningen 42 og gasstrykket i laserbearbeidingshodet under drift. Den trange utløpsåpningen bør være så liten som mulig for å minimalisere linsens eksponering mot forurensninger og avfall, men den må være stor nok til å gi plass for laser-strålens diameter når denne går ut av bearbeidingshodet. En unødvendig stor utløpsåpning kan kreve for store gass-strømninger for å virke effektivt. For en gitt utløpsåpning bør gasstrykket være stort nok til å generere tilstrekkelig gasstrømning til å kjøle linsen og til å forhindre at den kontamineres ved avsmeltede partikler og forurensninger. For laserbearbeidingshodet ifølge den foreliggende oppfinnelse som benytter en linse 26 med fokallengde på 12,7 cm er en utløpsåpning på 0,23 cm og et gasstrykk på 517 kPa i laserbearbeidingshodet funnet å tillate at bearbeidingshodet kan drives —i lengre tidsperioder uten avbrytelser for nødvendig linserengjøring. Det skal forstås at en faglært arbeider enkelt kan etablere andre egnede kombinasjoner av utløps-åpningsstørrelse og gasstrykk ved rutineeksperimentering.

For å gi plass for mindre variasjoner i fokuslengde for linser med en gitt nominell fokallengde uten at det er behov for å fjerne linsen fra huset 22, kan det avsmalnende legemsavsnittet 38 skrus enten med eller mot klokken for å justere linsens posisjon inne i det ytre huset 22. Når det avsmalnende legemsavsnittet er skrudd til ønsket posisjon justeres den ytre låseringen 28 korresponderende for å sikre at linsen 26 holdes sikkert i posisjon.

Claims (12)

1. Laserbearbeidlngshode (20), omfattende: et hus (22); som har en første og en andre motstående ende; innretninger (28, 30 og 32) for å holde en fokuseringslinse (26) innfri huset (22) ved den ene enden; et munnstykke (24) for festing til huset (22), nevnte munnstykke (24) har et gassutløp (42) og. et gassinnløp ved den motsatt andre enden lokalisert, under bruk, nær en linse som holdes i nevnte holdeinnretninger (28, 30, 32); og en gassfordelerinnretning (36) for innføring av gass inn i gassinnløpet i nevnte munnstykke (24);karakterisert vedat gassutløpet (42) er, under bruk, lokalisert nær nevnte andre ende av nevnte hus (22), og gassfordelerinnretningen (36) innretter, under bruk, en gasstrøm generelt i en retning mot overflaten av linsen slik at den kontakter og strømmer over en indre overflate av 1insen.

2. Laserbearbeidlngshode ifølge krav 1,karakterisert vedat nevnte hus (22) er sylindrisk.

3. Laserbearbeidlngshode ifølge krav 1 eller krav , k a r a k terisert ved at munnstykket (24) har en sylindrisk ytre flate og en avsmalnende indre flate, munnstykket (24) har en vid åpning ved gassinnløpsenden (40) og en trang åpning ved gassutløpsenden (42).

4 . Laserbearbeidlngshode ifølge et hvilket som helst av kravene 1-3,karakterisert vedat nevnte gassfordelingsinnretning (36) omfatter innretninger for å danne en hvirvelbevegelse på en linse som holdes i nevnte holdeinnretninger (28, 30, 32).

5. Laserbearbeidlngshode ifølge krav 4,karakterisert vedat virveldannende innretninger omfatter et ringformet element (62) med et antall vinklede spalter (63).

6. Laserbearbeidlngshode ifølge et hvilket som helst av kravene 1-5,karakterisert vedat gassfordeleren (36) er en integrert del av munnstykket (24).

7. Laserbearbeidlngshode ifølge et hvilket som helst av kravene 1 til 6,karakterisert vedat munnstykket (24) omfatter en fjernbar tupp (44) ved gassutløpet (42).

8. Laserbearbeidlngshode ifølge ifølge et hvilket som helst av kravene 1-7,karakterisert vedat det innbefatter en gassspassasje (54) utformet under bruk mellom huset (22) og munnstykket (24) for å tilveiebringe for-bindelse mellom hus (22) et gassinnløp (52) og fordelerinn-retningen (36).

9. Laserbearbeidlngshode ifølge et hvilket som helst av kravene 1-8,karakterisert vedat nevnte holdeinn-retning omfatter en linsespalte utformet mellom en låsering (28) og gassinnløpet i nevnte munnstykke (24).

10. Fremgangsmåte for laserbearbeiding av et arbeidsstykke, karakterisertterisert ved at den omfatter: en linsespalte utformet mellom en tilveiebringing av en laser for fokusering av en laserstråle på et arbeidsstykke; retting av laserstrålen gjennom en fokuseringslinse (26) på arbeidsstykket; og retting av en gasstrøm generelt 1 retning mot linsens overflate nær nevnte arbeiddstykke, gasser strømmer så mot arbeidsstykket.

11. Fremgangsmåte ifølge krav 10,karakterisertved at gasstrømmen har en hvirvelbevegelse over linsens (26) indre overflate (26a).

12. Fremgangsmåte ifølge krav 11,karakterisertved at nevnte fokuseringslinse (26) holdes i holdeinn-retningene (28, 30, 32) i laserbearbeidingshodet (20).