DE102006045554A1

DE102006045554A1 - Schutzvorrichtung für die Optik eines Laserschweißscanners

Info

Publication number: DE102006045554A1
Application number: DE102006045554A
Authority: DE
Inventors: Simon Dipl.-Ing. Tölle; Reinhard Dr. Hölscher; Albrecht Dr.rer.nat. Kienemund
Original assignee: KEYSYSTECH GmbH
Current assignee: KEYSYSTECH GmbH
Priority date: 2006-09-25
Filing date: 2006-09-25
Publication date: 2008-04-03
Also published as: WO2008037310A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Schutzvorrichtung für die Optik einer Laserbearbeitungsvorrichtung, mit einem Grundkörper 4, der eine Durchtrittsöffnung für einen Laserstrahl mit einer Hauptemissionsrichtung 9 umgibt, sowie mit einem in dem Grundkörper 4 angeordneten Luftkanal 6, der mit einer Druckluftquelle in Verbindung steht. Ein geringer Druckluftverbrauch bei gleichzeitig verringerter Geräuschemission ergibt sich, weil der Grundkörper 4 eine der Durchtrittsöffnung zugewandte innere Mantelfläche 11 und wenigstens eine in einem Eckbereich angeordnete Düse 7 aufweist, die einerseits mit dem Luftkanal 6 und andererseits mit dem Außenraum kommuniziert, wobei die Düse 7 in einem spitzen Winkel gegenüber der Mantelfläche in Richtung der Hauptemissionsrichtung 9 ausgerichtet ist.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Schutzvorrichtung für die Optik einer Laserbearbeitungsanlage mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1.
Laserbearbeitungsanlagen und insbesondere Laserschweißanlagen werden umfangreich in der Industrie zur Materialbearbeitung benutzt. Die Bearbeitung erfolgt generell durch Wärmeeinwirkung auf das zu bearbeitende Werkstück aufgrund der großen Intensität des fokussierten Laserstrahls. Beim Laserschweißen tritt dabei das besondere Problem auf, dass aufgeschmolzenes, flüssiges Metall an der Bearbeitungsstelle austreten kann und in Form von Spritzern auf die Optik der Laserbearbeitungsanlage auftreffen kann. Diese Metallspritzer führen zu einer verringerten Leistung der Bearbeitungsvorrichtung und erfordern schließlich den Austausch des optischen Bauelements, das der Bearbeitungsstelle zugewandt ist. Hierbei handelt es sich im Allgemeinen um ein Schutzglas.
Bei Laserstrahlbearbeitungsvorrichtungen, die in geringem Abstand vom zu bearbeitenden Material eingesetzt werden (einige Millimeter bis Zentimeter) weist der Laserstrahl im Bereich der fokussierenden Optik einen entsprechend geringen Durchmesser auf. Hier wird der Schutz der Optik durch eine konzentrische Düse gewährleistet, die einen Druckluftstrom oder einen Schutzgasstrom koaxial in Richtung des Laserstrahls auf das Werkstück leitet. Eine solche Vorrichtung ist in der deutschen Patentanmeldung DE 199 62 624 A1 beschrieben.
Solche koaxialen Düsen weisen einen hohen Druckluftverbrauch auf und emittieren einen Geräuschpegel von etwa 90 dB(A).
Bei Laserschweißscannern ist der Abstand zwischen der fokussierenden Optik und dem Werkstück wesentlich größer. Er kann im Bereich von rund 80 cm liegen. Der Durchmesser der fokussierenden Optik ist dementsprechend groß und liegt bei 15-20 cm. Für einen Laserstrahl dieses Durchmessers ist die in der oben genannten Patentanmeldung offenbarte Lösung nicht praktikabel, da das zu durchströmende Volumen zu groß ist. Für solche Laserschweißscanner und andere Laserbearbeitungsvorrichtungen wird deshalb ein quer zum Laserstrahl emittierter Luftstrahl, ein sog. Crossjet eingesetzt. Ein Crossjet schützt die von der Bearbeitungsstelle aus gesehen dahinter liegende Optik hinreichend. Jedoch ist auch bei dieser technischen Lösung wegen der hohen erforderlichen Luftgeschwindigkeit der Druckluftverbrauch und die Geräuschemission nachteilig.
Es ist deshalb Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Schutzvorrichtung für die Optik einer Laserbearbeitungsvorrichtung zu schaffen, die auch bei einer großen Fokussierungsoptik eine geringe Geräuschemission und einen niedrigen Luftverbrauch aufweist.
Diese Aufgabe wird von einer Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Merkmale sind in den abhängigen Patentansprüchen angegeben.
Weil die Schutzvorrichtung für die Optik einer Laserbearbeitungsvorrichtung mit einem Grundkörper, der eine Durchtrittsöffnung für einen Laserstrahls mit einer Hauptemissionsrichtung umgibt, und mit einem in dem Grundkörper angeordneten Luftkanal versehen ist, der mit einer Druckluftquelle in Verbindung steht, und weil weiter der Grundkörper eine der Durchtrittsöffnung zugewandte innere Mantelfläche und wenigstens eine in einem Eckbereich angeordnete Düse aufweist, die einerseits mit dem Luftkanal und andererseits mit dem Außenraum kommuniziert, wobei die Düse in einem spitzen Winkel gegenüber der Mantelfläche in Richtung der Hauptemissionsrichtung ausgerichtet ist, wird außer dem eigentlichen Druckluftstrom noch ein Mantelstrom ausgebildet, der die Wirksamkeit erhöht und so den Druckluftbedarf verringert. Gleichzeitig wird eine geringere Geräuschemission erreicht.
Wenn die Düse von zwei koaxialen Schrägflächen gebildet ist, die in einem freien Abstand voneinander angeordnet sind und die in einem Winkel von 20° bis 45° gegen die innere Mantelfläche ausgerichtet sind, ist die Wirkung besonders gut. Ein vorteilhafter Aufbau ergibt sich, wenn der Grundkörper einen Deckring trägt, und diese Bauteile zusammen die äußere Form eines zu der Hauptemissionsrichtung symmetrischen Ringes mit im wesentlichen rechteckigem Querschnitt bilden, wobei die Düse in einem inneren, der Optik abgewandten Eckbereich angeordnet ist.
Dabei weist die Düse vorzugsweise eine Spalthöhe von 0,05 bis 0,2 mm auf. Zur Anpassung an verschiedene Einsatzzwecke ist vorteilhaft die Spalthöhe durch Auswahl einer Dichtung mit passender Dicke einstellbar.
Der innere Mantelstrom wird zuverlässig ausgebildet, wenn die Düse in einem von Umgebungsluft dürchströmbaren Abstand von der Optik angeordnet ist, wobei der Abstand vorteilhaft 10 mm bis 50 mm beträgt.
Wenigstens ein Anschluss, vorzugsweise mehrere gleichmäßig über den Umfang des Grundkörpers verteilte Anschlüsse für die Einspeisung von Druckluft sind vorgesehen, wobei die Druckluft einen Druck von 1 bar bis 4 bar, vorzugsweise etwa 1,5 bar aufweist.
Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung anhand der Zeichnung beschrieben. Es zeigen:
1: Eine Schutzvorrichtung mit einem Querschnitt von der Seite; sowie
2: eine Schutzvorrichtung gemäß 1 in einer perspektivischen Explosionsdarstellung.
Die 1 zeigt eine Schutzvorrichtung 1 in einem Querschnitt von der Seite. Die Schutzvorrichtung 1 umfasst ein ringförmiges Düsengehäuse 2 mit Druckluftanschlüssen 3. Das Düsengehäuse 2 wird im Wesentlichen von einem ringförmigen Grundkörper 4 und einem ebenfalls ringförmigen Deckring 5 gebildet. Der Grundkörper 4 und der Deckring 5 umschließen einen ringförmigen Kanal 6, der im Inneren der Düse 2 umlaufend ausgebildet ist. Eine ringförmige Düsenöffnung 7 wird von dem Grundkörper 4 und dem Deckring 5 begrenzt.
Im Einzelnen ist die Düse 2 folgendermaßen aufgebaut:
Der Grundkörper 4 ist rotationssymmetrisch ausgebildet. Er weist die Struktur eines Ringes mit einer in 1 oben befindlichen flachen Stirnseite 10 und einer im rechten Winkel dazu verlaufenden inneren Mantelfläche 11 sowie einer ebenfalls im rechten Winkel zu der flachen Stirnseite 10 orientierten äußeren Mantelfläche 12 auf. Im Inneren des Grundkörpers 4 wird der Kanal 6 durch eine in Umfangsrichtung verlaufende Ausnehmung in Form einer in Fig. nach unten offenen, umlaufenden Nut gebildet. Die Wandungen der Ausnehmung verlaufen parallel zu den Mantelflächen 11 und 12 sowie zu der Stirnseite 10. Es ergibt sich insgesamt ein etwa rechteckiger Querschnitt des Kanals 6. Der Kanal 6 ist in den Grundkörper 4 gegenüber der flachen Stirnseite 10 einseitig offen.
Die Wandung des Grundkörpers 4 weist im Bereich der äußeren Mantelfläche 12 insgesamt 4 durchgehende Gewindebohrungen 13 auf, die über den kreisförmigen Umfang im gleichen Winkelabstand von 90° verteilt sind. Die Gewindebohrungen 13 durchsetzen die äußere Mantelfläche 12 und stellen eine Verbindung zwischen dem Außenraum und dem Kanal 6 her. Die Druckluftanschlüsse 3 sind in die Gewindebohrungen eingeschraubt.
Der Grundkörper 4 weist an den freien Enden der durch die innere Mantelfläche 11 und die äußere Mantelfläche 12 begrenzten Schenkel eine vom rechteckigen Querschnitt abweichende Struktur auf. Im Bereich der äußeren Mantelfläche 12 ist ein ringförmiger Rücksprung 14 ausgebildet, der als rotationssymmetrischer Sitz für den Deckring 5 dient. An dem freien Ende der inneren Mantelfläche 11 ist eine Schräge 15 angeformt, die gegenüber der inneren Mantelfläche 11 um etwa 30° geneigt ist und die ausgehend von dem vollen Querschnitt der inneren Wandung des Grundkörpers 4 nach Innen auf die innere Mantelfläche 11 erstreckt. Insgesamt wird dadurch eine im Querschnitt spitze umlaufende Kante dort gebildet, wo die innere Mantelfläche 11 und die Schrägfläche 15 zusammentreffen.
Der Deckring 5 ist im Wesentlichen eben und weist etwa die gleiche Wandstärke auf, wie der Grundkörper 4 im Bereich der inneren Mantelfläche 11. An seinem äußeren Umfang ist die dem Grundkörper 4 zugewandte Stirnseite mit einem umlaufenden Steg 16 versehen, der komplementär zu dem Rücksprung 14 ist. Der Rücksprung 14 und der Steg 16 bewirken eine genaue Zentrierung des Deckrings 5 auf dem Grundkörper.
Der Deckring 5 begrenzt weiter den Kanal 6, welcher in dem Grundkörper 4 einseitig offen ausgebildet ist. Die dem Grundkörper 4 zugewandte Seite des Deckrings 5 verjüngt sich von der Stirnfläche her zu dem inneren freien Ende in einem Winkel von etwa 60° gegenüber der radial ebenen Stirnfläche. Es wird eine Schrägfläche 17 ausgebildet, die etwa parallel zu der Schrägfläche 15 verläuft und die gemeinsam mit der Schrägfläche 15 die Düsenöffnung 7 begrenzt.
Die 2 zeigt die insoweit beschriebene Schutzvorrichtung in einer Explosionsdarstellung. Gleiche Bauelemente tragen gleiche Bezugsziffern.
Aus 2 ist ersichtlich, dass der Grundkörper 4 und der Deckring 5 unter Zwischenschaltung einer ringförmigen Dichtung 20 zusammengesetzt werden können. Dazu weist der Grundkörper 4 eine Anzahl von Gewindebohrungen 21 auf, die gleichmäßig über den Umfang verteilt sind und die sich parallel zur Achsialrichtung der Anordnung erstrecken. Der Deckring 5 weist eine entsprechende Anzahl von Durchgangsbohrungen 22 auf, in die Gewindeschrauben 23 zur Befestigung des Deckrings 5 an dem Grundkörper 4 einsetzbar sind. Die Gewindebohrungen 21 sind im Bereich der Stirnseite des äußeren freien Schenkels des Grundkörpers 4 angeordnet. Der Innere freie Schenkel, der die Schrägfläche 15 definiert, ist frei von Bohrungen. Ebenso durchsetzen die Durchgangsbohrungen 22 nicht die Schrägfläche 17 des Deckrings 5.
Im zusammengesetzten Zustand nimmt die Schutzvorrichtung 1 dann die ringförmige, rotationssymmetrische und mit einem etwa quadratischen äußeren Querschnitt versehene Gestalt an, die in der 1 dargestellt ist. Die Düsenöffnung 7 wird in ihrem freien Querschnitt durch die relative Lage der Schrägflächen 15 und 17 definiert, aber insbesondere auch durch die Materialstärke der Dichtung 20. Durch einen Wechsel der Dichtung 20 kann der freie Querschnitt der Düse 7 bei Bedarf eingestellt werden. Die Druckluftanschlüsse 3 stehen mit einer in der Zeichnung nicht dargestellten Druckluftquelle in Verbindung, durch die Druckluft in den ringförmig umlaufenden Kanal 6 gespeist wird. Die Druckluft kann von da aus gleichmäßig aus der Düse 7 austreten.
Dieser Luftstrahl ist in der 1 mit der Bezugsziffer 8 veranschaulicht. Er bildet sich aufgrund des insgesamt rotationssymmetrischen Aufbaus als ein kegelförmig auf die Symmetrieachse und damit auf eine Hauptemissionsrichtung 9 des Laserstrahls zulaufenden Luftstrom aus. Beim Zusammentreffen der einzelnen Strömungspfade, die aus der Düsenöffnung 7 austreten, wird der Luftstrahl insgesamt in der im wesentlichen mit der Hauptemissionsrichtung 9 zusammenfallenden Achsialrichtung auf die Bearbeitungsstelle zu abgelenkt, da die einzelnen Strömungspfade des Luftstrahls 8 sich nicht störungsfrei durchdringen können. Weiter wird unmittelbar neben der Düsenöffnung 7 Umgebungsluft in Richtung auf den austretenden Luftstrahl angezogen, da in dem Luftstrahl 8 aufgrund der höheren Geschwindigkeit gegenüber dem Umgebungsdruck ein Unterdruck herrscht. Der Luftstrahl 8 wird auf diese Weise beidseitig nach Art eines Mantelstroms von Umgebungsluft ummantelt.
Diese Ausbildung eines Mantelstroms innen und außen um den Luftstrahl 8 herum bewirkt zum Einen eine Vergrößerung des erzeugten Volumenstroms, zum Anderen aber auch eine Verringerung der Geräuschemission.
Die Dimensionierung der Schutzvorrichtung sieht bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel vor, dass der Austrittswinkel der Druckluft aus der Düsenöffnung 7 30° gegen die Symmetrieachse beträgt. Der Innendurchmesser beträgt 195 mm, so dass die Schutzvorrichtung eine ausreichende lichte Weite aufweist, um das Austrittsfenster eines Laserscanners für das sog. Remote-Schweißen bietet, welches einen Durchmesser von 180 mm aufweist. Die Höhe des Düsenkanals 7 quer zur Strömungsrichtung der Druckluft beträgt 0,05 mm. Der Düsenkanal 7 selbst weist in Umfangsrichtung gemessen eine Länge von etwa 613 mm auf. Der freie Querschnitt beträgt dadurch 31 mm².
Der etwa quadratische Querschnitt, der durch die Flachseile 10 und die Mantelflächen 11 und 12 begrenzt ist, weist eine Schenkellänge von jeweils rund 30 mm auf.
Im Betrieb wird die Schutzvorrichtung mit einem Abstand vom 30-50 mm von dem Schutzglas eines Laserscanners entfernt montiert. Dieser Abstand gewährleistet, dass ausreichend Luft durch den inneren freien Querschnitt an der inneren Mantelfläche 11 vorbei in den Luftstrahl 8 strömen kann. Im Betrieb zeigt sich weiter, dass der erzeugte Mantelstrom ausreichend ist, um an der Bearbeitungsstelle auftretendes flüssiges Metall von dem Schutzglas des Laserscanners fern zu halten. Die Geräuschemission beträgt bei einer Versuchsanordnung mit einer Breite des Düsenkanals 7 von 0,1 mm und einer Druckluftzufuhr in den Kanal 6 mit einem Druck von von 1,5 bar lediglich 69 dB(A). Dabei liegt der Luftverbrauch bei 30 m³ pro Stunde.
Diese Messwerte sind auch bei anderen Dimensionierungen in der Vorrichtung zu erwarten, da an dem konkreten physikalischen Effekt nichts geändert wird. So würde eine Anpassung an Optiken mit größerem Durchmesser zu einer Vergrößerung der Schutzvorrichtung insgesamt führen. Es ist zu erwarten, dass der Luftverbrauch linear mit dem zunehmenden Umfang steigt, es ist aber davon auszugehen, dass die Geräuschemission nicht signifikant größer wird.
Ein großer Vorteil im Betrieb besteht darin, dass gegenüber den bekannten mit Druckluft betriebenen Schutzvorrichtungen die Geräuschemission so weit gesenkt werden konnte, dass ein Arbeiten neben der Schutzvorrichtung ohne Gehörschutz möglich und zulässig ist. Weiter wurde eine erhebliche Reduzierung des Druckluftbedarfs erreicht, was wegen der allgemein hohen Kosten für die Bereitstellung von Druckluft bei den nach dem Stand der Technik benötigten Mengen eine erhebliche Kosteneinsparung im Betrieb darstellt.

1: Schutzvorrichtung
2: Düse
3: Druckluftanschluss
4: Grundkörper
5: Deckring
6: Kanal
7: Düsenöffnung
8: Luftstrahl
9: Hauptemissionsrichtung
10: flache Stirnseite
11: innere Mantelfläche
12: äußere Mantelfläche
13: Gewindebohrung
14: Rücksprung
15: Schrägfläche
16: Steg
17: Schrägfläche
18
19
20: Dichtung
21: Gewindebohrungen
22: Durchgangsbohrungen
23: Schrauben

Claims

Schutzvorrichtung für die Optik einer Laserbearbeitungsvorrichtung, mit einem Grundkörper (4), der eine Durchtrittsöffnung für einen Laserstrahls mit einer Hauptemissionsrichtung (9) umgibt, sowie mit einem in dem Grundkörper (4) angeordneten Luftkanal (6), der mit einer Druckluftquelle in Verbindung steht, dadurch gekennzeichnet, dass der Grundkörper (4) eine der Durchtrittsöffnung zugewandte innere Mantelfläche (11) und wenigstens eine in einem Eckbereich angeordnete Düse (7) aufweist, die einerseits mit dem Luftkanal (6) und andererseits mit dem Außenraum kommuniziert, wobei die Düse (7) in einem spitzen Winkel gegenüber der Mantelfläche in Richtung der Hauptemissionsrichtung (9) ausgerichtet ist.
Schutzvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Düse (7) von zwei koaxialen Schrägflächen (15, 17) gebildet ist, die in einem Winkel von 20° bis 45° gegen die innere Mantelfläche (11) ausgerichtet sind.
Schutzvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die der Grundkörper (4) einen Deckring (5) trägt, und dass diese zusammen die äußere Form eines zu der Hauptemissionsrichtung (9) symmetrischen Ringes mit im wesentlichen rechteckigem Querschnitt bilden, wobei die Düse (7) in einem inneren, der Optik abgewandten Eckbereich angeordnet ist.
Schutzvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Düse (7) eine Spalthöhe von 0,05 bis 0,2 mm aufweist.
Schutzvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Spalthöhe durch Auswahl einer Dichtung (20) einstellbar ist.
Schutzvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Düse in einem von Umgebungsluft dürchströmbaren Abstand von der Optik angeordnet ist.
Schutzvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand 10 mm bis 50 mm beträgt.
Schutzvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein Anschluss für die Einspeisung von Druckluft vorgesehen ist, wobei die Druckluft einen Druck von 1 bar bis 4 bar, vorzugsweise etwa 1,5 bar aufweist.