DE102012000071A1

DE102012000071A1 - Method for cleaning vacuum system of high-voltage-excited laser source, involves pumping residual gas from vacuum system when noticeable reduction of contamination occurs in circulation pump of source

Info

Publication number: DE102012000071A1
Application number: DE201210000071
Authority: DE
Inventors: Anmelder Gleich
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2012-01-04
Filing date: 2012-01-04
Publication date: 2013-07-04

Abstract

The method involves evacuating contaminated gases from a vacuum system with decreasing speed of a circulation pump of a radiation generating source. Residual gas is pumped from the vacuum system when noticeable reduction of contamination occurs in the circulation pump. Rinsing gas is supplied during evacuation of the contaminated gases. The evacuating process is triggered by a signal of an inspection sensor that inspects no-load operation performance, line current, output power, coolant temperature or focus point.

Description

Im Vakuumsystem hochspannungsangeregter Laserstrahlquellen bildet sich aufgrund der anliegenden Hochspannung von mehreren Kilovolt Elektrodenabbrand. Dieser Elektrodenabbrand ist unerwünscht, da er sich in Form eines sehr feinen Staubs im gesamten Vakuumsystem verteilt. Die offensichtlichste Auswirkung ist hierbei der Niederschlag auf der Innenseite der Gläser des Resonators.Due to the applied high voltage of several kilovolts, electrode burn-off occurs in the vacuum system of high voltage excitation laser beam sources. This electrode burn-off is undesirable because it spreads in the form of a very fine dust throughout the vacuum system. The most obvious effect here is the precipitate on the inside of the glasses of the resonator.

Meistens wird der Effekt dieses systemimmanenten Mangels auch noch durch eine zur Leistungssteigerung der Strahlquelle verbaute Umwälzpumpe (Blower, Verdichter, Turbo, Turbine) verstärkt.In most cases, the effect of this system-inherent deficiency is also reinforced by a circulating pump (blower, compressor, turbo, turbine) installed to increase the performance of the jet source.

Durch diese Pumpe, die eine Gasströmungsgeschwindigkeit von mehreren 100 Stundenkilometern im Vakuumsystem bewirkt, wird der feinstaubliche Elektrodenabbrand im gesamten Kreislauf verteilt und setzt sich an allen Komponenten des Unterdrucksystems fest.By this pump, which causes a gas flow speed of several 100 km / h in the vacuum system, the finely dusted electrode burnout is distributed throughout the circuit and is fixed to all components of the vacuum system.

Der Niederschlag auf den optischen Bauteilen des Lasers (Auskoppelfenster, Endspiegel, Faltspiegel) führt zu einer erheblichen Erwärmung der Spiegel, da diese durch die Verunreinigung einen wesentlich größeren Anteil der umzulenkenden bzw. durchzuleitenden Laserstrahlung aufnehmen als bei sauberen Spiegeln.The precipitation on the optical components of the laser (output window, end mirror, folding mirror) leads to a considerable heating of the mirror, since they absorb a much larger proportion of the laser radiation to be deflected or transmitted through the contamination than with clean mirrors.

Die Folge ist neben auftretenden Änderungen des Modes des Lasers auch eine schlechtere Reflexionsabsorption von vom Werkstück zurückreflektierter Strahlung. Besonders beim Schneiden von Aluminium kann die nun nicht mehr gänzlich verhinderte Rückstrahlung zu einem kurzfristigen signifikanten Anstieg der Leistung und damit auch der Strahlungsdichte im Resonator führen.The result is not only occurring changes in the mode of the laser but also a poorer reflection absorption of radiation reflected back from the workpiece. Particularly when cutting aluminum, the now no longer completely prevented reverberation can lead to a short-term significant increase in power and thus also the radiation density in the resonator.

Im Extremfall kann dieser sprunghaft angestiegene Leistungszuwachs das Auskoppelfenster und/oder den Endspiegel irreversibel schädigen. Durch verschmutzte Optiken verschiebt sich zudem die Fokussierebene. Während dem Schneiden kann es zu einer Fokusdrift von mehreren Millimetern kommen. Eine gleichbleibende Schneidqualität ist damit kaum mehr zu erreichen.In extreme cases, this sudden increase in power can irreversibly damage the coupling window and / or the end mirror. Dirty optics also shifts the focus plane. During cutting, a focus drift of several millimeters may occur. A consistent cutting quality is thus hardly achievable.

Hinzu kommt, dass bei einer Erwärmung der Optik oftmals Schutzvorrichtungen ausgelöst werden, die das Auskoppelfenster oder den Endspiegel vor Beschädigungen schützen sollen. Die richtige Auslegung dieser Schutzvorrichtungen ist jedoch äußerst schwierig, was zu Fehlalarmen oder zu einer Zerstörung der Optiken führen kann.In addition, when a warming of the optics protection devices are often triggered to protect the coupling window or the end mirror from damage. The correct design of these protections is extremely difficult, which can lead to false alarms or destruction of the optics.

Neben einer hocheffizienten Reflexionsabsorption, die wohl zweckmäßigerweise bereits außerhalb des Vakuumsystems verhindert, dass die Rückstrahlung in den Resonator gelangen kann, ist eine Reduzierung der Verunreinigungen für die Haltbarkeit der Optik vorteilhaft.In addition to a highly efficient reflection absorption, which expediently already prevents outside the vacuum system, that the re-radiation can get into the resonator, a reduction of impurities for the durability of the optics is advantageous.

Hiervon ausgehend liegt der Erfindung die Aufgabe zu Grunde, den durch Verschmutzungen im Vakuumsystem bedingten Elektrodenabbrand in hochspannungsangeregter Laserstrahlquellen zu vermeiden.On this basis, the invention is based on the object to avoid caused by contamination in the vacuum system electrode erosion in high voltage excitation laser beam sources.

Diese Aufgabe wir mit einem Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Bevorzugte Ausführungsformen des Verfahrens sind in den Unteransprüchen angegeben.This object is achieved by a method having the features of claim 1. Preferred embodiments of the method are specified in the subclaims.

Da sich die Kontaminierungen an schwer zugänglichen Stellen vermehrt ansammeln können, sieht die Erfindung eine permanente automatische Systemreinigung des Vakuumsystems vor, um Verunreinigungen und einen erhöhten Verschleiß im Vorfeld zu unterbinden.Since the contaminants can accumulate in hard to reach places, the invention provides a permanent automatic system cleaning of the vacuum system to prevent contamination and increased wear in advance.

Ausgehend von der Beobachtung, dass sich die notwendig werdenden Revisionszyklen mit steigender Betriebsstundenzahl ständig verkürzen, bis schließlich ein betriebswirtschaftlich sinnvoller Einsatz der Laserquelle aufgrund der erhöhten Störungsanfälligkeit und eines stark sinkenden Kosten-Nutzen-Verhältnisses der Resonator-Überholung festzustellen ist, geht die Erfindung von folgenden Rückschlüssen aus:

• Die bisherige Durchführung der Resonator-Revisionen ist mangelhaft, da hierbei zahlreiche Bauteile, wie z. B. das Zentralrohr, die Kühler, Gasführungsleitungen, Ventile, die Vakuumpumpe, etc. im System verbleiben.
• Diese Teile werden oder können nicht ordnungsgemäß gereinigt werden.
• Nicht beseitigte Verschmutzungsnester, die durch die von der Umwälzpumpe bedingte hohe Gasströmung freigesetzt werden, können unmittelbar zu einem Ausfall der Optik oder zu einem Schaden an einzelnen Strecken führen.

Starting from the observation that the necessary revision cycles shorten with increasing number of operating hours, until finally a commercially sensible use of the laser source due to the increased susceptibility to interference and a strong declining cost-benefit ratio of the resonator overhaul is observed, the invention of the following Conclusions from:

• The previous implementation of the resonator revisions is poor, as this numerous components, such. As the central tube, the radiator, gas ducts, valves, the vacuum pump, etc. remain in the system.
• These parts may or may not be cleaned properly.
• Undisrupted fouling nets released by the high gas flow caused by the circulation pump can directly lead to failure of the optics or damage to individual sections.

Abhilfe wäre es, ab einer bestimmten Betriebsstundenzahl das komplette Vakuumsystem zu ersetzen (bzw. durch ein geeignetes Verfahren zu reinigen) oder den kompletten Resonator zu tauschen. Dies ist jedoch zeit- und kostenintensiv.The remedy would be to replace the complete vacuum system (or to clean it by a suitable procedure) after a certain number of operating hours or to replace the entire resonator. However, this is time consuming and costly.

Das nun hier vorgestellte erfindungsgemäße Verfahren zur permanenten Reinigung des Vakuumsystems einer hochspannungsangeregter Laserstrahlquelle ist eine kostengünstige Alternative zu den o. g. Varianten.The inventive method presented here for the permanent cleaning of the vacuum system of a high-voltage excitation laser beam source is a cost-effective alternative to the o. G. Variants.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen näher erläutert, wobei die Zeichnungen zeigen:The invention will be explained in more detail below by means of an embodiment with reference to the accompanying drawings, in which:

1: Schematische Darstellung des Vakuumsystems einer hochspannungsangeregten Laserstrahlquelle am Beispiel eines Axial-Fast-Flow-Lasers; 1 : Schematic representation of the vacuum system of a high-voltage excitation laser beam source using the example of an axial fast-flow laser;

2: Flussdiagramm des aus dem Stand der Technik bekannten Verfahrensablaufs beim Betrieb einer hochspannungsangeregten Laserstrahlquelle; 2 : Flowchart of the process sequence known from the prior art in the operation of a high-voltage excitation laser beam source;

3: Schematische Darstellung des Vakuumsystems einer bekannten hochspannungsangeregten Laserstrahlquelle (oben) und Funktionsdarstellung des Betriebs dieser Laserstrahlquelle nach der Erfindung (unten); 3 : Schematic representation of the vacuum system of a known high voltage excitation laser beam source (above) and functional representation of the operation of this laser beam source according to the invention (below);

4: Flussdiagramm des erfindungsgemäßen Verfahrensablaufs beim Betrieb einer hochspannungsangeregten Laserstrahlquelle; Das erfindungsgemäße Verfahren beruht darauf, dass mit Hilfe der ohnehin im Vakuumsystem vorhandenen Vakuumpumpe das mit Elektrodenabbrand kontaminierte Lasergas abgesaugt wird, bevor es sich an den Wandungen und sonstigen Bauteilen des Vakuumsystems absetzen und anreichern kann. 4 : Flowchart of the process sequence according to the invention in the operation of a high-voltage excitation laser beam source; The method according to the invention is based on the fact that the laser gas contaminated with electrode burn-off is sucked off with the aid of the vacuum pump which is present in the vacuum system before it can settle and accumulate on the walls and other components of the vacuum system.

Da in vielen Resonatoren bereits ein gewisser Gasaustausch während des regulären Betriebs stattfindet, um „verbrauchtes” Lasergas auszutauschen, wird die Erfindung in Form eines Flussschemas näher erläutert. Die Änderung der Verfahrensführung gegenüber den bekannten Betriebsverfahren für hochspannungsangeregte Laserstrahlquellen bezieht sich auf die Art und Weise, wie die Laserstrahlquelle heruntergefahren wird.Since some gas exchange already takes place during regular operation in many resonators in order to exchange "spent" laser gas, the invention is explained in more detail in the form of a flow chart. The change in process control over the known operating methods for high voltage excited laser beam sources relates to the manner in which the laser beam source is shut down.

In 2 ist ein Flussdiagramm des aus dem Stand der Technik bekannten Verfahrensablaufs beim Betrieb einer hochspannungsangeregten Laserstrahlquelle dargestellt. Der Laser läuft dabei im Standby-Betrieb mit einem Systemdruck von 150 bis 200 mbar (im Unterdruck), wobei das mit hoher Geschwindigkeit laufende Umwälzgebläse mit ca. 50 mbar am Systemdruck beteiligt ist.In 2 is a flowchart of the known from the prior art process flow in the operation of a high voltage excitation laser beam source shown. The laser runs in standby mode with a system pressure of 150 to 200 mbar (in vacuum), whereby the high-speed circulating fan with about 50 mbar is involved in the system pressure.

Beim automatischen Abschaltprozess des Resonators wird zunächst die an den Elektroden anliegende Hochspannung ausgeschaltet (1).During the automatic switch-off process of the resonator, the high voltage applied to the electrodes is first switched off ( 1 ).

Im nächsten Schritt werden die Hochspannungsmodule (Halbleiteranregung) ausgeschaltet (2). Bei der Röhrenanregung entfällt dieser Schritt.In the next step, the high-voltage modules (semiconductor excitation) are switched off ( 2 ). The tube excitation eliminates this step.

Im Folgenden wird der Blower heruntergefahren (3), wodurch der Systemdruck um ca. 50 mbar sinkt und die Lasergasströmung im Inneren des Vakuumsystems zum Erliegen kommt. Je nach Zeitdauer des Stoppens der Turbine sinkt der Systemdruck durch die noch immer laufende Vakuumpumpe zusätzlich um einige mbar.In the following, the blower is shut down ( 3 ), which reduces the system pressure by approx. 50 mbar and stops the laser gas flow inside the vacuum system. Depending on the duration of the stopping of the turbine, the system pressure also drops by a few mbar due to the still running vacuum pump.

Mit dem darauf folgenden Abschalten der Vakuumpumpe (4), beginnt sich die im Restgas enthaltene feinstaubliche Verschmutzung im Inneren des Vakuumsystems abzusetzen. Daraufhin wird der Resonator bis zum Außendruck (ca. 1000 mbar) oder geringfügig darüber hinaus zumeist mit Stickstoff geflutet (5). Die Schmutzpartikel verbleiben somit bis zum nächsten Hochfahren des Resonators im System und können sich in dieser Zeit im Vakuumsystem ablagern (3, obere Darstellung).With the subsequent shutdown of the vacuum pump ( 4 ), the fine dust pollution contained in the residual gas begins to settle inside the vacuum system. The resonator is then flooded with nitrogen until the outside pressure (about 1000 mbar) or slightly moreover ( 5 ). The dirt particles thus remain in the system until the next start-up of the resonator and can deposit in the vacuum system during this time ( 3 , upper illustration).

Im letzten Schritt wird die Steuerelektronik der Strahlquelle ausgeschaltet (6).In the last step, the control electronics of the beam source is switched off ( 6 ).

In 4 ist ein Flussdiagramm des erfindungsgemäßen Verfahrensablaufs beim Betrieb einer hochspannungsangeregten Laserstrahlquelle gezeigt.In 4 a flowchart of the process sequence according to the invention in the operation of a high voltage excitation laser beam source is shown.

Danach werden in einem ersten Schritt kontaminierte Gase aus dem Vakuumsystem bei sinkender Drehzahl der Umwälzpumpe abgepumpt und in einem zweiten Schritt werden noch vorhandene Restgase bei stehender Umwälzpumpe abgepumpt, bis eine merkliche Verringerung der Verschmutzungen auftritt. Bevorzugt wird während dem Abpumpen ein Spülgas zugeführt.Thereafter, in a first step, contaminated gases are pumped from the vacuum system with decreasing speed of the circulation pump and in a second step remaining residual gases are pumped out with the circulating pump until a noticeable reduction in contamination occurs. Preferably, a purge gas is supplied during the pumping.

Der Abpumpvorgang kann zweckmäßig durch ein Signal eines Überwachungssensors, wie z. B. Leerlauf-Leistungsüberwachung, Streckenstromüberwachung, Ausgangsfenster-überwachung, Kühlwassertemperaturüberwachung, oder Fokuspunktüberwachung, ausgelöst werden.The pumping can be useful by a signal from a monitoring sensor, such. As idle power monitoring, flow monitoring, output window monitoring, cooling water temperature monitoring, or focus point monitoring, are triggered.

Eine erfindungsgemäße Maßnahme, den bei Anliegen der Hochspannung entstehenden Elektrodenabbrand zu minimieren, ist das sog. „warme Absaugen” des Systems. Hierbei wird vor dem Fluten der Anlage das Vakuumsystem bis nahe 0 mbar abgesaugt, wobei ein Großteil der unerwünschten Verunreinigungen aus dem System entfernt wird, bevor er sich ablagern kann (3, untere Darstellung).A measure according to the invention of minimizing electrode burn-up when the high voltage is applied is the so-called "warm suction" of the system. In this case, the vacuum system is aspirated to near 0 mbar before flooding the system, with a large part of the unwanted impurities is removed from the system before it can be deposited ( 3 , lower illustration).

Steuerungstechnisch ist diese Maßnahme durch einen Eingriff in die Laser-Software umzusetzen: Nach dem Herunterfahren des Verdichters bleibt die Vakuumpumpe so lange in Betrieb, bis die losen Verunreinigungen abgesaugt sind (Systemdruck nahe 0 mbar).In terms of control technology, this measure can be implemented by interfering with the laser software: After the compressor has stopped, the vacuum pump remains in operation until the loose contaminants have been sucked off (system pressure near 0 mbar).

Erst danach wird der Resonator geflutet und abgeschaltet.Only then is the resonator flooded and switched off.

Als ergänzende und bevorzugte Maßnahme kann zum Schutz der Vakuumpumpe ansaugseitig ein Vorfilter eingebaut werden, damit abrasiv wirkende Bestandteile des kontaminierten Lasergases nicht in die Vakuumpumpe gesaugt werden und dort Schäden verursachen.As a supplementary and preferred measure, a pre-filter can be installed on the suction side to protect the vacuum pump, so that abrasive components of the contaminated laser gas are not sucked into the vacuum pump and cause damage there.

Bereits im bisherigen Betrieb ohne zusätzliche Systemreinigung kann ein geeigneter Vorfilter die Haltbarkeit des Resonators wesentlich vergrößern. – Wie die Analyse von mehreren Vakuumpumpen ergeben hat, bewirkt der Elektrodenabbrand, der sich im Pumpen-Öl akkumuliert, einen Verschleiß an der Pumpenwelle und den Wellendichtungen.Even in previous operation without additional system cleaning, a suitable pre-filter can significantly increase the durability of the resonator. As the analysis of several vacuum pumps has shown, the electrode burn accumulated in the pump oil causes wear on the pump shaft and the shaft seals.

Dadurch kommt es bei zu langen Ölwechselintervallen zu Undichtigkeiten bei den Vakuumpumpen, wodurch Luftsauerstoff oder sogar Pumpen-Öl in das Vakuumsystem gelangen kann.This leads to leaks in the vacuum pumps when the oil change intervals are too long, as a result of which atmospheric oxygen or even pump oil can enter the vacuum system.

Angesichts von Optikpreisen bis 10.000 Euro und mehr pro Maschine und noch höheren Kosten für Glasrevisionen oder Resonator-Instandsetzungen, Spiegelreinigungen, Strahljustierarbeiten, Ausfallzeiten der Anlage, etc., ist das durch die Erfindung zu erreichende Einsparpotenzial sehr groß.In view of optical prices up to 10,000 euros and more per machine and even higher costs for glass revisions or resonator repairs, mirror cleaning, Strahljustierarbeiten, downtime of the system, etc., which can be achieved by the invention savings potential is very large.

Claims

Method for cleaning vacuum systems of radiation generating sources, comprising a circulation pump and at least one vacuum pump, characterized by the steps: a) pumping out contaminated gases with decreasing speed of the circulation pump from the vacuum system b) Further pumping out of the residual gas while the circulation pump is stationary until a noticeable reduction of the contamination occurs

Method according to claim 1, characterized by the further step: c) supplying purge gas during pumping

Method according to claim 1 or 2, characterized by the further step: d) opening an overpressure device upon reaching the external pressure and further flooding the system

Method according to claim 1 or 2, characterized by the further step: e) triggering the Abpumpvorgangs by the signal of a monitoring sensor, such. Idle power monitoring, line current monitoring, output window monitoring, cooling water temperature monitoring, focus point monitoring

Method according to claims 1 to 4, characterized by the further step: f) Installation of a suitable suction-side pre-filter on the vacuum pump