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DE3007205A1 - Verfahren und vorrichtung zur steuerung der zufuehrung von schutzgas bei der bearbeitung von metallischen werkstuecken mit leistungs-lasern - Google Patents

Verfahren und vorrichtung zur steuerung der zufuehrung von schutzgas bei der bearbeitung von metallischen werkstuecken mit leistungs-lasern

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DE3007205A1
DE3007205A1 DE19803007205 DE3007205A DE3007205A1 DE 3007205 A1 DE3007205 A1 DE 3007205A1 DE 19803007205 DE19803007205 DE 19803007205 DE 3007205 A DE3007205 A DE 3007205A DE 3007205 A1 DE3007205 A1 DE 3007205A1
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gas flow
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Fiat Auto SpA
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Description

!?·■ tng. F. A. Wofcfcnann, Dipl. Chem. β. Haber
Dr.-ing. H. Lisia
Möhlsfraije 22, 8000 KOndien 36 FA. 6
FIAT AUTO S.p.A.
Corso Giovanni Agnelli 200
Turin, Italien
Verfahren und Vorrichtung zur Steuerung der Zuführung von Schutzgas bei der Bearbeitung von metallischen Werkstücken mit Leistungs-Lasern
Die Erfindung betrifft die Steuerung der Zuführung von Schutzgas bei der Bearbeitung von metallischen Werkstükken mit Leistungs-Lasern. Leistungs-Laser werden bei der Metallbearbeitung beispielsweise zum Trennen, Bohren und zur Wärmebehandlung (Materialauftrag, Legierung oder Oberflächenhärtung) verwendet.
Bei derartigen Bearbeitungsverfahren mittels Lagern entsteht - insbesondere dann, wenn die von dem Werkstück absorbierte Laserstrahlungsenergie eine Oberflächenverdampfung hervorruft - ein "Plasmakissen11, das eine Mischung von Umgebungsgasen und von dem Werkstück emittierten Dämpfen enthält. Dieses Plasmakissen liegt zwischen dem Laserstrahl-Generator und dem Werkstück und beeinträchtigt die Wirksamkeit des Verfahrens.
Diese Beeinträchtigung ist einerseits darauf zurückzuführen, daß das Plasmakissen eine "Abdeckung11 bildet, das die Laserstrahlung absorbiert und damit d4.e Energieübertragung des Laserstrahles zu der Oberfläche des Werkstükkes verringert (eine Erscheinung, die auch als "blanketing"-Phänomen bezeichnet wird), und andererseits eine Folge der Tatsache, daß das Plasma, das eine ungleichförmige Materialverteilung aufweist und sich außerdem in rascher turbulenter Bewegung befindet, den Laserstrahl erheblich streut, so
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-'s
daß eine Fokussierung gestört wird, was wiederum zu einer Verringerung der zu dem gewünschten Arbeitspunkt auf der Oberfläche des Werkstoffes übertragenen Laserenergie führt.
Zur Verringerung der auf die Bildung des Plasmakissens zurückzuführenden nachteiligen Wirkungen wurde bereits vorgeschlagen, einen Schutzgasstrom (üblicherweise aus Helium) über eine geneigt angeordnete Düse auf die dem Laserstrahl ausgesetzte Oberfläche des Werkstückes zu richten. Wenn sich das Werkstück relativ zu dem Laserstrahl bewegt,kann unmittelbar (in Richtung der Relativbewegung zwischen Werkstück und Laserstrahl) stromabwärts des Schutzgasstromes ein weiterer langsamer Gasstrom, (der üblicherweise aus Argon besteht) zugeführt werden. In gewissen Fällen (z.B. bei Trenn- oder Schweißverfahren mit völliger Durchdringung) kann das Schutzgas auch der Oberfläche des Werkstükkes zugeführt werden, die der bearbeiteten Oberfläche gegenüberliegt.
Diese bekannten mit Schutzgas arbeitenden Verfahren führen jedoch insgesamt nicht zu einer wesentlichen Verbesserung der Effizienz des Gesamtprozesses und erfordern erhebliche Mengen an Schutzgas, wodurch die Bearbeitungskosten derartiger Laser-Verfahren beträchtlich vergrößert werden.
Die Kosten des Schutzgases bilden einen beträchtlichen Anteil an den Gesamtkosten der bei dem Verfahren verwendeten Materialien. Insbesondere in Europa, wo der Preis für Helium sehr hoch ist, betragen die Kosten für das Schutzgas 30 bis 40% der Gesamtkosten der Bearbeitung.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Steuerung der Zuführung von Schutzgas bei der Bearbeitung von metallischen Werkstücken mit Leistungs-Lasern anzubieten, die nicht nur eine wesentliche Steigerung der Effizienz des Prozesses sondern auch
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eine Qualitätsverbesserung des bearbeiteten Werkstückes und eine wesentliche Verringerung des Verbrauchs an Schutz gas mit sich bringen.
Das Verfahren gemäß der Erfindung zur Lösung dieser Aufgabe ist im Patentanspruch 1 beschrieben.
Bei Bearbeitungsprozessen, bei denen Leistungs-Laser Anwendung finden, wird das Werkstück im allgemeinen in einer vorbestimmten Richtung relativ zu dem Laserstrahl bewegt. In diesem Fall wird die Schutzgasströmung senkrecht zu die ser vorbestimmten Richtung ausgerichtet.
Eine Weiterbildung des Verfahrens ist dadurch gekennzeichnet, daß der Massendurchsatz des Gases in dem Rückführungsweg gemessen wird und dem Rückführungsweg in Abhängigkeit von dem Meßergebnis frisches Schutzgas aus einer externen Quelle zugesetzt wird, um den Massendurchsatz des Schutzgases auf der der Wirkung des Laserstrahles ausgesetzten Oberfläche des Werkstückes konstant zu halten.
Das Schutzgas wird dem zu bearbeitenden Werkstück vorzugsweise mit Überschallgeschwindigkeit zugeführt. Die Kühlung des Schutzgases erfolgt vorzugsweise mit einer Temperatur, die der Temperatur von flüssigem Stickstoff entspricht.
Gemäß einer anderen Weiterbildung des Verfahrens gemäß der Erfindung können neben dem Hauptstrom des Schutzgases zur Beseitigung des Plasmakissens zwei Strömungen von Arbeitsgasen vorgesehen sein, die jeweils einen getrennten Zirkulationskreis besitzen und deren Aufgabe es ist, stromaufwärts und stromabwärts der dem Laserstrahl ausgesetzten Werkstückoberfläche physikalisch und/oder chemisch auf die Oberfläche einzuwirken. Aus Schutzgründen ist jede der beiden Arbeitsgasströmungen teilweise von einem Strom neutralen Gases eingeschlossen.
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-X1.
Eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens gemäß der Erfindung ist im Patentanspruch 7 beschrieben.
Der Patentanspruch 8 beschreibt eine Ausbildung der Zirkulationsleitung zur Führung der die Schutzgasströmung begleitenden weiteren Gasströme.
Mit dem Verfahren bzw. der Vorrichtung gemäß der Erfindung lassen sich in kontrollierbarer Weise folgende Wirkungen erzielen:
1. Beseitigung des Plasmakissens durch mechanische (fluiddynamische) Einwirkung und damit Vergrößerung der Transparenz des (aus dem Umgebungsgas und dem Schutzgas bestehenden) Mediums für die Laserstrahlung oberhalb des Werkstückes,
2. Verringerung der Plasmamenge durch Verhinderung seines Wachstums und Ersatz der Umgebungsatmosphäre durch ein schwer ionisierbares Gas, d.h. ein Gas, das für Laserstrahlung transparenter ist und ein höheres Ionisierungspotential besitzt, und eine damit verbundene Kühlung des Umgebungsgases,
3. Schutz der Oberfläche des Werkstückes gegen unerwünschte chemische Reaktionen mit dem Umgebungsgas (Oxydation,Nitrierung, Karburati on usw.), die die metallurgischen und andere physikalische Eigenschaften (z.B. die Oberflächenspannung) des Werkstückes beeinflussen können,
4. in Fällen, in denen zusätzlich zu dem Schutzgas Arbeitsflüssigkeiten oder -gase verwendet werden, physikalische und/oder chemische Behandlung der Werkstückoberfläche sowohl vor als auch nach der Einwirkung des Laserstrahles zur Verbesserung der Eigenschaften und Zusammensetzung der Oberflächenschicht und zur Änderung ihrer Absorptionskapazität sowie
5. Verringerung der benötigten Gasmengen durch Zirkulation dieser Gase.
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Im folgenden sei die Erfindung anhand' der Zeichnungen näher erläutert:
Fig. 1 zeigt eine teilweise geschnittene perspektivische Ansicht einer Vorrichtung gemäß der Erfindung,
Fig. 2 zeigt einen Schnitt längs der Linie II-II von Fig. 1 in vergrößertem Maßstab,
Fig.3 zeigt eine perspektivische Ansicht eines Teiles einer modifizierten Ausführungsform der Vorrichtung.
Ein metallisches Werkstück 1, das von einem Laserstrahl bearbeitet werden soll, ist auf einem Schlitten 2 montiert, der auf einem Führungstisch 3 bewegbar ist. Über dem Führungstisch 3 befindet sich ein Laser-Generator, der einen Laserstrahl erzeugt und auf der oberen Oberfläche des Werkstückes fokussiert, derart, daß dieser Laserstrahl 5 bei der Bewegung des Schlittens 2 und des Werkstückes 1 in Richtung des Pfeiles F längs der mit XY bezeichneten Linie auf das Werkstück 1 einwirkt.
Die Vorrichtung zur Steuerung des Schutzgases beinhaltet eine Überschalldüse 6. Diese ist so angeordnet, daß sie der Zone des Werkstückes, die den Arbeitspunkt des Laserstrahles umgibt, einen vorzugsweise aus Helium bestehenden Schutzgasstrom zuführt.
Die Düse 6 ist so geformt und angeordnet, daß der Schutzgasstrom parallel zu der zu bearbeitenden Oberfläche des Werkstückes gerichtet ist und rechtwinkelig zu der Linie XY verläuft. Dabei haftet der Schutzgasstrom aerodynamisch an der zu behandelnden Oberfläche.
Die Tiefe des Schutzgasstromes senkrecht zur Oberfläche des Werkstückes entspricht der maximalen Höhe, die der unter der Wirkung des Laserstrahles 5 aus dem Werkstück herausgelöste Dampfstrahl und die ionisierten Partikel
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-Xr
(das Plasmakissen) erreichen können.
Falls der Leistungspegel des Laserstrahles nicht all zu groß ist, kann in erster Näherung angenommen werden, daß die aus dem Werkstück herausgelösten Dämpfe und Partikel mit Schall- oder Unterschallgeschwindigkeit emittiert werden. Diese Geschwindigkeit hängt von der Temperatur des Dampfes ab.
Während der Einwirkung des Laserstrahles 5 und bei Einschaltung der Schutzgasströmung wirken also zwei zueinander senkrecht gerichtete Strömungen aufeinander ein,' eine dieser Strömungen ist die von dem Schutzgas gebildete Überschallströmung, die andere ist die Strömung des sus der Werkstückoberfläche heraustretenden Dampfes und der Partikel, die Schall- oder Unterschallgeschwindigkeit besitzt. Die Bewegungsbahn der zuletzt genannten Strömung innerhalb der erstgenannten Strömung läßt sich mit geeigneten Verfahren leicht bestimmen.
Die Schutzgasströmung wirkt somit nach Art einer Strahlabsaugpumpe und zieht die aus der behandelten Oberfläche austretende Materie, d.h. den überhitzten und teilweise oder ganz ionisierten Dampf sowie die festen und/oder flüs sigen Partikel mit sich, schließt sie ein und entfernt sie aus dem Strahlengang des Laserstrahles 5.
Die Schutzgasströmung wird zusammen mit der aus dem Werkstück 1 stammenden Materie in einem Diffusor 7 gesammelt, der an der Einlaßöffnung 8a der Zirkulationsöffnung 8 angeordnet ist, welche an ihrem auslaßseitigen Ende 8b die Überschalldüse 6 aufweist.
In dem Diffusor 7 wird die Schutzgasströmung verlangsamt und anschließend einem Wärmetauscher (Fig. 1 und 2) zugeführt. Dieser besitzt eine Vielzahl von Hohlrippen 8, deren Innenraum mit einer Kammer 10 in Verbindung steht,
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welche flüssigen Stickstoff (mit einer Temperatur von - 195,8° C) enthält. Der flüssige Stickstoff kühlt die Rippen 9 auf eine sehr niedrige Temperatur ab, so daß das von dem Schutzgas mitgeführte metallische Material kondensiert, wenn das Schutzgas an den Außenflächen der Rippen 9 vorbeiströmt.
Der Wärmetauscher ist mittels eines Überzuges aus Isolier stoff material gegenüber der Umgebung wärmeisoliert.
Nach dem Verlassen des Wärmetauschers tritt der Schutzgasstrom durch einen Zentrifugalseparator 12. In diesem wird das Schutzgas infolge seines geringeren Molikulargewichtes von den schwereren Metallpartikeln getrennt, so daß es durch den zentralen Bereich des Wärmetauschers wieder austreten kann.
Das aus dem Separator 12 austretende Schutzgas wird einer Zentrifugalpumpe 13 zugeführt. Diese kompensiert die Druckverluste, die längs des Rückführungsweges des Schutzgases auftreten und erhält damit die Schutzgasströmung aufrecht. Das die Pumpe 13 verlassende Schutzgas wird einem Filter 14 zugeführt. Dieses Filter besitzt eine Filterfläche 15a sowie Kühlrippen 15b. An den Ausgang des Kühlfilters 14 ist die Überschalldüse 6 angeschlossen.
Um in dem beschriebenen Kreislauf gegebenenfalls auftretende Verluste an Schutzgas auszugleichen ist in der Leitung 8 zwischen der Pumpe 13 und dem Filter 14 ein Sensor zur Ermittlung des Massendurchsatzes angebracht.
Das elektrische Ausgangssignal des Sensors 16 gelangt über eine Leitung 17 zu einem Steuergerät 18, das ein Ventil 19 eines Behälters 20 öffnet, wenn der Massendurchsatz unter einem vorbestimmten Wert absinkt. Durch das Öffnen des Ventils 19 wird dem Kreislauf über eine Leitung 21 frisches Schutzgas zugeführt. Die Leitung 21 mündet oberhalb
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des Filters 14 in die Leitung 18. Auf diese Weise wird die zirkulierende Schutzgasströmung wieder ergänzt.
Bei der modifizierten Ausführungsform der Vorrichtung unterscheidet sich die Zirkulationsleitung 88 für das Schutzgas, deren auslaßseitiges Ende 88b inFig. 3 dargestellt ist, von der in Fig. 1 und 2 dargestellten Leitung 8 dadurch,daß sie in eine Vielzahl von Leitungsteilen unterteilt ist.
Die Zirkulationsleitung umfaßt einen zentralen Leitungsteil 22, in dem das Schutzgas, üblicherweise Helium, zirkuliert, sowie zwei seitliche Leitungsteile 22a bzw. 22b.
In der Leitung 22a zirkuliert ein Vorbehandlungsgas oder eine Vorbehandlungsflüssigkeit. In der Leitung 22b zirkuliert ein Nachbehandlungsgas oder eine Nachbehandlungsflüssigkeit.
Die Leitungen 22a und 22b sind seitlich und oberhalb jeweils von einer Leitung umgeben, die mit 23 bzw. 24 bezeichnet sind und in denen ein neutrales Gas, beispielsweise Argon, zirkuliert.
Die Arbeitsgase oder -flüssigkeiten, die in den Leitungen 22a und 22b zirkulieren,wirken entweder physikalisch oder chemisch auf die zu bearbeitenden Oberfläche des Werkstükkes ein. Im erstgenannten Fall können sie diese Oberfläche beispielsweise wärmen oder abkühlen, wobei eine Flüssigkeit verwendet werden kann, die entweder Wasser oder gesättigten Dampf enthält. Die chemischen Vor- und/oder Nachbehandlungsprozesse dienen zur Verbesserung der Zusammensetzung und der Eigenschaften der Oberflächenschicht des Werkstückes 1 (beispielsweise zum Nitrierhärten oder zum Einsatzhärten) und zur Änderung ihrer Absorptionskapazität für Laserstrahlung (beispielsweise zum Vorschwärzen durch Verwendung von Methangas als Arbeitsgas in der Leitung 22a).
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Die Art)exts- oder Reaktionsgase können auch aufgrund anderer Eigenschaften ausgewählt sein, die die Laserbehandlung verbessern, beispielsweise derart, daß sie unter dem Einfluß der Laserstrahlung oder der von ihr erzeugten Dämpfe Phasen mit höherem Schmelzpunkt und mit größerem Ionisierungspotential bilden, oder derart, daß Änderungen in der Oberflächenspannung auftreten, um auf diese Weise das Wiedererstarren des geschmolzenen Metalles des Werkstückes an dessen Oberfläche beim Trennen oder beim Tiefenschweißen zu beeinflussen.
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Claims (8)

  1. -JD-- Patentansprüche
    f 1.!Verfahren zur Steuerung der Zuführung von Schutzgas bei der Bearbeitung von metallischen Werkstücken mit Leistungs-Lasern
    gekennzeichnet durch folgende Verfahrensschritte:
    a) Der der Wirkung des Laserstrahles ausgesetzten Bearbeitungszone des Werkstückes wird eine parallel zu der zu bearbeitenden Oberfläche verlaufende und an ihr haftende Schutzgasströmung mit hoher Geschwindigkeit zugeführt, die sowohl das von der Laserstrahlung erzeugte Plasmakissen als auch die in diesem enthaltenen durch die Laserstrahlung aus dem Material des Werkstückes herausgelösten Metallpartikel aufnimmt und abführt,
    b) das Schutzgas wird zusammen mit den von ihm mitgeführten Materialteilen gesammelt und längs eines Rückführungsweges zu dem Zuführungsbereich rückgeleitet,
    c) im Verlauf des Rückführungsweges werden aufeinanderfolgend
    - die Geschwindigkeit der Schutzgasströmung durch Diffusion verringert,
    - das Schutzgas auf eine niedrige Temperatur abgekühlt und dadurch die flüssigen Metallpartikel mittels Kondensation abgetrennt,
    - die SchutzgasStrömung zur Kompensierung der Verluste durch Pumpwirkung mit Energie angereichert,
    - das Schutzgas gefiltert
    - und die Schutzgasströmung zur Kompensierung der durch die Pumpwirkung erfahrenen Erwärmung abgekühlt.
  2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schutzgasströmung senkrecht zur Richtung der Relativbewegung zwischen Werkstück und Laserstrahl verläuft.
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    3007"2OB
  3. 3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß in weiteren "Verfahr ens schritt en
    - der Massendurchsatz des Schutzgases in dem Rückführungsweg gemessen wird
    - und dem Rückführungsweg in Abhängigkeit von dem Meßergebnis frisches Schutzgas aus einer externen Quelle zugesetzt wird, um den Massendurchsatz des Schutzgases auf der der Wirkung des Laserstrahles ausgesetz ten Oberfläche des Werkstückes konstant zu halten.
  4. 4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Schutzgasströmung Überschallgeschwindigkeit besitzt.
  5. 5· Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Abkühlung des Schutzgases durch Kryotechnik (z.B. unter Anwendung von flüssigem Stickstoff) erfolgt.
  6. 6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die der zu bearbeitenden Oberfläche zugeführte und längs des genannten Rückführungsweges zirkulierende Schutzgasströmung von zwei in der gleichen Weise zirkulierenden Reaktionsgasströmungen flankiert wird, die physikalisch und/ oder chemisch oberhalb bzw. unterhalb von der dem Laserstrahl ausgesetzten Bearbeitungszone auf die Oberfläche des Werkstückes einwirken und daß jede dieser beiden Reaktionsgasströmungen zum Schutz von einem Strom neutralen Gases umgeben ist.
  7. 7. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Zirkulationsleitung (3; 88) mit einer Einlaßöffnung (8a) und einer dieser gegenüberliegenden Auslaßöffnung (8b) vorgesehen ist, die folgende Teile umfaßt:
    - Eine im Bereich der Auslaßöffnung (8b) angeordnete
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    30072Q5
    Düse (6), mittels derer ein Schutzgasstrahl mit hoher Geschwindigkeit auf die der Laserstrahlung ausgesetzte Oberfläche des Werkstückes (1) gerichtet wird,
    - einen im Bereich der Einlaßöffnung (8a) der Zirkulationsleitung (8; 88) angeordneten Diffusor (7) zur Sammlung und Verlangsamung des Schutzgasstrahles und der von ihm mitgeführten Metallpartikel,
    - eine erste Kühlvorrichtung (9) zur Abkühlung des gesammelten Schutzgases,
    - eine Trennvorrichtung (12) zur Trennung kondensierter Metallpartikel von dem gekühlten Schutzgas,
    - eine Pumpe (13) zur Aufrechterhaltung der Zirkulation des Schutzgases längs der Zirkulationsleitung (8; 88) und des zwischen der Auslaßöffnung (8b) und der Einlaßöffnung (8a) liegenden äußeren Yfegstückes,
    - ein unterhalb der Pumpe (13) angeordnetes Filter (15a)
    - sowie eine zweite Kühlvorrichtung (15) zur Abkühlung des Schutzgases nach dessen Durchgang durch die Pumpe (13).
  8. 8. Vorrichtung nach Anspruch 7 zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Zirkulationsleitung (88) in eine Mehrzahl von Seite an Seite angeordneten Leitungsteilen (22, 22a, 22b, 23, 24) unterteilt ist, die jeweils Teil eines getrennten Gaszirkulationskreises bilden.
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DE3007205A 1979-03-05 1980-02-26 Verfahren und Vorrichtung zur Zuführung von Schutzgas bei der Bearbeitung von metallischen Werkstücken mit Leistungs-Lasern Expired DE3007205C2 (de)

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