-
Die Erfindung betrifft einen wechselbaren oder selbstreinigenden Spritzschutz zum Schutz einer optischen Einheit, die dem Schweißbrenner eines Schweißroboters zur Schweißbadbeobachtung zugeordnet ist.
-
Es ist bekannt, dass beim Schweißen metallischer Werkstoffe sowohl beim klassischen autogenen als auch bei allen manuell ausgeführten oder Roboter gestützten Lichtbogen- bzw. Laserschweißverfahren flüssige Schweißspritzer nicht vollkommen ausgeschlossen werden können. Es ist daher stets erforderlich, das unmittelbar den Schweißprozess manuell ausführende Personal oder das Bedienpersonal von Roboterschweißanlagen zum einen persönlich und erfindungsgemäß zum anderen, bei automatisch gesteuerten Verfahren, die das Schweißbad beobachtenden Einrichtungen, die dem Schweißprozess vor- oder nachlaufend zugeordnet sein können, vor den schädlichen Einwirkungen der genannten Schweißspritzer zu schützen. Persönliche Schutzausrüstungen für das Schweißaufgaben ausführende Fachpersonal sind hinlänglich entwickelt worden und bekannt; demgegenüber fehlt es aber an zweckmäßigen und einfachen Maßnahmen, die dazu geeignet sind, eine optische, thermische oder sensorische Einrichtung zur Schweißbadbeobachtung/-auswertung, die sich in der Nähe eines Schweißkopfes eines Schweißroboters befindet, wirkungsvoll, insbesondere vor flüssigen und schnell beschleunigten Schweißspritzern, abzuschirmen.
-
Optische Einrichtungen werden neben flüssigen Schweißspritzern auch von Schweißrauchen in ihrem Aufnahmevermögen durch Ablagerungen, Trübungen und dergleichen beeinträchtigt. Für die Vermeidung von Schweißrauchen existieren Schutzmechanismen, wie das Einwirken von Crossjets, die durch hohe Luftbewegung Schweißrauch von den optischen Einrichtungen wegblasen; es können diese aber nicht zur Abwehr von größeren flüssigen, energiereichen (hochbeschleunigten) und heißen Schweißspritzer gleichzeitig genutzt werden. Auch ein gesteigerter Energieaufwand bei der Nutzung von Crossjets mit 500 l/min eines Gasstroms kann nicht die relativ massereichen Schweißspritzer zielgerichtet ablenken. Außerdem haben Crossjets die negative Begleiterscheinung, dass die Schutzgasathmosphäre einer Schweißnaht nachhaltig gestört wird und es somit zu Qualitätsproblemen, wie Porenbildungen oder Aufhärtungen, in der Schweißnaht kommt. Eine diese Technologie nutzende Entwicklung hat die Firma Precitec GmbH & Co. KG, gemäß ihrer Veröffentlichung in „Crossjet, Internetseite”, www.It-ultra.com/index.php/de/strahlfuehrung/co2/schweissduesen-und-cross-jets. Es wird dort eine optische Messeinrichtung beschrieben, die ganz auf Schutzgläser verzichtet, dabei sehr robust ist und die Schweißrauche und eine geringe Spritzerneigung abzuwehren in der Lage ist.
-
Jedoch bei stark spritzenden Schweißprozessen mit insbesondere großen, energiereichen, flüssigen Schweißspritzern, ist diese Einrichtung nicht in der Lage, eine vollständige Abwehr derselben zu gewährleisten, man spricht nur von einer signifikanten Senkung des Verschleißes. So kann es trotzdem zu Anhaftungen auf den teuren optischen Gläsern kommen und das Schutzglas ist nicht vermeidbar. Eine ähnliche Vorrichtung, die auf Schutzgläser ganz verzichtet, ist
EP 1944119 B1 . Auch dort führen Spritzer zu Anhaftungen in den Sichtkanälen, weil ein flüssiger Schweiß- oder Metallspritzer die Form der Kanäle annimmt und sich in ihnen verkantet. Auch bei Verwendung von Oberflächen, die eine Anhaftung (Einschmelzung) verhindern, ist der Schutz der Sichtkanäle nicht ausreichend gesichert. Abhilfe könnte wie in
DE 40 16 200 A1 das Durchströmen der Sichtkanäle mit Schutzgas oder Luft erbringen, was aber so gesteigert werden müsste, dass wiederum Volumina im Niveau der Crossjet-Technologie mit den vorbeschriebenen Nachteilen bewegt werden müssten. Der zusätzliche Einsatz von Schutzgläsern erbringt dabei keine Verbesserung, da sich darauf die stark beschleunigten Schweißspritzer noch schneller sichtbehindernd ablagern.
-
Teils werden Spritzerschilde zum Schutz optischer Einrichtungen für die Schweißbadbeobachtung einzusetzen. Diese basieren auf dem Prinzip des Spritzerschattens, wenn die optische Sichtachse vom Schweißprozess deutlich entfernt ist (nachlaufend oder vorlaufend). Da Schweißspritzer auch die Eigenschaft haben, von Oberflächen abzuprallen und die Richtung zu wechseln, kann man die Schweißspritzer damit auch nicht zu 100% vermeiden. Ebenfalls möglich ist eine netzartige Schutzvorrichtung wie in
DE 34 05 346 A1 , welche ein Hindurchtreten von Spritzern verhindern soll, jedoch analog zu einem Schutzglas durch anhaftende Partikel zunehmend stärker verschmutzt wird. Aus dem Grunde, weil die Schweißspritzer und -rauche dadurch nicht dauerhaft – im Rahmen einer einmaligen Schutzglasinstallation – abwehrbar sind, werden die Schutzgläser austauschbar vor die teuren Optiken angebracht. Das ist gegenwärtig die einzig sichere Methode, die Schweißspritzer von den empfindlichen Oberflächen optischer Einrichtungen zur Beobachtung eines Schweißbades fernzuhalten.
-
Je nach Verschmutzungsgrad oder Grad einer Beschädigung müssen die Schutzgläser periodisch gewechselt werden, was wiederum dazu führt, dass es Überwachungstechniken geben muss, die das Tauschen der Schutzgläser signalisieren.
-
Gegenüber der Verwendung der Crossjet-Technologie schlägt die Firma Precitec GmbH & Co. KG gemäß der Entwicklung „Linsenbruchsensor” auf http://www.precitec.de/produkte/laserschneiden/prozessueberwachung/linsenbruchsensor/ vor, die Linsen einer Überwachung zu unterziehe und so auch den Verschleiß automatisch zu erkennen. Damit werden aber anhaftende Schweißspritzer nicht vermieden, teure Komponenten müssen ausgetauscht werden.
-
Nachfolgend sei noch kurz auf detaillierten Stand der Technik näher eingegangen.
-
So ist nach
DE 101 08 955 C2 ein Verfahren zum Ermitteln des Verschleißgrades einer Linsenanordnung in einem Laserbearbeitungskopf sowie ein Laserbearbeitungskopf angegeben, mit dem ein von einer Linsenanordnung bewirktes Ausgangssignal in seiner Intensität, einem Referenzsignal gegenübergestellt und daraus ein dem Verschleißgrad entsprechendes Überwachungssignal geliefert wird, wobei aus dem Erfassen der Streustrahlung deren thermische Wirkung gemessen wird. Es fehlt hier generell der Schutz vor flüssigen Schweißspritzern und es wird lediglich rechtzeitig der Laserschweißprozess unterbrochen, um eine gravierende Beschädigung der Laseranlage insgesamt zu verhindern.
-
Mit
DE 101 13 518 A1 ist ein Verfahren zur Messung des Verschmutzungsgrades eines Schutzglases eines Laserbearbeitungskopfes sowie eine Laserbearbeitungsanlage zur Durchführung des Verfahrens bekannt geworden. Hier befindet sich ein Schutzglas kurz vor dem Ausgang eines Laserbearbeitungskopfes, das an seiner dem Schweißbad zugewandten Seite flüssige Schweißspritzer abfängt, woraus eine Streustrahlung reflektierten Lichtes des aktiven Laserstrahls entsteht, die als ein Maß des Verschleißgrades dieses Schutzglases für eine Strahlungsdetektoranordnung ausgewertet wird und bei Erreichen des Referenz-Streustrahlungsmesswertes die Anlage stillsetzt. Das Schutzglas muss dann diskontinuierlich ausgetauscht werden.
-
Nach
DE 197 09 473 C2 ist ein Verfahren zur Ermittlung des Verschleißgrades einer Linsenanordnung in einem Laserbearbeitungskopf, ähnlich dem Verfahren nach
DE 101 08 955 C2 , vorgeschlagen worden, wobei hier die für eine bestimmte Werkstückdicke bekannte Durchstichzeit als Referenzwert, der tatsächlich benötigten gegenübergestellt wird und bei Überschreiten eines zulässigen Toleranzwertes bezogen auf einen nicht mehr akzeptabel hohen, die Anlage stillgesetzt wird. Dabei wird hier der Laserbearbeitungskopf sehr stark, insbesondere bezüglich seiner Optik, angegriffen und muss zur Herstellung einer befriedigenden Bearbeitungsqualität periodisch instandgesetzt werden. Passiv oder aktiv dem Verschmutzungsgrad entgegenwirkende Schutzmechanismen fehlen hierbei.
-
Schließlich gibt
JP 2002-361451 ein Verfahren zur Messung der Verschlechterung des Zustands des Linsensystems eines Laserschweißkopfes und einen entsprechenden Laserschweißkopf an. Es wird dabei detektierte Streulichtstrahlung einer sich zunehmend verschmutzenden Linse des Laserschweiß- oder Laserbearbeitungskopfes gemessen und einem Referenzwert gegenübergestellt, wonach bei Überschreitung dieses Wertes das Laserbearbeiten unterbrochen wird. Auch hier wird der Laserbearbeitungskopf ungeschützt den flüssigen Schweißspritzern ausgesetzt und es bedarf einer Überholung der den Schweißspritzern zugewandten optischen Elemente des Laserschweißkopfes.
-
Der Stand der Technik kennt demnach lediglich mit einem Laserschweißkopf kombinierte und passiv wirkende Schutzelemente, wie diskontinuierlich austauschbare Schutzgläser oder den Austausch ganzer Laserschneid- oder -schweißköpfe, die die flüssigen Schweißspritzer auffangen bzw. mit ihnen konfrontiert sind oder Messverfahren, die den zunehmenden Verschmutzungs-/Beschädigungsgrad der Schutzgläser bzw. der Optik eines Laserbearbeitungskopfes bewerten und ab einem bestimmten Grad der Beeinträchtigung durch Schweißspritzer eine das Laserverfahren unterbrechende Instandsetzung erfordern. Ein solches Vorgehen ist unökonomisch und verschleudert in unnötiger Weise Ressourcen. Zwar ist nach
DE 10 2011 109 411 A1 auch eine Spritzschutzeinrichtung bekannt, die eine Reinigungsmöglichkeit in Form eines Abstreifers enthalten kann. Hierzu muss jedoch vorab eine Schicht haftenden oder klebenden Materials aufgetragen werden. Dies wirkt sich negativ auf die Abbildungseigenschaften der optischen Einrichtungen aus und ist durch den zusätzlich entstehenden Materialbedarf und dessen Entsorgung nicht weniger unökonomisch.
-
Es muss daher nach einer Lösung gesucht werden, die die Nachteile des Standes der Technik überwindet. Dieses soll damit gelingen, indem im Eingangsbereich einer optischen Einheit zur Schweißbadbeobachtung, insbesondere nahe eines Schweißbrenners eines Schweißroboters ein einfaches aus Drähten oder Stegen gebildetes Metallgitter oder eine Kombination von mehreren hintereinander stehenden, sodann ein mehrstufiges Gitter aus Metall bildend, angeordnet wird, das auch größere flüssige Schweißspritzer abfängt und entweder nach einem die Reinigung erfordernden Schweiß- oder Schneidvorgang ohne vollständigen Austausch und ohne manuelle Instandsetzungshandlungen gereinigt werden kann oder als Massenprodukt, mit geringstem Materialverbrauch, schnell aus einer Entnahme der optischen Einheit entfernt und durch ein unverbrauchtes einfaches oder mehrstufiges metallisches Gitter ersetzt werden kann.
-
Die Aufgabe der Erfindung wird durch die im kennzeichnenden Teil des 1. Patentanspruches enthaltenen Merkmale grundsätzlich gelöst.
-
Weitere, die Erfindung ausgestaltende Merkmale sind in den Patentansprüchen 2 bis 9 dargelegt.
-
Die Erfindung geht aus von einem wechselbaren oder selbstreinigenden Spritzschutz zum Schutz einer optischen Einheit, die dem Schweißbrenner eines Schweißroboters zur Schweißbadbeobachtung zugeordnet ist, wobei die optische Einheit vor flüssigen, metallischen Schweißspritzern, Partikeln und Rauchen zu schützende Linsen, Sehschlitze oder dergl. in ihrem Eingangsbereich aufweist, dabei in dem Schweißbad zugewandten Innern des Eingangsbereiches der optischen Einheit und dort im unscharfen optischen Abschnitt zumindest ein metallisches Gitter aus einer Vielzahl, nichtschmelzender, Drähte oder Stege geringsten Durchmessers oder Querschnitts in einem Winkel von 90° quer zur Sichtachse angeordnet ist, welches entweder diskontinuierlich mittels einer seitlichen Entnahme aus dem Eingangsbereich wechselbar ausgebildet oder im Eingangsbereich fest eingebunden ist und mit dem fest eingebundenen zumindest einen metallischen Gitter längs seiner Drähte oder Stege ein Abstreifer in einer solchen Weise in Wirkverbindung steht, dass dieser Öffnungen an einer Stirnplatte besitzt, durch welche die an den beiden Seiten des Gitters eingespannten Drähte oder Stege hindurchführen und der Abstreifer eine manuell oder automatisch einleitbare, ein- oder mehrmalige Hubbewegung mit der Stirnplatte über die Oberflächen der Drähte oder Stege auszuführen in der Lage ist.
-
Ein derartiger Spritzschutz hat den Vorteil, dass neben der Abwehr kleiner flüssiger, metallischer Schweißspritzer, fester Partikel im Bereich von < 1 mm Durchmesser und von Schweißrauchen, auch vor allem flüssige, metallische Schweißspritzer > 1 mm vom Verschmutzen/Beschädigen der optischen Einheit zur Schweißbadbeobachtung abgehalten werden können, wodurch deren Funktionssicherheit wesentlich erhöht werden kann und ein teurer Ersatz vermieden wird.
-
In einer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die metallischen Drähte oder Stege des zumindest einen Gitters einen Durchmesser oder Querschnitt von nicht mehr als 0,1 mm aufweisen und maximal einen Abstand von 1 mm zueinander besitzen.
-
Dadurch wird ein vom Schweißbad austretender flüssiger, metallischer Schweißspritzer an dem Draht oder dem Steg aufgehalten und haftet, infolge schneller Erkaltung, auch nicht zuletzt durch das kontinuierliche Wirken eines konstant von innen nach außen strömenden Luftstroms oder Gasstroms aus der optischen Einheit, vorübergehend am metallischen Gitter oder einer Gitterkombination an, indem er sich zwischen den Drähten oder Stegen „verkantet”.
-
Der Effekt des Fernhaltens größerer flüssiger, metallischer Schweißspritzer (> 1 mm) kann vorteilhafterweise dadurch noch verbessert werden, indem mehrere metallische Gitter, bestehend jeweils aus den Drähten oder Stegen, einen selbstreinigenden oder wechselbaren Spritzschutz in einer mehrstufigen Hintereinander-Kombination bilden.
-
Es liegen dabei die Drähte oder Stege der in einer mehrstufigen Kombination hintereinander angeordneten einzelnen Gitter sich optisch deckend übereinander, so dass der Abstand zwischen den Drähten oder Stegen, von maximal 1 mm, von Gitter zu Gitter unverändert bleibt. Ein ankommender flüssiger, metallischer Schweißspritzer verfängt und verformt sich zwischen benachbarten Gittern und kann nach Erkalten mittels des Abstreifers gelöst und durch einen Druckstoß eines Luft- oder Gasstroms aus dem Eingangsbereich der optischen Einheit entfernt werden.
-
Damit das zumindest eine oder die in einer mehrstufigen Kombination zusammengefassten Gitter des wechselbaren oder selbstreinigenden Spritzschutzes durch die hohe Temperatur des Schweißbades bzw. des Lichtbogens thermisch nicht verformt werden können, ist vorgesehen, dass die Drähte oder Stege derselben aus dem hochschmelzenden Metall Wolfram besteht/bestehen.
-
Wenn der wechselbare oder selbstreinigende Spritzschutz denn aus der Kombination von mehreren identisch ausgebildeten und hintereinander angeordneten metallischen Gittern besteht, sollte vorgesehen werden, dass ihr Abstand zueinander nicht mehr als 1 mm beträgt.
-
Der manuell oder automatisch betätigbare Abstreifer, der sich in Wirkverbindung mit den Drähten oder Stegen eines metallischen Gitters bzw. von mehreren in einer zusammengefügten Kombination befindet, weist an einem seiner Elemente eine Lochplatte auf, die eine oder mehrere Reihen von in einer insbesondere vertikalen Anordnung angebrachten durchgehenden Öffnungen zeigt, durch welche die Drähte oder Stege hindurchführen, so dass im Sinne einer hin- und hergehenden Hubbewegung des Abstreifers mit der Lochplatte anhaftende erkaltete Schweißspritzer mechanisch gelöst werden können.
-
Ein zusätzlicher Druckstoß eines Luft- oder Schutzgasstroms in der Phase der mechanischen Hubbewegung des Abstreifers ist diskontinuierlich einschaltbar, so dass die vom Abstreifer in Kombination mit der Lochplatte an den Drähten oder Stegen mechanisch gelösten Schweißspritzer aus dem Eingangsbereich der optischen Einheit entfernt werden können, wobei dazwischen ein konstant wirkender und nach außen gerichteter Luft- und Schutzgasstrom zur Abwehr von kleineren (< 1 mm im Durchmesser) Schweißspritzern, festen Partikeln und von Schweißrauchen aufrechterhalten wird.
-
Der konstant wirkende Luft- oder Schutzgasstrom von innen nach außen aus der optischen Einheit verhindert somit gleichzeitig, dass Schweißspritzer oder feste Partikel, die den Abstand zwischen den Drähten oder Stegen des zumindest einen metallischen Gitters oder des mehrstufigen metallischen Gitters unterschreiten, die optischen Elemente im Eingangsbereich der optischen Einheit erreichen.
-
Die Erfindung soll anhand zweckmäßiger Ausführungen näher erläutert werden. Es wird dazu auf die 1 und 2 verwiesen.
-
Es zeigen:
-
1 eine teilweise perspektivische Darstellung eines selbstreinigenden Spritzschutzes mit festem Einbau in einer optischen Einheit,
-
2 eine prinzipielle Darstellung der zu einem Schweißbrenner nachlaufend positionierten optischen Einheit mit fest integriertem oder wechselbarem Spritzschutz.
-
In 1 wird ein in einer optischen Einheit 13 fest eingebauter Spritzschutz 1 mit einem metallischen Gitter 6 gezeigt, das in dieser Ausbildung zwei vertikale Reihen von beidseitig eingespannten Drähten oder Stegen 7 aufweist. Die Drähte oder Stege 7 des mehrstufigen metallischen Gitters 6 sind durch zwei Reihen Öffnungen 3, die sich in einer Lochplatte 14 des Abstreifers 2 befinden, geführt, wodurch die translatorische Bewegung des Abstreifers 2 in Verbindung mit seiner Lochplatte 14 in einer umkehrbaren Hubbewegung stattfinden kann. Die vor allem größeren Schweißspritzer 4 treffen beim Schweißen auf Drähte oder Stege 7 des mehrstufigen metallischen Gitters 6, verformen und verkanten sich dort und können bei manueller oder automatischer Betätigung des Abstreifers 2 mechanisch entfernt werden, wobei ein diesen Vorgang begleitender zusätzlicher Druckstoß die gelösten Teile der nur vorübergehend an den Drähten oder Stegen 7 angesetzten und erkalteten Schweißspritzer 4 aus dem Sichtbereich der optischen Einheit 13 wegblasen kann. Der Reinigungsvorgang sollte vorteilhafterweise nach Beendigung des Schweißens einer Schweißnaht erfolgen oder ein wechselbarer Spritzschutz 1 ersetzt werden. Ein kontinuierlich wirkender Luft- oder Schutzgasstrom 15, der von innen nach außen aus der optischen Einheit 13 kommend auch das mehrstufige metallische Gitter 6 durchströmt, fängt metallische flüssige Schweißspritzer 4 mit kleinem Durchmesser bereits vor Auftreffen auf das mehrstufige metallische Gitter 6 ab, wobei die Schutzgasatmosphäre des Schweißbades 10 unbeeinflusst bleibt.
-
Nach 2 ist prinzipiell dargestellt, dass die Beobachtung des Schweißbades 10 durch die optische Einheit 13 dem Schweißbrenner 11 nachlaufend vorgeschlagen wird.
-
Bezugszeichenliste
-
- 1
- Spritzschutz
- 2
- Abstreifer
- 3
- Öffnung
- 4
- Schweißspritzer
- 5
- Sichtachse
- 6
- Gitter
- 7
- Draht oder Steg
- 8
- Optik
- 9
- Empfangselektronik
- 10
- Schweißbad
- 11
- Schweißbrenner
- 12
- Bewegungsrichtung
- 13
- Optische Einheit
- 14
- Lochplatte
- 15
- konstanter Luft- und Schutzgasstrom
