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GEBIET DER ERFINDUNG
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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Schutz von Laseroptiken.
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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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Beim Schweißen und Schneiden von Werkstücken treten Emissionen auf, welche sich in der Umgebung der Bearbeitungsstelle ablagern und so zu einer Einschränkung der Funktion einer Laseroptik durch Ablagerungen auf den optischen Flächen führen können. Diese Ablagerungen schränken nicht nur die Leistungsfähigkeit der optischen Systeme ein, sondern können auch die Laseroptik beschädigen oder sogar zerstören. Dies bedeutet, dass der Arbeitsprozess zur Instandsetzung unterbrochen werden muss, was mit Kostenverlusten in der Fertigung verbunden ist.
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Die Verwendung eines Schutzglases vor einem optischen System zu dessen Schutz ist aus dem Stand der Technik bekannt und stellt die wohl einfachste aber auch gängigste Möglichkeit dar, die sehr teuren optischen Systeme vor Emissionen zu schützen. Die Verwendung eines Schutzglases ist aus der
DE 100 60 176 A1 bekannt und wird dort mit einem Sensor kombiniert, der Verschmutzungen und Beschädigungen des Schutzglases detektiert, so dass dieses frühzeitig gewechselt werden kann. Nachteilig an dieser Lösung ist, dass der Wechsel des teuren Schutzglases die Betriebskosten der Anlage deutlich erhöht.
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Die
DE 43 29 322 A1 lehrt eine Vorrichtung zur Erhöhung der Standzeiten von Laserbearbeitungsoptiken, die ein unterhalb einer Bearbeitungsoptik angeordnetes Schutzglas und eine Einhausung des Laserstrahlenganges aufweist. Ferner umfasst die in diesem Dokument offenbarte Vorrichtung eine auf halber Höhe zwischen der Bearbeitungsoptik und einer Bearbeitungsstelle angebrachte Querstromdüse. Auch bei dieser Lösung muss wiederum ein teures Schutzglas gewechselt werden.
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In der
WO 95/03911 A1 wird eine Vorrichtung offenbart, bei der oberhalb einer Querstromdüse eine Einstromöffnung angebracht ist. Weiterhin offenbart die
US 5,239,552 A , dass die Spülung eines Schutzglases einer Verschmutzung entgegenwirkt. Nachteilig an dieser Lösung aus dem Stand der Technik ist, dass bei jeder Spülung des Schutzglases der Produktionsprozess unterbrochen wird und gegebenenfalls auch das teure Schutzglas gewechselt werden muss.
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Die
DE 102 26 359 A1 lehrt einen Laserbearbeitungskopf, bei dem zwischen Gehäuse und Lasereinrichtung eine Querstrahldüse angeordnet ist. Diese dient dazu in Richtung der Laseroptik fliegende Spritzer oder Schweißrauche zur Seite abzulenken. Auch hier muss im Zweifelsfall ein verschmutztes Schutzglas gewechselt werden, was mit nicht unerheblichen Kosten verbunden ist.
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In der
DE 100 47 057 A1 wird eine Vorrichtung offenbart, bei der eine ringförmige Schutzblende die Austrittsöffnung des Laserstrahls umschließt. Die offenbarte Schutzblende hat die Form einer Tülle und weist nur die notwendige Öffnung zum Austritt des Laserstrahls auf. Durch die Schutzblende sollen Spritzer und andere Emissionen von der Laseroptik ferngehalten werden.
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Die
DE 101 23 097 A1 offenbart eine Einrichtung zum Schutz von Laseroptiken, wobei mittels eines Schutztrichters aus einer Düse Gas eingeblasen wird. An der Seite eines Laserbearbeitungskopfes der
DE 101 23 097 Albefindet sich zusätzlich noch eine Absaugeinrichtung, um abgelenkte Emissionen vom Schmelzbad abzusaugen.
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In der
DE 10 2005 0251 119 A1 wird eine Vorrichtung zur Erhöhung der Standzeiten von Laserbearbeitungsoptiken offenbart, welche insbesondere zum Schweißen von Werkstücken verwendet wird, mit einem unterhalb der Bearbeitungsoptik angeordneten Schutzglas und einer Einhausung des Laserstrahlenganges, welche am unteren Rand der Bearbeitungsoptik anschließt und welche wenigstens den Raum zwischen der Bearbeitungsoptik und einer Querstromdüse umschließt, wobei die Querstromdüse auf halber Höhe zwischen Laseroptik und Bearbeitungsstelle angebracht ist, und wobei diese Einhausung unmittelbar oberhalb der Querstromdüse eine Einströmöffnung aufweist und oberhalb gegenüber der Querstromdüse eine Ausnehmung sowie direkt unterhalb des Schutzglases der Laseroptik eine Vorrichtung zur Spülung des von der Einhausung umschlossenen Raumes mit einem gasförmigen Medium aufweist.
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In der
JP 2001 259872 A ist zwischen einer Kondensorlinse und der Bearbeitungsdüse in einem Laserbearbeitungskopf ein erstes und ein zweites Schutzglasp in einem Abstand voneinander angeordnet. Ein Gas wird in den mit den beiden Schutzglasplatten eingeschlossenen Raum eingeführt und ein Drucksensor überwacht die Gaszufuhr und gibt ein Signal aus, so dass eine Beschädigung der ersten Schutzglasplatte erfasst wird. Nachteilig an der in diesem Dokument offenbarten Lösung ist die Verwendung des Drucksensors, wodurch der Aufbau des Laserbearbeitungskopfes komplexer wird.
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In der
DE 10 2014 210838 A1 wird eine Einkoppeloptik für einen Laserschweißkopf zum Bearbeiten eines Werkstücks in einer Vakuumkammer offenbart, umfassend ein Strahlführungsrohr mit einem werkstücknahen Ende und eine im Strahlführungsrohr angeordnete Fokussierlinse zum Fokussieren eines Laserstrahls auf eine Werkstückoberfläche, wobei zwischen der Fokussierlinse und dem werkstücknahen Ende des Strahlführungsrohrs ein Schutzglas angeordnet ist, ist dadurch gekennzeichnet, dass eine für den Laserstrahl transparente Komponente druckdicht im Strahlführungsrohr montiert ist. Bei der offenbarten Vorrichtung wird die für den Laserstrahl transparente Komponente an ihren Seiten von einem Gas umspült, so dass die Vorrichtung auf die Verwendung in einer Vakuumkammer beschränkt ist, da sonst Verschmutzungen in den Zwischenraum zwischen Schutzglas und Komponente eindringen können.
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In der
JP 2009 226474 A wird in den Zwischenraum von zwei optischen Elementen ein separates, trockenes Gas zur Vermeidung von Kondensationen eingeleitet. Der konstruktive Aufwand für das trockene Gas ist an dieser Offenbarung nachteilig.
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Die
JP 2004 306106 A offenbart eine Anordnung, bei der Luft mit hoher Geschwindigkeit zwischen Schutzgläsern eingeblasen wird, um Verschmutzungen zu vermeiden. An der in diesem Dokument gezeigten Ausführungsform ist der konstruktive Aufwand des zusätzlichen Luftkreislaufs nachteilig.
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Die vorliegende Erfindung soll das Problem lösen einen teuren und aufwändigen Wechsel eines hochdruckbeständigen Schutzglases in einem Laserbearbeitungskopf bei geringem konstruktivem Aufwand zu vermeiden.
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KURZE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
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Die vorlegende Erfindung stellt eine Vorrichtung zum Schutz von Laseroptiken zur Verfügung, umfassend ein unterhalb einer Laseroptik angeordnetes Gehäuse mit einem Anschluss für die Zuführung eines Schneidgases, einer auf der zur Laseroptik entgegengesetzten Seite angeordneten Austrittsdüse für das Schneidgas sowie einem druckfesten ersten Schutzglas an der Seite der Laseroptik und einem prozessseitigen zweiten Schutzglas an der Seite der Austrittsdüse, wobei das zweite Schutzglas zwischen einer ersten und zweiten Einstromdüse zu seiner beidseitigen Beaufschlagung mit Schneidgas angeordnet ist und das Material des zweiten Schutzglases dünner ausgeführt ist als das des ersten Schutzglases.
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In einem weiteren Aspekt der Erfindung sind das erste und das zweite Schutzglas in einer Schublade zum Entnehmen und Einsetzen angeordnet.
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Es ist weiterhin vorgesehen, dass sich zwischen erstem und zweitem Schutzglas ein Hohlraum befindet.
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Das prozessseitige Glas kann eine Stärke von weniger als 2 mm aufweisen.
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Es ist weiterhin vorgesehen, dass das druckfeste Glas gasdicht zur Laseroptik angeordnet ist.
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Weiterhin kann die erfindungsgemäße Vorrichtung in einer Ausführungsform eine Steuereinheit zur Regulierung des Drucks, mit dem das zweite Schutzglas beidseitig mit Schneidgas beaufschlagt wird umfassen.
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Es ist auch erfindungsgemäß vorgesehen das prozessseitig angeordnete Schutzglas als Ventil zum Druckausgleich ausgeführt sein kann. Dabei kann es durch Druck des Schneidgases in dem Raum des Gehäuses oberhalb der Schneiddüse gegen Abdichtungen in der Schublade auf der Seite des hochdruckfesten Schutzglases gepresst werden.
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Die vorliegende Erfindung umfasst weiterhin ein Verfahren zum Schutz von Laseroptiken, umfassen die Schritte:
- a. Anordnen eines prozessseitigen zweiten Schutzglases zwischen einem druckfesten ersten Schutzglas und einer Austrittsdüse für ein Schneidgas, und
- b. Beidseitigem Beaufschlagen des prozessseitigen zweiten Schutzglases mittels einer ersten und zweiten Einstromdüse mit dem Schneidgas.
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Das Verfahren kann derart ausgestaltet sein, dass der Druck des Schneidgases zwischen dem ersten und zweiten Schutzglas gleich oder größer ist als der Druck des Schneidgases zwischen zweitem Schutzglas und Austrittsdüse des Schneidgases.
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Weiterhin ist vorgesehen, dass der Druck jeweils oberhalb und unterhalb des zweiten Glases bis zu 25 bar maximal beträgt.
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Das Verfahren der vorliegenden Erfindung kann auch den Schritt umfassen, dass das zweite Schutzglas in einer Schublade zum Entnehmen und Einsetzen angeordnet wird.
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Weiterhin betrifft die vorliegende Erfindung noch die Verwendung eines zweiten Schutzglases, welches zwischen einer ersten und zweiten Einstromdüse für Schneidgas zum beidseitigen Beaufschlagen mit Schneidgas angeordnet ist, zum Schutz eines druckfesten Schutzglases vor einer Laseroptik vor Verschmutzungen resultierend aus der Bearbeitung eines Werkstücks.
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Eine weitere Ausführungsform des Druckausgleichs kann eine elastische Abdichtung des prozessseitigen Schutzglases sein, wobei ab einem bestimmten Differenzdruck zwischen Ober- und Unterseite des Schutzglases das Schutzglas sich bis zum Druckausgleich von der Dichtung abhebt und somit als Druckausgleichsventil fungiert (Siehe 2).
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Weitere Aspekte, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung ergeben sich ohne weiteres aus der folgenden detaillierten Beschreibung, in der einfach bevorzugte Ausführungsformen und Implementierungen dargestellt sind. Die vorliegende Erfindung kann auch in anderen und unterschiedlichen Ausführungsformen verwirklicht werden und ihre verschiedenen Details können in verschiedenen, offensichtlichen Aspekten modifiziert werden, ohne Lehre und Umfang der vorliegenden Erfindung zu verlassen. Dementsprechend sind die Zeichnungen und Beschreibungen als veranschaulichend und nicht als einschränkend anzusehen. Zusätzliche Aufgaben und Vorteile der Erfindung werden teilweise in der folgenden Beschreibung dargelegt und werden teilweise aus der Beschreibung offensichtlich oder können der Ausführung der Erfindung entnommen werden.
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Figurenliste
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Die Erfindung wird im Folgenden anhand von Figuren näher dargestellt. Dabei ist für den Fachmann offensichtlich, dass es sich nur um beispielhaft gezeigte Ausführungsformen handelt, ohne dass die Erfindung auf die gezeigten Ausführungsformen beschränkt ist. Es zeigt:
- 1 Schematische Darstellung der Anordnung eines prozessseitigen Schutzglases
- 2 Schematische Darstellung prozessseitig angeordnetes Schutzglas mit Abdichtung in einer Schublade
- 3 Schematische Darstellung prozessseitig angeordnetes Schutzglas als Ventil mit Abdichtung in einer Schublade
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AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
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Die zuvor formulierte Aufgabe der Erfindung wird durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche gelöst. Die abhängigen Ansprüche decken weitere spezifische Ausführungsformen der Erfindung ab.
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Die vorliegende Erfindung betrifft die Standzeiterhöhung einer Laserbearbeitungsoptik. Bei Laserbearbeitungsköpfen zum Schneiden Werkstücken wird nahe der Fokussierlinse bzw. dem prozessnahen optischen Element ein Schutzglas angeordnet, das Metallspritzer und Verschmutzungen aus dem Prozess und der Umgebung vor der Optik fernhalten soll. Dieses Schutzglas ist druckfest und damit vergleichsweise teuer. Zudem muss es häufig gewechselt werden, was die Betriebskosten eine Anlage deutlich erhöht.
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Die vorliegende Erfindung schlägt daher ein weiteres Schutzglas vor, welches prozessseitig angeordnet ist, d.h. das zusätzliche Schutzglas ist zwischen dem Bearbeitungsprozess und dem druckfesten Schutzglas angeordnet.
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Bei dem zusätzlichen Schutzglas kann ein dünnes, preiswertes Glas verwendet werden, Welches dann anstelle des teureren, hochdruckbeständigen Schutzglases, gewechselt werden kann. Das zusätzliche Schutzglas, welches prozessseitig angeordnet ist, wird von beiden Seiten, d.h. in Richtung des druckfesten Schutzglases und in Richtung des Bearbeitungsprozesses mit dem gleichen Schneidgasdruck und dem gleichen Gas beaufschlagt. Dadurch kann das zusätzliche Glas, obwohl es mit dem Schneidgas unter bis zu 25 bar Druck in Kontakt ist, sehr dünn ausgeführt werden, da es ja keine wesentlichen Druckunterschiede aushalten muss. Die Anordnung ist sehr einfach, da keine oder wenige zusätzliche Elemente eingefügt werden müssen.
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In dem Raum zwischen zusätzlichem Glas und druckfestem Schutzglas bildet sich ein im Wesentlichen konstanter Druck aus. Das hochdruckfeste, teurere Schutzglas übernimmt weiterhin die Funktion der sicheren Abdichtung der Optik gegen den Schneidgasdruck, allerdings muss dieses Glas im Betrieb, da es durch das zusätzliche Glas weitgehend vor Verschmutzungen aus den Bearbeitungsprozess geschützt ist, seltener gewechselt werden.
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Der Druck auf beiden Seiten des zusätzlichen Schutzglases soll in Betrieb im Wesentlichen gleich sein. Er kann aber in dem Raum zwischen dem zusätzlichen Schutzglas und dem druckfesten Schutzglas etwas höher sein als zwischen zusätzlichem Glas und Bearbeitungsprozess, da im Betrieb Schneidgas durch die Schneidgasdüse austritt und somit der Schneidgasdruck in diesem Raum geringfügig abfallen kann.
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Durch das Schneidgas könnte in Betrieb der Laserbearbeitungsoptik eine Verschmutzung des oberen druckfesten Schutzglases durch Schmutzeinschleppung mittels des Schneidgases erfolgen. Eine Verschmutzung des druckfesten Schutzglases ist weiterhin dadurch denkbar, dass das zusätzliche Schutzglas nicht vollständig zum Bearbeitungsprozess hin abgedichtet ist. Ein derartiges Risiko einer Verschmutzung ist aber eher unwahrscheinlich da der Raum zwischen den Schutzgläser im Wesentlichen einmal mit Schneidgas gefüllt wird und dann nur noch ein sehr geringer Durchfluss beziehungsweise Austausch des Schutzgases stattfindet. Der tendenziell höhere Druck im Hohlraum zwischen den Schutzgläsern macht eine Einschleppung von Verschmutzungen auf das druckfeste Schutzglas zudem unwahrscheinlicher.
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Als wesentlicher Vorteil der erfindungsgemäßen Maßnahme ist der Schutz des teureren, hochdruckfesten Schutzglases vor Verschmutzungen zu sehen. Ein Wechsel des deutlich günstigeren, dünneren zusätzlichen Schutzglases ist mit geringeren Kosten verbunden, wodurch sich bei einer durchgängig in Betrieb befindliche Anlage die Kosten über die Zeit erheblich senken.
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Ein weiterer wesentlicher Vorteil ist, das beim Wechsel des prozessseitigen Schutzglases die Optik nicht mehr geöffnet werden muss wie bei bekannten Systemen. Wird nämlich bei konventionellen System das optikseitige Schutzglas als Verschleißteil ausgeführt, so ist innerhalb der Tauschzeit die Optik geöffnet und es können Verunreinigungen durch die Luft in die empfindliche Optik eingetragen werden. Diese können bei Wiederinbetriebnahme der Schneid- oder Schweißoptik die Optik beschädigen und eine Reparatur erforderlich machen. Die vorgeschlagene Lösung ist somit im praktischen Einsatz fehlertoleranter und robuster.
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1 zeigt schematisch ein hochdruckfestes Schutzglas 1, welches mittels einer Dichtung 4 mit zu einer Laserbearbeitungsoptik 5 druckdicht abgedichtet angeordnet ist. Das hochdruckfeste Schutzglas 1 ist in einer Schublade zum Entnehmen und Einsetzen in einem Gehäuse 7 angeordnet.
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Unterhalb des hochdruckfesten Schutzglases ist ein zusätzlich ein prozessseitiges Schutzglas 2 angeordnet. Dieses befindet sich ebenfalls in einer Schublade zum Entnehmen und Einsetzen in das Gehäuse 7.
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Zwischen dem hochdruckfesten Schutzglas 1 und dem prozessseitigen Schutzglas 2 befindet sich ein mit Schneidgas gefüllter Hohlraum, in welchen das Schneidgas über die Zuführung 3 strömt. Das Schneidgas befüllt nicht nur den Hohlraum zwischen den Schutzgläsern, sondern es strömt auch über die Zuführung 3 in das Gehäuse 7, um letztlich zur Düse 6 zu gelangen, durch welche das Schneidgas unter Druck aus dem Gehäuse 7 austritt und so dem Bearbeitungsprozess zugeführt wird. Das zweite, prozessseitig angeordnete Schutzglas kann mittels der Düsen beidseitig mit Schneidgas beaufschlagt werden. Dazu kann die zweite Austrittsöffnung der Zuführung 3 oder eine separate zweite Düse für das Schneidgas im Raum unterhalb des zweiten Schutzglases in dessen Richtung angeordnet sein (nicht gezeigt). Das Beaufschlagen der zweiten Schutzglases aus dieser zweiten Austrittsöffnung der Zuführung 3 oder einer separaten zweiten Düse ist zur Einstellung des Drucks auf beiden Seiten des zweiten Schutzglases von Bedeutung, da so das Material dieses zweiten Schutzglases dünner gewählt werden kann. Denn so kann als zweiten Schutzglas ein sehr einfaches und kostengünstiges Schutzglas zum Einsatz kommen, ohne dass dadurch die Prozesssicherheit oder eingeschränkt bzw. Laufzeiten bei Beschädigung oder Verschmutzung des zweiten Glases erforderlich wären. Die Verwendung des Schneidgases und damit keines zusätzlichen Gases oder Sensors zum beidseitigen Beaufschlagen des zweiten Schutzglases ist konstruktiv im Vergleich zu den Lösungen aus dem Stand der Technik zudem deutlich einfacher.
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Im Sinne der vorliegenden Erfindung wird der Hohlraum zwischen den Schutzgläsern auch als oberhalb des prozessseitigen oder zusätzlichen Schutzglases bezeichnet. Der Raum zwischen zusätzlichem oder prozessseitigen Schutzglas und der Düse 6 wird auch als unterhalb des zusätzlichen oder prozessseitigen Schutzglases bezeichnet.
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2 zeigt noch einmal ein prozessseitig angeordnetes Schutzglas 2 mit Abdichtungen 4 zum hochdruckfesten Schutzglas in einer Schublade 8 zum Entnehmen und Einsetzen. Die Pfeile deuten den von beiden Seiten ausgeübten Druck auf das prozessseitig angeordnete Schutzglas an.
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3 zeigt schematische ein prozessseitig angeordnetes Schutzglas 2 als Ventil mit Abdichtung 4 in einer Schublade 8. Sofern der Druck von der Prozessseite groß genug ist, wird das Schutzglas an die Abdichtung auf der Seite zum hochdruckfesten Schutzglas (nicht gezeigt) gedruckt und dichtet so den Hohlraum zwischen den Schutzgläsern ab.
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Die vorstehende Beschreibung der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wurde zum Zweck der Veranschaulichung und Beschreibung gegeben. Es ist nicht beabsichtigt, erschöpfend zu sein oder die Erfindung genau auf die offenbarte Form zu beschränken. Modifikationen und Variationen sind angesichts der obigen Lehre möglich oder können aus der Praxis der Erfindung erlangt werden. Die Ausführungsform wurde gewählt und beschrieben, um die Prinzipien der Erfindung und ihre praktische Anwendung zu erläutern, um es dem Fachmann zu ermöglichen, die Erfindung in verschiedenen Ausführungsformen zu verwenden, die für die spezielle beabsichtigte Verwendung geeignet sind. Es ist beabsichtigt, dass der Umfang der Erfindung durch die beigefügten Ansprüche und deren Äquivalente definiert wird. Die Gesamtheit jedes der oben genannten Dokumente wird durch Bezugnahme hierin aufgenommen.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- hochdruckfestes Schutzglas
- 2
- prozessseitiges Schutzglas
- 3
- Zuführung Schneidgas
- 4
- Dichtung
- 5
- Optik
- 6
- Düse
- 7
- Gehäuse
- 8
- Schublade
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 10060176 A1 [0003]
- DE 4329322 A1 [0004]
- WO 9503911 A1 [0005]
- US 5239552 A [0005]
- DE 10226359 A1 [0006]
- DE 10047057 A1 [0007]
- DE 10123097 A1 [0008]
- DE 10123097 [0008]
- DE 1020050251119 A1 [0009]
- JP 2001259872 A [0010]
- DE 102014210838 A1 [0011]
- JP 2009226474 A [0012]
- JP 2004306106 A [0013]
