DE3007205C2 - Verfahren und Vorrichtung zur Zuführung von Schutzgas bei der Bearbeitung von metallischen Werkstücken mit Leistungs-Lasern - Google Patents

Verfahren und Vorrichtung zur Zuführung von Schutzgas bei der Bearbeitung von metallischen Werkstücken mit Leistungs-Lasern

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Description

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schutzgasströmung Überschallge- schwindigkeit besitzt.
3. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Abkühlung des Schutzgases durch Kryotechnik erfolgt.
4. 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 &o 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.
5. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine
Zirkulätionsleitung (8j 88) mit einer Einlaßöffnung
. (8a,) und einer dieser gegenüberliegenden Auslaßöff-
nürig (86J vorgesehen ist, die folgende Teile umfaßu
— Eine im Bereich der Auslaßöffnung (Sb) angeordnete"-, Düse (6% ,mitteis derer ein Schutzgasstrahi mit hoher Geschwindigkeit auf die der Laserstrahlung ausgesetzte Oberfläche
* des Werkstückes (1) gerichtet wird, ■
— einen im Bereich der Einlaßöffnung (Sa) der Zirkulationsleitung (8; 88) angeordneten Diffusor (7) zur Sammlung und Verlangsamung des Schutzgasstrahlers und der von ihm mitgeführten Metallparjikel,
— 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 (Sb) und der Einlaßöffnung (Sa) liegenden äußeren Wegstückes,
— ein unterhalb der Pumpe (13) angeordnetes FHter(15a,Jso wie
— eine zweite Kühlvorrichtung (15) zur Abkühlung des Schutzgases nach dessen Durchgang durch die Pumpe (13).
6. Vorrichtung nach Anspruch 5, zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Zirkulationsleitung (88) in eine Mehrzahl von Seile an Seite angeordneten Leitungsteilen (22,22a, 226,23,24) unterteilt ist, die jeweils Teil eines getrennten Gaszirkulationskreises bilden.
Die Erfindung betrifft ein Verfahren der im Gattungsbegriff des Patentanspruches 1 beschriebenen Art sowie eine Vorrichtung zur Durchführung eines solchen Verfahrens.
Bei der Metallbearbeitung mittels Leistungs-Lasern entsteht — insbesondere dann, wenn durch die Energie des Laserstrahls an der Oberfläche des Werkstückes eine Materialverdampfung stattfindet — ein sogenanntes Plasmakissen, welches eine Mischung von Umgebungsgasen und von aus dem Werkstück emittierten Dämpfen enthält Dieses zwischen dem Laserstrahl-Generator und dem Werkstück liegende Plasmakissen beeinträchtigt die Wirksamkeit des Verfahrens, da es einen Teil der Laserstrahlung absorbiert und damit die Energieübertragung zu der Oberfläche des Werkstükkes beeinträchtigt (eine Erscheinung, die auch als »blanketingw-Phänomen bezeichnet wird). Außerdem findet wegen der ungleichförmigen Materialverteilung und der raschen turbulenten Bewegung in dem Piasmakissen eine Streuung des Laserstrahls statt, so daß seine Fokussierung gestört wird, was wiederum die Übertragung der Laserenergie zu der Bearbeitungszone behindert.
Es ist bekannt (DE-OS 27 34 759) einen (z.B. au-Helium) bestehenden Schutzgasstrom auf die Bearbeitungszone zu richten, der das Plasma aus der Bearbeitungszone herausspülen kann. Es wurde auch
bereits vorgeschlagen, ;ίιη einer (bezogen auf die Richtung der Relativbewegung zwischen Werkstück und Laserstrahl) unterhalt» des Schutzgasstroms gelegenen Stelle einen weiteren langsamen Gasstrom (z. B. aus Argon) zuzuführen. I
Es ist ferner bekannt (UjS-PS 40 27 137) Materialrückstände, die beim Bohren! mit Laserstrahlen entstehen und die explosionsartig in eine von dem Laserstrahl durchdrungene an ihrer Unterseite mit einer auswechselbaren Lochscheibe versehene Kammer eindringen, mittels kurzer heftiger nach einer gewissen Anzahl von Bohrvorgängen applizierter Preßluftsiöße von den Wandungen, der genannten Kammer zu lösen und derart aufzuwirbeln, daß sie von. einer Vakuumvorrichtung abgesaugt werden können.
Die oben beschriebenen .mit Schutzgas arbeitenden Verfahren bringen nicht die angestrebte wesentliche Verbesserung in der Effizienz des Gesamtprozesses, da sie erhebliche Mengen: an Schutzgas benötigen, wodurch die Bearbeitungskosten beträchtlich vergrößert werden.
Die Kosten des Schutzgases bilden nämlich einen beträchtlichen Anteil an den Gesamtkosten des Verfahrens. So betragen die Kosten für das Schutzgas in Europa, wo der Preis z. B. für Helium sehr hoch ist, 30% bis 40% der Gesamtkosten der Bearbeitung.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 sowie eine Vorrichtung zur Zuführung von Schutzgas bei der Bearbeitung von metallischen Werkstücken1 mit Leistungs-Lasern so auszubilden, daß nicht nur eine wesentliche Steigerung der Effizienz des Prozesses sondern auch eine Qualitätsverbesserung der Bearbeitung und insbesondere eine wesentliche Verringerung des Verbrauchs an Schutzgas erzielt werden.
Das Verfahren gemäß der Erfindung zur Lösung dieser Aufgabe ist im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 beschrieben.
Das Schutzgas zirkuliert also bei dem Verfahren gemäß der Erfindung in einem geschlossenen Kreislauf, wobei die Schutzgasströmung nach dem Durchlauf durch die Bearbeitungszone von Rückständen befreit und ihr gegebenenfalls so viel frisches Schutzgas zugesetzt wird, daß der Durchsatz in der Bearbeitungszone konstant ist Die Beseitigung des Plasmakissens über der Bearbeitungszone und die Abführung von Werkstoffpartikeln ist besonders effizient, weil die Schutzgasströmung durch ihre parallele Ausrichtung zu der zu bearbeitenden Oberfläche gewissermaßen an dieser haftet, so daß sich keine Wirbel ausbilden.
Eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens gemäß der Erfindung ist im Patentanspruch 5 beschrieben.
Die übrigen Unteransprüche betreffen vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen des Verfahrens bzw. der Vorrichtung gemäß der Erfindung. Auf sie wird hiermit zur Verkürzung der Beschreibung ausdrücklich verwiesen.
Im folgenden sei die Erfindung anhand der Zeichnungen näher erläutert.
F i g. 1 zeigt eine teilweise geschnittene perspektivische Ansicht einer Vorrichtung.
Fig.2 zeigt einen Schnitt längs der Linie II-1I von Fig. 1 in vergrößertem Maßstab.
F i g. 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 Fühningstiscb 3 bewegbar ist Ober dem Führungstisch 3 befindet sich em 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 Flängs.der mit XYbezeichneten linie auf das Werkstück 1 einwirkt
Die Vorrichtung zur Steuerung des Schutzgases
ίο beinhaltet eine Oberschalldüse 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
is 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 entsprv>it der maximalen Höhe, die der unter der Wirkung des Laserstrahles 5 aus dem Werkstück 1 herausgelöste Dampfstrahl und die ionisierten Partikel (das Plasmakissen) erreichen können.
Falls i*er 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 aus der Werkstückoberfläche heraustretenden Dampfes und der Partikel, die Schalloder Unterschallgeschwindigkeit besitzt Die Jiewegungsbahn 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 flüssigen Partikel mit sich, schließt sie ein und entfernt sie aus dem Strahlengang des Laserstrahles 5.
)0 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 auslaC "titigen Ende 8£>die Überschalldüse 6 aufweist.
In dem Diffusor 7 wird die Schutzgasströmung verlangsamt und anschließend einem Wäi metauschcr (F i g. 1 und 2) zugeführt. Dieser besitzt eine Vielzahl von Hohlrippen 9, deren Innenraum mit einer Kammer 10 in Verbindung steht, weiche 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 Isolierstoffmaterial gegenüber der Umgebung wärmeisoliert.
Nach dem Verlassen des Wärmetauschers tritt der Schutzgasstrom durch einen Zentrifugalseparator 12. In diesem wird das Schutzgas infolge seines geringeren Molekulargewichtes 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 150. 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 16 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 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 Zirkulaüonsleitung 88 für das Schutzgas, deren auslaßseitiges linde 886 in F i g. 3 dargestellt ist, von der in Fig. I 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. 226.
In der Leitung 22a zirkuliert ein Vorbehandlungsgas oder eine Vorbehandlungsflüssigkeit. In der Leitung 226 zirkuliert ein Nachbehandlungsgas oder eine Nachbehandlungsflüssigkeit.
Die Leitungen 22a und 226 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 226 zirkulieren, wirken entweder physikalisch oder chemisch auf die zu bearbeitenden Oberflächen des Werkstückes 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).
Die Arbeits- 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 lonisierunesDOtential 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.
Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (1)

Patentansprüche:
1. Verfahren zur Zuführung von Schützgas bei der Bearbeitung von metallischen Werkstücken mit im wesentlichen senkrecht auf deren Oberflächen gerichteten Leistungs-Lasern, bei dem sich bei der Bearbeitung des Werkstückes bildende Metallpartikel durch die Bewegung des Schutzgases aus der Bearbeitungszöne entfernt und durch Säugwirkung abgeführt werden, und bei dem im Verlauf des Rückführungsweges zunächst die Geschwindigkeit der Schutzgasströmung in einem Diffusor verringert wird, gekennzeichnet durch die Kombination folgender Verfahrensschritte:
15
a) Das Schutzgas wird der Bearbeitungszone in einer parallel zu der bearbeitenden Oberfläche verlaufenden kontinuierlichen laminaren Strömung mit einer solchen Geschwindigkeit zugeführt, daß außer den genannten Metallparükeäriauch das von der Laserstrahlung erzeugte Plasmakissen aufgenommen und abgeführt wird,
b) das Schutzgas wird zusammen mit den von ihm mitgeführten Materialteüen (Plasmakissen und Metallpartikel) in an sich bekannter Weise gesammelt und längs efaes Rückführungsweges zu dem Zuführungsbereich rückgeleitet,
c) im weiteren Verlauf des Rückführungsweges werden aufeinanderfolgend
— das Schutzgas abgekühlt und dadurch flüssige Metallpartikel mittels Kondensation abgetrennt,
— die Schutzg-Tsströmung zur Kompensierung der Reibungsverluste mittels einer Pumpe beschleunigt,
— das Schutzgas gefiltert und zur Kompensierung der durch die Pumpe bewirkten Erwärmung abgekühlt,
d) in dem Rückführungsweg wird der Massendurchsatz des Schutzgases gemessen,
e) dem Rückführungsweg wird in Abhängigkeit vom Ergebnis dieser Messung frisches Schutzgas aus einer externen Quelle zugesetzt, um den Massendurchsatz des Schutzgases auf der der Wirkung des Laserstrahls aufgesetzten Oberfläche des Werkstückes konstant zu halten.
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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