DE3824047A1 - Vorrichtung zum bearbeiten von werkstuecken mit strahlung - Google Patents
Vorrichtung zum bearbeiten von werkstuecken mit strahlungInfo
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Description
Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zum Be
arbeiten von Werkstücken mit energiereicher Strahlung,
insbesondere mit Laserstrahlung, mit einer die Strahlung
auf das Werkstück fokussierenden Optik und mit einer den
Bereich der Wechselwirkung zwischen der Strahlung und dem
Werkstück unter Unterdruck setzenden Einrichtung.
Beim Schweißen mit Laserstrahlung ist es bekannt, daß
die Energieeinkopplung durch den Umgebungsdruck beeinflußt
und damit das Schweißergebnis verbessert werden kann. Bei
spielsweise ergeben sich im Vakuum größere Einschweißtiefen,
als bei Atmosphärendruck bei sonst ungeänderten Parametern.
Das ist auf die Einflußnahme auf das laserinduzierte Plasma
zurückzuführen, dessen Teilchendichte verringert wird, wodurch
die abschirmende Wirkung des Plasmas oberhalb des Werkstücks
sowie auch innerhalb der Kapillaren des Werkstücks verringert
wird.
Die bekannte Einrichtung zur Erzeugung von Unterdruck
ist eine Vakuumkammer, also ein im wesentlichen abgeschlos
sener Raum, an den eine Absaugpumpe angeschlossen ist. Die
se bekannte Vorrichtung hat den Nachteil, daß das Bearbeiten
der Werkstücke in der Kammer mit hohem Handhabungsaufwand ver
bunden ist, insbesondere wenn Bahnenwerkstoff bearbeitet wer
den soll.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine
Vorrichtung der eingangs genannten Art so zu verbessern, daß
die Ausbildung der Unterdruckeinrichtung die Handhabung des
Werkstücks oder der Werkstücke oder von Werkstückbahnen
nicht stört.
Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß die Unterdruck
einrichtung eine nur im Bearbeitungsbereich einen örtlich
begrenzten Unterdruck bewirkende Öffnung aufweist.
Für die Erfindung ist von Bedeutung, daß die Unterdruck
einrichtung mit einer Öffnung einen örtlich begrenzten Unter
druck zu erzielen vermag. Hierzu kann die Öffnung so gestal
tet werden, wie das für den Bearbeitungsbereich erforderlich
ist, um die örtliche Begrenzung des Unterdrucks zu erreichen.
Es versteht sich, daß die Öffnung Bestandteil eines Vakuum
systems ist, das im übrigen den örtlichen Gegebenheiten beim
Bearbeiten von Werkstücken angepaßt werden kann.
Vorteilhafterweise ist die Öffnung als Absaugöffnung
Bestandteil eines gegen den Bearbeitungsbereich abgeschlossenen
Kanals, der von einem an der Öffnung Unterdruck erzeugenden
Fluid durchströmbar ist. Das Fluid ist beispielsweise ein
Gas, dessen schnelle Strömung in der Absaugöffnung nach dem
Prinzip der Wasserstrahlpumpe einen Unterdruck erzeugt. Der
gegen den Bearbeitungsbereich abgeschlossene Kanal kann so
ausgebildet werden, daß eine Beeinträchtigung der Handhabung
der Werkstücke beim Bearbeiten vernachlässigbar bleibt.
Um das für die Unterdruckeinrichtung erforderliche
Volumen zumindest in der Nähe des zu bearbeitenden Werk
stücks klein zu halten, so daß der Handhabungsbereich des
Werkstücks nicht eingeschränkt wird, ist der Kanal dem
Strahlverlauf entsprechend ausgerichtet und in seiner Quer
schnittsgestaltung dem Strahlquerschnitt im Sinne einer
zumindest teilweisen Umschließung angepaßt. Die Unterdruck
einrichtung ist also der Strahlgeometrie entsprechend aus
gebildet. Eine besonders vorteilhafte Anpassung der Unter
druckeinrichtung an die Strahlgeometrie bzw. an den Bear
beitungsbereich liegt vor, wenn der Kanal von einer hohl
wandigen kegeligen Hohldüse mit an der Kegelspitze
angeordneter Öffnung und mit mindestens einem im Kegelstumpf
bereich gelegenen Fluidanschluß gebildet ist. Bei dieser Aus
bildung des Kanals als kegelige Hohldüse kann die Absaug
öffnung zugleich als Durchtrittsöffnung für die Strahlung
benutzt werden. Es ergibt sich eine im wesentlichen rotations
symmetrische und damit entsprechend stabile einfache Gestaltung
des Kanals, der auch für unterschiedliche Betriebsarten ein
setzbar ist.
Bei einer ersten Betriebsart ist der Düsenhohl
wandraum vertikal in zwei Kammern unterteilt und die eine
Kammer weist einen Zuleitungsanschluß und die andere Kam
mer einen Ableitungsabschluß auf. Mit den beiden jeweils
unterschiedlich beaufschlagten Kammern wird gewährleistet,
daß das zur Erzeugung des Unterdrucks erforderliche Fluid
im Bereich des Strahlverlaufs ausschließlich in Abhängigkeit
von diesen beiden Kammern zu- und abgeleitet werden kann.
Die Düse ist um ihre Längsachse schwenkbar und bei
Vorschubbewegung des Werkstücks relativ zu der jeweiligen
Bahnrichtung ausrichtbar. Damit kann erreicht werden, daß
die Absaugung im Bearbeitungsbereich in Bezug auf die
Vorschubrichtung jeweils in vorbestimmter Weise, vorzugsweise
symmetrisch erfolgt, also beispielsweise auf beiden Seiten
einer Schweißnaht in gleichem Maße.
Der Düsenhohlwandraum kann aber in einer weiteren Be
triebsart auch ausschließlich absaugbeaufschlagbar und
bedarfsweise mit einem eine symmetrische Absaugung des
Bearbeitungsbereichs bewirkenden Absauganschluß ausgebildet
sein. In diesem Fall dient der Düsenhohlwandraum insgesamt
der Fluidabsaugung und hat die Möglichkeit, die Absaugströ
mung in besonderer Weise zu beeinflussen, nämlich insbesondere
durch symmetrische Absaugung des Bearbeitungsbereichs.
Besonders in diesem Fall hat der die Strahlung umschließende
Düseninnenraum einen Zuleitungsanschluß, um die Zuströmung
des Fluis zu erreichen.
Da als Fluid vorteilhafterweise ein Gas eingesetzt wird,
welches seinen erheblichen Umlenkungen durch den Kanal mit
vergleichsweise geringem Strömungswiderstand folgen kann,
ist es besonders vorteilhaft, wenn dem Zuleitungsanschluß
ein Schutzgas und/oder ein Prozeßgas mit jeweils regelbarer
Zusammensetzung zuführbar ist. Das Schutzgas bzw. das Prozeß
gas kann zusammen mit dem das Fluid bildenden Gas abgeführt
werden und erlaubt es zugleich, Schutzgas- oder Prozeß
gaswirkungen im Bereich der Wechselwirkung zwischen der
Strahlung und dem Werkstück zu erzielen, beispielsweise die
Verhinderung von Oxydation des Werkstoffs im Bearbeitungsbe
reich bzw. die Beeinflussung der Plasmabildung.
Wenn der Anschluß des Düsenhohlwandraums im Sinne
einer Erzeugung von Unterdruck auch im Düseninnenraum
mit auf das Werkstück gerichteter Absaugströmung beauf
schlagbar ist, so kann infolgedessen mit dem Fluid auch
die Zuführung von Fluid bzw. Gas durch den Düseninnen
raum bewirkt werden. Ein besonderes Hineinpumpen in den
Düseninnenraum entfällt.
Um eine möglichst wirksame Absaugung des Bearbeitungs
bereichs zu erhalten, ist die Vorrichtung so ausgestaltet,
daß die werkstückseitigen Kanten der die Absaugöffnung
bildenden Düsenwände in einem eine vertikal zur Werkstück
oberfläche erfolgende Absaugung der letzteren begünstigen
den vertikalen Abstand voneinander angeordnet sind.
Im Sinne einer möglichst fluidverlustfreien Unter
druckerzeugung ist der Kanal Bestandteil eines geschlossenen
Fluidkreislaufs, in den bedarfsweise eine Fluidaufbereitungs
einrichtung eingebaut ist.
Die Vorrichtung ist so ausgestaltet, daß die Unter
druckeinrichtung eine einem Fluid eine schnelle schrauben
linienartige, auf das Werkstück gerichtete Strömung erteilende
Düse ist, und daß das Fluid die Strahlung umschließt und mit
einem zumindest fluidverdünnten Spiralinnenraum den Bear
beitungsbereich windhosenartig umschließend auf das Werk
stück trifft, das einen das Fluid radial abströmen las
senden Abstand von der Düsenspitze aufweist. Mit dieser
Vorrichtung wird also eine Drallströmung erzielt, deren
Innenraum, wie bei Windhosen bekannt, einen herabgesetzten
Druck hat, der auf den Bearbeitungsbereich begrenzt bleiben
kann. Bei dieser Unterdruckeinrichtung ist die Zuführung
von Schutzgas und/oder Prozeßgas im Falle einer Zumischung
zum Fluid noch wirksamer, als bei den vorbeschriebenen ab
saugenden Düsen.
In allen Fällen ist es möglich, das Schutzgas bzw.
das Prozeßgas selbst als Fluid zur Unterdruckerzeugung zu
benutzen.
Die Erfindung wird anhand von in der Zeichnung darge
stellten Ausführungsbeispielen erläutert. Es zeigt:
Fig. 1 einen Längsschnitt durch eine Hohldüse,
Fig. 1a einen Querschnitt I-I der Fig. 1,
Fig. 2 bis 4 weitere Düsenlängsschnitte.
Die in Fig. 1 dargestellte Vorrichtung zum Bearbeiten
von Werkstücken 1 hat eine allgemein mit 5 bezeichnete
Unterdruckeinrichtung. Das Werkstück 1 ist beispielsweise
einstückig und zur Herstellung einer Bohrung mit der Laser
strahlung 2 vorgesehen. Als Werkstück 1 können aber auch
mehrere Teile angesehen werden, beispielsweise zwei Bahnen
oder Stege, die z. B. stumpf gestoßen in derselben horizontalen
Ebene angeordnet und in Richtung 16 vorgeschoben werden,
um durch Schweißung miteinander verbunden zu werden.
Die Bestrahlung des Werkstücks 1 mit Laserstrahlung 2
erfolgt in herkömmlicher Weise, bei der die Strahlung 2
mit einer fokussierenden Optik 4 auf einen Bearbeitungs
bereich 3 fokussiert ist. Die für die Erzeugung der Laser
strahlung 2 erforderlichen Bauteile sowie die fokussierende
Optik können in bekannter Weise den jeweiligen Bedingun
gen angepaßt ausgebildet sein und werden daher hier nicht
näher beschrieben.
Die Unterdruckeinrichtung 5 hat eine Öffnung 6, die
im Bearbeitungsbereich 3 angeordnet ist und dort einen
örtlich begrenzten Unterdruck bewirkt. Diese Öffnung 6 ist
als Absaugöffnung ausgebildet und grenzt an einen Stömungs
kanal 7 an, der von einem Fluid 25 durchströmt wird. In
folge der Durchströmung wird im Bereich der Absaugöffnung 6
ein Unterdruck nach dem Prinzip der Wasserstrahlpumpe er
zeugt. Insbesondere verengt sich der Kanal 7 bis zur Öffnung
6, so daß an dieser betreffenden Stelle des Kanals 7 eine
hohe Durchströmungsgeschwindigkeit herrscht und die von der
Öffnung 6 weg gerichtete Fluidströmung strömt in einen
sich erweiternden Kanalbereich, was der Unterdruckbildung
dienlich ist.
Um die Handhabung eines oder mehrerer Werkstücke 1
im Bereich des Kanals 7 bzw. der Öffnung 6 zu erleichtern,
ist der Kanal 7 dem Strahlverlauf angepaßt. Insbesondere
ist der Kanalverlauf dem Strahlverlauf etwa parallel und
zur Öffnung 6 gerichtet. Die Querschnittsdarstellung der
Fig. 1a zeigt, daß der Kanal 7 außerdem dem Strahlquer
schnitt angepaßt ist. Die Anpassung erfolgt so, daß eine
Umschließung der Strahlung 2 gegeben ist. Als Bauteil für
diese Ausgestaltung des Kanals 7 dient eine kegelige Hohl
düse 8 in hohlwandiger Ausgestaltung. Die beiden Wände 23, 24
begrenzen den Kanal 7. Die Öffnung 6, die zugleich auch
den Durchtritt der Strahlung 2 dient, ist an der Kegelspitze
8′ der Hohldüse 8 angeordnet. Gemäß Fig. 1a ist der von
den Hohlwänden 23, 24 begrenzte Düsenhohlwandraum 10 der Hohl
düse 8 vertikal mittels Stegen 28 unterteilt, so daß Kammern
11, 12 entstehen. Die eine Kammer 11 ist mit einem Zuleitungs
anschluß 13 versehen und die andere Kammer 12 mit einem Ab
leitungsanschluß 14. Die beiden Anschlüsse sind im Kegelstumpf
bereich der Hohldüse 8 angeordnet, also weiter oberhalb des
Werkstücks 1, so daß sie den Handhabungsraum des Werkstücks 1
nicht behindern. Durch diese Ausgestaltung ergibt sich eine
Strömung des Fluids 25 entsprechend den Pfeilen.
Die Hohldüse 8 der Fig. 1 ist infolge ihrer Unterteilung
in zwei unterschiedlich durchströmte Kammern 11, 12 unsymme
trisch ausgebildet, so daß sich eine entsprechende Beein
flussung der Absaugung des Bearbeitungsbereichs 3 ergeben
könnte. Um insoweit einen Einfluß ausüben zu können, ist
die Hohldüse 8 um ihre Längsachse 15 verschwenkbar. Infolge
dessen kann beispielsweise erreicht werden, daß die Düse
mit ihren Stegen 29 stets exakt vertikal zu einer von der
Öffnung 6 überstrichenen Bahn der Vorschubrichtung 16 ange
ordnet ist.
Die Unterdruckeinrichtung 5 der Fig. 2, 3 unterscheiden
sich bezüglich ihrer Hohldüsen 8 im Vergleich zu derjenigen
der Fig. 1 dadurch, daß ihr Düsenhohlwandraum 10 ausschließ
lich absaugbar ist. Infolgedessen wird durch die Öffnung 6
der Bearbeitungsbereich 3 abgesaugt und die eingezeichneten
Pfeile 27 veranschaulichen den Absaugvorgang. Der dazu
erforderliche Absauganschluß 19 hat eine kreisringförmige
Durchtrittsfläche, so daß sich eine symmetrische Absaugung
des Bearbeitungsbereichs 3 ergibt.
Während die Hohldüse 8 der Fig. 2 im Bereich ihrer dem
Werkstück 1 benachbarten Spitze 8′ wie in Fig. 1 ausgebildet
ist, zeigt die Hohldüse 8 der Fig. 3 eine etwas abweichende
Gestaltung dahingehend, daß die werkstückseitigen Kanten der
Düsenwände 23, 24 abweichend angeordnet sind. Die Kante 22
der äußeren Düsenwand 24 ist nahe dem Werkstück 1 angeordnet,
während die Kante 21 der inneren Düsenwand 23 mit einem ver
tikalen Abstand vom Werkstück 1 ausgebildet ist. Dadurch er
gibt sich grundsätzlich eine starke vertikale Komponente
der aus dem Bearbeitungsbereich 3 abgesaugten Strömung, was auch
durch eine entsprechende Formgebung der Düsenwände 23, 24
noch unterstützt werden kann. Diese Ausgestaltung gestattet
es, den Unterdruck zu erhöhen bzw. einen bestimmten Unterdruck
mit geringerer Leistung der Absaugeinrichtung zu erzielen.
Unabhängig von der Fluidführung im Kanal 7 bzw. von der
Absaugung durch die Öffnung 6 kann der Düseninnenraum 17
der Hohldüse 8 mit einem Fluid bzw. mit Gas beschickt werden,
das zusammen mit dem abgesaugten Fluid bzw. mit dem abgesaugten
Gas durch den Kanal 7 bzw. den Absauganschluß 9 oder 19
abtransportiert wird. Hierzu ist in den Fig. 1, 2 jeweils ein
Zuleitungsanschluß 18 vorgesehen, durch den Fluid 25 in
Pfeilrichtung zuströmen kann. Zweckmäßigerweise ist dieses
Fluid ein Gas, insbesondere ein Schutzgas und/oder ein
Prozeßgas. Diese Gase können bei einer in Richtung auf die
Öffnung 6 erzeugter Absaugströmung 20 aufgrund der im Bereich
der Öffnung 6 gegebenen Turbulenzen soweit in die Bearbei
tungszone bzw. in einen von Plasma erfüllten Bereich vor
dringen, daß sie dort ihre Wirkungen ausüben können.
In Fig. 4 ist eine Düse 26 dargestellt, die als Hohl
düse die Laserstrahlung 2 und deren Optik 4 umschließt,
jedoch eine lediglich schematisch dargestellte Fluidführungs
einrichtung 30 hat, mit der um die Laserstrahlung 2 herum
eine spiralige Fluidströmung erzeugt wird, die sich infolge
der konischen Verjüngung der Düse 26 zunehmend beschleunigt.
Die dadurch entstehende Drallströmung des Fluids bewirkt
nach dem Prinzip der Windhose im Inneren einen zumindest
fluidverdünnten Unterdruckraum, mit dessen Hilfe der Bear
beitungsbereich 3 abgesaugt werden kann, weil die Düse 26
mit ihrer Spitze 26′ einen Abstand vom Werkstück 1 wahrt, der
das Fluid 25 radial abströmen läßt.
Claims (13)
1. Vorrichtung zum Bearbeiten von Werkstücken mit energie
reicher Strahlung, insbesondere mit Laserstrahlung, mit
einer die Strahlung auf das Werkstück fokussierenden
Optik und mit einer den Bereich der Wechselwirkung
zwischen der Strahlung und dem Werkstück unter Unterdruck
setzenden Einrichtung, dadurch gekenn
zeichnet, daß die Unterdruckeinrichtung (5) eine
nur im Bearbeitungsbereich (3) einen örtlich begrenzten
Unterdruck bewirkende Öffnung (6) aufweist.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekenn
zeichnet, daß die Öffnung (6) als Absaugöffnung Be
standteil eines gegen den Bearbeitungsbereich (3) abge
schlossenen Kanals (7) ist, der von einem an der
Öffnung (6) Unterdruck erzeugenden Fluid (25) durchström
bar ist.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch ge
kennzeichnet, daß der Kanal (7) dem Strahlver
lauf entsprechend ausgerichtet und in seiner Querschnitts
gestaltung dem Strahlquerschnitt im Sinne einer zumindest
teilweisen Umschließung angepaßt ist.
4. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis
3, dadurch gekennzeichnet, daß der
Kanal (7) von einer hohlwandigen kegeligen Hohldüse (8)
mit an der Kegelspitze (8′) angeordneter Öffnung (6)
und mit mindestens einem im Kegelstumpfbereich gelegenen
Fluidanschluß (9) gebildet ist.
5. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis
4, dadurch gekennzeichnet, daß der
Düsenhohlwandraum (10) vertikal in zwei Kammern (11, 12)
unterteilt ist, und daß die eine Kammer (11) einen Zulei
tungsanschluß (13) und die andere Kammer (12) einen Ab
leitungsanschluß (14) aufweist.
6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekenn
zeichnet, daß die Düse (8) um ihre Längsachse (15)
schwenkbar und bei Vorschubbewegungen des Werkstücks (1)
relativ zu der jeweiligen Bahnrichtung (16) ausrichtbar ist.
7. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis
4, dadurch gekennzeichnet, daß der
Düsenhohlwandraum (10) ausschließlich absaugbeaufschlagbar
und bedarfsweise mit einem eine symmetrische Absaugung des
Bearbeitungsbereichs bewirkenden Absauganschluß (19) ausge
bildet ist.
8. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis
7, dadurch gekennzeichnet, daß der
die Strahlung (2) umschließende Düseninnenraum (17) einen
Zuleitungsanschluß (18) hat.
9. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis
8, dadurch gekennzeichnet, daß dem
Zuleitungsanschluß (18) ein Schutzgas und/oder ein Prozeß
gas mit jeweils regelbarer Zusammensetzung zuführbar ist.
10. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis
9, dadurch gekennzeichnet, daß der
Anschluß (14, 19) des Düsenhohlwandraums (10) im
Sinne einer Erzeugung von Unterdruck auch im Düseninnen
raum (17) mit auf das Werkstück (1) gerichteter Absaug
strömung (20) beaufschlagbar ist.
11. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis
10, dadurch gekennzeichnet, daß die
werkstückseitigen Kanten (21, 22) der die Absaugöffnung
(6) bildenden Düsenwände (23, 24) in einem eine vertikal
zur Werkstückoberfläche erfolgende Absaugung der letzteren
begünstigenden vertikalen Abstand voneinander angeordnet
sind.
12. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 2
bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß
der Kanal (7) Bestandteil eines geschlossenen Fluid
kreislaufs ist, in den bedarfsweise eine Fluidaufbe
reitungseinrichtung eingebaut ist.
13. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekenn
zeichnet, daß die Unterdruckeinrichtung (5) eine
einem Fluid (25) eine schnelle schraubenlinienartige,
auf das Werkstück (1) gerichtete Strömung erteilende
Düse (26) ist, und daß das Fluid (25) die Strahlung (2)
umschließt und mit einem zumindest fluidverdünnten
Spiralinnenraum (28) den Bearbeitungsbereich (3) wind
hosenartig umschließend auf das Werkstück (1) trifft,
das einen das Fluid (25) radial abströmen lassenden Ab
stand von der Düsenspitze (26′) aufweist.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE3824047A DE3824047A1 (de) | 1988-07-15 | 1988-07-15 | Vorrichtung zum bearbeiten von werkstuecken mit strahlung |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE3824047A DE3824047A1 (de) | 1988-07-15 | 1988-07-15 | Vorrichtung zum bearbeiten von werkstuecken mit strahlung |
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DE3824047A1 true DE3824047A1 (de) | 1990-01-18 |
DE3824047C2 DE3824047C2 (de) | 1992-04-16 |
Family
ID=6358764
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
DE3824047A Granted DE3824047A1 (de) | 1988-07-15 | 1988-07-15 | Vorrichtung zum bearbeiten von werkstuecken mit strahlung |
Country Status (1)
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