DE2101324B2

DE2101324B2 -

Info

Publication number: DE2101324B2
Application number: DE2101324A
Authority: DE
Inventors: H R Friedrich
Original assignee: Hughes Aircraft Co
Current assignee: Raytheon Co
Priority date: 1970-01-19
Filing date: 1971-01-13
Publication date: 1974-03-21
Also published as: FR2075625A5; US3696230A; SE376730B; GB1275018A; DE2101324C3; JPS4822319B1; DE2101324A1; CH519965A; BE761735A

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung turn Schneiden und Brennen mittels eines kohärenten Lichtstrahles, mit einem einen Spiegel und eine Linse turn Ausrichten und Fokussieren des Lichtstrahles »uf ein Werkstück enthaltenden Gehäuse, das im Beteich zwischen der Linse und dem Werkstück einen kegelförmigen Abschnitt aufweist, der sich in Richtung von der Linse auf das Werkstück verjüngt und in seinem spitzen Ende eine öffnung zum Austritt (des Lichtstrahles begrenzt, und mit einer Kühleinfichtung, die eine Gasquelle und eine die Gasquelle mit dem kegelförmigen Abschnitt des Gehäuses verbindende Leitung umfaßt.

Eine solche Vorrichtung ist aus der französischen Patentschrift 1564 933 bekannt. Bei dieser bekannten Vorrichtung dient das zugeführte Gas primär zur Unterstützung des Schneidvorgangs, hat jedoch zweifellos auch eine Kühlwirkung. Die Zufuhr des Gases erfolgt über einen an der Innenseite des kegelförmigen Abschnittes angebrachten Ringkanal, der in das Innere des kegelförmigen Abschnittes mündende Öffnungen aufweist und an den die zum Zuführen des Gases dienende Leitung angeschlossen ist.

Die durch eine solche Vorrichtung bewirkte Kühlung ist für viele Zwecke unzureichend, weii das Gas sich im Bereich zwischen Ringkanal und Linse staut und daher von der Linse selbst kerne nennenswerte Wärme abführt. Eine Kühlwirkung besteht nur im unteren Teil des kegelförmigen Gehäuseabschnittes. Da die Linse aber selbst durch Absorption von Strahlung eine erhebliche Erwärmung erfahren kann, besteht ein Bedarf nach einer Anordnung, bei der auch die Wärme von der Linse selbst und aus deren Umgebung abgeführt wird.

Ähnliche Anordnungen zur Kühlung sind auch von anderen optischen Geräten her bekannt, die einer Wärmestrahlung ausgesetzt sind. So wird bei einem aus der britischen Patentschrift 1114 682 bekannten Pyrometer ähnlich wie bei der vorstehend behandelten Einrichtung ein Kühlgas tangential in ein Gehäuse eingeleitet, um durch einen wirbeiförmigen Gasstrom ein besonders gutes Austreiben oder Abscheiden von Staubteilchen zu gewährleisten, die in

so das Gehäuse eindringen könnten. Der Einlaß für den Gasstrom sitzt wiederum in einer erheblichen Entfernung von der Objektivlinse, so daß diese Linse nur ungenügend gekühlt wird. Ähnliche Anordnungen sind auch bei Strahlungspyrometern verwendet, die aus der deutschen Patentschrift 392 571 und der USA.-Patentschrift 3 472 497 bekannt sind.

Bei einem Gerät zur Beobachtung eines von heißen Gasen umgebenen Körpers nach der USA.-Patentschrift 2 959 090 wird das optische Glieder enthaltende, rohrförmige Gehäuse unmittelbar von einem ersten Luftstrom durchkühlt, während ein zweiter Luftstrom durch ein Mantelrohr geleitet wird, das sich bis zu der Austrittsöffnung des Gehäuses am Ende eines kegelförmigen Abschnittes erstreckt.

Ein weiterer Luftstrom wird an dsr Spitze des kegelförmigen Gehäuses über ein Ringrohr abgestrahlt. Es handelt sich hier also um eine komplizierte Einrichtung, die drei verschiedene Luftzuführungen benötigt, deren Druck so geregelt sein muß, daß sich die Luftströme nicht gegenseitig stören. Eine ähnliche Einrichtung mit einem durch ein konzentrisch zum Mantelrohr geführten Gasstrom ist auch aus der USA.-Patentschrift 3 321265 bekannt. Dort strömt die Luft durch eine kegelförmige öffnung aus, in die ein kegelförmiges optisches Element hineinragt, dessen Außenfläche von dem Luftstrom umspült wird. Dieses optische Element reicht jedoch praktisch bis zur Außenseite des Gehäuses, so daß dieses optische Element nur einen recht ungenügenden Schutz erhält.

Daß außerdem die bei der bekannten Vorrichtung vorgesehene Luftkühlung nicht ausreichend ist, geht daraus hervor, daß noch ein zusätzlicher Flüssigkeits-Kühlmantel vorhanden ist.

Aus der USA.-Patentschrift 3 310 356 ist ein weiteres optisches Gerät bekannt, das von einer durchbohrten Linse Gebrauch macht. Eine durchbohrte Linse kann jedoch bei einer Vorrichtung der eingangs beschriebenen Art nicht angewendet werden, weil der sehr feine Laserstrahl im wesentlichen die Mitte der Linse durchdringt. Außerdem sind durchbohrte optische Elemente in der Herstellung kostspielig und außerdem empfindlich. Bei einer zweiten, in der USA.-Patentsohrift 3 310 356 offenbarten Vorrichtung wird zwar von einer nicht durchbrochenen Linse Gebrauch gemacht, jedoch wird dort wiederum nur eine vor der Linse liegende Kammer mit Preßluft beschickt, so daß hier wieder ein relativ geringer Wärmeschutz gegeben ist.

Demgegenüber liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung der eingangs beschriebenen Art so auszubilden, daß mit einfachen Mitteln eine wesentlich verbesserte Kühlwirkung und ein verbesserter Schutz des optischen Systems gegen Staubablagerungen u. dgl. erzielt wird.

Diese Aufgabe wird nach der Erfindung dadurch gelöst, daß dts Gehäuse im Bereich der Linse zwei konzentrische, zylindrische Wände aufweist, zwischen denen ein Hohlraum vorhanden ist, der an seinem einen Ende mit der von der Gasquelle herkommenden Leitung verbunden ist und am anderen Ende in den kegelförmigen Abschnitt des Gehäuses mündet, und daß die innere Wand des Gehäuses mit einer Öffnung versehen ist, durch die ein Teil des von der Gasquelle zugeführten Kühlgases in den Abschnitt des Gehäuses eintreten kann, der sich auf der dem kegelförmigen Abschnitt abgewandten Seite der Linse befindet und den Spiegel enthält.

Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist demgemäß im Bereich der Linse eine Einrichtung vorhanden, die eine wirksame Abfuhr der im Bereich der Linse auftretenden Wärme gewährleistet, und es wird außerdem die Linse von beiden Seiten von dem Kühlgas überspült. Damit wird die angestrebte, besonders wirkungsvolle Kühlung in Verbindung mit einer besonders zuverlässigen Reinhaltung der Linse mit geringem Aufwand erzielt.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sind in dem Hohlraum zwischen den zylindrischen Wänden wendelförmig verlaufende Kühlrippen derart angeordnet, daß sie zwischen den Wänden einen wendelförmig verlaufenden Kanal für das Kühlgas bilden. Auf diese Weise findet eine besonders wirksame Kühlung des Gehäuseabschnittes statt, in dem sich die Linse befindet.

Die Erfindung wird im folgenden an Hand der in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiele näher beschrieben und erläutert. Es zeigt

F i g. 1 eine schematische Darstellung einer Vorrichtung nach der Erfindung,

F i g. 2 einen Längsschnitt durch eine Vorrichtung ähnlich derjenigen nach F i g. 1,

F i g. 3 einen Längsschnitt durch eine abgewandelte Ausführurgsform des Kühlers der Vorrichtung nach Fig. 2 und

F i g. 4 einen Grundriß einer weiteren Abwandlung des Kühlers.

Der in F i g. 1 dargestellte CO₂-Laser 10 erzeugt einen durch eine gestrichelte Linie dargestellten kohärenten Lichtstrahl. Ein ebener Spiegel 12 und eine Linse 14 sind innerhalb eines gemeinsamen Gehäuses 30 angeordnet, das einen den Spiegel 12 umgebenden rohrförmigen Abschnitt 3OA, einen die Linse 14 tragenden Kühler 3OC und einen Balg 3OB aufweist, der den rohrförmigen Abschnitt 30/4 verstellbar mit dem Kühler 3OC verbindet. Die Linse 14 wird von dem Kühler 3OC vor Überhitzung geschützt. Der Kühler 3OC ist mittels eines Übergangsstückes 3OD mit einem kegelförmigen Abschnitt 3OE verbunden. In dem kegelförmigen Abschnitt 3OE befindet sich eine dem Werkstück 16 gegenüberliegende öffnung 31. Diese öffnung 31 verläuft konzentrisch zum Lichtstrahl, de.< mittels der Linse 14 auf das Werkstück 16 fokussiert wird.

Ein reaktionsfähiges oder indifferentes, unter Druck stehendes Gas wird von einer Quelle 24 her einer Seite des Kühlers 30C zugeführt. Der Kühler 3OC besitzt Kühlrippen 32, die derart wendelförmig zwischen einer inneren Wand 34 und einer äußeren Wand 35 des Kühlers 3OC angeordnet sind, daß ein wendeiförmiger Kanal entsteht. Daher läuft, von den Kühlrippen 32 geleitet, das unter Druck stehende Gas aus der Quelle 24 zwischen den Wänden 34 und 35 des Kühlers 30C um. Während das Gas durch den Kühler 3OC fließt, entzieht es Wärme. Danach füllt das unter Druck stehende Gas den kegelförmigen Abschnitt 3OE, fließt über die untere Fläche der Linse 14 und strömt endlich durch die öffnung 31 in dem kegelförmigen Abschnitt 3OE des Gehäuses 30 aus. Das aus der öffnung 31 ausströmende Gas trifft auf den Bereich des Werkstückes 16 auf, in dem sich die von dem Lichtstrahl erzeugte Brennstelle befindet, und bläst die Verbrennungsprodukte weg, so daß sie nicht durch die Gehäuseöffnung 31 nach oben zur Linse 14 gelangen können. Eine geeignete, nicht dargestellte Gebläseano-Jnung entfernt dann diese Verbrennungsprodukte.

Eine Öffnung 36 in der Wand 34 des Kühlers 3OC ermöglicht einem Teil des unter Druck stehenden Gases, über die Rückseite der Linse 14 und danach über die Oberfläche des ebenen Spiegels 12 zu Hießen und durch die Öffnung in dem Gehäuse 30 nahe der Einfallsöffnung für den Lichtstrahl auszuströmen. Auf diese Weise werden die Rückseite der Linse 14 und der ebene Spiegel 12 von unerwünschten Verunreinigungen, die sonst durch die Gehäuseöffnung eindringen würden, sauber und frei gehalten.

Demnach wird das Gas, das verwendet wird, um entweder den Brennvorgang zu unterstützen oder zu verhindern, daß ein Brennen außerhalb des fokussierten Lichtstrahles auftritt, auch dafür eingesetzt, die Linse 14 und den reflektierenden Spiegel 12 sauber und ferner die Temperatur der Linse 14 auf einer Höhe zu halten, die einen fortwährenden Betrieb der Vorrichtung ermöglicht.

F i g. 2 zeigt einen Längsschnitt durch eine verwirklichte Ausführungsform der Kühleinrichtung. Die Blickrichtung fällt mit der Richtung zusammen, in der der Lichtstrah¹ des Laiers in das Gehäuse 30 eintritt. Bauteile, die die gleiche Funktion ausüben wie die in F i g. 1 gezeigten, sind mit der gleichen Bezugsziffer bezeichnet. Die Stellung des ebenen Spiegels 12 ist durch Drehen der Rändelknöpfe 38 und 40 so einstellbar, daß der auf ihn auftreffende Lichtstrahl durch die Mitte der Linse 14 gelenkt wird. Die Rändelknöpfe 38 und 40 durchdringen einen Arm 42, der zurr. Befestigen der Vorrichtung dient. Der Balg 30B dient zur Einstellung des Abstandes zwischen dem Spiegel 12 und der Linse 14.

Die Linse 14 ist von handelsüblicher Ausführung. Sie wird üblicherweise in einer im wesentlichen rohrförmigen Linsenfassung 44 gehalten. Um einen guten Wärmeübergang zu erzielen, ist die Linsenfassung 44 in dem Kühler 30C eingeschraubt. Die öffnung 36 ist in die Wand der Linsenfassung 44 gebohrt.

In F i g. 3 ist eine zweite Austührungsform eines

Kühlers 30 C dargestellt, die statt der oben beschriebenen mit der Linsenfassung 44 verschraubt sein kann. Dabei kann ein Haftmittel mit die Wärmeübertragung von der Linsenfassung 44 auf den Kühler 3OC' unterstützenden Eigenschaften verwendet wer-

den. Der Kühler 30C umfaßt eine innere Wand 34', eine äußere Wand 54 und eine Anzahl im Abstand zueinander angeordneter, flanschartiger Trennwände 55, die in bestimmten Abständen die innere Wand

34' mit der äußeren Wand 54 verbinden. Es sind, wie bei einer Ausführungsform nach F i g. 2, ein Einlaß 63 und nahe der Linse ein Auslaß 64 für das von der Gasquelle 24 gelieferte, unter Druck stehende Gas vorgesehen. Mit dem Einlaß 63 fluchtend ist in jeder der Trennwände 55, außer in der unteren Ab- :ichlußwand, ein erstes Loch 61 angeordnet. Außerdem ist in jeder der Trennwände 55, mit Ausnahme der oberen Abschlußwand, ein mit dem Auslaß 64 fluchtendes zweites Loch 62 angeordnet. Die Richtung des Gasflusses im Kühler 3OC ist in der Zeichnung durch Pfeile dargestellt.

Eine weitere, in F i g. 4 dargestellte Ausführungsform eines Kühlers 3OC" weist eine innere Wand 34", «ine äußere Wand 54' und eine Reihe vertikalei Trenmrippen 67 auf, zwischen denen sich von oben nach unten verlaufende, vertikale Durchgänge 68 für den Gasfluß befinden.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Vorrichtung zum Schneiden und Brennen mittels eines kohärenten Lichtstrahles, mit einem einen Spiegel und eine Linse zum Ausrichten und Fokussieren des Lichtstrahles auf ein Werkstück enthaltenden Gehäuse, das im Bereich zwischen der Linse und dem Werkstück einen kegelförmigen Abschnitt aufweist, der sich in Richtung von der Linse auf das Werkstück verjüngt und an seinem spitzen Ende eine öffnung zum Austritt des Lichtstrahles begrenzt, und mit einer Kühleinrichtung, die eine Gasquelle und eine die Gasquelle mit dem kegelförmigen Abschnitt des Gehäuses verbindende Leitung umfaßt, dadurch gekennze^:chnet, daß das Gehäuse (30) im Bereich der Linse (14) zwei konzentrische, zylindrische Wände (34 und 35) aufweist, zwischen denen ein Hohlraum vorhanden ist, der an seinem einen Ende mit der von der Gasquelle (24) herkommenden Leitung verbunden ist und am anderen Ende in den kegelförmigen Abschnitt (30 E) des Gehäuses mündet, und daß die innere Wand des Gehäuses mit einer öffnung (36) versehen ist, durch die ein Teil des von der Gasquelle (24) Tugeführten Kühlgases in den Abschnitt (30A) des Gehäuses eintreten kann, der sich auf der dem kegelförmigen Abschnitt (30E) abgewandten Seite der Linse (14) befindet und den Spiegel (12) enthält.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in dem Hohlraum zwischen den zylindrischen Wänden (34 und 35) wendelförmig verlaufende Kühlrippen (32) derart angeordnet sind, daß sie zwischen den Wänden einen wendelförmig verlaufenden Kanal für das Kühlgas bilden.