Wirkungsbereich umgebende Schutzvorrichtung gegen Laserstrahlen einer Laserquelle

Beschreibung

Die Erfindung betrifft ein Wandelement für eine einen Arbeits¬ oder Wirkungsbereich umgebende Schutzvorrichtung gegen Laserstrahlen einer Laserquelle, wie einer Kabine, einer Wand oder einer Abschirmung, mit einer dem Arbeits- oder Wirkungsbereich benachbarten Innenwand und einer zur Innenwand parallelen, vom Arbeits- oder Wirkungsbereich weiter als die Innenwand entfernten Außenwand.

Aus der DE 89 08 806 Ul ist bereits eine derartige Schutzvorrichtung für eine Laserstrahlen-Bearbeitungsmaschine bekannt. Die Wandelemente dieser Schutzvorrichtung bestehen aus einer äußeren Platte, die aus Glas oder Kunstharz besteht, einem an der Innenseite der äußeren Platte meanderförmig angeordneten Schmelzdraht als elektrischem Leiter und aus einer inneren Scheibe, die aus transparentem Kunststoff bzw. aus einem die Laserstrahlen absorbierenden Material besteht. Der Schmelzdraht ist über Leitungen an eine Not-Aus-Schaltung der Bearbeitungsmaschine angeschlossen. Sobald bei einem anormalen Betriebszustand der Bearbeitungsmaschine der Laserstrahl auf eines der Wandelemente auftrifft, schmilzt die Innenscheibe in einem relativ großen Bereich aufgrund des relativ hohen Absorptionsvermögens dieses Scheibenmaterials. Die sich entwickelnden Temperaturen sind ausreichend hoch, um auch den nächstliegenden Leiterdraht durchzusch elzen und damit den schwachen kontinuierlichen Stromfluß in diesem Leiterdraht zu unterbrechen. Aufrund der Unterbrechung des Stromflusses durch den Leiterdraht werden die Not-Aus-Schaltung sowie infolge die Laserquelle sowie die Bearbeitungsmaschine abgeschaltet. Dabei soll die Not-Aus-Schaltung ansprechen, bevor die äußere

Glasscheibe des Wandelements von dem auftreffenden Laserstrahl durchsch olzen ist.

Desweiteren sind auch Überwachungen von Lichtleiterkabeln im Lasersystem bzw. eine Kontrolle der Laseroptik bekannt. Beim Laserschweißen kann das während des Schweißvorganges entstehende Plasma ebenfalls mit einer Fotozelle überwacht werden. Schließlich besteht auch die Möglichkeit, innerhalb der Laseroptik Systeme vorzusehen, die aufgrund der Restreflexion erfassen, ob der von der Laserquelle ausgesandte Laserstrahl die Optik durchläuft oder unkontrolliert im Raum vagabundiert.

Aufgabe sämtlicher bekannter Überwachungs- bzw. Schutzsysteme ist es, eine Not-Aus-Vorrichtung zu aktivieren, mit der die Laserquelle bzw. die Bearbeitungsvorrichtung außer Betrieb gesetzt wird.

Wie jedoch die praktischen Erfahrungen und auch in der Vergangenheit aufgetretene Unfälle gezeigt haben, können diese bekannten Überwachungssyεteme keine hundertprozentige Sicherheit gegen ein Austreten des Laserstrahls aus der Schutzvorrichtung bieten, da die Not-Aus-Vorrichtung nicht in allen denkbaren Störfällen so rasch aktiviert werden kann, daß ein Austreten des Laserstrahls aus der Schutzvorrichtung mit dem damit einhergehenden Durchschmelzen der Schutzvorrichtung sicher vermieden werden kann.

Daß diese bisher bekannten Schutzvorrichtungen keine zufriedenstellenden Ergebnisse geliefert haben, zeigen auch die in den Fachkreisen geführten Diskussionen. So werden zwar in der prEN 12254 vom November 1995 "Abschirmungen an Laser- Arbeitsplätzen" Anforderungen an die für die Wandelemente einzusetzenden Materialien gestellt, jedoch keine Lösungswege angegeben. Weiterhin ist auch der 20. IEC 8254 Entwurf "Laserguards" weltweit diskutiert worden und befindet sich

derzeit in einer erneuten Abstimmung. In diesem Entwurf werden passive Wandelemente vorgeschlagen, die im Inneren mit unter Druck stehendem Wasser oder unter Druck stehender Luft gefüllt sind. Solche Wandelemente müßten daher absolut dicht sein, was hohe Produktionskosten bedingt. Darüber hinaus besteht auch die Gefahr, daß im Falle eines Störfalles das Wasser aus dem Wandelement in die Werkshallen oder dergleichen austritt, so daß das Problem elektrischer Gefährdungen besteht. Desweiteren sind bei dem Einsatz derartiger Druckbehälter als Wandelemente unter Umständen weitere technische Vorschriften betreffend Sicherheitsvorschriften für Druckbehälter zu beachten. Weiterhin wurden in dem letztgenannten Entwurf auch aktive Wandelemente einer Schutzvorrichtung für Laserstrahlen angesprochen, die ähnlich wie die passiven Wandelemente aufgebaut sind, bei denen jedoch Sensoren zur Messung des Innendruckes bzw. der Temperaturdifferenz zwischen Innen- und Außenraum vorgesehen sein sollen. Es mag durchaus sein, daß Lösungen dieser Art zu zufriedenstellenden Ergebnissen führen, jedoch ist der konstruktive Aufwand wie auch der Kostenaufwand zur Erstellung und zum Aufbau derartiger Wandelemente äußerst hoch.

Demgegenüber liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Wandelement der eingangs genannten Art derart weiterzubilden, daß das Wandelement einen äußerst einfachen konstruktiven Aufbau aufweist und die derzeit geltenden Anforderungen der Laserklasse 1 bezüglich Schutzvorrichtungen erfüllt. Danach wird eine Standzeit von 100 Sekunden für das Wandelement gefordert. Dies heißt, daß der Laserstrahl das Wandelement in diesem Zeitraum nicht durchdringen darf. Weiterhin müssen auch die MZB-Werte eingehalten werden. Im Rahmen der vorliegenden Anmeldung sind unter Laserstrahlen bzw. Laserquellen solche Laser zu verstehen, deren Energien ausreichend sind, um Materialien zu zerstören. Bei diesen Laserquellen kann es sich um Cθ ₂ -Laser mit einer Leistung bis

zu 30 kW, um Ecimer-, Helium-, Argon-, Rubin- und Nd-YAG-Laser handeln.

Diese Aufgabe wird nach der Erfindung im wesentlichen dadurch gelöst, daß die Innenwand und die Außenwand aus Metall, etwa Eisen- oder Stahlblech bestehen, wobei die Innenwand wenigstens auf der zum Arbeits- oder Wirkungsbereich weisenden Seitenfläche mit einer Beschichtung mit hohem Absorptionsvermögen versehen ist und die der Innenwand zugewandte Seitenfläche der Außenwand ein geringeres Absorptionsvermögen besitzt.

Dieses Wandelement weist den Vorteil auf, daß in einem Störfall bei dem Auftreten des divergenten Laserstrahls auf das Wandelement die auf der Seitenfläche aufgebrachte Beschichtung im Bereich des Auftreffpunktes aufgrund der Erwärmung anfängt zu brennen. Da der von dem Auftreffort radial wegführende Wärmetransport nicht ausreichend schnell genug ist, bleibt der Brandherd beim Einsatz geeigneter Farben eng begrenzt auf einen kreisförmigen Bereich. Die dabei auftretenden Gase führen zu einer über die Eigendivergenz hinausgehende Strahlaufweitung bzw. Strahlverformung (Thermal Blooming) , wodurch die Leistungsdichte des Laserstrahls erheblich reduziert wird. Aufgrund der durch die Verbrennung der Beschichtung der Innenwand auftretenden Gase wird auch die Temperatur im Randbereich des divergenten Strahles erheblich verringert. Die Seitenfläche der Außenwand, die ein geringeres Absorptionsvermögen bzw. ein erhöhtes Reflexionsvermögen aufweist, reflektiert die von der Seitenaußenfläche der Innenwand abgestrahlte Wärmeenergie zurück, so daß nur geringförmige Erwärmungen der Seitenfläche der Außenwand während des 100 Sekunden-Zeitraums zu erwarten sind. Insgesamt erweist sich das erfindungsgemäße Wandelement bezüglich des konstruktiven Aufbaus und der Kosten als äußerst wirtschaftlich, wobei aufgrund der im Störfall im Bereich des

Auftrefforts des Laserstrahls auf das Wandelement bewußt herbeigeführten Gas- oder Dampfbildung eine wirksame Schwächung des Laserstrahls aufgrund der starken Streuung des Laserlichts an den Gasen oder Dämpfen herbeigeführt wird.

Nach einer ersten vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung besteht die Beschichtung aus schwarzer Farbe. Die zusätzliche Beschichtung der Seitenfläche der Innenwand bewirkt, daß im Falle eines Durchbrennens der Innenwand des Wandelements im Störfall auch eine starke Gas- oder Dampfbildung zwischen der Innenwand und Außenwand des Wandelements hervorgerufen wird, die für eine weitere Erhöhung der Divergenz bzw. Abschwächung der Leistungsdichte des Laserstrahls sorgt.

Dabei hat es sich als vorteilhaft erwiesen, daß zwischen der Innenwand und der Außenwand mindestens eine Zwischenwand angeordnet ist. Derartige Zwischenwände erweisen sich insbesondere dann als sinnvoll, wenn die Wandelemente zur Abschirmung von Laserstrahlen äußerst hoher Leistung, wie beispielsweise bei Laserquellen des Typs Nd-YAG mit einer Leistung von mehreren Kilowatt eingesetzt werden sollen.

Dabei kann die mindestens eine Zwischenwand aus Metall, etwa Eisen- oder Stahlblech und/oder aus Graphit bzw. graphitbeschichtetem Blech bestehen. Der Einsatz von Graphit oder graphitbeschichtetem Blech erweist sich insbesondere aufgrund des hohen Absorptionsvermögens dieses Materials als sinnvoll. Spezielle Kombinationen von Zwischenwänden innerhalb des Wandelements ermöglichen beispielsweise, daß die Standzeit des Wandelements in einem Störfall über den geforderten Wert von 100 Sekunden hinaus erhöht werden kann oder auch, daß Laserstrahlen mit Laserleistungen oberhalb von 10 kW abgeschirmt werden können.

Gemäß einer anderen vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung besteht die Möglichkeit, daß eine Zwischenwand wenigstens auf einer Seitenfläche mit einer Beschichtung, insbesondere einer schwarzen Farbbeschichtung, versehen ist. Sollte die Innenwand von dem Laserstrahl im Falle eines Störfalles bereits durchschmolzen worden sein, dient die beschichtete Zwischenwand aufgrund des Verbrennens der aufgetragenen Beschichtung als weitere Quelle zur Abgabe von Gas oder Dampf, so daß der Laserstrahl weiter aufgeweitet und hinsichtlich der Leistungsdichte abgeschwächt wird.

Es hat sich weiterhin als vorteilhaft erwiesen, daß die zur Außenwand benachbarte Zwischenwand eine Farbbeschichtung mit hohem Absorptionsvermögen und die zur Innenwand benachbarte Zwischenwand ein geringes Absorptionsvermögen aufweisen. Auch durch diese spezielle Art der Anordnung kann die Standzeit des Wandelements weiter erhöht bzw. die geforderte Widerstandsfähigkeit auch bei hohen Laserleistungen erreicht werden.

Auch erweist sich in verschiedenen Anwendungsfällen der Einsatz einer aus Graphit oder aus graphitbeschichtetem Blech bestehenden Zwischenwand als sinnvoll.

Der Abstand zwischen der Innenwand und der Außenwand des Wandelements entspricht in etwa dem Durchmesser des Rohstrahls der Laserquelle. Unter dem Rohstrahl wird dabei der Laserstrahl nach Austreten aus der Laserquelle bzw. vor Eintreten in die Laseroptik verstanden. Bei Einhaltung dieser Bemessungsangabe wird eine besonders effektive AufStreuung des Laserstrahls bzw. Abschwächung der Leistungsdichte erreicht.

Dabei hat es sich als vorteilhaft erwiesen, daß die Abstände benachbarter Wände, etwa Innenwand zu Zwischenwand oder Zwischenwand zu Zwischenwand oder Zwischenwand zu Außenwand

ebenfalls in etwa dem Durchmesser des Rohstrahls der Laserquelle entsprechen. Es versteht sich, daß natürlich auch größere Abstände zwischen den Wänden des Wandelements vorgesehen werden können, wobei natürlich ein Kompromiß zwischen der maximalen Dicke des Wandelements und dessen Wirksamkeit gefunden werden muß.

Wie praktische Untersuchungen gezeigt haben, hat sich ein Abstand benachbarter Wände von etwa 60 mm oder mehr als sinnvoll erwiesen.

Nach einer anderen vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung beträgt der Abstand zwischen dem Wandelement und der Laserquelle mindestens das vier- bis fünffache der Brennweite der Laseroptik. Grundsätzlich sollte das Wandelement nicht im Fokusbereich bzw. Brennweitenbereich der Laseroptik aufgebaut werden, da hier eine sehr hohe Leistungsdichte des Laserstrahls vorhanden ist. Darüber hinaus wird durch eine derartige Anordnung der Wandelemente auch entsprechenden Sicherheits¬ bzw. Unfallverhütungsvorschriften Rechnung getragen.

Nach einer anderen Ausführungsform der Erfindung sind die Stirnseiten des mehrschaligen Wandelements bevorzugt allseitig geschlossen. Die Wandelemente lassen sich daher gut handhaben, leicht zu einem größeren Verbund zusammenbauen, wobei zusätzlich dafür gesorgt wird, daß die im Innenraum des Wandelements während eines Störfalls auftretenden Gase oder Dämpfe konzentriert werden und nicht zu schnell entweichen können.

Nach einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung weist das Wandelement in einem vertikalen, oberen Abschnitt, bevorzugt im Bereich der Stirnseite, Bohrungen auf. Diese Bohrungen dienen einem kontrollierten Austreten des während eines Störfalles im Inneren des Wandelementes erzeugten Rauchgases.

Eine zusätzliche Sicherheitsmaßnahme ist dadurch geschaffen, daß zwischen der Innenwand und der Außenwand des Wandelements ein Rauch- oder Gas-Sensor angeordnet ist, der mit einer Steuereinheit in Verbindung steht. Diese Steuereinheit kann zur Abgabe von Notsignalen während des Störfalls dienen, was sich insbesondere bei vollautomatischen Laservorrichtungen als sinnvoll erweist, bei denen nicht jederzeit eine Bedienperson anwesend ist. Es besteht jedoch auch die Möglichkeit, mittels der Steuereinheit in entsprechender Weise auf die Laservorrichtung, beispielsweise durch Abschalten oder Leistungsreduzierung oder dergleichen, Einfluß zu nehmen.

Dabei hat es sich nach einer anderen Weiterbildung der Erfindung als vorteilhaft erwiesen, daß wenigstens zwei Sensoren an verschiedenen Positionen in dem Wandelement angeordnet sind. Da nicht auszuschließen ist, daß der Laserstrahl während eines Störfalles gerade auf einen solchen Sensor positioniert ist, erweist sich der Einsatz eines zweiten Sensors im Konzept eines redundanten Systems als sinnvoll.

Als besonders vorteilhaft hat es sich nach der Erfindung herausgestellt, daß die Innen- und Außenwände und ggf. die dazwischen angeordnete wenigstens eine Zwischenwand i. w. miteinander fluchtende aus zwei oder mehreren hintereinander angeordneten Lagen aus Policarbonat oder Glas bestehende Scheiben aufweisen, wodurch eine optische Kontrolle des Arbeitsbereiches von außen durch das Wandelement ermöglicht ist. Dabei hat sich gezeigt, daß derartige Scheibenanordnungen über 100 sec hinaus den Belastungen von C0 ₂ -Lasern und ebenso von Nd-YAG-Lasern standhalten. Offensichtlich ist dies darauf zurückzuführen, daß der Laserstrahl beim Durchdringen der ersten Scheibe bereits erheblich an Energie verliert und seine Mode ändert, so daß es zeitverzögert zu einer Belastung der im Abstand dazu angeordneten weiteren Scheibe kommt. Durch die

Anordnung weiterer Scheiben läßt sich die Zeitverzögerung auf die folgenden Scheiben noch erhöhen.

Bei einer Schutzvorrichtung gegen Laserstrahlen mit mindestens einem Wandelement erweist es sich aus konstruktiver Sicht als vorteilhaft, daß die Schutzvorrichtung eine Rahmenkonstruktion aufweist, wobei der Rahmen durch Stahlträger gebildet ist und die Wände an dem Rahmen befestigt sind.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand der in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert.

Es zeigen:

Fig. 1 ein erstes Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Wandelements mit einer Innen- und Außenwand,

Fig. 2 ein zweites Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Wandelements gemäß Fig. 1 mit einer zusätzlichen Zwischenwand,

Fig. 3 eine weitere Ausführungsform des erfindungsgemäßen Wandelements gemäß Fig. 1, jedoch mit zwei Zwischenwänden,

Fig. 4 eine weitere Ausführungsform des erfindungsgemäßen Wandelements gemäß Fig. 1, jedoch mit zwei Zwischenwänden, wobei die eine Zwischenwand aus Graphit besteht oder mit Graphit beschichtet ist und

Fig. 5 eine weitere Ausführungsform des erfindungsgemäßen Wandelements gemäß Fig. 1, jedoch mit im Innenraum angeordneten Rauchsensoren.

Das in den Fig. dargestellte Wandelement 10 einer Schutzvorrichtung für Laserstrahlen einer Laserquelle 38 weist wenigstens eine Innenwand 12 und eine im wesentlichen parallele Außenwand 14 auf. Die Innenwand 12 und die Außenwand 14 bestehen aus Metall, bevorzugt Eisen- oder Stahlblech, wobei die Innenwand 12 wenigstens auf der zum Arbeits- oder Wirkungsbereich weisenden Seitenfläche 18, bevorzugt auch auf der äußeren Seitenfläche 20 mit einer Beschichtung 16 versehen ist. Die Beschichtung 16 kann bevorzugt eine Farbbeschichtung mit hohem Absorptionsvermögen sein, z. B. aus schwarzer Farbe oder dergleichen bestehen. Die der Innenwand 12 zugewandte Seitenfläche 22 der Außenwand 14 weist ein geringeres Absorptionsvermögen auf. Dieses geringere Absorptionsvermögen bzw. höhere Reflexionsvermögen der Seitenfläche 22 der Außenwand 14 wird in der Praxis beispielsweise bereits dadurch erreicht, daß ein weitgehend unbehandeltes Eisen- oder Stahlblech, welches bereits eine reflektierende Oberfläche aufweist, als Außenwand 14 eingesetzt wird. Natürlich ist nicht ausgeschlossen, daß spezielle Behandlungen oder Bearbeitungen der der Innenwand 12 zugewandten Seitenfläche 22 der Außenwand 14 vorgenommen werden, um das Reflexionsvermögen zu erhöhen. Weiterhin ist bevorzugt auch die Seitenfläche 20 der Innenwand 12 mit der Beschichtung versehen.

Gemäß dem Ausführungsbeispiel der Fig. 2 ist im Zwischenraum zwischen der Innenwand 12 und der Außenwand 14 eine Zwischenwand 24 vorgesehen, die beidseitig unbeschichtet ist und somit ein geringes Absorptionsvermögen bzw. hohes Reflexionsvermögen besitzt. Es versteht sich, daß die Zwischenwand 24 jedoch auch einflächig oder auch zweiflächig mit einer Farbbeschichtung mit hohem Absorptionsvermögen beschichtet werden. Dies richtet sich nach dem speziellen Einsatzzweck.

Gemäß dem Ausführungsbeispiel der Fig. 3 sind zwei Zwischenwände 24, 26 vorgesehen, wobei die Zwischenwand 24 gemäß einem speziellen Ausführungsbeispiel unbeschichtet, d. h reflektierend und die Zwischenwand 26 beschichtet, d. h. absorbierend sind.

Nach dem Ausführungsbeispiel der Fig. 4 sind wiederum zwei Zwischenwände 24, 28 zwischen der Innenwand 12 und der Außenwand 14 des Wandelements 10 positioniert, wobei die Zwischenwand 28 in diesem Fall aus Graphit oder einem graphitbeschichteten Blech besteht. Die Zwischenwand 24 ist hingegen unbeschichtet und weist ein hohes Reflexionsvermögen auf.

Es versteht sich, daß dem jeweiligen Anwendungsfall angepaßte Abwandlungen und Modifikationen der vorgestellten Ausführungsbeispiele in beliebiger Kombination einsetzbar sind. Der grundsätzliche Gedanke der vorliegenden Erfindung besteht darin, im Falle des Auftretens eines Störfalles gezielt Gase, Dämpfe oder Rauchgase durch entsprechende Ausgestaltung des Wandelementes 10 zu erzeugen. Hierzu sind einzelne Wände vorgesehen, die eine Beschichtung 16 aufweisen. So kann beispielsweise die Zwischenwand 26 zumindest auf der inneren Seitenfläche 32, oder auch zusätzlich auf der äußeren Seitenfläche eine Farbbeschichtung 30 besitzen. Die Abstände 34, 36 zwischen den einzelnen Wänden 12, 14, 24, 26, 28 entsprechen in etwa im wesentlichen dem Durchmesser des Rohstrahls der Laserquelle 38. In der Praxis hat sich ein Abstand 34 bzw. 36 benachbarter Wände 12, 14, 24, 26, 28 von etwa 60 mm oder mehr als sinnvoll erwiesen. Der Abstand 40 des Wandelements 10 von der Laserquelle 38 sollte in etwa das Vier- bis Fünffache der Brennweite der Laseroptik betragen.

Die Stirnseiten 42, 44 des mehrschaligen Wandelements 10 sind bevorzugt allseitig im wesentlichen geschlossen. Dabei können

jedoch bevorzugt in einem vertikalen, oberen Abschnitt, bevorzugt im Bereich der Stirnseite 42, Bohrungen 50 angeordnet sein, wie dies schematisch und beispielhaft in Fig. 4 dargestellt ist. Der konstruktive Aufbau des Wandelements 10 bedient sich beispielsweise einer Rahmenkonstruktion, wobei der Rahmen durch Stahlträger oder dergleichen Profilträger gebildet ist und die Wände 14, 16, 24, 26, 28 an dem Rahmen befestigt sind.

Gemäß dem Ausführungsbeispiel der Fig. 5 sind in dem Zwischenraum zwischen der Innenwand 12 und der Außenwand 14 des Wandelements 10 bevorzugt zwei Rauch- oder Gas-Sensoren 46, 48 angeordnet, die mit einer Steuereinheit in Verbindung stehen.

Bezugszeichenliste

10 - Wandelement

12 - Innenwand

14 - Außenwand

16 - Beschichtung

18 - Seitenfläche

20 - Seitenfläche

22 - Seitenfläche

24 - Zwischenwand (blank)

26 - Zwischenwand (schwarz)

28 - Zwischenwand (Graphit)

30 - Farbbeschichtung

32 - Seitenfläche

34 - Abstand

36 - Abstand

38 - Laserquelle

40 - Abstand

42 - Stirnseite

44 - Stirnseite

46 - Sensor

48 - Sensor

50 - Bohrungen