為防護雷射射線將一工作或作用區圍住的保護裝置之壁件的製作方法

2023-12-03 23:47:11 1

專利名稱：為防護雷射射線將一工作或作用區圍住的保護裝置之壁件的製作方法
技術領域：
本發明涉及一個防護雷射源之雷射射線、圍住一工作區域或作用區域的保護裝置之壁件，如一個艙室，一個壁結構或一個屏蔽結構，其具有一個與工作區域或作用區域相鄰的內壁和一個與內壁平行的，並離該工作區域或作用區域遠於內壁的外壁。
在DE 8908806 U1中已公開了一種用於一個雷射射線-加工機械的保護裝置。這個保護裝置的壁件包括一個外部的板件，其由玻璃纖維或人造樹脂製成；還包括一個在該外部板件之內側面上曲折形狀(meander)安置的熔絲以用作電導體以及包括一個內板件，其由透明的塑料或由一種吸收雷射射線的材料製成。該熔絲通過導線連接在一個所述加工機械的應急電路上。一旦在加工機械的反常運行狀態時雷射射線照射到一壁件上的情況下，該內板件就在相當大的區域內由於這個板件材料之相對高的吸收能力而熔化。這樣形成的溫度是足夠高的，以致於也會將附近安置的導線熔化並因此使得在這些導線中連續減弱的電流中斷。由於通過導線中的電流中斷，則使得應急電路並進而使雷射源以及加工機械斷開停止運行。同時，該應急電路在該壁件之外部的玻璃纖維板被照射的雷射射線熔斷之前就應該觸發。
另外還公開了一種在雷射系統中對光纜的監控裝置或者說一種雷射透鏡的控制裝置。在雷射焊接時，在焊接過程中產生的等離子體同樣可以用一個光電管進行監控。最後還有這樣的方案，即在雷射透鏡系統內設置得能夠根據剩餘反射作用獲知，從雷射源發出的雷射射線是否通過了透鏡(optik)或者說，雷射射線是否為不可控地在空間中散射的。
所有公知的監控或防護系統的任務是，觸發一個應急裝置，藉助它，使雷射源或加工裝置停止運行。
但是正如實際的經驗以及在過去所發生的事故表明的那樣，這些已知的監控系統，對防止雷射射線從保護裝置中射出方面不可能提供百分之百的安全性，因為該應急裝置不可能在所有可想到的故障情況下都能如此速地反應以使得可靠地避免雷射射線通過保護裝置射出以及由此引起的該保護裝置之貫穿熔化。
這些迄今公知的保護裝置還不能提供令人滿意的效果，卻也表明了在該專業鄰域中人們所進行的研究。例如，在皮爾(pren)12254(1995、11月)的「雷射工作場所的屏蔽」中對用於壁件的材料提出了要求，但是卻沒有給出解決途徑。另外還在世界範圍內討論了該20.IEC 8254「雷射防護」設計方案，這在當時正處在一個更新的協調原則上。在這個方案中，建議所應用的被動式壁件在內部被充注有負壓的水或負壓的空氣。由此這種壁件必須是絕對的密封，所以導致很高的製造成本。另外還存在的危險是，在有故障時，水會從壁件中流出並進入工作間或類似地方，這樣，還存在著電擊危險的問題。還有，在應用這種壓力容器作為壁件時，還應該注意另外的涉及到壓力容器之安全規定的技術要求。此外，在所述的後者設計方案中用於雷射射線的保護裝置之主動式壁件還應能被啟動，而這些壁件在結構上類似於被動式壁件，為此還要設置有傳感器以便檢測在內壁和外壁之間的內壓或溫度差。由此，這種解決方案應能是導致令人滿意的效果，然而，由於這種壁件的結構設置卻使得其結構消耗以及製造成本都是特別高昂的。
由此引出本發明的任務是對開關所述類型的壁件如此地改型設置，即，該壁件具有一個特別簡單的結構方案並且還能滿足當前適用的對保護裝置防護1級雷射的要求。依此，對壁件的要求是耐用度為100秒。也就是說，雷射在此時間期限內不能將壁件擊穿。此外，還必須遵守MZB一值。在本申請的範圍內，關於雷射射線或雷射源應該理解為這樣的雷射，它的能量足以破壞多種材料。關於這種雷射源可以涉及CO2雷射器，其功率達30KW，或涉及Ecimer-雷射器，氦雷射器，氬雷射器，紅寶石雷射器和Nd-YAG雷射器等。
這一任務按照本發明基本上如此解決內壁和外壁由金屬如鐵板或鋼板構成，其中，內壁至少在朝向工作區域或作用區域的側表面上設置一個具有高吸收能力的塗層；而且外壁之朝向內壁的側表面具有一個較小的吸收能力。
這種壁件具有優點是，在一個故障情況下散射的雷射射線擊中到該壁件上時，覆置在該側表面上的塗層就會在擊中點的區域內由於加熱而開始燃燒。因為從擊中點徑向上擴散的熱量傳送不是足夠迅速的，故在應用適當的顏料情況下該燃燒核心可保持狹小地局限在一個圓形區域上。同時發生的氣體可導致一個通過自身散射發出的射線擴散或射線變形(熱力初軋Thermal Blooming)，因此，雷射射線的功率密度被明顯地減小。由於這種因為內壁塗層的燃燒而產生的氣體還使得在散射射線的邊緣區域的溫度也顯著地下降。而外壁的具有一個較小吸收能力或較高的反射能力的側表面則將被內壁的外側表面所發射的熱能往回反射，因此，該外壁的側表面在100秒的時間期限內只承受很小的加熱作用。總之已經證明，本發明壁件的結構設置和成本是特別經濟的，同時，由於在故障情況下於壁件上雷射射線的擊中點區域內按要求產生了氣體或蒸汽，因此，基於氣體或蒸汽對雷射光線的強烈控制作用就會引起該雷射射線的有效減弱。
按照本發明的第一優選的結構方案，該塗層由黑色的顏料構成。該內壁側表面的這種附加塗層可實現，在故障情況下壁件之內壁被燒化時，在壁件的內壁和外壁之間引起一個較強的氣體或蒸汽形成，其用於進一步提高雷射射線之功率密度的發散度或者說減弱該雷射射線的功率密度。
另外已經證明有利的方式是，在內壁和外壁之間設置至少一個中間壁。這種中間壁已被證明特別有用的是，該壁件被用於屏蔽特別高功率的雷射射線的場合，例如屏蔽具有數千瓦功率的Nd-YAG型雷射源的情況。
同時這至少一個中間壁可以由金屬如鐵板或鋼板和/或由石墨或由石墨塗層的板件製成。應用石墨或石墨塗層的板材已被證明由於這些材料之高的吸收能力而具有特別重要的意義。在壁件內部使中間壁進行特殊的組合設置例如就可實現，壁件在故障情況下的耐用時間被提高到超出要求的100秒的數值，或者也可實現，壁件被用於屏蔽具有雷射功率超過10KW的雷射源。
按照本發明另一個優選的結構方案，一個中間壁至少在一個側表面上設置一個塗層，特別是一種黑色的顏料塗層，如果該內壁在一個故障情況下可能被雷射射線燒透的話，則這塗層的中間壁可基於所覆置的塗層被燃燒而用作另外的發送氣體或蒸汽的源泉，因此，該雷射射線可被進一步擴展進而其功率密度也被減弱。
另外已被證明有利的是，和外壁相鄰的中間壁及和內壁相鄰的中間壁具有一個較小的吸收能力。通過這個特殊形式的結構配置，使得壁件的耐用時間進一步提高或者說，所要求的抵抗能力即使在更高的雷射功率條件下也可達到。
而且還表明，根據不同的應用場合，設置一個由石墨或由石墨塗層的板材構成的中間壁是很有意義的。
在壁件的內壁和外壁之間的距離大致與雷射源之原始射線束的直徑相一致。在此，原始射線束被理解為從雷射源射出後的雷射射線或者更確切地說進入雷射透鏡之前的雷射射線。在遵循這個度量標準的情況下，就可實現一個特別有效的雷射射線之散射或者說功率密度的減弱。
此外已被證明有利的是，相鄰壁的間距，例如內壁相對於中間壁或者中間壁相對於中間壁或者中間壁相對於外壁，同樣大致與雷射源之原始射線束的直徑相一致。可以理解，當然是在壁件的各個壁之間還可以設置較大的間距，同時，理所當然地在壁件之最大的厚度和其效能之間也應該找到一個協調關係。
如實際的試驗表明的那樣，相鄰壁的間距約為60mm或者更多一些被證明是有利的。
按照本發明又一個有利的優選變型，在壁件和雷射源之間的距離至少為雷射透鏡之焦距的4倍至5倍。原則上說，該壁件不應該設置在雷射透鏡之焦點區域或焦距範圍內。這是因為，此處存在一個很高的雷射射線的功率密度。此外，通過壁件的這種結構配置還可適應相關的安全規定或事故防範規定。
根據本發明之另一個實施方案，該多層式壁件的端側面最好在各方面是封閉的。因此，這種壁件就可以很好地被操作，或者說可被組裝成一個更大的聯合方案，同時，由此就可附加地實現，在發生故障時於壁件之內腔中產生的氣體或蒸汽就可被集中起來並不會過快地散失。
按照本發明之又一結構方案，該壁件在一個垂直向的上邊部分中並最好在端側面區域中置有孔。這些孔用於在一種故障情況下使得在壁件之內腔中產生的煙霧氣體有一個可控的排出。
一個附加的安全措施是如此實現的，即在壁件的內壁和外壁之間安置一個煙霧或氣體傳感器，其與一個控制單元相連接。這個控制單元可以用來在故障期間發出緊急信號，這一點在全自動的雷射裝置中已被證明是特別有用的，在這種裝置中，不是在任何時間都有一操作人員在場。但是也有這樣的方案，即藉助這個控制單元以適當的方式例如通過切斷(運行)或使功率下降或類似方式來控制雷射裝置。
在此，按照本發明另一個變型方案已被證明有利的是，至少兩個傳感器被安置在壁件的不同位置上。因為不應排除的是，該雷射射線在故障情況下被正好定位到一個這樣的傳感器上，但是，已被證明，在一個有餘地的裝置方案中應用一個第二傳感器是有意義的。
按照本發明應該指出特別有意義的是，該內壁和外壁以及必要時在其間安置的至少一個中間壁具有基本上相互對準的、由兩個或多個依次疊置的層製成的板件，這些板件由聚碳酸酯或玻璃纖維構成，依此，就可實現一個通過壁件與外部隔離的工作區域的光學控制，同時已經表明，這種板式配置結構可以對於CO2雷射器的照射和同樣對於Nd-YAG-雷射器的照射承受100秒以上的時間，明顯地，這一點要歸因於，雷射射線在透過第一個板件時就已經顯著地喪失了其能量並且改變了它的形式，所以隨著時間的延續它才射到與其以間距安置的另一板件上。通過另外的板件的設置還可以提高到達這個隨後的板件上的時間延遲。
在一具有至少一壁件的防止雷射射線的保護裝置中已經證明按照結構的觀點看有利的方式是，該保護裝置具有一個框架結構，其中，框架通過鋼支架構成，而壁件被固定在該框架上。
下面藉助附圖中描述的實施例詳細解釋本發明。

圖1是帶有一內壁和一外壁的本發明壁件之第一實施例圖2是圖1之本發明壁件的第二實施例，帶有一附加的中間壁；圖3是圖1之本發明壁件的另一實施方案，但帶有兩個中間壁；圖4是圖1之本發明壁件的又一實施例但帶有兩個中間壁，其中，一個中間壁由石墨構成或覆置有石墨層；和圖5是圖1之本發明壁件的再一實施方案，但帶有在內腔中安置的煙霧傳感器；在附圖中描述的用於防止一雷射源38之雷射射線的保護裝置的壁件10具有至少一個內壁12和一個基本平行的外壁14。該內壁12和外壁14由金屬構成，最好由鐵板或鋼板製成，其中，該內壁12至少在朝向工作區域或作用區域的側表面18上並最好也在外側面20上設置一塗層16。該塗層可以最好是一種具有高的吸收能力的顏料塗層，例如由黑色顏料或者類似物製成，而外壁14之面對內壁12的側表面22具有一個小的吸收能力。該外壁14之側表面22的小的吸收能力或者說較高的反射能力在實踐中例如已經如此實現，即一個基本上未處理的鐵板或鋼板可用作外壁14，而它已具有一個起反射用的表面。當然，不能排除，對外壁14之面對內壁12的側表面22實施專門的處理或加工，以提高所述的反射能力。另外，最好也使內壁12的側表面20設有所述塗層。
按照圖2的實施例，在內壁12和外壁14之間的中間腔內設置一個中間壁24，它在兩側是未塗層的，因此具有一個較小的吸收能力或者說高的反射能力。可以理解，該中間壁24既可以是單側面地或者也可以兩側面地被塗有一種具有高的吸收能力的顏料塗層。這一點要取決於特殊的使用目的。
按照圖3的實施例，設置了兩個中間壁24,26，其中，該中間壁24按照一個特殊的實施例是未被塗層的，也就是說，是反射型的，而中間壁26是被塗層的，也就是說是吸收型的。
按照圖4的實施例，在壁件10之內壁12和外壁14之間又設置了兩個中間壁24,28，其中，該中間壁28在該情況中由石墨或一種帶石墨塗層的板構成，該中間壁24與此相反是不塗層的，並具有一個高的反射能力。
可以理解，為了適應相關的應用場合，對前面所述的實施例以任意組合的方式做出的變型方案和修正設置都是可以採用的。本發明的基本構思在於，在發生故障狀態的情況下通過壁件10的相應結構設置就可產生符合要求的氣體，蒸汽或煙氣。為此，設置其具有一個塗層16的單個壁件。這樣，例如該中間壁26至少在內側面32上或者也可附加地在外側面上具有一種顏料塗層30。在單個壁件12,14,24,26,28之間的間距34,36大致與雷射源38的原始射束(Rohstrahl)之直徑基本一致。在實踐中已經證明，相鄰的壁件12,14,24,26,28之間距34或36為約60mm或更多時是有益的。該壁件10之離雷射源38的距離40應該大致為雷射透鏡之焦距的4倍至5倍。
多層式壁件10的端側面42,44，最好是所有側面都基本封閉的。然而在此可以，最好是在一個垂直的上邊部分中，並且優選在端側面42的區域內設置孔50，如在圖4中示意描述的那樣。壁件10的這種結構設置例如可以被用作一個框架結構，其中，該框架通過鋼支架或類似的型材支架構成；而壁件14,16,24,26,28則固定在這個框架上。
按照圖5的實施例，在內壁件10之壁12和外壁14之間的中間腔內最好設置兩個煙霧或氣體傳感器46,48，其與一個控制單元相連接。
零件編號10壁件12內壁14外壁16塗層18側表面20側表面22側表面24中間壁(空白的)26中間壁(黑色)28中間壁(石墨)30顏料塗層32側表面34間距36間距38雷射源40間距42端側面44端側面46傳感器48傳感器50孔
權利要求
1.用於防護一雷射源(38)的雷射射線而將一工作區域或作用區域圍住的保護裝置之壁件(10)，如一個艙室，一種壁結構或一種屏蔽結構，其具有一個相鄰於工作區域或作用區域的內壁(12)和一個與該內壁(12)平行的外壁(14)，該外壁(14)與該工作區域或作用區域的間距大於內壁(12)與該區域的距離，其特徵在於該內壁(12)和外壁(14)是由金屬，如鐵板或鋼板構成；其中，該內壁(12)至少在朝向工作區域或作用區域的側表面(18)上設置一種具有高吸收能力的塗層(16)；而外壁(14)之朝向內壁(12)的側表面(22)具有一個小的吸收能力。
2.按權利要求1所述的壁件，其特徵在於該塗層(16)由黑色顏料構成。
3.按前述權利要求之一所述的壁件，其特徵在於在內壁(12)和外壁(14)之間安置至少一個中間壁(24,26,28)。
4.按權利要求3所述的壁件，其特徵在於至少一個中間壁(24,28)由金屬，如鐵板或鋼板和/或由石墨或者由石墨塗層的板構成。
5.按權利要求3或4之一所述的壁件，其特徵在於一個中間壁(26)至少在一側表面(32)上設置一個塗層(18)，特別地設置一種黑色的顏料塗層(30)。
6.按權利要求3至5之一所述的壁件，其特徵在於該相鄰於外壁(14)的中間壁(26)具有一個高吸收能力的顏料塗層(30)；而相鄰於內壁(12)的中間壁(24)具有一個小的吸收能力。
7.按權利要求3至6之一所述的壁件，其特徵在於一個中間壁(28)由石墨或由石墨塗層的板件構成。
8.按前述權利要求之一所述的壁件，其特徵在於在內壁(12)和外壁(14)之間的距離(34)大約與雷射源(38)之原始射束的直徑相一致。
9.按前述權利要求之一所述的壁件，其特徵在於相鄰壁的間距(36)，如內壁(12)相對於中間壁(24)，或中間壁(24)相對於中間壁(26,28)，或中間壁(24,26,28)相對於外壁(14)，它使與雷射源(38)之原始射束的直徑相一致。
10.按前述權利要求之一所述的壁件，其特徵在於相鄰壁(12,14,24,26,28)的間距(34,36)至少為60mm。
11.按前述權利要求之一所述的壁件，其特徵在於在壁件(10)和雷射源(38)之間的距離(40)至少為雷射透鏡之焦距的4至5倍。
12.按權利要求之一所述的壁件，其特徵在於多層式壁件(10)的端側面(42,44)最好是所有方面都封閉的。
13.按權利要求12所述的壁件，其特徵在於在一個垂直的上邊部分中，最好在端側面(42)的區域內設置了孔(50)。
14.按前述權利要求之一所述的壁件，其特徵在於在內壁(12)和外壁(14)之間安置一個煙霧或氣體傳感器(46,48)，其與一個控制單元相連接。
15.按權利要求14所述的壁件，其特徵在於至少兩個傳感器(46,48)安置在壁件(10)之不同的位置上。
16.按前述權利要求之一的壁件，其特徵在於內壁和外壁(12及14)和必要時在其間安置的至少一個中間壁(24,26,28)具有基本上相互對準的、由聚碳酸酯(Policarbonat)或玻璃纖維製成的板件。
17.按權利要求16所述的壁件，其特徵在於該板件至少由兩個，最好是多個依次安置的層構成。
18.防護雷射射線的保護裝置，具有至少一個由前述權利要求之一限定的壁件，其特徵在於該保護裝置具有一個框架結構，其中，該框架通過鋼支架構成；該壁件(14,16,24,26,28)固定在框架上。
全文摘要
防護雷射源(38)之雷射射線的保護裝置之壁件(10),如一個艙室,一個壁結構或一屏蔽結構,用於圍住一工作或作用區域,其具有一個相鄰於工作區域的內壁(12)和一個與內壁(12)平行的並離工作區域遠於內壁(12)的外壁(14)。為了啟動一個可使雷射源或加工裝置停止運行的應急裝置而規定,該內壁(12)和外壁(14)由金屬如鐵或鋼板製成,其中,內壁(12)至少在朝向工作區域的側表面(18)上設置一種高吸收能力的塗層(16);而外壁(14)之對著內壁(12)的側表面(22)具有小的吸收能力。
文檔編號F16P3/00GK1225163SQ97196350
公開日1999年8月4日 申請日期1997年7月17日 優先權日1996年7月18日
發明者埃溫·馬丁·黑貝雷爾 申請人:埃溫·馬丁·黑貝雷爾