ES2999277T3 - Laser welding device with splash protection device - Google Patents
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Abstract
Dispositivo de soldadura láser con una óptica de soldadura (14) para la conformación del haz de un rayo láser (16) dirigido a una pieza de trabajo (18), y con un dispositivo de protección contra salpicaduras en forma de una boquilla (28) para generar un flujo de aire (42) en un espacio entre la óptica de soldadura (14) y la pieza de trabajo (18), caracterizado porque la boquilla (28) rodea el rayo láser (16) en forma de anillo y forma un hueco de salida (34) que discurre radialmente hacia el interior y oblicuamente en dirección a la pieza de trabajo (18). (Traducción automática con Google Translate, sin valor legal)
Description
DESCRIPCIÓN
Dispositivo de soldadura láser con dispositivo de protección contra salpicaduras
La invención se refiere a un dispositivo de soldadura láser con una óptica de soldadura para la conformación de haz de un haz láser dirigido a una pieza de trabajo y con un dispositivo de protección contra salpicaduras que presenta un soplador y una boquilla para crear una corriente de aire en un espacio presente entre la óptica de soldadura y la pieza de trabajo, de tal manera que la corriente de aire contrarreste la propagación de las salpicaduras de soldadura a la óptica de soldadura, en el que la boquilla rodea el haz láser de manera anular y forma un intersticio de salida que discurre radialmente hacia el interior y oblicuamente en dirección a la pieza de trabajo, y está prevista una corona de aberturas de ventilación para conectar un espacio formado dentro de la boquilla anular entre la óptica de soldadura y el intersticio de salida con el aire ambiente.
Los dispositivos de soldadura láser presentan a menudo una fuente de haz láser con una potencia de 4 a 8 kW. Generalmente, un cabezal de soldadura, que presenta una óptica de soldadura por medio de la cual se enfoca el haz láser en la pieza de trabajo, está montado en un brazo robótico de forma que pueda moverse en uno o más ejes. Al soldar piezas de trabajo de metal o plástico recubiertas o no recubiertas, debido a la alta densidad de energía del haz láser, a menudo se producen salpicaduras de soldadura, es decir, se desprenden partículas fundidas y/o residuos de combustión o los recubrimientos de la pieza de trabajo provocan la formación de humos o gases de combustión. Estas sustancias pueden dañar o ensuciar fácilmente la óptica de soldadura. Por este motivo, la óptica de soldadura generalmente está protegida por un vidrio protector. No obstante, este vidrio protector también debe ser de alta calidad óptica y, por lo tanto, es relativamente caro, especialmente en dispositivos de soldadura por barrido, en los que el haz láser se desvía por medio de un sistema de espejos y, en consecuencia, el vidrio protector debe tener un diámetro relativamente grande.
Para proteger el vidrio protector contra salpicaduras de soldadura, de modo que no sea necesario cambiarlo con demasiada frecuencia, se conoce la disposición de una denominada cuchilla de aire en el espacio entre el cabezal de soldadura y la pieza de trabajo, al lado del haz láser, por medio de la cual se suministra aire comprimido a través de una boquilla ranurada en dirección al haz láser. De este modo se forma una cortina de aire entre la óptica de soldadura y la pieza de trabajo, cuyo objetivo es impedir que alcancen la óptica de soldadura salpicaduras de soldadura y gases. Para generar la cortina de aire, se requiere aire comprimido con una presión de entrada de 500 a 1000 kPa, y el caudal de aire es del orden de algunos 1000 de litros normalizados por minuto. Por lo tanto, el sistema de aire comprimido requiere mucha energía y también elevados costes de instalación y de mantenimiento.
Un dispositivo de este tipo es conocido por el documento DE 102012 217082 A1. Otro dispositivo de soldadura láser con un dispositivo de protección contra salpicaduras en forma de una boquilla anular se describe en el documento DE 102 26 359 A1. Por los documentos DE 102 26 359 A1 y JP H03 110094 A1, son conocidos dispositivos del tipo mencionado al principio, en los que la corriente de aire se dirige transversalmente al haz láser. En el documento WO 2005/118210 A1 se aspira material que se desprende de una pieza de trabajo con un haz láser por medio de una corriente de aire en forma de vórtice en dirección a la fuente del haz láser. Los documentos WO 87/07862, DE 3935009 A1 y EP 0732 169 A1 describen otros dispositivos láser con boquillas de chorro.
El objetivo de la invención es proporcionar un dispositivo de soldadura láser con un dispositivo de protección contra salpicaduras mejorado.
Este objetivo se alcanza según la invención al contener el intersticio de salida paletas de turbulencia y estar diseñado de tal manera que el aire incide radialmente desde todos los lados en el eje de la óptica de soldadura y se desvía formando un vórtice de aire dirigido axialmente a la superficie de una pieza de trabajo y después fluye radialmente hacia fuera.
A través del intersticio de salida, que opcionalmente puede estar formado por una serie de aberturas de salida individuales, el aire se concentra radialmente desde todos los lados en el eje de la óptica de soldadura y, por tanto, en el haz láser. Dado que los flujos de aire están además inclinados oblicuamente en dirección a la pieza de trabajo, cuando se encuentran en el eje de la óptica de soldadura se desvían esencialmente en dirección axial, de tal manera que se genera un potente flujo de aire que se mueve en la dirección axial de la óptica de soldadura hacia la pieza de trabajo y, por lo tanto, se desplaza en sentido contrario a las salpicaduras de soldadura y los gases proyectados por la pieza de trabajo. De esta forma, se puede impedir eficazmente la propagación de salpicaduras de soldadura y gases a la óptica de soldadura, incluso con un caudal de aire relativamente bajo y presiones de entrada relativamente bajas. Una ventaja adicional es que el flujo de aire se acerca al máximo a la superficie de la pieza de trabajo y solo entonces fluye radialmente hacia fuera, de modo que prácticamente todo el recorrido de propagación del haz láser se mantiene desprovisto de humo y gases calientes, que podrían provocar fácilmente un desenfoque y/o la absorción del haz láser. Las aberturas de ventilación permiten compensar la presión en el espacio que rodea la boquilla. De esta forma, se evita que en este espacio se genere una presión negativa debido a la succión del flujo de aire generado por la boquilla, lo que podría provocar la aspiración de aire cargado con suciedad hacia la óptica de soldadura.
Las paletas de turbulencia mejoran la concentración del flujo de aire en el eje del haz láser, y se genera un vórtice de aire que discurre a lo largo de este eje en el que se producen altas velocidades de flujo que impiden eficazmente la propagación de salpicaduras y gases a la óptica de soldadura.
Una ventaja particular de la invención es que no se necesita aire comprimido para generar un flujo de aire suficiente, sino que basta con un soplador sencillo. Esto permite reducir los costes de energía para producir aire comprimido hasta en un 90% y también ahorrar una cantidad significativa en costes de instalación y mantenimiento.
El soplador desde el cual la boquilla anular es alimentada tiene unas dimensiones relativamente pequeñas y un peso relativamente reducido y, por lo tanto, puede montarse directamente en el cabezal de soldadura o en el brazo robótico que soporta el cabezal de soldadura. Por lo tanto, no es necesario conectar el cabezal de soldadura a la fuente de aire por medio de conductos flexibles, lo que aumenta la libertad de movimiento del cabezal de soldadura y permite un control preciso y sin perturbaciones de las secuencias de movimiento. Además, se puede prescindir de los costes de mantenimiento para el reemplazo de los conductos de aire comprimido flexibles, que son propensos al desgaste.
A continuación, se explican con más detalle ejemplos de formas de realización por medio de las figuras.
Estas muestran:
Figura 1: una sección axial a través de un cabezal de soldadura láser con dispositivo de protección contra salpicaduras;
Figura 2: una sección a lo largo de la línea II - II de la figura 1; y
Figura 3: una sección axial a través de un cabezal de soldadura láser con un dispositivo de protección contra salpicaduras según otro ejemplo de realización.
El dispositivo de soldadura láser mostrado en la figura 1 presenta un cabezal de soldadura 10, que está montado en el extremo de un brazo robótico 12 y que contiene una óptica de soldadura 14, representada solo esquemáticamente, con la que se enfoca un haz láser 16, que se genera mediante un fuente de haz láser, no mostrada en la figura, en una pieza de trabajo 18. La óptica de soldadura 14 está protegida contra salpicaduras de soldadura y humo y vapores que pueden generarse al soldar la pieza de trabajo 18 mediante un vidrio protector 20, que se sujeta de forma intercambiable en la parte frontal del cabezal de soldadura 10 por medio de una brida anular 22. A la brida anular 22 está fijado un anillo de soporte 26, por medio de unos soportes 24 distribuidos a lo largo de su perímetro, en el que está montada una boquilla 28 que rodea el haz láser 16 de manera anular. La boquilla presenta un conducto anular 30, desde el cual se extiende en el lado opuesto a la pieza de trabajo 18 una pieza de conexión anular 32 que engrana en la brida anular 22. Un intersticio de salida 34 anular se extiende desde el perímetro interior del conducto anular 30 y se dirige radialmente hacia el interior y oblicuamente hacia la pieza de trabajo 18 en un ángulo de aproximadamente 20° y se estrecha ligeramente hacia el exterior en sección transversal.
El espacio anular 30 está conectado por medio de un conducto de alimentación 36 con un soplador 38, que está montado en el exterior del cabezal de soldadura 10. Desde el soplador 38 se genera una corriente de aire que se distribuye en el espacio anular 30 y se descarga uniformemente desde todos los lados a través del intersticio de salida 34 en dirección al eje de la óptica de soldadura 14 y, por lo tanto, al haz láser 16.
Como se puede observar más claramente en la figura 2, en el intersticio de salida 34 están dispuestas unas paletas de turbulencia 40, que arremolinan la corriente de aire saliente, de modo que se forme un vórtice de aire 42 en el espacio presente entre la boquilla 28 y la pieza de trabajo 18. En este vórtice de aire 42, el aire que entra convergentemente en el mismo desde todos los lados se desvía en la dirección axial de la óptica láser 14, de modo que se crea un potente flujo de aire arremolinado, que se propaga a lo largo del haz láser 16 hasta la pieza de trabajo 18 y solo fluye radialmente hacia fuera al llegar a la superficie de la pieza de trabajo. Por medio de este flujo de aire se retienen eficazmente las salpicaduras de soldadura, así como el humo y los gases que se propagan en la dirección del vidrio protector 20 y se expulsan hacia el exterior, de modo que no alcancen el vidrio protector 20.
En la pieza de conexión cilíndrica 32 de la boquilla 28 está formada una corona de aberturas de ventilación 44. Entre la brida anular 22 y el anillo de soporte 26, está presente en los espacios intermedios entre los soportes 24 un intersticio, de modo que el aire ambiente puede ingresar a través de este intersticio y a través de las aberturas de ventilación 44 en el espacio presente en el interior de la boquilla 28 y por encima del intersticio de salida. 34. De esta forma se impide la generación de una presión negativa en este espacio y, por lo tanto, se evita que el aire cargado de suciedad sea aspirado desde la parte inferior de la boquilla 28 y se forme un depósito de suciedad sobre el vidrio protector 20.
En el ejemplo mostrado, está previsto un conducto anular 46 en el extremo superior de la pieza de conexión 32, dispuesto de forma inmediatamente adyacente al vidrio protector 20, al que se suministra aire purificado y secado mediante una unidad de purificación de aire 48. Este aire se libera al espacio que se encuentra por debajo del vidrio protector 20 a través de una pared periférica interior porosa del conducto anular 46 o por medio de pequeñas boquillas de salida para reducir adicionalmente el riesgo de ensuciamiento o empañamiento del vidrio protector.
En un ejemplo práctico, el soplador 38 tiene una potencia nominal de 1600 vatios y un caudal de aire de hasta 35 l/s. Esto significa que en el intersticio de salida 34 se puede alcanzar una velocidad de aire de aproximadamente 600 km/h. El aire ingresa a esta velocidad en el vórtice de aire 42, de modo que se consigue un apantallamiento aerodinámico eficaz del vidrio protector 20. El aire que sale a alta velocidad del intersticio de salida 34 forma una cortina de aire cónica en el espacio que rodea el haz láser 16 que evita que entre suciedad en la pieza de conexión 32 y que después en el eje del haz láser 16 se convierte en el vórtice de aire 42. En el centro de vórtice de este vórtice de aire se consigue una velocidad de flujo muy alta, de tal manera que los gases calientes y la suciedad se mantienen eficazmente alejados de la zona en la que se propaga el haz láser 16. Para conseguir un efecto de apantallamiento comparable con paletas de aire comprimido se necesitaría un compresor con una potencia nominal de 40 kW y un caudal de aire de 5.000 l/min.
La figura 3 muestra un ejemplo de forma de realización en el que la boquilla 28 está diseñada por separado de la pieza de conexión 32 y está dispuesta a una distancia mayor con respecto a la misma. La boquilla 28 está montada en la pieza de conexión 32 mediante soportes 24' distribuidos alrededor de su perímetro, entre los cuales están formadas unas aberturas de ventilación 44' que tienen una sección transversal muy grande y permiten la entrada libre de aire ambiente en el espacio situado por encima del intersticio anular 34.
Claims (5)
1. Dispositivo de soldadura láser con una óptica de soldadura (14) para la conformación de haz de un haz láser (16) dirigido a una pieza de trabajo (18), y con un dispositivo de protección contra salpicaduras que presenta un soplador (38) y una boquilla (28) para crear una corriente de aire (42) en un espacio presente entre la óptica de soldadura (14) y la pieza de trabajo (18), de manera que se genere un flujo de aire potente que se mueve en la dirección axial de la óptica de soldadura y, por lo tanto, se desplaza en sentido contrario a las salpicaduras de soldadura y los gases proyectados por la pieza de trabajo,
en el que la boquilla (28) rodea el haz láser (16) de manera anular y forma un intersticio de salida (34) que se extiende radialmente hacia el interior y oblicuamente en dirección a la pieza de trabajo (18), y unas aberturas de ventilación (44, 44') están previstas para permitir la entrada de aire ambiente a través de las aberturas de ventilación (44, 44') en el espacio formado entre la óptica de soldadura (14) y el intersticio de salida (34) en el interior de la boquilla (28) y por encima del intersticio de salida (34),
caracterizado por que el intersticio de salida (34) contiene unas paletas de turbulencia (40) y está configurado de tal manera que en el espacio entre la boquilla (28) y la pieza de trabajo (18) está formado un vórtice de aire (42), en el que el aire entrante que converge desde todos los lados se desvía en la dirección axial de la óptica de soldadura (14), formándose así un potente flujo de aire en forma de vórtice que se propaga a lo largo del haz láser (16) hacia la pieza de trabajo (18) y solo fluye radialmente hacia fuera al llegar a la superficie de la pieza de trabajo.
2. Dispositivo de soldadura láser según la reivindicación 1, en el que la boquilla (28) presenta un espacio anular (30), que conecta un conducto de alimentación (36) del soplador (38) con el intersticio de salida (34).
3. Dispositivo de soldadura láser según la reivindicación 2, en el que la óptica de soldadura (14) está formada en un cabezal de soldadura (10) y el soplador (38) está dispuesto en el cabezal de soldadura (10) y/o en un brazo robótico (12), que soporta el cabezal de soldadura (10).
4. Dispositivo de soldadura láser según una de las reivindicaciones anteriores, en el que la óptica de soldadura (14) está alojada en un cabezal de soldadura (10) y la boquilla (28) está montada directamente sobre el cabezal de soldadura (10).
5. Dispositivo de soldadura láser según la reivindicación 4, en el que la boquilla (28) presenta, de forma inmediatamente adyacente a la óptica de soldadura (14), un dispositivo para suministrar aire purificado y/o secado a la óptica de soldadura y/o a un vidrio protector (20) que cubre la misma.
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