CN106068169B - 具有靠近工件的横向喷嘴的激光加工头 - Google Patents

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Abstract

激光加工头(1)，具有：聚焦光具(2)，其用于将激光射束(3)向工件(5)的加工区(4)聚焦；和横向喷嘴(6)，其用于产生横向流(7)，该横向流横向于被聚焦的激光射束(3)的射束轴线(8)地、尤其与其成直角地穿过被聚焦的激光射束(3)，在该激光加工头中横向喷嘴(6)与工件(5)的间距(D)小于20mm、尤其在8mm到12mm之间。优选在所述被聚焦的激光射束(3)的侧旁设置喷嘴体(10)，其具有朝工件(5)敞开的底部开口(11)，保护气体(12)从该底部开口流出，其中，所述底部开口(11)布置在所述横向喷嘴(6)的下方，以便位于喷嘴体(10)和工件(5)之间的保护气体(12)通过横向喷嘴(6)的横向流(7)在横向(13)上被携动至少这么远：该保护气体流过加工区(4)。

Description

具有靠近工件的横向喷嘴的激光加工头
技术领域
本发明涉及一种激光加工头，其具有聚焦光具和横向喷嘴，聚焦光具用于将激光射束向工件加工区方向聚焦，横向喷嘴用于产生横向流，该横向流横向于被聚焦的激光射束的射束轴线地、尤其是与该射束轴线成直角地穿过该被聚焦的激光射束，本发明还涉及一种用于对工件进行激光加工的方法，其中，激光射束向工件加工区方向聚焦并且从横向喷嘴喷出的横向流横向于射束轴线地穿过被聚焦的激光射束。
背景技术
在激光焊接工件时，在工件加工区中形成所谓的毛细管(Kapillare)，在该毛细管中待加工的工件局部融化。由于通过激光射束持续耦入高的能量，所以从毛细管或者从围绕毛细管的熔池中逸出金属蒸气，该金属蒸气以小颗粒的形式在围绕加工区的工件区域中上升。从激光加工头聚焦到工件上的激光辐射的一部分被这些金属蒸气颗粒吸收，这些金属蒸气颗粒由此变热并且由于其极高的温度而发出热辐射，即，构成所谓的金属蒸气火炬(Metalldampffackel)。
在加工期间，金属蒸气火炬的空间构型和延伸尺度可能在时间和位置上剧烈变化。相应地，在周围介质中，温度和与之相关的折射率同样在时间和位置上剧烈变化，使得形成所谓的热透镜，该热透镜引起具有高的在时间上的动态性的激光辐射转向。由此引起的“能量在时间和位置上不均匀地耦合到工件中”对工件加工的质量产生负面影响，并且在激光焊接的情况下导致焊接飞溅物、呈不规则焊接缝(Nahtoberraupe)形式的焊缝波动或者通常导致变差的焊缝几何形状。
此外，金属蒸气火炬的构成(但也有焊接气体的扩散、浓烟等)带来以下问题：上升的金属蒸气或者包含在上升的焊接气体中的颗粒越来越多地沉积在激光加工头的聚焦光具上并且例如由于热感应的焦点位置移动而损害聚焦光具的功能性。特别突出的是由于激光加工期间出现的金属飞溅物造成的危险，该金属飞溅物不受控制地从熔池溅向聚焦光具并且烙入聚焦光具中。
为了得到更好的过程结果、例如更好的焊缝质量，由DE 20 2004 017 854 U1公知，要减弱激光辐射和金属蒸气火炬之间的相互作用。这以下述方式实现：通过至少一股气流使被聚焦的激光射束的位于加工光具下方的区域在最大程度上与由焊接气体和热的环境空气组成的混合气体隔离，其方式是，将所述气流对准被聚焦的激光射束并且使其穿过激光射束。所述气流借助于一个或多个气体喷嘴产生并且倾斜地对准加工区或倾斜地对准加工区之前的工件区域。此外，为了保护聚焦光具不受金属飞溅物的影响，借助于靠近光具的横向喷嘴产生横向空气流(“横向喷射(Crossjet)”)，该横向空气流横向于被聚焦的激光射束的射束轴线穿过该被聚焦的激光射束并且在金属飞溅物到达聚焦光具前使其转向。
发明内容
与此相对，本发明的任务是，在开头提到的类型的激光加工头的情况下，将激光辐射与金属蒸气火炬之间的相互作用减小到尽可能近地在工件上方的区域上。
根据本发明，该任务可以通过下述方式解决：横向喷嘴与工件的间距小于20mm，尤其在8mm到12mm之间。
根据本发明，在激光焊接时出现的金属蒸气火炬通过靠近工件的横向喷射被减小到最低高度，由此与远离工件的、公知的标准横向喷射相比，实现更好的焊缝质量、更少的飞溅物形成、更大的焊入深度、更小的焊入深度波动、更大的工艺窗口(Prozessfenster)、针对焊接飞溅物更好地保护聚焦光具、“由于靠近工件而使所需的流动带更小”造成的显著更少的压缩空气消耗(约40L/min，相对于在标准横向喷射情况下约200L/min)。
附加地，常常也需要焊缝的保护气体遮盖部。为此有利的是：在被聚焦的激光射束的侧旁设置喷嘴体，其具有朝工件敞开的底部开口，保护气体从该底部开口流出；并且，底部开口布置在横向喷嘴的下方，以便位于喷嘴体和工件之间的保护气体通过横向喷嘴的横向流在横向上被携动至少这么远：该保护气体流过加工区。利用靠近工件的横向喷射的空气抽力来将保护气体沿横向带到非常靠近焊接部位的位置。因此，可有效地实现期望的熔液无氧性以及针对浓烟和焊接飞溅物的最佳光具保护。
优选在所述底部开口的上游设置有一装置、例如网眼细密的金属丝网，该装置使保护气体可层流地流到构造的焊缝上。所述底部开口可以例如通过管区段的一个管端部形成，该管区段在它的另一个管端部上尤其经由节流部附接到保护气体供应部上。优选，所述管区段的所述一个管端部的轴线斜向下地对准被聚焦的激光射束，使得保护气体从底部开口具有朝横向流方向的流动分量地斜向下地流出。
特别优选的是，所述喷嘴体具有朝工件敞开的第二底部开口，该第二底部开口在背离被聚焦的激光射束的一侧上、即与激光加工头的焊接方向相反地紧接第一底部开口，并且保护气体同样从该第二底部开口流出。当第一底部开口已经沿着焊接方向继续运动时，通过第二底部开口用保护气体对焊缝进行补充吹气并从而保护焊缝更长时间地不被氧化。优选，在第二底部开口上游设置有一装置、例如网眼细密的金属丝网，该装置使保护气体层流地流到构造的焊缝上。第二底部开口可以例如通过管道区段的出口端部形成，该管道区段在它的另一个管道端部尤其经由节流部附接到保护气体供应部上。管道区段的出口端部的轴线优选平行于射束轴线地取向，使得保护气体从第二底部开口平行于射束轴线向下地层流流出。第二底部开口在横向上的长度决定补充吹气长度，并且应该尽可能和第一底部开口的长度一样长、尤其是其两倍长。
有利的是，至少面向工件的喷嘴体下侧、优选整个喷嘴体由铜构成，因为铜具有低的飞溅物粘附性并且易于清理。
特别优选的是，喷嘴体高度可调地支承在激光加工头上，以便可以调整喷嘴体相对于工件的Z向间距。此外优选的是，喷嘴体可松开地尤其通过磁体连接在激光加工头上，以便能够将不同的喷嘴体非常快速地相互更换。可松开的固定同时也构成碰撞防护，因为在喷嘴体与工件碰撞时，喷嘴体与激光加工头的连接自动松开。
所述横向喷嘴可以独立于喷嘴体固定在激光加工头上，或者优选布置在喷嘴体上。在后一情况下可以将不同的喷嘴体连同其空气供应部和保护气体供应部在内非常快速地更换。
在另一方面，本发明也涉及一种用于对工件进行激光加工的方法，其中，激光射束向工件加工区聚焦并且由横向喷嘴喷出的横向流横向于被聚焦的激光射束的射束轴线地、尤其是与该射束轴线成直角地穿过被聚焦的激光射束，其中，根据本发明，在加工工件期间横向喷嘴与工件的间距小于20mm，尤其在8mm到12mm之间。
附图说明
本发明的其他优点由权利要求书、说明书和附图得出。之前提到的以及还会进一步举出的特征同样可以分别单独地使用或针对多个特征的情况以任意的组合使用。示出和阐述的实施方式不应理解为穷举，而更确切地说是具有用于描述本发明的示例性特征。附图示出：
图1根据本发明的激光加工头，具有以横截面示出的喷嘴体；以及
图2根据图1中的II的放大细节图。
具体实施方式
图1示出激光加工头1，其具有：聚焦光具2，该聚焦光具将激光射束3向工件5的加工区4聚焦；和具有文丘里效应的横向喷嘴6，该横向喷嘴产生横向空气流(“横向喷射”)7，该横向空气流横向于射束轴线8地穿过被聚焦的激光射束3并且保护聚焦光具2免受蒸气和飞溅物的影响。激光加工头1沿着焊接方向9在工件5上方移动，其中，在图2中示出的、横向喷嘴6与工件5的工作间距D为约10mm。例如在出口横截面为0.25×7mm2时，用约35-40L/min的空气流运行横向喷嘴6。如试验已表明的是，通过靠近工件的横向流7将在激光焊接时出现的金属蒸气火炬减少到最低高度并且构造最佳焊缝。
在就被聚焦的激光射束3而言的、与横向喷嘴6相同的一侧上，激光加工头1在被聚焦的激光射束3的侧旁具有喷嘴体10，该喷嘴体具有朝工件5敞开的第一底部开口11，保护气体12从该第一底部开口中向下流出。第一底部开口11这样近地布置在固定于喷嘴体10上的横向喷嘴6下面，使得位于喷嘴体10和工件5之间的保护气体12通过横向喷嘴6的横向流7沿横向方向13被抽吸，并且至少被携动这么远：该保护气体流过加工区4。与射束轴线8成直角地或者说平行于工件上侧面地延伸的第一底部开口11具有10到100mm2的、矩形的开口横截面，并且隔开例如约5mm的间距d地布置在横向喷嘴6下方。
第一底部开口11通过管区段14的一个管端部形成，该管区段在它的另一个管端部上经由节流部15附接到保护气体供应部16上。节流部15的下游直接设置有例如构造为网眼细密的金属丝网的装置17，以便在管区段14中产生层流的保护气体流。管区段14的或者说出口侧管端部的轴线斜向下地对准被聚焦的激光射束3，使得保护气体12从第一底部开口11具有沿横向流7方向的流动分量地斜向下地层流流出。
喷嘴体10可选地具有朝工件5敞开的第二底部开口21，该第二底部开口在背离被聚焦的激光射束3的一侧紧接第一开口11，并且保护气体12同样从该第二底部开口层流地流出。第二底部开口21通过管道区段24的出口端部形成，该管道区段在它的另一个管道端部经由节流部25附接到保护气体供应部16上。在管道区段24的出口端部中设置有例如构造为网眼细密的金属丝网的装置27，以便产生从第二底部开口21层流流出的保护气体流。所述出口端部的轴线平行于射束轴线8地取向，使得保护气体12从第二底部开口21平行于射束轴线向下地层流流出。在焊接方向9上，第二底部开口21的长度L2例如为第一底部开口11的长度L1的约两倍长。
对于对焊缝的简单吹气，使用具有唯一一个底部开口11的喷嘴体10。如果与焊接方向9相反地需要对焊缝进行更长的直线吹气，那么使用具有两个底部开口11、21的喷嘴体10。所述网眼细密的金属丝网为成品插入件，当该插入件被焊接飞溅物堵塞住时，可容易且简单地更换它。
喷嘴体10固定在保持件18上，该保持件在射束轴线8的方向上高度可调地支承在激光加工头1上并且通过磁性接口20可松开地固定在激光加工头1上。通过高度调整(“Z调整”)可以自主调整横向喷嘴6和喷嘴体10与工件5的间距。同时，磁性接口20也用作为碰撞防护，因为在喷嘴体10和工件5碰撞时，喷嘴体10的磁性固定从激光加工头松开。保护气体供应部16在保持件18内部延伸，并且用于横向喷嘴6的压缩空气供应部21在外侧上固定在保持件18上。喷嘴体10有利地由铜构成，因为铜具有低的飞溅物粘附性并且易于清理。

Claims (20)

1.激光加工头(1)，具有：聚焦光具(2)，该聚焦光具用于将激光射束(3)向工件(5)的加工区(4)方向聚焦；和横向喷嘴(6)，该横向喷嘴用于产生横向流(7)，所述横向流横向于被聚焦的激光射束(3)的射束轴线(8)地穿过被聚焦的激光射束(3)，其中，所述横向喷嘴(6)与所述工件(5)的间距(D)小于20mm，其特征在于，在所述被聚焦的激光射束(3)的侧旁设置有喷嘴体(10)，该喷嘴体具有朝所述工件(5)敞开的第一底部开口(11)，保护气体(12)从该第一底部开口流出；并且，所述第一底部开口(11)布置在所述横向喷嘴(6)的下方，以便位于所述喷嘴体(10)和所述工件(5)之间的保护气体(12)通过所述横向喷嘴(6)的横向流(7)在横向方向(13)上被携动至少这么远，使得该保护气体流过所述加工区(4)，并且所述喷嘴体(10)具有朝所述工件(5)敞开的第二底部开口(21)，该第二底部开口在背离所述被聚焦的激光射束(3)的一侧紧接第一底部开口(11)，并且所述保护气体(12)从该第二底部开口中流出。
2.根据权利要求1所述的激光加工头，其特征在于，所述横向喷嘴(6)与所述工件(5)的间距(D)在8mm至12mm之间。
3.根据权利要求1或2所述的激光加工头，其特征在于，所述第一底部开口(11)与所述横向喷嘴(6)的间距(d)小于10mm。
4.根据权利要求1或2所述的激光加工头，其特征在于，在所述第一底部开口(11)的上游设置有用于产生层流式保护气体流的装置(17)。
5.根据权利要求1或2所述的激光加工头，其特征在于，所述第一底部开口(11)由管区段(14)的一个管端部形成，该管区段在该管区段的另一个管端部上附接到保护气体供应部(16)上。
6.根据权利要求5所述的激光加工头，其特征在于，所述管区段(14)的所述一个管端部的轴线斜向下地对准所述被聚焦的激光射束(3)方向。
7.根据权利要求1或2所述的激光加工头，其特征在于，在所述第二底部开口(21)的上游设置有用于产生层流式保护气体流的装置(27)。
8.根据权利要求1或2所述的激光加工头，其特征在于，所述第二底部开口(21)由管道区段(24)的出口端部形成，该管道区段在该管道区段的另一个管道端部上附接到保护气体供应部(16)上。
9.根据权利要求8所述的激光加工头，其特征在于，所述管道区段(24)的出口端部的轴线平行于所述射束轴线(8)地取向。
10.根据权利要求1或2所述的激光加工头，其特征在于，在横向方向(13)上，所述第二底部开口(21)的长度(L2)至少与所述第一底部开口(11)的长度(L1)一样长。
11.根据权利要求1或2所述的激光加工头，其特征在于，至少面向所述工件(5)的喷嘴体(10)下侧由铜构成。
12.根据权利要求1或2所述的激光加工头，其特征在于，所述喷嘴体(10)高度可调地支承在所述激光加工头(1)上。
13.根据权利要求1或2所述的激光加工头，其特征在于，所述喷嘴体(10)可松开地固定在所述激光加工头(1)上。
14.根据权利要求1或2所述的激光加工头，其特征在于，所述横向喷嘴(6)布置在所述喷嘴体(10)上。
15.用于对工件(5)进行激光加工的方法，其中，将激光射束(3)向工件(5)的加工区(4)方向聚焦，并且，由横向喷嘴(6)喷出的横向流(7)横向于被聚焦的激光射束(3)的射束轴线(8)地穿过被聚焦的激光射束(3)，其中，在加工所述工件(5)期间，所述横向喷嘴(6)与所述工件(5)的间距(D)小于20mm，其特征在于，保护气体(12)从喷嘴体(10)的朝工件(5)敞开的第一底部开口(11)在所述被聚焦的激光射束(3)的侧旁向下流出；并且，位于所述喷嘴体(10)和所述工件(5)之间的保护气体(12)通过所述横向喷嘴(6)的横向流(7)在横向方向(13)上被携动至少这么远，使得该保护气体流过所述加工区(4)，并且所述保护气体(12)也从所述喷嘴体(10)的朝所述工件(5)敞开的第二底部开口(21)向下流出，该第二底部开口在背离所述被聚焦的激光射束(3)的一侧上紧接所述第一底部开口(11)。
16.根据权利要求15所述的方法，其特征在于，所述横向喷嘴(6)与所述工件(5)的间距(D)在8mm到12mm之间。
17.根据权利要求15或16所述的方法，其特征在于，所述保护气体(12)从所述喷嘴体(10)的第一底部开口(11)层流流出。
18.根据权利要求15或16所述的方法，其特征在于，所述保护气体(12)从所述第一底部开口(11)具有沿横向流(7)方向的流量分量地斜向下流出。
19.根据权利要求15或16所述的方法，其特征在于，所述保护气体(12)从所述喷嘴体(10)的第二底部开口(21)层流流出。
20.根据权利要求15或16所述的方法，其特征在于，所述保护气体(12)从所述第二底部开口(21)平行于所述射束轴线(8)地向下流出。
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