DE10160785C1 - Begasungsdüseneinheit für den Bearbeitungskopf einer Laser-Schweißeinrichtung - Google Patents

Abstract

Eine Begasungsdüseneinheit für den Barbeitungskopf einer Laser-Schweißeinrichtung umfasst DOLLAR A - einen Düsen-Gehäusekörper (2), DOLLAR A - eine Gaszuführung (15) zum Düsen-Gehäusekörper (2) für Prozessgas, DOLLAR A - eine zentrale optische Durchführung (26) im Düsen-Gehäusekörper (2) für den Laser-Bearbeitungsstrahl (27) und DOLLAR A - einen drehbar im Düsen-Gehäusekörper (2) gelagerten Düsenrotor (10) mit mindestens einer Düsenöffnung (28), die derart bei drehendem Düsenrotor (10) konzentrisch zum Laser-Bearbeitungsstrahl (27) rotiert und deren Abstrahlrichtung auf die Bearbeitungsstelle (B) des Laser-Bearbeitungsstrahles (27) so gerichtet ist, dass zwischen Düsenrotor (10) und Bearbeitungsstelle (B) ein zyklonförmiger Prozessgasmantelstrom (32) mit zentralem, im Wesentlichen strömungsfreien Auge (33) vorliegt.

Description

Die Erfindung betrifft eine Begasungsdüseneinheit für den Bearbeitungs­ kopf einer Laser-Schweißeinrichtung gemäß dem Oberbegriff des Patent­ anspruches 1.

Derartige Begasungsdüsen, wie sie beispielsweise aus den Druckschriften DE 295 04 457 U1, US 5 609 781 A oder US 6 118 097 A bekannt sind, weisen einen Düsen-Gehäusekörper auf, der mit einer Gaszuführung für ein Prozeßgas versehen ist. Unter dem Begriff "Prozeßgas" soll dabei vor­ nehmlich ein Schutzgas, wie beispielsweise Argon, Helium oder andere inerte Gase in Reinform oder Mischungen verstanden werden. Ferner ist es jedoch auch denkbar, als Prozeßgas ein mehr oder weniger reaktives Gas, wie insbesondere Sauerstoff zuzuführen, falls dies dem Laser- Schweißprozeß dienlich ist.

Zum Hintergrund der Erfindung ist festzuhalten, daß bei Schweißprozessen eine Schutzgasbeaufschlagung der Schweißstelle verschiedene Zwecke verfolgt. So verhindert sie beispielsweise die Wasserstoffbindung aus der Luft, was insbesondere beim Schweißen von Kupfermaterialien relevant ist, da hier ansonsten die sogenannte "Wasserstoffkrankheit", also die Ver­ sprödung der Fügestelle droht. Ferner wird eine Sauerstoffbindung und damit die Bildung von Oxiden in der Schweißstelle unterbunden. Schließ­ lich ist ein weiterer Grund für das Schweißen unter einer Schutzgasatmo­ sphäre die ansonsten drohende Nitrid/-Karbid-Bildung in der Schweißstel­ le, die eine lokale Aufhärtung des Schmelzematerials und damit ein erhöh­ tes Bruchrisiko in der Schweißzone verursacht.

Für die Schutzgaszuführung an die Schweißstelle sind grundsätzlich unter­ schiedliche technische Konzepte bekannt. So kann der Laser- Bearbeitungskopf mit den zu bearbeitenden Werkstücken komplett in eine Prozeßgaskammer eingeschlossen werden, was jedoch äußerst unökono­ misch ist. Bei jedem Werkstückwechsel ist die Prozeßgaskammer zu öff­ nen und neu mit Prozeßgas zu füllen, was einen hohen Gasaufwand und eine verringerte Produktivität aufgrund höherer Taktzeiten mit sich bringt.

Als weiteres Konzept sind sogenannte Strömungskammern bekannt, bei denen das Prozeßgas mit sehr geringer Strömungsgeschwindigkeit ähnlich dem Prinzip eines Reflow-Ofens laminar hindurch und insbesondere an der Schweißstelle vorbei strömt. Auch bei dieser Alternative ist ein hoher Gas­ verbrauch zu verzeichnen. Auch ist die Strömungsführung zur Gewährlei­ stung der Laminarität nicht unkritisch.

Schließlich ist ein übliches Konzept zur Beaufschlagung der Schweißstelle mit einem Prozeßgas die Zuführung durch eine Begasungsdüse, die einen Prozeßgasstrom auf die Schweißstelle und in deren Umgebung so leitet, daß dort das Schweißen unter Luftausschluß erfolgt. Wie die drei eingangs genannten Druckschriften nun beispielhaft belegen, steht bei der Zuführung eines Prozeßgases mit Hilfe von Begasungsdüsen der Schutz der Fokus­ sieroptiken des Laserbearbeitungskopfes im Vordergrund. Die bisherige Laserschweißtechnik bewegt sich nämlich vornehmlich auf dem Gebiet des sogenannten Tiefschweißens, bei dem mit vergleichsweise hoher Leistung große Bereiche der beiden Fügepartner aufgeschmolzen werden. Dabei besteht die Gefahr der vermehrten Bildung von Schweißspritzern, die sich auf der Fokussieroptik niederschlagen und mit der Zeit den Durchtritt der Laserstrahlung so beeinträchtigen, daß ein qualitativ befriedigendes Schweißen nicht mehr möglich ist.

Versuche auf dem Gebiet der Mikroschweißtechnik mit einer Prozeßgaszu­ führung durch übliche Begasungsdüsen haben gezeigt, daß die Schmelze durch den Gasstrom aus der eigentlichen Fügezone herausgetrieben werden kann. Dadurch kann es in der Schmelzzone zu einer lokalen Aufhärtung durch Dendritbildung kommen. Die hochdynamische Schmelzbadbewe­ gung hat ferner einen Schmelzemangel in der Fügezone zwischen den Fü­ gepartnern zur Folge. Aufgrund der Massenreduktion und longitudinaler Strahlachsenvariationen wird der Fügestelle auch notwendige Wärmeener­ gie entzogen, was sich wiederum durch das nur teilweise Aufschmelzen des unteren Fügepartners (Überlappstoß) bemerkbar macht. Da es damit zu keiner ausreichenden Durchmischung der schmelzflüssigen Phase zwi­ schen den beiden Fügepartnern kommt, kann eine solche Fügeverbindung als nicht ausreichend qualifiziert werden. Der tragende Fügequerschnitt ist zu klein und inhomogen durchmischt.

Die vorstehend geschilderten Nachteile beruhen in der Regel darauf, daß durch die Begasungsdüsen Gasströme erzeugt werden, die ihr Druckmaxi­ mum im Zentrum aufweisen und nach außen mit einem Druckverlauf abfallen, der einem Stufenprofil oder einer Gauß-Verteilung entspricht. Auch eine ringförmige Zuführung des Gasstromes zum Bearbeitungspunkt ist machbar, jedoch treten auch hier starke Verwirbelungen im Bereich der Bearbeitungsstelle auf, die allerdings sogar gewollt sein können, wie dies die beiden eingangs genannten US-Druckschriften belegen.

Schließlich ist zum Stand der Technik festzuhalten, daß es grundsätzlich bekannt ist, bei Düsen mit einem ringförmigen Gasstrom diesem eine Ra­ dialkomponente innerhalb der Düse durch Leitbleche, Flügel oder einge­ formte Nuten zu erteilen, um eine hohe Verwirbelung an der Schweißstelle zu erreichen. Auch ist es aus der US 5 609 781 A bekannt, innerhalb des Düsengehäusekörpers eine rotierende Leitschaufel-Einrichtung anzuord­ nen, um besagte Verwirbelung zu perfektionieren.

Bei der Begasungsdüse gemäß DE 295 04 457 U1 wird ein Gasstrom tan­ gential in einen Düsentrichter eingeblasen, so daß darin die Strömung schraubenlinienförmig zusammenläuft. Beim Verlassen des Düsentrichters wird jedoch die damit erzeugte Radialkomponente quasi "verlorengehen", da der Gasstrom die Düse tangential verläßt. Es wird also nur ein kleiner Teil der Radialkomponente die Bearbeitungsstelle erreichen.

Zusammenfassend sind die bekannten Begasungsdüsen für die speziellen Belange des Mikroschweißens wegen der negativen Beeinflussung der empfindlichen Schweißstelle an sich nicht geeignet, jedoch ist das Grund­ prinzip der Prozeßgaszuführung zu einer Schweißstelle in Form eines Schutz- bzw. Prozeßgasmantels aus anlagen- und herstellungstechnischen Gründen sowie wegen des geringen Gasbedarfes grundsätzlich vorteilhaft.

Insofern liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Begasungsdüsen­ einheit für den Bearbeitungskopf einer Laser-Schweißeinrichtung insbe­ sondere für die Mikroelektronik so zu verbessern, daß die Schweißstelle einerseits möglichst optimal von der Umgebungsatmosphäre abgeschirmt, andererseits jedoch praktisch verwirbelungsfrei unter einer stationären Schutzgasatmosphäre gehalten wird.

Diese Aufgabe wird durch die im Kennzeichnungsteil des Anspruches 1 angegebenen Merkmale gelöst. Demnach ist ein drehbar im Düsen- Gehäusekörper gelagerter Düsenrotor mit mindestens einer Düsenöffnung vorgesehen. Durch den drehenden Düsenrotor rotiert die Düsenöffnung konzentrisch zum Laser-Bearbeitungsstrahl und ist dabei mit ihrer Ab­ strahlrichtung so auf die Bearbeitungsstelle des Laser-Bearbeitungsstrahles gerichtet, daß zwischen Düsenrotor und Bearbeitungsstelle ein zyklonför­ miger Prozeßgasmantelstrom mit zentralem, im wesentlichen strömungs­ freiem Auge erzeugt wird. Die Erfindung beruht also in strömungstechni­ scher Hinsicht auf den Strömungsverhältnissen bei tropischen Wirbelstür­ men, wie sie landläufig als Zyklone, Hurrikans oder Taifune bezeichnet werden. Diese entstehen, wenn Winde aus entgegengesetzten Richtungen aufeinandertreffen und dabei spiralförmige Aufwinde verursachen. Aus dem warmen Meer wird dabei Wasserdampf hochgezogen, der nach oben steigt, kondensiert und Wolken bildet. Dabei entsteht Wärme, die die Luft aufheizt, was wiederum durch ihre Temperaturerhöhung dazu führt, daß sie immer schneller nach oben steigt. Dieser Aufwind wirkt wie ein Kamin, der am Boden Luft einsaugt und nach oben wieder ausbläst. Damit wird eine Art Kettenreaktion erzeugt, bei der immer größere Wärmeenergien immer heftigere Luftbewegungen entstehen lassen. Die damit verbundenen Sturmwinde weisen sehr hohe Windgeschwindigkeiten auf, jedoch herrscht - wie landläufig bestens bekannt - im fast kreisförmigen Zentrum eines Zyklons - dem sogenannten "Auge" - nahezu Windstille.

Die Erfinder haben sich diese aus der Meteorologie stammenden Erkennt­ nisse zunutze gemacht und die Begasungsdüseneinheit so konstruiert, daß aufgrund des von vorzugsweise mehreren rotierenden Düsenöffnungen ausgehenden Prozeßgasstromes eine Art "umgekehrter Zyklon" entsteht, in dessen im wesentlichen strömungsfreien Auge die Bearbeitungsstelle unter einer stationären Schutzgasatmosphäre liegt. Diese wird durch einen stabi­ len Schutzgasmantel in Form der zyklonförmigen Augenwand von der Umgebungsatmosphäre abgeschottet.

Wie anhand des Ausführungsbeispiels noch näher erläutert wird, haben Versuche mit erfindungsgemäßen Begasungsdüseneinheiten gezeigt, daß sich damit stabile und ausreichend breite Prozeßfenster für Mikroschweiß­ vorgänge erzielen lassen. Dies kommt einem Einsatz von Laser- Mikroschweißanlagen in Serienanwendungen zugute, da hierfür der Schweißprozeß möglichst unempfindlich gegen Schwankungen beispiels­ weise der Pulsdauer oder der Pulsleistung der Laserstrahlquelle sein sollte.

Bevorzugte Ausführungsformen des Erfindungsgegenstandes sind in den Unteransprüchen angegeben. Weitere Merkmale, Einzelheiten und Vorteile ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung, in der ein Ausführungs­ beispiel der Erfindung anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert wird. Es zeigen:

Fig. 1 eine Explosionsdarstellung einer Begasungsdüseneinheit,

Fig. 2 einen Schnitt der Begasungsdüseneinheit gemäß Fig. 1 in ei­ ner mit der Strahlachse der Laser-Schweißeinrichtung zu­ sammenfallenden Ebene,

Fig. 3 einen Detailschnitt durch eine Düsenöffnung des Düsenrotors der Begasungsdüseneinheit gemäß Fig. 2,

Fig. 4 einen Detailschnitt der Düsenöffnung gemäß Schnittlinie IV-IV nach Fig. 3,

Fig. 5 ein Kurvendiagramm zur schematischen Darstellung der Druckverteilung des Prozeßgases in der Bearbeitungsebene, und

Fig. 6 ein Prozeßfenster-Diagramm der Pulsleistung in Abhängig­ keit der Pulsdauer einer unter Einsatz der erfindungsgemäßen Begasungsdüseneinheit arbeitenden Laser-Schweiß­ einrichtung.

Der grundsätzliche Aufbau der Begasungsdüseneinheit 1 ist anhand der Fig. 1 bis 4 zu erläutern. So ist als Rückrat der Düseneinheit ein Düsen- Gehäusekörper 2 vorgesehen, der in einer Laser-Schweißeinrichtung an nicht näher dargestellten Halterungen oberhalb der jeweiligen Bearbei­ tungsstelle B (Fig. 2) zweier Fügepartner 3, 4 gehalten ist. Der Gehäuse­ körper 2 ist aus einem Gehäusering 5 und an dessen beiden Stirnseiten 6, 7 angesetzten Gehäuseflansche 8, 9 zusammengesetzt. Während der Außen­ durchmesser d_a der Gehäuseflansche 8, 9 und des Gehäuserings 5 im we­ sentlichen übereinstimmen, ist der lichte Innendurchmesser d_i der Gehäuse­ flansche 8, 9 kleiner als des Gehäuseringes 5. Die dadurch gebildete ring­ förmige Hinterschneidung bildet ein Gleitlager für einen ringförmigen Dü­ senrotor 10, dessen Ringquerschnitt U-förmig gestaltet ist. Dabei schließen sich an die parallel zur Rotationsachse Z des Düsenrotors 10 liegende Basis 12 jeweils nach außen weisende Schenkelstege 11, 13 an. Damit ist ein ra­ dial nach außen offener Ringraum 14 gebildet, der als Ringverteiler für das über den Düsenrotor 10 in noch näher zu beschreibender Weise auszubrin­ gende Prozeßgas dient. Letzteres wird über eine Gaszuführung in Form von mehreren, beispielsweise vier den Gehäusering 5 radial durchsetzenden Gaszufuhrkanälen 15 eingespeist, an die nicht näher dargestellte Gas­ schläuche angeflanscht sind. Die Gaszufuhrkanäle 15 sind gleichmäßig über den Umfang des Gehäuserings 5 verteilt. Damit zwischen den Gehäu­ seflanschen 8, 9 und dem Gehäusering 5 kein Gas hindurchleckt, sind da­ zwischen jeweils O-Ring-Dichtungen 16 vorgesehen, die in entsprechen­ den Nuten 18, 19 in den Stirnseiten 6, 7 des Gehäuserings 5 sitzen. Das Paket aus den beiden Gehäuseflanschen 8, 9 und dem Gehäusering 5 ist im übrigen durch jeweils von oben bzw. unten in Gewindelöcher 20 eingesetz­ te Schrauben 21 unter Zwischenlage von Beilagscheiben 22 zusammen­ gehalten.

Der Düsenrotor 10 bildet mit seiner Innenöffnung 23 zusammen mit den Innenöffnungen 24, 25 der Gehäuseflansche 8, 9 eine zentrale Durchfüh­ rung 26 für den Laser-Bearbeitungsstrahl 27, der von einer nicht näher dar­ gestellten Laserquelle über eine entsprechende Fokussieroptik auf die Be­ arbeitungsstelle B zwischen den beiden aufeinander sitzenden Fügepart­ nern 34, fokussiert wird. Bei letzteren kann es sich beispielsweise um eine Kupfer-Leiterbahn (Fügepartner 4) auf einer Leiterplatte und ein An­ schlußbeinchen (Fügepartner 3) eines mikroelektronischen SMT-Bauteils handeln.

Im Düsenrotor sind - wie aus Fig. 1 teilweise deutlich wird - mehrere, bei­ spielsweise sechs Düsenöffnungen 28 in dem der Bearbeitungsstelle B zu­ gewandten Schenkelsteg 11 vorgesehen, die - wie aus Fig. 3 deutlich wird - in einem Neigungswinkel W1 von beispielsweise 47° zur Hauptebene H des Düsenrotors 10 angeordnet sind. Damit ist die Abstrahlrichtung der Düsenöffnungen 28 auf die Bearbeitungsstelle B des Laser- Bearbeitungsstrahles 27 gerichtet. Ferner ist die als zylindrischer Kanal ausgebildete Düsenöffnung 28 in einem Anstellwinkel W2 (Fig. 4) von in der Praxis etwa 2° in Rotationsrichtung R aus der rotations-axialen Ebene heraus angestellt. Dadurch erzeugt der durch die Düsenöffnungen 28 je­ weils austretende Prozeßgasstrom eine Rückstoßkraft, die eine Antriebs­ kraft in Rotationsrichtung R auf den Düsenrotor 10 bewirkt. Dieser ist auf­ grund seiner Passungstoleranzen innerhalb des Gleitlagers aus Gehäusering 5 und Gehäuseflanschen 8, 9 so gelagert, daß das unter Druck eingeführte Prozeßgas für eine Art Luftlager sorgt, so daß sich der Düsenrotor 10 nach einer kurzen Anlaufphase praktisch reibungsfrei drehen kann. Das Auf­ schwimmen des Düsenrotors 10 wird dabei dadurch unterstützt, daß die von dem unteren Gehäuseflansch 8 in seinem nach innen über den Gehäu­ sering 5 überstehenden Schulterbereich 29 gebildete Gleitlagerschale eine umlaufende Ringnut 30 eingearbeitet ist, in der an der schenkelabgewand­ ten Seite keilförmig abgeschrägte Vorsprünge 31 an dem Schenkelsteg 11 laufen. Die Keilschräge unterstützt in aerodynamischer Hinsicht das Auf­ schwimmen des Düsenrotors 10.

Schließlich ist in Fig. 2A noch eine aus Glas bestehende Abdeckscheibe 34 erkennbar, die dem Schutz der Fokussieroptik der Laserbearbeitungsanlage dient.

In Fig. 2B ist anhand einer in Fig. 2A übertrieben gewunden gezeichneten Strömungslinie 32 des Prozeßgasstromes aus einer der sechs Düsenöffnun­ gen 28 angedeutet, daß durch den rotierenden Düsenrotor 10 und den schräggestellten Düsenöffnungen 28 ein zyklonförmiger Prozeßgasman­ telstrom erzeugt wird, der die Bearbeitungsstelle B einerseits von außen gegen die Umgebungsatmosphäre wirkungsvoll abschirmt, zum anderen jedoch im Inneren ein verwirbelungsfreies und stationäres "Auge" 33 er­ zeugt. Dies ist anhand von Fig. 5 zu veranschaulichen, die die Gasdruck­ verteilung in der Ebene der Bearbeitungsstelle B darstellt. Im Auge 33, das Dimensionen von z. B. Bruchteilen eines Millimeters aufweisen kann, ist der Druck gegenüber der Umgebung nicht erhöht, so daß hier ein nahezu stillstehender Schutzgasstrom mit einem Schutzgasmantel mit hoher Be­ wegungsenergie erzeugt wird. In Fig. 2B ist schematisch dieser zyklonför­ mige Schutzgasmantel S dargestellt, der durch die einzelnen Düsengas­ strömungslinien 32 der in Rotationsrichtung R rotierenden Düsenöffnungen 28 erzeugt wird.

Neben dem Effekt der Abschirmung gegenüber der Umgebungsatmosphäre tritt durch die vorstehende Druckverteilung bei der Verarbeitung von SMT- Bauelementen noch ein Zusatzeffekt auf. So werden die neben dem aktuell bearbeiteten Anschluß liegenden Anschlüsse durch die hohe Bewegungs­ energie des Schutzgasmantels von Oberflächenkontaminationen, wie z. B. karbonisierten Niederschlägen oder kleineren Schweißspritzern, befreit, was zu einer wesentlichen Verbesserung der Prozeßstabilität führt.

Beispielhafte Dimensionen und Betriebsparameter für die gezeigte Bega­ sungsdüseneinheit 1 liegen bei einem Außendurchmesser des Düsenrotors 10 von beispielsweise 47 mm und einem Innen-Durchmesser der Durch­ führung 26 von 34 mm. Berechnungen zum Rotationsverhalten des Düsen­ rotors 10 haben ergeben, daß bereits bei einem minimalen Druckunter­ schied zur Umgebungsatmosphäre theoretisch ein Lauf des Düsenrotors möglich wäre. Da jedoch höhere Druckwerte in der Praxis problemlos be­ reitzustellen sind, wird vorzugsweise mit einem Arbeitsdruck in der Zufüh­ rung 15 gearbeitet, der bei 1 bar bis 15 bar liegen kann. Damit ist ein pro­ blemloser Betrieb und insbesondere zuverlässiges Anlaufen des Düsenro­ tors 10 gewährleistet.

Die positiven Auswirkungen eines Mikro-Schweißprozesses mit Hilfe der beschriebenen Begasungsdüseneinheit 1 läßt sich anhand von Fig. 6 darle­ gen. Hierbei sind in einem Diagramm der Pulsleistung PH in Abhängigkeit der Pulsdauer TH verschiedene Parameterpaare Pulsleistung/Pulsdauer auf­ getragen, bei denen ein erfolgreicher Schweißvorgang bei einem bestimm­ ten Bauelement gewährleistet werden kann. Die entsprechenden Parame­ terpaare definieren das Prozeßfenster. In Fig. 6 sind drei solche Prozeß­ fenster , und eingezeichnet, die für eine Schutzbegasung mit Ar­ gon-Reingas (Prozeßfenster ), einem Gasgemisch aus Argon und Helium (Prozeßfenster ) und einem Gasgemisch aus Argon, Helium und Sauer­ stoff (Prozeßfenster ) ermittelt wurden. Wie aus der Fig. 6 deutlich wird, weist das Prozeßfenster (begrenzt durch durchgezogene Linien) eine sehr hohe Stabilität auf, die das Prozeßfenster innerhalb einer Prozeß­ gaskammer sogar noch übertrifft. Sowohl die benötigte minimale Schwel­ lenenergie als auch die maximale Prozeßenergie weisen für qualitativ hoch­ wertige Mikroschweißungen eine hohe Konstanz auf. Prozeßfenster gibt die Verwendung eines Argon/Helium-Gemisches wieder, wobei deutlich wird, daß die Zugabe von Helium aufgrund des besseren Wärmeleitungs­ vermögens zwar zu einer Verkleinerung des Prozeßfensters führt, der nutz­ bare Prozeßbereich dennoch relativ stabil bleibt. Dies belegt den überaus positiven Aspekt der erfindungsgemäßen Begasungsdüseneinheit insoweit, als die Vorteile einzelner Gase damit gezielt für das Mikroschweißen in Kombination als sogenanntes "Tailored Gas" eingesetzt werden können, um den Fügeprozeß zu optimieren. In einer Prozeßgaskammer ist dies auf­ grund der Dichteunterschiede der einzelnen Gase nicht möglich, da diese sich in einem stationären Prozeß separieren würden. Auch bei einer quer­ strömenden oder koaxialen Begasung treten dann Probleme auf, da mit der Vergrößerung des Bearbeitungsabstandes und der Erhöhung der Gasaus­ trittsgeschwindigkeit der vom Prozeßgas abgedeckte Bereich immer kleiner und die Reinheit an der Bearbeitungsstelle bzw. die eigentliche Gaszu­ sammensetzung bei einem "Tailored Gas"-Gemisch immer schlechter wer­ den.

Die Zugabe von Sauerstoff als dritte Gaskomponente (siehe Prozeßfenster ) führt nicht zu einer weiteren Reduzierung der nötigen Schwellenlei­ stung entsprechend den Beobachtungen in der Prozeßkammer, wo durch Sauerstoff das Einkoppelverhalten verbessert wird. Die Prozeß- und Schweißbaddynamik nimmt stark zu und es kommt zu kritischen Einschnü­ rungen im Prozeßfenster , die die Stabilität bezüglich Reproduzierbarkeit und Zuverlässigkeit des Schweißprozesses signifikant verringern. Die Sau­ erstoff-Komponente übt somit keinen positiven Einfluß aus. Gleichzeitig wird durch dieses Verhalten jedoch deutlich, daß der Schweißprozeß durch die erfindungsgemäße Begasungsdüseneinheit mit dem zyklonförmigen Prozeßgasmantelstrom eine hohe Stabilität aufweist und es zu keiner un­ gewollten Einschleppung von Luftbeimischungen kommt.

Claims (10)

1. Begasungsdüseneinheit für den Bearbeitungskopf einer Laser- Schweißeinrichtung umfassend
einen Düsen-Gehäusekörper (2),
eine Gaszuführung (15) zum Düsen-Gehäusekörper (2) für ein Pro­ zeßgas, und
eine zentrale optische Durchführung (26) im Düsen-Gehäusekörper (2) für den Laser-Bearbeitungsstrahl (27),
gekennzeichnet durch
einen drehbar im Düsen-Gehäusekörper (2) gelagerten Düsenrotor (10) mit mindestens einer Düsenöffnung (28), die derart bei drehen­ dem Düsenrotor (10) konzentrisch zum Laser-Bearbeitungsstrahl (27) rotiert und deren Abstrahlrichtung auf die Bearbeitungsstelle (B) des Laser-Bearbeitungsstrahles (27) so gerichtet ist, dass zwischen Dü­ senrotor (10) und Bearbeitungsstelle (B) ein zyklonförmiger Prozeß­ gasmantelstrom (32) mit zentralem, im wesentlichen strömungsfreien Auge (33) vorliegt.

2. Begasungsdüseneinheit nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Düsenrotor (10) durch eine geringfügige Anstellung der Düsen­ öffnung (28) in Rotationsrichtung (R) nach dem Rückstossprinzip durch das ausströmende Prozeßgas selbsttätig angetrieben ist.

3. Begasungsdüseneinheit nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn­ zeichnet, dass mehrere, vorzugsweise vier bis 24 Düsenöffnungen (28) gleichmäßig in Rotationsrichtung (R) über den Düsenrotor (10) verteilt angeordnet sind.

4. Begasungsdüseneinheit nach einem der vorgenannten Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, dass der Düsenrotor (10) als zur Rotationsach­ se (Z) konzentrischer Ring ausgebildet ist, in dessen einer Stirnseite (11) die mindestens eine Düsenöffnung (28) angeordnet sind.

5. Begasungsdüseneinheit nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der ringförmige Düsenrotor (10) einen U-förmigen, radial nach außen offenen Querschnitt aufweist, wobei der davon gebildete Ring­ raum (14) als Ringverteiler für das über die Gaszuführung (15) einge­ leitete Prozeßgas zu der mindestens einen Düsenöffnung (28) fungiert.

6. Begasungsdüseneinheit nach einem der vorgenannten Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, dass der Düsenrotor (10) in einem Gleitlager nach Art eines Luftlagers durch das zugeführte Prozeßgas im Düsen- Gehäusekörper (2) gelagert ist.

7. Begasungsdüseneinheit nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Gleitlagerschale (8) im Düsen-Gehäusekörper (2) mit einer Ringnut (30) versehen ist, in der aerodynamisch im Sinne eines Auf­ schwimmens wirksame Vorsprünge (31) am Düsenrotor (10) laufen.

8. Begasungsdüseneinheit nach einem der vorgenannten Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, dass der Düsen-Gehäusekörper (2) einen den Düsenrotor (10) peripher umgebenden Gehäusering (5) und beiderseits daran angesetzte, den Düsenrotor(10) stirnseitig umgreifende Gehäuse­ flansche (8, 9) aufweist.

9. Begasungsdüseneinheit nach einem der vorgenannten Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, dass die Düsenöffnung(en) (28) in Rotations­ richtung (R) einen Neigungswinkel (W1) zwischen 40° und 75° zur Haupt­ ebene (H) des Düsenrotors (10) aufweist(-en).

10. Begasungsdüseneinheit nach einem der vorgenannten Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, dass die Düsenöffnung(en) (28) in Rotations­ richtung (R) einen Anstellwinkel (W2) zwischen etwa 1° und 5° auf­ weist(-en).