DE102004018280A1 - Verfahren sowie Düse zur Bearbeitung oder Analyse eines Werkstücks oder einer Probe mit einem energetischen Strahl - Google Patents
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Abstract
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bearbeitung oder Analyse eines Werkstücks oder einer Probe mit zumindest einem energetischen Strahl, bei dem der energetische Strahl auf eine zu bearbeitende oder zu analysierende Stelle gerichtet und mit einer Düse eine gerichtete Strömung eines über die Düse zugeführten Hilfsmediums im Bereich der zu bearbeitenden oder zu analysierenden Stelle erzeugt wird. Die Erfindung betrifft auch eine Düse zur Durchführung dieses Verfahrens. Das Verfahren zeichnet sich dadurch aus, dass die Strömung des Hilfsmediums von der Strahlachse des energetischen Strahls und/oder einer Oberfläche des Werkstücks oder der Probe weg gerichtet erzeugt wird. DOLLAR A Mit dem vorliegenden Verfahren und der zugehörigen Düse wird ein effektiver oberflächennaher Abtransport von Emissionsprodukten bei geringstmöglicher Störung des Wechselwirkungsprozesses der energetischen Strahlung mit der Oberfläche erreicht.
Description
- Technisches Anwendungsgebiet
- Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bearbeitung oder Analyse eines Werkstücks oder einer Probe mit zumindest einem energetischen Strahl, bei dem der energetische Strahl auf eine zu bearbeitende oder zu analysierende Stelle gerichtet und in der Umgebung der zu bearbeitenden oder zu analysierenden Stelle mit zumindest einer Düse eine gerichtete Strömung eines aus der Düse austretenden Hilfsmediums erzeugt wird. Die Erfindung betrifft weiterhin eine Düse zur Durchführung des Verfahrens mit einem Düsenkörper mit einer Durchgangsbohrung für den Durchtritt des energetischen Strahls und ein oder mehreren Austrittsöffnungen für ein über den Düsenkörper zuführbares Hilfsmedium.
- Bei der Bearbeitung oder Analyse von Werkstückoberflächen mit einem energetischen Strahl, insbesondere aus einer Laser-, Plasma- oder Lichtbogenquelle, treten aufgrund der Wechselwirkung der energetischen Strahlung mit dem Werkstoff Emissionsprodukte, wie bspw. Dampf oder Bestandteile einer Schmelze, aus der Wechselwirkungszone aus. So tritt dieser Effekt bspw. aufgrund von Temperatur- oder Druckänderungen oder aufgrund von Phasenumwandlungen im Werkstoff beim Trennen, Schneiden, Abtragen, Bohren, Strukturieren, Fügen, Schweißen, Löten oder Umschmelzen auf. Auch bei anderen Bearbeitungs- oder Analyseverfahren durch lokale Veränderung eines oder mehrerer physikalischer oder chemischer Eigenschaften des Werkstoffes können derartige in der Regel unerwünschte Emissionen auftreten. Die Emissionen können einerseits die Bearbeitungs- oder Analysevorrichtung, bspw. werkstücknahe Komponenten zur Strahlerzeugung oder – formung, Optiken, Elektroden oder Düsen, verunreinigen oder beschädigen und andererseits oberhalb der Werkstückoberfläche mit der energetischen Strahlung derart Wechselwirken, dass die beabsichtigte Wirkung der Strahlung auf das Werkstück, insbesondere durch Absorption, Streuung oder Brechung, gestört wird. Bei bekannten Verfahren zur Bearbeitung oder Analyse von Oberflächen mit energetischer Strahlung werden daher Maßnahmen ergriffen, um eine unkontrollierte Ausbreitung der hervorgerufenen Emissionen zu vermeiden.
- Stand der Technik
- Es sind zahlreiche Verfahren und Vorrichtungen zur Materialbearbeitung mit energetischer Strahlung bekannt. So werden Laser-, Plasma- und Lichtbogenverfahren bspw. für das thermische Trennen, Fügen und Oberflächenveredeln eingesetzt. Der Bearbeitungsprozess wird bei diesen Verfahren häufig durch Zufuhr eines gasförmigen oder flüssigen Hilfsmediums unterstützt, das über ein oder mehrere Düsen zur Erzeugung einer gerichteten Strömung im Bereich der zu bearbeitenden Stelle zugeführt wird. Die Flüssigkeits- oder Gasströmung wird dabei entweder in Richtung der Wechselwirkungszone der energetischen Strahlung mit der Oberfläche und/oder in Richtung der Strahlachse der energetischen Strahlung erzeugt, um die Materialemissionen zu verringern oder aus dem Wechselwirkungs bereich wegzuführen. Die Zufuhr des Hilfsmediums dient somit zum einen dem Schutz von Optiken oder Elektroden der Vorrichtung vor Verunreinigungen durch die Emissionen, zum anderen kann die Wechselwirkungszone durch Schutzgaszufuhr auch vor der Umgebungsluft abgeschirmt werden. Weiterhin ist es bekannt, die Werkstoffeigenschaften sowie Plasma- oder Lichtbogeneigenschaften durch geeignete Wahl der Gasart des Hilfsmediums und der Strömungsbedingungen zu beeinflussen. Schließlich kann durch die Übertragung von Druck- und/oder Zugspannungskräften durch die Strömung des Hilfsmediums auch ein beabsichtigter Materialabtrag unterstützt werden.
- Aus S. Katayama et al. „Development of Tornado Nozzle for Reduction in Porosity during Laser Welding of Aluminium Alloy", Proc. ICALEO 2001, ist ein Verfahren zur Bearbeitung einer Werkstückoberfläche mit einem energetischen Strahl bekannt, bei dem das Schutzgas koaxial zur energetischen Strahlung auf die Werkstückoberfläche gerichtet und gleichzeitig mit einem Drall beaufschlagt wird. Durch diese Drallströmung wird in der Wechselwirkungszone ein Unterdruck zum Absaugen der Emissionen hervorgerufen, der diese jedoch nicht aus dem Strahlungsweg herausführt.
- Bei einer in dieser Druckschrift weiterhin angeführten Technik wird ein drallfreier koaxialer Gasstrom erzeugt, der ebenfalls auf die Werkstückoberfläche gerichtet ist. Durch einen derartigen Gasstrom lässt sich bei Schutzgaszufuhr eine gute Abschirmung der Wechselwirkungszone von der Umgebungsluft erreichen. Die auf das Werkstück gerichtete Strömung führt zur Kompression von Emissionsprodukten und ungewollten Störungen der Wechselwirkungszone, bspw. eines Schweißschmelzbades. Die Emissionsprodukte werden dabei nicht abtransportiert, sondern in Richtung des Werkstückes zurück transportiert und führen dort zu entsprechendem Niederschlag oder Anhaftungen.
- Aus M. Kern et al., „Optimiertes Querjetkonzept zur effizienten Spritzerablenkung und gesicherten Schutzgaszufuhr beim Laserschweißen", Laser und Optoelektronik, Bd. 28, 1996, Ausgabe 8, Seiten 62 ff, ist ein Verfahren zur Oberflächenbearbeitung mit energetischer Strahlung bekannt, bei dem das Hilfsmedium über Querjets nahe der Werkstückoberfläche durch den energetischen Strahl hindurch strömt. Durch diese Querjets werden von der Werkstückoberfläche in Richtung der Komponenten der Vorrichtung sich ausbreitende Emissionen abgelenkt und aus dem Strahlbereich befördert. Um gleichmäßige Bearbeitungsergebnisse zu erzielen, müssen die Querjets jedoch bei einem Richtungswechsel der Bearbeitung ebenfalls umorientiert werden. Weiterhin besteht die Gefahr, dass durch die Querjets unerwünschte Umgebungsluft in die Wechselwirkungszone gesaugt wird.
- Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Verfahren zur Bearbeitung oder Analyse eines Werkstücks oder einer Probe mit energetischer Strahlung sowie eine Düse zur Durchführung des Verfahrens anzugeben, die einen werkstücknahen Abtransport der Emissionsprodukte ohne Störung der Bearbeitungszone ermöglichen.
- Darstellung der Erfindung
- Die Aufgabe wird mit dem Verfahren sowie der Düse gemäß den Patentansprüchen 1 und 11 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen des Verfahrens sowie der Düse sind Gegenstand der Unteransprüche oder lassen sich der nachfolgenden Beschreibung sowie den Ausführungsbeispielen entnehmen.
- Bei dem vorgeschlagenen Verfahren zur Bearbeitung oder Analyse eines Werkstücks oder einer Probe mit zumindest einem energetischen Strahl wird der energetische Strahl in bekannter Weise auf eine zu bearbeitende oder zu analysierende Stelle des Werkstücks oder der Probe gerichtet und in der Umgebung der zu bearbeitenden oder zu analysierenden Stelle mit zumindest einer Düse eine gerichtete Strömung eines aus der Düse austretenden Hilfsmediums erzeugt. Das Verfahren zeichnet sich dadurch aus, dass die Strömung des Hilfsmediums mit einer Hauptströmungskomponente von einer Strahlachse der energetischen Strahlung und/oder von der Oberfläche des oder der zu bearbeitenden oder zu analysierenden Werkstücks oder Probe weg gerichtet erzeugt wird. Die vorliegende Erfindung geht somit einen vollständig anderen Weg als die bekannten Verfahren des Standes der Technik, bei denen die Hauptströmungskomponente des Hilfsmediums immer entweder parallel zur Strahlachse der energetischen Strahlung in Richtung der Oberfläche oder auf diese Strahlachse hin gerichtet erzeugt wird. Beim vorliegenden Verfahren wird durch die von Strahlachse und/oder Oberfläche weg gerichtete Hauptströmungskomponente eine Wechselwirkung des eingesetzten Hilfsmediums mit der Wechselwirkungs zone, d. h. der zu bearbeitenden oder zu analysierenden Stelle, oder dem energetischen Strahl selbst vermieden. Die vorliegend eingesetzte gerichtete Strömung erzeugt vielmehr einen Sog im Bereich der Wechselwirkungszone, der dort anfallende Emissionsprodukte seitlich aus der Wechselwirkungszone befördert. Auf diese Weise werden die Emissionsprodukte nahe ihres Entstehungsortes aus dem Wirkbereich der Energiestrahlung abtransportiert, ohne die Wechselwirkungszone dabei störend zu beeinflussen. Weiterhin kann diese Anordnung dazu genutzt werden, die der Bearbeitungsstelle zugewandten Düsenteile durch den expandierenden Gas- oder Flüssigkeitsstrom und den schnellen Abtransport heißer Emissionsprodukte effektiv zu kühlen und vor Beschädigungen und Anhaftungen zu schützen. Im Gegensatz zur Technik der Querjets lässt sich die Strömung des Hilfsmediums auch rotationssymmetrisch um die Strahlachse erzeugen, so dass die Notwendigkeit einer Umorientierung bei einem Richtungswechsel der Bearbeitung überflüssig wird.
- In einer vorteilhaften Ausgestaltung wird die Strömung des Hilfsmediums beim vorliegenden Verfahren mit der Hauptströmungskomponente in radialer Richtung zur Strahlachse und/oder parallel zur Werkstück- oder Probenoberfläche erzeugt. Diese beiden Alternativen stimmen in den Fällen überein, in denen die energetische Strahlung senkrecht auf das Werkstück bzw. die Probe gerichtet wird. Dies muss jedoch nicht bei allen Anwendungen der Fall sein.
- Als Hilfsmedium können beim vorliegenden Verfahren bspw. Luft, inerte oder reaktionsträge Gase oder auch reaktive Gase oder Flüssigkeiten eingesetzt werden. Die Art des eingesetzten Mediums hängt von der gewünschten Zusatzwirkung dieses Mediums ab.
- Die ein oder mehreren Düsen, mit denen die von der Strahlachse und/oder Oberfläche weg gerichtete Strömung des Hilfsmediums über der Oberfläche erzeugt wird, werden je nach gewünschter Sogwirkung und gewünschtem Sogort in geeignetem Abstand über der Werkstück- oder Probenoberfläche positioniert. Auch der Volumenstrom des über die ein oder mehreren Düsen geführten Hilfsmediums kann je nach gewünschter Sogwirkung eingestellt werden. Auf diese Weise lässt sich das Verfahren flexibel an die jeweilige Anwendung anpassen.
- Die für die Durchführung des Verfahrens vorgeschlagene Düse umfasst einen Düsenkörper mit einer vorzugsweise zentralen Durchgangsbohrung für den Durchgang des energetischen Strahls sowie ein oder mehrere Austrittsöffnungen für das über den Düsenkörper zugeführte Hilfsmedium. Diese Austrittsöffnungen sind derart am Düsenkörper angeordnet und ausgebildet, dass die gemäß dem vorliegenden Verfahren von der zentralen Längsachse der Durchgangsbohrung und/oder von einer auf einer Austrittsseite der Düse liegenden und senkrecht zur Längsachse der Durchgangsbohrung orientierten Hilfsebene weg gerichtete Hauptströmungskomponente des Hilfsmediums erzielt wird. In einer besonderen Ausgestaltung sind die ein oder mehreren Austrittsöffnungen so angeordnet und ausgebildet, dass die Hauptströmungsrichtung radial von der Längsachse der Durchgangsbohrung weg gerichtet ist. Selbstverständlich umfasst der Düsenkörper einen oder mehrere Anschlüsse für die Zufuhr des Hilfsmediums, die über einen oder mehrere Kanäle mit den Austrittsöffnungen verbunden sind.
- Die ein oder mehreren Austrittsöffnungen für das Hilfsmedium sind vorzugsweise als Schlitze oder Bohrungen im werkstücknahen Teil der äußeren Düsenwand ausgebildet, so dass die Strömung des Hilfsmediums dominant radial abströmt und einen radialen rotationssymmetrischen oder unsymmetrischen Strömungsfächer, im Folgenden auch Radialjet genannt, bildet.
- Beim Einsatz der vorliegenden Düse müssen die Achsen von Energiestrahl und Durchgangsbohrung nicht in jedem Falle koaxial oder parallel verlaufen. Vielmehr lässt sich die Düse und somit die Durchgangsbohrung unabhängig von der Strahlachse des Energiestrahls positionieren und einstellen. Vorzugsweise weist die Düse auch einen Anschluss für die Zuführung eines weiteren Mediums über die Durchgangsbohrung auf. Bei dieser Ausgestaltung kann die vorzugsweise zentrale für den Strahlungsdurchtritt vorgesehene Durchgangsbohrung zusätzlich als Zufuhrkanal für ein gasförmiges oder flüssiges, inertes, reaktionsträges oder reaktives Medium, insbesondere zur Emissions- oder Bearbeitungsbeeinflussung, dienen. Weiterhin kann durch die Zufuhr eines derartigen zusätzlichen Mediums eine Kompensation des aus der Wechselwirkungszone abgesaugten Volumens erfolgen, um eine Ansaugung von Nebenluft zu vermeiden. Die Durchgangsbohrung ist hierbei an der dem Werkstück zugewandten Seite vorzugsweise mit einer umfänglichen Anschrägung oder Abrundung versehen, um Verluste bei der Strömungsumlenkung des ausströmenden zusätzlichen Mediums zu vermeiden. Auch weitere Teile der Düse, an denen eine Strömungsumlenkung stattfindet, sind zur Vermeidung von Totwassergebieten vorzugsweise geeignet abgerundet.
- Die Durchgangsbohrung kann auch zusätzlich zur werkstücknahen Austrittsöffnung weitere seitliche Öffnungen aufweisen. Die zentrale Mediumzufuhr über die Durchgangsbohrung kann dabei so eingestellt werden, dass ein Ansaugen von Nebenluft durch die zusätzlichen Öffnungen vermieden wird. Bei einer Ausgestaltung der Durchgangsbohrung, bei der diese bis auf die werkstücknahe Austrittöffnung gasdicht abgeschlossen ist, wird die zentrale Medienzufuhr über die Durchgangsbohrung vorzugsweise so eingestellt, dass zumindest eine Unterdruckbildung in der Durchgangsbohrung vermieden wird.
- Die Austrittsöffnungen für das Hilfsmedium sind bei der vorliegenden Düse vorzugsweise mit Führungslippen zur Beeinflussung der Strömungsrichtung und Strömungsgeometrie versehen. Die vom Werkstück bzw. der Probe weiter entfernte Führungslippe kann dabei weiter radial hinausragen als die dem Werkstück bzw. der Probe nähere Führungslippe oder umgekehrt. Die Strömungskonturen der Führungslippen können bei der vorliegenden Düse auch so ausgebildet sein, dass im Düsenkanal und/oder außerhalb davon zwischen der von der Werkstück- oder Probenoberfläche weiter entfernten Führungslippe und der Werkstück- bzw. Probenoberfläche eine Strömung mit einem konvergenten, divergenten oder aus diesen Eigenschaften zusammengesetzten, bspw. Laval-förmigen, Strömungslängsschnitt entsteht.
- In einer besonderen Ausführungsform der vorliegenden Düse ist deren Durchgangsbohrung so ausgebildet, dass sie auf konventionelle, koaxiale Bearbeitungsdüsen aufgesteckt oder aufgeschoben werden kann. Die Innenkontur der Durchgangsbohrung ist dabei im Wesentlichen an die Außenkontur der konventionellen Düse angepasst. Bei dieser Ausgestaltung lässt sich die vorliegende Düse als optional montierbares Zusatzmodul für konventionelle Vorrichtungen zur Bearbeitung oder Analyse von Oberflächen einsetzen.
- Weiterhin kann die Düse auch zusätzlich einen Ringspalt für die Zufuhr eines weiteren Mediums aufweisen, wie dies in der
DE 4402000 C2 näher erläutert ist. Bei einer aufsteck- oder aufschiebbaren Ausgestaltung der Düse, wie in Zusammenhang mit der vorangehenden Ausführungsform erläutert, kann dieser Ringspalt auch durch eine geeignete Innenkontur der vorliegenden Düse zwischen der vorliegenden und der konventionellen Düse gebildet werden. - Mit dem vorliegenden Verfahren und der zugehörigen Düse können gleichzeitig mehrere Effekte erzielt werden, die mit den bisher bekannten Verfahren oder den bei diesen Verfahren eingesetzten Düsen nicht oder nur zum Teil möglich sind. So lässt sich mit dem vorliegenden Verfahren und der zugehörigen Düse ein effektiverer Abtransport der Emissionsprodukte nahe an ihrem Entstehungsort realisieren. Die Emissionsprodukte werden dabei expandiert statt komprimiert, so dass ein Niederschlag sowie Anhaftungen auf der Werkstückoberfläche vermieden werden. Durch die Sogwirkung wird die Entgasung von Schweißkapillaren und Schmelzbädern in der Wechselwirkungszone gefördert, so dass die Porenbildung im Werkstoff vermindert wird. Durch Vermeidung von Druckkräften in der Wechselwirkungszone, die bei direkter Anströmung auftreten, wird der Bearbeitungsprozess nur minimal gestört. Das Verfahren lässt sich auch mit kostengünstigen Hilfsmedien betreiben, da eine indirekte Strömungswirkung ausgenutzt wird und somit keine direkte Beaufschlagung der zentralen Bearbeitungsstelle mit dem Hilfsmedium erfolgt. Im Gegensatz zu bekannten Querjetkonzepten führt das vorliegende Radialjetkonzept nicht zum Absaugen von Prozess- oder Schutzgas aus der Wechselwirkungszone sondern zum Ansaugen von zentral über die Durchgangsbohrung zugeführten Medien in Richtung der Wechselwirkungszone.
- Bei angepasster Gestaltung und Medienwahl lässt sich auch eine Schutzwirkung im Bereich der Wechselwirkungszone erreichen. Im Falle einer Strömung mit Strömungskomponenten auch in Richtung der Werkstück- oder Probenoberfläche kann auch die Umgebung der Wechselwirkungszone vor Umgebungsluft geschützt werden.
- Kurze Beschreibung der Zeichnungen
- Das vorliegende Verfahren sowie die zugehörige Düse werden nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit den Zeichnungen nochmals kurz erläutert. Hierbei zeigen:
-
1 ein erstes Beispiel für eine Ausgestaltung der vorliegenden Düse; und -
2 ein zweites Beispiel für eine Ausgestaltung der vorliegenden Düse. - Wege zur Ausführung der Erfindung
-
1 zeigt ein Beispiel für einen Aufbau einer Düse zur Durchführung des vorliegenden Verfahrens, wobei in diesem und dem nachfolgenden Beispiel lediglich die für die Erfindung wesentliche Düsenspitze dargestellt ist. Der Düsenkörper1 weist eine zentrale Durchgangsbohrung2 für den Durchtritt des energetischen Strahls3 , bspw. des Strahls einer Laser-, Plasma- oder Lichtbogenquelle, auf. Die Strahlachse4 dieses energetischen Strahls3 liegt im vorliegenden Beispiel auf der Längsachse5 der zentralen Durchgangsbohrung2 . Diese Durchgangsbohrung2 dient gleichzeitig einer zentralen Medienzufuhr6 , durch die bspw. Prozessgase in die Wechselwirkungszone7 an der Werkstückoberfläche8 des Werkstücks9 transportiert werden können. - Der Düsenkörper
1 weist im vorliegenden Beispiel an der dem Werkstück9 zugewandten Düsenunterseite10 einen umlaufenden Düsenaustrittsschlitz11 auf, über den ein zugeführtes Hilfsmedium im vorliegenden Beispiel radial zur Strahlachse4 bzw. Längsachse der Durchgangsbohrung5 aus der Düse austritt. Der Düsenkörper hat einen entsprechenden Anschluss12 für die Zufuhr dieses Hilfsmediums, das im Düsenkörper über einen Kesselraum13 zum Austrittsschlitz11 strömt. Durch das radial von der Strahlachse4 weg ausströmende Hilfsmedium wird ein Radialjet14 mit einer zur Werkstückoberfläche parallelen dominanten Strömungskomponente erzeugt. Durch diese Strömung werden aus der Wechselwirkungszone7 Emissionsprodukte15 abgesaugt, wie dies durch die Pfeile dargestellt ist. Diese Emissionsprodukte resultieren aus der Wechselwirkung des auf die Werkstückoberfläche8 auftreffenden energetischen Strahls3 mit dem Material der Werkstückoberfläche, insbesondere aus der dadurch hervorgerufenen schnellen Temperatur- und/oder Phasenänderung im Material. Durch den Radialjet14 wird ein schneller Abtransport dieser Emissionsprodukte15 erreicht, ohne die Wechselwirkungszone7 nennenswert zu beeinflussen. Insbesondere kommt der Radialjet14 nicht mit dieser Wechselwirkungszone7 oder dem energetischen Strahl3 in Kontakt. Die Strömungsführung wird im vorliegenden Beispiel zusätzlich durch Führungslippen16 am Austrittsschlitz11 unterstützt. Das durch die Sogwirkung abgesaugte Volumen wird durch das über die Durchgangsbohrung2 zugeführte Medium ersetzt. Die Austrittsöffnung der Durchgangsbohrung ist hierbei, wie in der Figur ersichtlich, angeschrägt bzw. abgerundet, um die Ausströmung dieses Mediums nicht zu stören. - Ein weiteres Beispiel für eine mögliche Ausgestaltung einer Düse zur Durchführung des vorliegenden Verfahrens zeigt
2 . Der Austrittsschlitz11 der Düse ist dabei über entsprechende Führungslippen16 so ausgebildet, dass die Strömung des Hilfsmediums nicht nur von der Strahlachse4 bzw. Längsachse5 der Durchgangsbohrung weg, sondern auch von der Werkstückoberfläche weg nach hinten gerichtet ist. Auch bei dieser Ausgestaltung werden Emissionsprodukte15 durch diese Strömungsführung aus der Wechselwirkungszone7 abgesaugt. Dies gilt auch für eine mögliche Ausgestaltung, bei der die Strömung durch entsprechende Gestaltung der Führungslippen parallel zur Strahlachse nach hinten gerichtet oder zur Strahlachse geneigt nach hinten gerichtet erzeugt wird. Die weiteren Komponenten der in -
2 dargestellten Düse entsprechen denen der Düse der1 , so dass hier nicht mehr näher darauf eingegangen werden muss. - Eine gemäß
1 ausgestaltete Düse wurde bereits erfolgreich und vorteilhaft beim Schweißen von Stahlwerkstoffen mit Nd:/YAG-Laserstrahlung der Leistung über 5 kW getestet. Hierbei wurden etwa 50–100 l/min Luft als Hilfsmedium eingesetzt. Die Düse wies hierbei eine Spaltweite des Düsenschlitzes11 von einigen Zehntel Millimetern auf, der Abstand der Düsenunterseite zur Werkstückoberfläche betrug einige Millimeter. Beim Durchschweißen von 10 mm dickem Baustahl wurde im Vergleich mit dem Einsatz konventioneller Querjet-Düsen eine Steigerung der Schweißgeschwindigkeit um 50% bei verbesserter Nahtqualität erzielt. Die entstehende intensive Dampffackel über der Wechselwirkungszone konnte mit dieser Düse wirkungsvoll unterdrückt werden, ohne den Schweißprozess zu stören. -
- 1
- Düsenkörper
- 2
- Durchgangsbohrung
- 3
- energetischer Strahl
- 4
- Strahlachse
- 5
- Längsachse der Durchgangsbohrung
- 6
- zentrale Medienzufuhr
- 7
- Wechselwirkungszone
- 8
- Werkstückoberfläche
- 9
- Werkstück
- 10
- Düsenunterseite
- 11
- Düsenaustrittsschlitz
- 12
- Anschluss zur Zufuhr des Hilfsmediums
- 13
- Kesselraum der Düse
- 14
- Radialjet
- 15
- umgelenkte Emissionsprodukte
- 16
- Führungslippen
Claims (22)
- Verfahren zur Bearbeitung oder Analyse eines Werkstücks (
9 ) oder einer Probe mit zumindest einem energetischen Strahl (3 ), bei dem der energetische Strahl (3 ) auf eine zu bearbeitende oder zu analysierende Stelle gerichtet und in der Umgebung der zu bearbeitenden oder zu analysierenden Stelle mit zumindest einer Düse eine gerichtete Strömung eines aus der Düse austretenden Hilfsmediums erzeugt wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Strömung des Hilfsmediums mit einer Hauptströmungskomponente von einer Strahlachse (4 ) der energetischen Strahlung (3 ) und/oder von einer Oberfläche (8 ) des Werkstücks (9 ) oder der Probe weg gerichtet erzeugt wird. - Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Strömung des Hilfsmediums mit der Hauptströmungskomponente in radialer Richtung zur Strahlachse (
4 ) und/oder in einer an der zu bearbeitenden oder zu analysierenden Stelle zur Oberfläche (8 ) parallelen Richtung erzeugt wird. - Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Strömung des Hilfsmediums rotationssymmetrisch zur Strahlachse (
4 ) erzeugt wird. - Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass als Hilfsmedium Luft oder ein inertes oder reaktionsträges Gas- oder Gasgemisch eingesetzt wird.
- Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass als Hilfsmedium eine Flüssigkeit eingesetzt wird.
- Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass ein Abstand einer Düsenaustrittsöffnung zum Werkstück (
9 ) oder der Probe und/oder ein Volumenstrom des Hilfsmediums in Abhängigkeit von einer gewünschten Sogwirkung an der zu bearbeitenden oder zu analysierenden Stelle eingestellt werden. - Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass ein weiteres flüssiges oder gasförmiges Medium im Bereich der zu bearbeitenden oder zu analysierenden Stelle auf das Werkstück (
9 ) oder die Probe geleitet wird. - Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass als weiteres Medium ein inertes oder reaktionsträges Medium oder ein reaktives, die Bearbeitung oder Analyse beeinflussendes Medium eingesetzt wird.
- Verfahren nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass ein Volumenstrom des weiteren Mediums so eingestellt wird, dass ein durch eine Sogwirkung der gerichteten Strömung des Hilfsmediums verursachtes Ansaugen von Nebenluft in Richtung der zu bearbeitenden oder zu analysierenden Stelle vermieden wird.
- Verfahren nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass eine Düse mit einer Durchgangsbohrung (
2 ) für den Durchtritt des energetischen Strahls (3 ) eingesetzt wird, bei der die Durchgangsbohrung (2 ) einen Anschluss für die Zufuhr des weiteren Mediums aufweist und bis auf eine werkstücknahe Austrittsöffnung gasdicht abgeschlossen ist, wobei ein Volumenstrom des weiteren Mediums durch die Durchgangsbohrung (2 ) so eingestellt wird, dass eine Unterdruckbildung in der Durchgangsbohrung (2 ) zumindest vermieden wird. - Düse zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 10 mit einem Düsenkörper (
1 ) mit einer Durchgangsbohrung (2 ) für den Durchtritt des energetischen Strahls (3 ) und ein oder mehreren Austrittsöffnungen (11 ) für ein über den Düsenkörper (1 ) zuführbares Hilfsmedium, dadurch gekennzeichnet, dass die ein oder mehreren Austrittsöffnungen (11 ) so ausgebildet und angeordnet sind, dass das Hilfsmedium mit einer Hauptströmungskomponente von einer Längsachse (5 ) der Durchgangsbohrung (2 ) und/oder von einer auf einer Austrittsseite (10 ) der Düse liegenden und senkrecht zur Längsachse (5 ) der Durchgangsbohrung (2 ) orientierten Hilfsebeneebene weg gerichtet aus den Austrittsöffnungen (11 ) austritt. - Düse nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die ein oder mehreren Austrittsöffnungen (
11 ) so ausgebildet und angeordnet sind, dass das Hilfsmedium mit der Hauptströmungskomponente in radialer Richtung zur Längsachse (5 ) der Durchgangsbohrung (2 ) aus den Austrittsöffnungen (11 ) austritt. - Düse nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass die ein oder mehreren Austrittsöffnungen (
11 ) radialsymmetrisch um die Längsachse (5 ) der Durchgangsbohrung (2 ) angeordnet sind. - Düse nach einem der Ansprüche 11 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die ein oder mehreren Austrittsöffnungen (
11 ) im Bereich einer Austrittsseite (10 ) der energetischen Strahlung (3 ) in einer äußeren, der Durchgangsbohrung (2 ) abgewandten Düsenwand ausgebildet sind. - Düse nach einem der Ansprüche 11 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die ein oder mehreren Austrittsöffnungen (
11 ) als ein oder mehrere Schlitze oder Bohrungen ausgebildet sind. - Düse nach einem der Ansprüche 11 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass die ein oder mehreren Austrittsöffnungen (
11 ) mit Führungslippen (16 ) zur Beeinflussung der austretenden Strömung versehen sind. - Düse nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass einer Bearbeitungsebene näher liegende Führungslippen (
16 ) in radialer Richtung weiter hinausragen als von der Bearbeitungsebene weiter entfernt liegende Führungslippen (16 ). - Düse nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass von einer Bearbeitungsebene weiter entfernt liegende Führungslippen (
16 ) in radialer Richtung weiter hinausragen als der Bearbeitungsebene näher liegende Führungslippen (16 ). - Düse nach einem der Ansprüche 16 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass die Führungslippen (
16 ) eine Kontur aufweisen, durch die innerhalb und/oder außerhalb des Düsenkörpers (1 ) eine Strömung mit einem divergenten, konvergenten oder aus beiden kombinierten Strömungslängsschnitt entsteht. - Düse nach einem der Ansprüche 11 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass die Durchgangsbohrung (
2 ) seitliche Eintrittsöffnungen aufweist. - Düse nach einem der Ansprüche 11 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass die Durchgangsbohrung (
2 ) einen Anschluss für die Zufuhr eines weiteren Mediums aufweist. - Düse nach einem der Ansprüche 11 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass die Durchgangsbohrung (
2 ) einen Anschluss für die Zufuhr eines weiteren Mediums aufweist und bis auf eine werkstücknahe Austrittsöffnung gasdicht abgeschlossen ist.
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