DE102013214551B4 - Wire nozzle and method for laser joining with filler wire with tactile wire guide - Google Patents
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Abstract
Drahtdüse, eingerichtet zum Zuführen eines Zusatzdrahts in einem Laserfügeverfahren mit taktiler Drahtführung, mit:- einem Düsenkörper (12) mit einer Längsachse (14),- einem Kanal (100; 100A), der in dem Düsenkörper (12) entlang der Längsachse (14) ausgebildet ist,- wobei der Kanal (100; 100A) in Richtung eines Drahtdurchlaufs (20) zumindest einen ersten konisch verjüngten Abschnitt (142; 142A) aufweist, der in einem mittleren Bereich des Kanals (100; 100A) endet,- wobei der Kanal (100; 100A) einen Drahtführungsbereich (150) aufweist, der in Drahtdurchlaufrichtung (20) hinter dem ersten konisch verjüngten Bereich (142; 142A) angeordnet ist.Wire nozzle, set up for feeding an additional wire in a laser joining process with tactile wire guidance, with: - a nozzle body (12) with a longitudinal axis (14), - a channel (100; 100A) which is in the nozzle body (12) along the longitudinal axis (14 ) is formed, - wherein the channel (100; 100A) has at least a first conically tapered section (142; 142A) in the direction of a wire passage (20), which ends in a central region of the channel (100; 100A), - wherein the Channel (100; 100A) has a wire guide area (150) which is arranged behind the first conically tapered area (142; 142A) in the wire travel direction (20).
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Drahtdüse sowie ein Verfahren zum Laserfügen mit Zusatzdraht mit taktiler Draht-führung. Bei Laserfügeverfahren, wie z.B. Laserschweißverfahren oder Laserlötverfahren, ist es häufig erwünscht bzw. notwendig, einen Zusatzwerkstoff zuzuführen. Dieser kann der Fügestelle beispielsweise in Form eines Zusatzdrahts, wie z.B. einem Schweißdraht oder Lotdraht, zugeführt werden.The present invention relates to a wire nozzle and a method for laser joining with filler wire with tactile wire guidance. In laser joining processes, such as laser welding processes or laser soldering processes, it is often desirable or necessary to add an additional material. This can be supplied to the joint, for example in the form of an additional wire, such as a welding wire or solder wire.
Hierzu wird z.B. ein Drahtzuführsystem verwendet, das den Draht abwickelt und zum gewünschten Einsatzort leitet. Das Drahtzuführsystem kann beispielsweise mindestens eine Drahtfördereinrichtung, eine Zuführeinrichtung, wie z.B. einen Schlauch oder ein Rohr, und einen Drahtführungskopf auf und kann z.B. ein push-push System sein. Der Drahtführungskopf weist zudem eine Drahtdüse auf, durch die der Draht hindurchgeleitet wird. An der Vorderseite der Drahtdüse tritt der Draht aus um der Fügestelle zugeführt zu werden.For this purpose, for example, a wire feed system is used that unwinds the wire and guides it to the desired location. The wire feed system can, for example, have at least one wire conveyor, a feed device, such as a hose or a tube, and a wire guide head and can be, for example, a push-push system. The wire guide head also has a wire nozzle through which the wire is guided. The wire emerges from the front of the wire nozzle to be fed to the joint.
Des Weiteren kann der Drahtführungskopf eine Gasdüse aufweisen. Diese kann z.B. außen um die Drahtdüse angeordnet sein und dazu dienen, rund um den Zusatzdraht ein Schutzgas ausströmen zu lassen. Hierdurch kann die Schmelzstelle vollständig mit Schutzgas bedeckt werden.Furthermore, the wire guide head can have a gas nozzle. This can, for example, be arranged on the outside of the wire nozzle and serve to allow a protective gas to flow out around the additional wire. This allows the melting point to be completely covered with protective gas.
An der Schmelzstelle entstehen während des Fügeverfahrens Dämpfe und Spritzer. Die Dämpfe können im Laufe des Betriebs zu Ablagerungen an der Drahtdüse führen und diese unbrauchbar machen. Ebenso kommt es durch den Vorschub des Drahts durch die Düse zu Abrieb, der sich in der Düse festsetzen kann. Hierdurch kann es zu Durchlaufstörungen und damit zu Prozessfehlern oder Anlagenstillständen kommen. Die Zeit, welche eine Drahtdüse genutzt werden kann, bis sie ausgetauscht werden muss, bezeichnet man auch als Standzeit. Geringe Standzeiten der Drahtdüsen bedeuten sowohl hohe Materialkosten, als auch hohe Verfahrenskosten, da das Fügeverfahren zum Auswechseln der Drahtdüsen unterbrochen werden muss.Fumes and spatters arise at the melting point during the joining process. During operation, the fumes can lead to deposits on the wire nozzle and make it unusable. Likewise, the feed of the wire through the nozzle causes abrasion that can become lodged in the nozzle. This can lead to flow disruptions and thus to process errors or system downtimes. The time that a wire nozzle can be used before it needs to be replaced is also known as its service life. Short service lives of the wire nozzles mean both high material costs and high process costs, since the joining process has to be interrupted to replace the wire nozzles.
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Daher ist es Aufgabe der Erfindung eine Drahtdüse anzugeben, die eine möglichst hohe Standzeit aufweist und gleichzeitig einfach und preiswert in der Herstellung ist und die sich schnell und mit geringem Aufwand montieren lässt. Weiterhin soll ein zuverlässiges und kostengünstiges Verfahren zum Zuführen eines Zusatzdrahts zu einem Laserfügeverfahren angegeben werden.It is therefore the object of the invention to provide a wire nozzle which has the longest possible service life and at the same time is simple and inexpensive to produce and which can be assembled quickly and with little effort. Furthermore, a reliable and cost-effective method for feeding a filler wire to a laser joining process should be specified.
Zu diesem Zwecke sieht die Erfindung eine Drahtdüse gemäß Patentanspruch 1 und ein Verfahren gemäß Patentanspruch 11 vor.For this purpose, the invention provides a wire nozzle according to claim 1 and a method according to claim 11.
Bezüglich der Vorrichtung wird die Aufgabe der Erfindung gelöst durch eine Drahtdüse mit einem Düsenkörper mit einer Längsachse. Ein Kanal ist in dem Düsenkörper entlang der Längsachse ausgebildet. Der Kanal weist in Richtung eines Drahtdurchlaufs zumindest einen ersten konisch verjüngten Abschnitt auf, der in einem mittleren Bereich des Kanals endet.With regard to the device, the object of the invention is achieved by a wire nozzle with a nozzle body with a longitudinal axis. A channel is formed in the nozzle body along the longitudinal axis. The channel has at least a first conically tapered section in the direction of a wire passage, which ends in a central region of the channel.
Hierbei wird von der Überlegung ausgegangen, dass es für Laserfügeverfahren lediglich einer Führung des Drahtes, nicht aber einer elektrischen Kontaktierung des Drahtes bedarf. Durch die besondere Ausgestaltung des Kanals, insbesondere durch die im mittleren Bereich des Kanals angeordnete konische Verjüngung, wird die Kontaktfläche zwischen Draht und Kanalwand minimiert, wodurch der Abrieb im Kanal erheblich reduziert werden kann, während die Positionierbarkeit des Drahtes erhalten bleibt. Hierdurch können Drahtdüsen mit langen Standzeiten bereitgestellt werden. Es kommt zu weniger Drahtlaufstörungen, wodurch die Anlagenverfügbarkeit erhöht und die Fehlerzahl reduziert wird. Die Kanalgeometrie ist zudem leicht umzusetzen und ermöglicht so eine preiswerte Fertigung der Drahtdüse. Insbesondere ermöglicht es die Kanalgeometrie Drahtdüsen herzustellen, die in den Außenabmessungen mit herkömmlichen Drahtdüsen übereinstimmen und so mit einer Vielzahl von Drahtzuführsystemen kompatibel sind.This is based on the idea that laser joining processes only require guiding the wire, but not electrical contacting of the wire. Due to the special design of the channel, in particular due to the conical taper arranged in the middle area of the channel, the contact area between the wire and the channel wall is minimized, whereby the abrasion in the channel can be significantly reduced while the positionability of the wire is maintained. This makes it possible to provide wire nozzles with a long service life. There are fewer wire running problems, which increases system availability and reduces the number of errors. The channel geometry is also easy to implement and thus enables inexpensive production of the wire nozzle. In particular, the channel geometry makes it possible to produce wire nozzles that have the same external dimensions as conventional wire nozzles and are therefore compatible with a variety of wire feed systems.
Der Düsenkörper der Drahtdüse ist vorzugsweise ein langgestreckter Körper, der entlang seiner Längsachse vollständig von dem Kanal durchdrungen wird, d.h. der Kanal erstreckt sich von einer Eintrittsöffnung am hinteren Ende des Düsenkörpers, wo der Zusatzdraht im Betrieb eingeführt wird bis zu einer Austrittsöffnung am vorderen Ende des Düsenkörpers, wo der Draht die Drahtdüse verlässt. Der Düsenkörper kann aus verschiedenen Materialien ausgebildet sein, z.B. kann er aus einem Metall oder einer Metalllegierung, einem keramischen Material oder einem Kunststoff bestehen. Als typische metallische Materialien kommen u.a. z.B. Hartmetalle, Kupfer oder Kupferlegierungen in Frage. Der Düsenkörper kann alternativ auch aus einem Verbundmaterial bestehen, z.B. einem Kern aus einer Kupferlegierung mit einer Härte von 165 +/- 10 HV1 und einem den Kern umgebenden Mantel einer weiteren Kupferlegierung mit einer Härte von 115 +/- 10 HV1.The nozzle body of the wire nozzle is preferably an elongated body which is completely penetrated by the channel along its longitudinal axis, that is to say the channel extends from an inlet opening at the rear end of the nozzle body, where the additional wire is inserted during operation, to an outlet opening at the front end of the Nozzle body where the wire leaves the wire nozzle. The Nozzle body can be made of different materials, for example it can consist of a metal or a metal alloy, a ceramic material or a plastic. Typical metallic materials include hard metals, copper or copper alloys. The nozzle body can alternatively also consist of a composite material, for example a core made of a copper alloy with a hardness of 165 +/- 10 HV1 and a jacket surrounding the core of a further copper alloy with a hardness of 115 +/- 10 HV1.
Der Draht wird durch den Kanal der Drahtdüse geführt und mithilfe der Drahtdüse über der Fügestelle positioniert. Vorzugsweise weist der Kanal einen kreisförmigen Querschnitt auf. Der Kanal kann rotationssymetrisch zu der Längsachse angeordnet sein. Der Kanal ist als geschlossener Kanal ausgebildet, d.h. quer zur Längsachse ist der Kanal von einer Kanalwand umgeben. Der Kanal ist in zwei Bereiche unterteilt: den Drahteinlaufbereich, der an die Eintrittsöffnung angrenzt und den Drahtführungsbereich, der an die Austrittsöffnung angrenzt. Die Gesamtlänge des Kanals ergibt sich aus dem Abstand zwischen Eintrittsöffnung und Austrittsöffnung. Der Draht verläuft vorzugsweise unmittelbar durch den Kanal, d.h. es sind sowohl im Drahtführungsbereich als auch im Drahteinlaufbereich keine weiteren Vorrichtungen zwischen Kanalwand und Draht vorgesehen. Insbesondere erfolgt keine Zwangskontaktierung zwischen Draht und Kanalwand.The wire is guided through the channel of the wire nozzle and positioned over the joint using the wire nozzle. The channel preferably has a circular cross section. The channel can be arranged rotationally symmetrically to the longitudinal axis. The channel is designed as a closed channel, i.e. the channel is surrounded by a channel wall transversely to the longitudinal axis. The channel is divided into two areas: the wire inlet area, which is adjacent to the inlet opening, and the wire guide area, which is adjacent to the outlet opening. The total length of the channel results from the distance between the inlet opening and the outlet opening. The wire preferably runs directly through the channel, i.e. no further devices are provided between the channel wall and the wire in either the wire guide area or the wire inlet area. In particular, there is no forced contact between the wire and the channel wall.
Der Drahteinlaufbereich dient zur Aufnahme des Drahts von einer Drahtzuführeinrichtung. Der Drahteinlaufbereich weist im Bereich der Eintrittsöffnung z.B. einen Durchmesser auf, der ein Vielfaches des Durchmessers des zu verwendenden Drahtes beträgt, z.B. das dreifache oder mehr. Der Drahteinlaufbereich erstreckt sich bis in einen mittleren Bereich des Kanals bzw. der Drahtdüse. Als mittlerer Bereich wird hierbei ein Bereich bezeichnet, der - in Längsrichtung des Kanals betrachtet - die mittleren 50 Prozent (%) des Kanals ausmacht, also der Bereich des Kanals, der sowohl 25% der Gesamtlänge des Kanals von der Eintrittsöffnung als auch von der Austrittsöffnung entfernt ist.The wire inlet area is used to receive the wire from a wire feed device. The wire inlet area has a diameter in the area of the inlet opening, for example, which is a multiple of the diameter of the wire to be used, for example three times or more. The wire inlet area extends into a central area of the channel or the wire nozzle. The middle area is defined as an area that - viewed in the longitudinal direction of the channel - makes up the middle 50 percent (%) of the channel, i.e. the area of the channel that covers both 25% of the total length of the channel from the inlet opening and from the outlet opening is removed.
Der Drahteinlaufbereich kann sich vorzugsweise über mindestens 30 Prozent (%) der Gesamtlänge L des Kanals erstrecken, oder z.B. über mindestens 35% oder mindestens 40% der Gesamtkanallänge. Zusätzlich kann sich der Drahteinlaufbereich z.B. über maximal 50% der Gesamtkanallänge erstrecken. Die Länge des Drahteinlaufbereichs kann vorzugsweise z.B. mindestens 8,5 mm betragen.The wire inlet area can preferably extend over at least 30 percent (%) of the total length L of the channel, or for example over at least 35% or at least 40% of the total channel length. In addition, the wire inlet area can, for example, extend over a maximum of 50% of the total channel length. The length of the wire inlet area can preferably be at least 8.5 mm, for example.
Der erste konisch verjüngte Abschnitt des Kanals bildet das Ende des Drahteinlaufbereichs. Daran schließt sich unmittelbar der Drahtführungsbereich an und erstreckt sich bis zum vorderen Ende der Drahtdüse. Die konische Verjüngung ist in Richtung des Drahtdurchlaufs ausgebildet, d.h. der Durchmesser des Kanals verjüngt sich konisch auf einen Durchmesser im Drahtführungsbereich.The first tapered section of the channel forms the end of the wire inlet area. This is immediately followed by the wire guide area and extends to the front end of the wire nozzle. The conical taper is designed in the direction of the wire passage, i.e. the diameter of the channel tapers conically to a diameter in the wire guide area.
In einer Ausgestaltung mit besonders guter Positioniergenauigkeit des Drahtes weist der Drahtführungsbereich eine Länge zwischen 50 Prozent und 75 Prozent der Gesamtlänge des Kanals auf. Diese Ausgestaltung ermöglicht eine genaue Positionierung des Drahtes ohne die Standzeit der Düse nennenswert zu verschlechtern.In an embodiment with particularly good positioning accuracy of the wire, the wire guide area has a length between 50 percent and 75 percent of the total length of the channel. This configuration enables precise positioning of the wire without significantly impairing the service life of the nozzle.
Der Drahtführungsbereich dient zur Führung und Positionierung des Drahtes. Um eine ausreichend genaue Positionierung des Drahtes zu ermöglichen, ist der Querschnitt des Kanals im Drahtführungsbereich geringer als an der Eintrittsöffnung, z.B. beträgt der Durchmesser des Kanals maximal das 1,5-fache oder maximal das 1,2-fache des Durchmessers des zu führenden Drahtes. Im Drahtführungsbereich hat der Kanal einen im Wesentlichen gleichbleibenden Querschnitt, d.h. der Durchmesser des Kanals ändert sich im Drahtführungsbereich um z.B. weniger als 30% oder weniger als 20%. Zusätzlich kann jedoch der Kanal an der Austrittsöffnung, z.B. bedingt durch ein Entgraten, eine trichterförmige Querschnittserweiterung aufweisen.The wire guide area is used to guide and position the wire. In order to enable sufficiently precise positioning of the wire, the cross section of the channel in the wire guide area is smaller than at the inlet opening, e.g. the diameter of the channel is a maximum of 1.5 times or a maximum of 1.2 times the diameter of the wire to be guided . In the wire guide area, the channel has a substantially constant cross section, i.e. the diameter of the channel changes in the wire guide area by, for example, less than 30% or less than 20%. In addition, however, the channel at the outlet opening can have a funnel-shaped cross-sectional expansion, for example due to deburring.
In einer Ausgestaltung grenzt der erste konisch verjüngte Abschnitt an die Eintrittsöffnung an, d.h. der erste konisch verjüngte Abschnitt erstreckt sich über den gesamten Drahteinlaufbereich des Kanals, also vom Drahtführungsbereich bis zur Eintrittsöffnung. Hierdurch bildet die Kanalwand die Form eines Einführtrichters aus, der ein besonders abriebarmen Einlauf des Drahtes ermöglicht. Auch ist die Ausbildung eines solchen Drahteinlaufbereichs in nur einem Arbeitsschritt möglich.In one embodiment, the first conically tapered section adjoins the inlet opening, i.e. the first conically tapered section extends over the entire wire inlet area of the channel, i.e. from the wire guide area to the inlet opening. As a result, the channel wall forms the shape of an insertion funnel, which enables the wire to be fed in with particularly low abrasion. It is also possible to create such a wire inlet area in just one step.
In einer weiteren Ausgestaltung weist der Kanal weiterhin zumindest einen zweiten konisch verjüngten Abschnitt, der in Drahtdurchlaufrichtung vor dem ersten konisch verjüngten Abschnitt angeordnet ist, und zumindest einen ersten zylindrischen Abschnitt auf, der den ersten konisch verjüngten Abschnitt mit dem zweiten konisch verjüngten Abschnitt verbindet. Die Verjüngung des Kanalquerschnitts im Drahteinlaufbereich erfolgt also in mindestens zwei Abschnitten, zwischen denen ein zylindrischer Kanalabschnitt ausgebildet ist. In dem zylindrischen Kanalabschnitt kann sich entstehender Abrieb problemlos sammeln, ohne die Funktionsfähigkeit der Düse zu beeinträchtigen. Hierzu kann der erste zylindrische Abschnitt z.B. vorzugsweise eine Länge von mindestens 2,5 mm auf. Alternativ kann der erste zylindrische Abschnitt auch eine Länge von mindestens 3 mm aufweisen.In a further embodiment, the channel further has at least a second conically tapered section, which is arranged in front of the first conically tapered section in the direction of wire passage, and at least a first cylindrical section which connects the first conically tapered section with the second conically tapered section. The taper of the channel cross section in the wire inlet area therefore takes place in at least two sections, between which a cylindrical channel section is formed. The resulting abrasion can easily collect in the cylindrical channel section without impairing the functionality of the nozzle. For this purpose, the first cylindrical section can preferably, for example a length of at least 2.5 mm. Alternatively, the first cylindrical section can also have a length of at least 3 mm.
Durch das Anordnen eines zweiten zylindrischen Abschnitts vor dem zweiten konisch verjüngten Abschnitt und angrenzend an diesen, wird ein weiterer Kanalabschnitt zur Sammlung von Abrieb vorgesehen.By arranging a second cylindrical section in front of and adjacent to the second tapered section, a further channel section is provided for collecting debris.
In weiteren Ausgestaltungen können eine Vielzahl von konisch verjüngten und zylindrischen Abschnitten abwechselnd im Drahteinlaufbereich vorgesehen sein, z.B. jeweils drei oder jeweils vier konisch verjüngte oder zylindrische Abschnitte.In further embodiments, a plurality of conically tapered and cylindrical sections can be provided alternately in the wire inlet area, for example three or four conically tapered or cylindrical sections each.
Vorzugsweise ist die Drahtdüse einstückig ausgebildet. Hierdurch sinken die Produktionskosten sowie die Montagezeit im Vergleich zu einer mehrteiligen Drahtdüse.The wire nozzle is preferably formed in one piece. This reduces production costs and assembly time compared to a multi-part wire nozzle.
Die Kanalwand der Drahtdüse ist in dem ersten konisch verjüngten Abschnitt um einen Winkel α gegenüber der Längsachse der Drahtdüse geneigt. Der Winkel α liegt in einer Ausgestaltung vorzugsweise im Bereich von 6 bis 25 Grad und kann z.B. im Bereich von 6 bis 20 Grad oder 6 bis 15 Grad liegen. Durch die Ausprägung der konischen Verjüngung in diesem Winkelbereich kann der Abrieb des Drahtes weiter reduziert werden und gleichzeitig ein Abtransport des Abriebs vom Entstehungsort sichergestellt werden.The channel wall of the wire nozzle is inclined in the first conically tapered section at an angle α relative to the longitudinal axis of the wire nozzle. In one embodiment, the angle α is preferably in the range of 6 to 25 degrees and can, for example, be in the range of 6 to 20 degrees or 6 to 15 degrees. By developing the conical taper in this angular range, the abrasion of the wire can be further reduced and at the same time the removal of the abrasion from the place of origin can be ensured.
In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung weist die Drahtdüse einen ersten und einen zweiten konisch verjüngten Abschnitt und einen ersten und zweiten zylindrischen Abschnitt - wie voranstehend beschrieben - im Drahteinlaufbereich auf, wobei die Kanalwand im Bereich des ersten konisch verjüngten Abschnitts um einen Winkel im Bereich von 15 Grad bis 25 Grad gegenüber der Längsachse geneigt ist und der Drahtführungsabschnitt eine Länge im Bereich von 16 mm bis 21 mm aufweist. In dieser Ausgestaltung konnte überraschender Weise eine unerwartet große Verlängerung der Standzeit der Drahtdüse um den Faktor 3,6 erzielt werden.In a particularly advantageous embodiment, the wire nozzle has a first and a second conically tapered section and a first and second cylindrical section - as described above - in the wire inlet area, the channel wall in the area of the first conically tapered section being at an angle in the range of 15 degrees is inclined up to 25 degrees relative to the longitudinal axis and the wire guide section has a length in the range of 16 mm to 21 mm. In this embodiment, it was surprisingly possible to achieve an unexpectedly large extension of the service life of the wire nozzle by a factor of 3.6.
Eine besonders gute Führung des Drahtes ergibt sich, wenn der Drahtführungsabschnitt eine Länge von mindestens 16 mm aufweist.The wire is guided particularly well if the wire guide section has a length of at least 16 mm.
In einer Ausgestaltung weist der Kanal, in Drahtdurchlaufrichtung betrachtet, am Ende des ersten konisch verjüngten Abschnitts einen minimalen Durchmesser auf und der Durchmesser des Kanals hinter dem ersten konisch verjüngten Abschnitt vergrößert sich entlang der Längsachse in Drahtdurchlaufrichtung. Somit weist der Kanal an der Grenze zwischen Drahteinlaufbereich und Drahtführungsbereich den minimalen Durchmesser auf. Beispielsweise erweitert sich der Querschnitt des Kanals im Drahtführungsbereich konisch entlang der Drahtführungsrichtung. Bei dieser Ausgestaltung entsteht der Abrieb hauptsächlich am Anfang des Drahtführungsbereichs. Somit gelangt weniger Abrieb in den Drahtführungsbereich, sondern sammelt sich stattdessen in dem konischen verjüngten Abschnitt unmittelbar vor dem Drahtführungsbereich.In one embodiment, the channel, viewed in the direction of wire passage, has a minimum diameter at the end of the first conically tapered section and the diameter of the channel behind the first conically tapered section increases along the longitudinal axis in the direction of wire passage. The channel therefore has the minimum diameter at the boundary between the wire inlet area and the wire guide area. For example, the cross section of the channel in the wire guide area widens conically along the wire guide direction. In this configuration, the abrasion occurs mainly at the beginning of the wire guide area. Thus, less abrasion enters the wire guide area, but instead collects in the conical tapered section immediately in front of the wire guide area.
Bezüglich des Verfahrens wird die Aufgabe der Erfindung dadurch gelöst, dass der Zusatzdraht durch eine voranstehend beschriebene Drahtdüse geführt und einer Fügestelle zugeleitet wird. Hierbei kommen dem Verfahren die technischen Wirkungen und Vorteile der Vorrichtung zugute, u.a. der verringerte Abrieb des Drahtes bei gleichzeitiger guter Positionierbarkeit, sowie die verringerten Kosten durch eine preiswert herzustellende und auszutauschende Drahtdüse.With regard to the method, the object of the invention is achieved in that the additional wire is guided through a wire nozzle described above and fed to a joining point. The process benefits from the technical effects and advantages of the device, including the reduced abrasion of the wire with simultaneous good positioning, as well as the reduced costs due to a wire nozzle that is inexpensive to produce and replace.
Die erfindungsgemäße Drahtdüse kann für Laserschweiß- und lötverfahren verwendet werden, insbesondere mit Kaltdrahtzuführung. Die Drahtdüse eignet sich insbesondere für das Laserfügen von z.B. Stahlwerkstoffen oder Aluminium. Die erfindungsgemäße Drahtdüse ist eingerichtet um bei Laserfügeverfahren mit taktiler Drahtführung verwendet zu werden.The wire nozzle according to the invention can be used for laser welding and soldering processes, especially with cold wire feeding. The wire nozzle is particularly suitable for laser joining of steel materials or aluminum, for example. The wire nozzle according to the invention is designed to be used in laser joining processes with tactile wire guidance.
In einer Ausgestaltung wird während des Fügeverfahrens durch den Kanal der Drahtdüse ein Prozessgas geführt. Bei dem Prozessgas kann es sich um ein Schutzgas handeln, wie z.B. Argon oder Helium oder um Mischgase mit z.B. Argon- und/oder Heliumanteil. Alternativ kann auch Luft durch den Kanal der Düse geleitet werden. Durch das zeitgleiche Durchleiten von Draht und Prozessgas durch den Kanal wird der Abrieb weiter vermindert, weil sich das Prozessgas wie ein Luftkissen zwischen Kanalwand und Draht legt. Darüber hinaus wird der entstehenden Abrieb zusammen mit dem Prozessgas aus dem Kanal ausgeblasen. Weiterhin werden beim Fügeprozess anfallende Dämpfe und Spritzer von der Düse ferngehalten.In one embodiment, a process gas is passed through the channel of the wire nozzle during the joining process. The process gas can be a protective gas, such as argon or helium, or mixed gases with, for example, argon and/or helium content. Alternatively, air can also be passed through the nozzle channel. By passing wire and process gas through the channel at the same time, abrasion is further reduced because the process gas lies like an air cushion between the channel wall and the wire. In addition, the resulting abrasion is blown out of the channel together with the process gas. Furthermore, vapors and splashes generated during the joining process are kept away from the nozzle.
Die oben beschriebenen Eigenschaften, Merkmale und Vorteile dieser Erfindung sowie die Art und Weise, wie diese erreicht werden, werden klarer und deutlicher verständlich im Zusammenhang mit der folgenden Beschreibung der Ausführungsbeispiele. Sofern in dieser Anmeldung der Begriff „kann“ verwendet wird, handelt es sich sowohl um die technische Möglichkeit als auch um die tatsächliche technische Umsetzung.The characteristics, features and advantages of this invention described above and the manner in which they are achieved will be more clearly and clearly understood in connection with the following description of the exemplary embodiments. If the term “can” is used in this application, it refers to both the technical possibility and the actual technical implementation.
Im Folgenden werden Ausführungsbeispiele anhand der beiliegenden Zeichnungen erläutert. Darin zeigen:
-
1 : einen Längsschnitt durch eine Drahtdüse gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung -
2 : eine Rückansicht der Drahtdüse entlang der Längsachse gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel -
3 : einen Längsschnitt durch eine Drahtdüse gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung
-
1 : a longitudinal section through a wire nozzle according to a first embodiment of the present invention -
2 : a rear view of the wire nozzle along the longitudinal axis according to the first exemplary embodiment -
3 : a longitudinal section through a wire nozzle according to a second embodiment of the present invention
Im Betrieb wird durch den Kanal 100 ein Zusatzdraht geführt, wobei dieser an der Eintrittsöffnung 110 in die Drahtdüse 10 eintritt und diese an der Austrittsöffnung 120 verlässt. Die Drahtdurchlaufrichtung ist durch einen Pfeil 20 angedeutet. Der Draht wird über eine (nicht dargestellte) Drahtzuführeinrichtung zur Drahtdüse transportiert. Am hinteren Ende 16 der Drahtdüse 10 ist ein Außengewinde 22 vorgesehen. Hiermit kann die Drahtdüse 10 z.B. an einem Drahtführungskopf oder einer Drahtzuführeinrichtung befestigt werden. Das Außengewinde ist vorzugsweise ein metrisches Gewinde, z.B. ein M6, M8 oder M10 Gewinde. Zur Montage weist die Drahtdüse 10 an der Außenfläche des Düsenkörpers 12 zwei Schlüsselflächen 24 auf. Diese Schlüsselflächen sind Abflachungen im Außenprofil der Drahtdüse und verlaufen vorzugsweise parallel zur Längsachse 14. Die Schlüsselflächen 24 dienen als Ansatzflächen eines Werkzeugs zur Montage der Drahtdüse in dem Drahtführungskopf bzw. an der Drahtzuführeinrichtung. Die Außenfläche des Düsenkörpers 12 ist zum vorderen Ende 18 hin konisch verjüngt. Hierdurch ergibt sich eine bessere Gasführung, wenn an der Außenfläche der Drahtdüse ein Prozessgas vorbeigeführt werden soll.During operation, an additional wire is guided through the
Wie in
Der zweite zylindrische Abschnitt 148 grenzt z.B. unmittelbar an die Eintrittsöffnung 110 an. Alternativ kann zwischen zylindrischem Abschnitt 148 und Eintrittsöffnung 110 noch eine (nicht dargestellte) querschnittserweiternde Abschrägung der Kanalwand vorgesehen sein, die z.B. fertigungstechnisch durch Entgraten bedingt ist. Im zweiten zylindrischen Abschnitt 148 hat der Kanal 100 einen ersten Durchmesser D1. Der Durchmesser des Kanals 100 verringert sich im zweiten konisch verjüngten Abschnitt 146 auf einen zweiten Durchmesser D2 des ersten zylindrischen Abschnitts 144. Im ersten konisch verjüngten Abschnitt 142 verringert sich der Durchmesser des Kanals 100 auf einen Drahtführungsdurchmesser D3. Der Drahtführungsdurchmesser D3 ist vorzugsweise der kleinste Durchmesser des Kanals 100 der Drahtdüse 10.The second
An den ersten konisch verjüngten Abschnitt 142 grenzt, in Drahtführungsrichtung betrachtet, der Drahtführungsabschnitt 150 des Kanals 100 unmittelbar an, der sich bis zur Austrittsöffnung 120 erstreckt. Der Drahtführungsabschnitt 150 weist, angrenzend an den ersten konisch verjüngten Abschnitt 142, den Drahtführungsdurchmesser D3 auf. Der erste konisch verjüngte Abschnitt 142 reduziert somit den Durchmesser des Kanals 100 auf den zur Drahtführung vorgesehenen Durchmesser. Der Drahtführungsabschnitt 150 kann auf der gesamten Länge den Drahtführungsdurchmesser D3 aufweisen. In diesem Fall ist der Kanal 100 im Drahtführungsabschnitt 150 zylindrisch ausgebildet. Alternativ kann sich der Durchmesser des Kanals 100 im Drahtführungsabschnitt 150, wie in
Die Abmessungen der Drahtdüse 10 sind von den verwendeten Drahtdurchmessern und anlagenseitigen Anforderungen abhängig und können entsprechend variieren.The dimensions of the
Der Drahteinlaufbereich 140 kann sich beispielsweise über mindestens 30 Prozent (%) der Gesamtlänge L des Kanals 100 erstrecken, oder z.B. über mindestens 35% oder mindestens 40% der Gesamtkanallänge. Zusätzlich kann sich der Drahteinlaufbereich 140 z.B. über maximal 50% der Gesamtkanallänge L erstrecken. Die Länge des Drahteinlaufbereichs kann vorzugsweise z.B. mindestens 8,5 mm betragen.The
Entsprechend kann sich der Drahtführungsbereich über mindestens 50% der Gesamtkanallänge L erstrecken. Vorzugsweise hat der Drahtführungsbereich z.B. eine Länge L2 von mindestens 16 mm, alternativ kann der Drahtführungsbereich auch z.B. eine Länge im Bereich von 16 mm bis 21 mm aufweisen.Accordingly, the wire guide area can extend over at least 50% of the total channel length L. Preferably, the wire guide area has, for example, a length L2 of at least 16 mm, alternatively, the wire guide area can also, for example, have a length in the range of 16 mm to 21 mm.
In dem an den Drahtführungsbereich 150 angrenzenden ersten konisch verjüngten Abschnitt 142 verläuft die Kanalwand unter einem Winkel α gegenüber der Längsachse 14 der Drahtdüse 10. Der Winkel α ist somit ein Maß für die Verjüngung des Durchmessers - je geringer α ist, umso flacher ist die Neigung des ersten konisch verjüngten Abschnitts 142 hin zur Längsachse 14. Der Winkel α kann im ersten konisch verjüngten Abschnitt 142 z.B. einen Wert im Bereich von 6 Grad bis 25 Grad aufweisen. Beispielsweise kann der Winkel α auch einen Wert im Bereich von 6 Grad bis 20 Grad oder 6 Grad bis 15 Grad aufweisen.In the first conically tapered
Der erste zylindrische Abschnitt 144 kann sich vorzugsweise um eine Strecke L1 entlang der Längsachse 14 erstrecken, wobei L1 z.B. einen Wert im Bereich von 2,1 mm bis 5 mm oder 3 mm bis 5 mm aufweisen kann. Alternativ kann L1 auch größer als 5 mm sein.The first
Beispielsweise kann die Drahtdüse folgende Maße aufweisen: Die Länge L des Kanals 100 bzw. der Drahtdüse 10 kann z.B. 20 mm bis 32 mm betragen. Der erste Durchmesser D1 kann z.B. 3,5 mm bis 5 mm betragen, der zweite Durchmesser D2 z.B. 1,6 mm bis 3 mm, der Drahtführungsdurchmesser D3 z.B. 0,9 mm bis 1,6 mm und der vierte Durchmesser D4 z.B. 1,0 bis 1,7 mm. Diese Durchmesser eignen sich besonders für Zusatzdrähte mit einem Durchmesser von 0,8 mm bis 1,4 mm. In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel weist eine Drahtdüse, die für einen Drahtdurchmesser von 1,2 mm konzipiert ist, folgende Maße auf: L=28 mm, L1=3 mm, D1=4,3 mm, D2=2 mm, D3 =1,3 mm, D4=1,5 mm, jeweils mit einer Fertigungstoleranz von +/- 0,5 mm und α=19 Grad +/-1 Grad.For example, the wire nozzle can have the following dimensions: The length L of the
Jedoch können alternativ auch Drähte mit anderen Durchmessern verwendet werden und/oder andere Abmessungen der Drahtdüse vorgesehen sein. However, alternatively, wires with other diameters can also be used and/or other dimensions of the wire nozzle can be provided.
Im Gegensatz zu dem in
Der zylindrische Abschnitt 144A grenzt z.B. unmittelbar an die Eintrittsöffnung 110 an. Alternativ kann zwischen zylindrischem Abschnitt 144A und Eintrittsöffnung 110 noch eine zusätzliche nicht dargestellte querschnittserweiternde Abschrägung der Kanalwand vorgesehen sein, die z.B. fertigungstechnisch durch Entgraten bedingt ist. Im zylindrischen Abschnitt 144A hat der Kanal 100A den ersten Durchmesser D1. Für diesen Durchmesser gelten die zu
An den konisch verjüngten Abschnitt 142A grenzt, in Drahtführungsrichtung 20 betrachtet, der Drahtführungsabschnitt 150 des Kanals 100A unmittelbar an.Viewed in the
Der Drahteinlaufbereich 140A kann sich über mindestens 30 Prozent (%) der Gesamtlänge L des Kanals 100A erstrecken, oder z.B. über mindestens 35% oder mindestens 40% der Gesamtkanallänge. Zusätzlich kann sich der Drahteinlaufbereich 140A z.B. über maximal 50% der Gesamtkanallänge L erstrecken. Die Länge des Drahteinlaufbereichs kann vorzugsweise z.B. mindestens 8,5 mm betragen. Entsprechend kann sich der Drahtführungsbereich 150 über mindestens 50% der Gesamtkanallänge L erstrecken oder die zu
Im konisch verjüngten Abschnitt 142A verläuft die Kanalwand , ebenso wie für das erste Ausführungsbeispiel beschrieben, unter dem Winkel α gegenüber der Längsachse geneigt.In the conically tapered section 142A, the channel wall runs, as for the first outlet example described, inclined at an angle α to the longitudinal axis.
Der zylindrische Abschnitt 146A kann sich vorzugsweise um eine Strecke L1 entlang der Längsachse 14 erstrecken, wobei L1 z.B. einen Wert im Bereich von 2,5 mm bis 5 mm aufweisen kann.The
In alternativen nicht dargestellten Ausführungsbeispielen kann der Kanal auch mehr als zwei konisch verjüngte Abschnitte im Drahteinlaufbereich aufweisen, z.B. drei oder vier Abschnitte, die jeweils durch einen zylindrischen Abschnitt miteinander verbunden sind. Alternativ kann der Drahteinlaufbereich auch aus einem konisch verjüngten Abschnitt bestehen, d.h. der Drahteinlaufbereich kann ohne einen zylindrischen Abschnitt ausgebildet sein.In alternative exemplary embodiments, not shown, the channel can also have more than two conically tapered sections in the wire inlet area, for example three or four sections, each of which is connected to one another by a cylindrical section. Alternatively, the wire inlet area can also consist of a conically tapered section, i.e. the wire inlet area can be designed without a cylindrical section.
Die Drahtdüsen 10 und 10A können beispielsweise durch spanende Fertigungsverfahren aus einem massiven Metallkörper geformt werden. Beispielsweise kann die Außenkontur der Drahtdüse durch Dreh- und Fräsverfahren ausgeformt werden. Der Kanal kann z.B. mittels mehrerer Bohrungen ausgebildet werden. Alternativ können die Drahtdüsen jedoch auch aus Kunststoffen oder keramischen Stoffen, z.B. keramischen Verbundstoffen hergestellt werden. Auch können andere formgebende Fertigungsverfahren, wie z.B. Spritzguß verwendet werden.The wire nozzles 10 and 10A can be formed from a solid metal body, for example by machining manufacturing processes. For example, the outer contour of the wire nozzle can be shaped using turning and milling processes. The channel can be formed, for example, using several holes. Alternatively, the wire nozzles can also be made from plastics or ceramic materials, for example ceramic composite materials. Other shaping manufacturing processes, such as injection molding, can also be used.
BezugszeichenlisteReference symbol list
- 10, 10A10, 10A
- DrahtdüseWire nozzle
- 1212
- DüsenkörperNozzle body
- 1414
- LängsachseLongitudinal axis
- 1616
- hinteres Enderear end
- 1818
- vorderes Endefront end
- 2020
- DrahtdurchlaufrichtungWire feed direction
- 2222
- AußengewindeExternal thread
- 2424
- Schlüsselflächekey surface
- 100, 100A100, 100A
- Kanalchannel
- 110110
- EintrittsöffnungEntry opening
- 120120
- AustrittsöffnungOutlet opening
- 130130
- KanalwandCanal wall
- 140, 140A140, 140A
- DrahteinlaufbereichWire inlet area
- 142, 142A, 146142, 142A, 146
- konisch verjüngter Abschnittconically tapered section
- 144, 144A, 148144, 144A, 148
- zylindrischer Abschnittcylindrical section
- 150150
- DrahtführungsbereichWire guide area
- AA
- Winkelangle
- L, L1, L2L, L1, L2
- Längelength
- D1, D2, D3, D4D1, D2, D3, D4
- Durchmesserdiameter
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-
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- 2013-07-25 DE DE102013214551.9A patent/DE102013214551B4/en active Active
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