DE112015003917T5

DE112015003917T5 - Querstrahl-Laserschweißdüse

Info

Publication number: DE112015003917T5
Application number: DE112015003917.1T
Authority: DE
Inventors: Aaron Montello
Original assignee: PRIMA POWER LASERDYNE LLC
Current assignee: PRIMA POWER LASERDYNE LLC
Priority date: 2014-10-31
Filing date: 2015-09-08
Publication date: 2017-05-18
Also published as: WO2016069116A1; US10335899B2; US20160121427A1

Abstract

Eine kompakte Düse zum Laserschweißen ist geschaffen, die einen Luftmesser-Querstrahl zum Schützen der Laseroptik, koaxial zugeführtes Prozess-Schutzgas und aktive Luftkühlung in einer einzigen und kompakten Düse enthält. Allgemein enthält die Düse eine Montageschnittstelle an einem ersten Ende, um sie mit der Laser-Bearbeitungsvorrichtung zu verbinden. Ein Luftmesserabschnitt ist benachbart zur Montageschnittstelle und dem optischen Ausgang des Lasers angeordnet, sodass der Luftmesserstrom die Optik vor Schäden durch Plasma und Spritzer schützen kann. Weiter ist der Luftstrom in dem Luftmesser zum direkten Kühlen durch die Düse geführt. Benachbart zum Luftmesser liegt der Prozess-Gasschutz, der so von dem Luftmesser isoliert ist, dass das Prozessgas durch einen Strom vom Luftmesser nicht verunreinigt wird.

Description

Hintergrund der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein eine kompakte Düse zum Laserschweißen. Genauer betrifft die vorliegende Erfindung eine Laserschweißdüse, die einen Luftmesser-Querstrahl zum Schützen der Laseroptik, koaxial zugeführtes Prozess-Schutzgas und aktive Luftkühlung in einer einzigen und kompakten Düse enthält.
Metallschweißtechniken wurden über einen sehr langen Zeitraum erforscht, praktiziert und verbessert. Während dieses Zeitraums wurde eine große Anzahl von Entdeckungen und Fortschritten bei der Weise gemacht, wie eine Schmelzschweißnaht ausgebildet wird. Bei einem herkömmlichen Bogenschweißverfahren, das typisch für die gegenwärtig im Gebrauch befindlichen Metallschweißverfahren ist, neigen verschiedene Verunreinigungen dazu, die Schweißzone während des Schweißvorgangs zu verschmutzen und die Güte der Schweißnaht zu verschlechtern.
Verschiedene Verfahren und Systeme wurden verwendet, um die Verunreinigung in der Schmelzzone während dieser Schweißvorgänge zu minimieren. Zum Beispiel enthalten einige der näherliegenden Schritte ein mechanisches Reinigen der zu verbindenden Metalle durch solche Techniken, wie etwa Scheuern, Sandstrahlen und/oder chemisches Reinigen, Außerdem kann das zu verbindende Werkstück vorerwärmt werden, um irgendwelche adsorbierten Gase und vorhandene Feuchtigkeit zu vertreiben. Ähnlich werden durch eine gezielte Behandlung und Handhabung der Schweißmetallstäbe die Verunreinigungen minimiert, die sonst aus dieser Quelle in die Schweißzone eindringen könnten.
Während der Entwicklung von Bogenschweißtechniken sind verschiedene Gasschutzvorrichtungen und -verfahren aufgekommen, die beträchtlich zur Verringerung von Verunreinigungen in der Schweißzone beitragen. Außerdem kann ggf. Schutzgas oder Flussmittel vorbehaltlich der Anforderungen zur Bogenstabilität relativ verunreinigungsfrei gehalten werden. Eine weitere Technik zum Minimieren des Verunreinigungsgehalts in der fertigen Schweißnaht ist es, einen Schweißstab mit einer geeigneten kompensierenden Zusammensetzung zu verwenden, die die Zusammensetzung des Grundmetalls in einer Weise ergänzt, die eine fertige Schweißmaterialzusammensetzung ergibt, die innerhalb eines gewissen vorgewählten Bereichs liegt.
Angesichts der Nähe der Laserfokussierungs- und -austrittsoptik zur Schweißzone besteht auch eine Gefahr, dass sich Schweißplasma, Schlacke und Spritzer auf der Laser-Austrittsoptik ansammeln können. Zum Schutz dagegen wurden Blasvorrichtungen verwendet. Diese Vorrichtungen weisen typischerweise eine längliche Düse auf, die im rechten Winkel auf den Laserstrahl gerichtet ist, und erzeugen einen Gasstrom, der durch den Laserstrahl verläuft. Auf der Unterseite weist die Düse eine Luftzufuhr auf, die sich in der Nähe der Düsenöffnung öffnet, und über die ein hereinkommender Luftstrom in einem spitzen Winkel in den Gasstrom eingeleitet werden kann. Das Gehäuse des Laserkopfes schließt sich an die andere Seite der Düse an.
Eins der Hauptprobleme mit diesen Anordnungen ist es, dass, um den Luftstrom unterzubringen, der zum effektiven Abschirmen der Optik erforderlich ist, und den benötigten Strom von Prozessgas vorzusehen, zwei getrennte Einspeisesysteme und Gasführungen an oder um diese Laserverarbeitungsköpfe eingebaut werden müssen. Dies schafft ein System, das typischerweise in einer Weise groß und sperrig ist, die mit kleinen, beweglichen Laserbearbeitungssystemen nicht verträglich ist.
Es besteht daher ein Bedarf an einem System, das einen Laserschweißkopf schafft, der sowohl ein Querstrahl-Luftmesser zum Schützen der Laserbearbeitungsoptik als auch ein Gasschutz-Zufuhrsystem in eine einzige kompakte Vorrichtung kombiniert. Es besteht weiter ein Bedarf an einer Vorrichtung, die ein Luftmesser mit Luftstrom vorsieht, der in einer Weise geführt ist, die eine aktive Kühlung des Lasers vorsieht, während sie auch den Strom in einer Weise führt, die das im Schutzgaszufuhrsystem verwendete Prozessgas nicht stört.
Kurze Zusammenfassung der Erfindung
In dieser Hinsicht schafft die vorliegende Erfindung eine kompakte Düse zum Laserschweißen, die einen Luftmesser-Querstrahl zum Schützen der Laseroptik, koaxial zugeführtes Prozess-Schutzgas und aktive Luftkühlung in einer einzigen und kompakten Düse enthält.
Allgemein enthält die Düse eine Montageschnittstelle an einem ersten Ende, um sie mit der Laser-Bearbeitungsvorrichtung zu verbinden. Ein Luftmesserabschnitt ist benachbart zur Montageschnittstelle und dem optischen Ausgang des Lasers angeordnet, sodass der Luftmesserstrom die Optik vor Schäden durch Plasma und Spritzer schützen kann. Weiter ist der Luftstrom in dem Luftmesser zum direkten Kühlen durch die Düse geführt. Benachbart zum Luftmesser liegt der Prozess-Gasschutz, der so von dem Luftmesser isoliert ist, dass das Prozessgas durch einen Strom vom Luftmesser nicht verunreinigt wird.
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine kompakte Laserschweißdüse zu schaffen, die sowohl ein Luftmesser zum Schützen der Laseroptik als auch ein Gasschutz-Zufuhrsystem zur Zufuhr von Prozessgas enthält.
Es ist eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen kompakten Laserschweißdüsenkopf zu schaffen, der ein Querstrahl-Luftmesser zum Schützen der Laserbearbeitungsoptik und ein Gasschutz-Zufuhrsystem in eine einzige kompakte Vorrichtung kombiniert, während er auch einen aktiven Kühlstrom in einer Weise führt, die das im Schutz-Zufuhrsystem verwendete Prozessgas nicht stört.
Diese zusammen mit anderen Aufgaben der Erfindung, neben verschiedenen Neuheitsmerkmalen, die die Erfindung kennzeichnen, sind im Einzelnen in den hier angefügten Ansprüchen dargelegt, die einen Teil dieser Offenbarung bilden. Zu einem besseren Verständnis der Erfindung, ihrer Betriebsvorteile und der besonderen, durch ihren Gebrauch erreichten Ziele sollte auf die begleitende Zeichnung und Beschreibung Bezug genommen werden, in denen eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung dargestellt ist.
Kurze Beschreibung der Zeichnung
In der Zeichnung, die die gegenwärtig betrachtete beste Ausführungsweise der vorliegenden Erfindung darstellt, sind:
1 eine teilweise weggeschnittene Ansicht der Laserschweißdüse nach der vorliegenden Erfindung;
2 eine Draufsicht der Schichten, aus denen die Laserschweißdüse nach der vorliegenden Erfindung besteht;
3 eine perspektivische Ansicht der Düse mit eingebauter Spitze;
4 eine perspektivische Ansicht der Düse mit abgenommener Spitze;
5 eine perspektivische Ansicht von unten der Düse mit abgenommener Spitze; und
6 eine Darstellung verschiedener Schweißschuh-Aufsätze, die an die Düse angebaut werden können.
Genaue Beschreibung der Erfindung
Nun sieht mit Bezug auf die Zeichnung die vorliegende Erfindung eine kompakte Düse zum Laserschweißen vor, die einen Luftmesser-Querstrahl zum Schützen der Laseroptik, koaxial zugeführtes Prozess-Schutzgas und aktive Luftkühlung in einer einzigen und kompakten Düse enthält.
Wie in 1 zu sehen, enthält die Düse 10 allgemein eine Montageschnittstelle 12 an einem ersten Ende, um sie mit dem Laser-Bearbeitungsvorrichtung zu verbinden. Ein Luftmesserabschnitt 14 ist benachbart zur Montageschnittstelle 12 und dem optischen Ausgang des Lasers angeordnet, sodass der Strom des Luftmessers 14 die Optik vor Schäden durch Plasma und Spritzer schützen kann. Weiter ist der Luftstrom in dem Luftmesser zum direkten Kühlen durch innere Kanäle in der Düse 10 geführt. Benachbart zum Luftmesser 14 liegt der Prozess-Gasschutz 16, der so von dem Luftmesser 14 isoliert ist, dass das Prozessgas durch einen Strom vom Luftmesser nicht verunreinigt wird. Die Düse 10 weist einen konzentrisch durch ihre gesamte Mitte angeordneten Kanal auf, um die Laserenergie 18 im Wesentlichen ungehindert dort hindurchtreten zu lassen.
Die Düse 10 weist zwei Gasarmaturen 20, 22 auf. Die obere Gasarmatur 20 liefert Druckluft zum Betreiben des Luftmessers und aktiver Luftkühlung. Die untere Gasarmatur 22 führt das Prozessgas dem konzentrischen Prozessgasschutz zu. Wie zu sehen, befinden sich die Gasarmaturen 20, 22 nahe der Oberseite der Düse 10 und entfernt vom Prozessbereich. Wie nachstehend besser beschrieben, sind die Luft- und Prozessgaspfade innen durch die Düse 10 geführt. Durch das Anbringen der Gasarmaturen 20, 22 nahe der Oberseite der Düse 10 und benachbart zur Montageschnittstelle 12 werden die Gasrohre/Zufuhrleitungen aus dem Weg gehalten, um dem Laserschneider besseren Zugang und Manövrierbarkeit in und um 3-D-Teile zu gestatten. Weiter hält diese Anordnung die Gasrohre/Zufuhrleitungen und Armaturen weg von der Hochtemperatur-Prozesszone.
Bei Betrachtung von 2 sind die verschiedenen Schichten und Luftstrompfade für die Laserschweißdüse gezeigt. In dem Querstrahlteil des Luftmessers 14 der Düse wird ein Luftstrom 24, der im Wesentlichen senkrecht zum Laserstrahl 18 verläuft, zum Schutz der Optik (stromaufwärts von der Düse) vor Spritzern und Trümmern verwendet, die im Schweißprozess erzeugt werden. Die Luftmesser-Durchflussrate bestimmt die Wirksamkeit des Abweisens der Trümmer und kann durch ein Ändern des Luftdrucks oder der Öffnungsweite des Schlitzes 26 oder beider gesteuert werden. Der Druck der dem Luftmesser 14 über die Luftzufuhr 20 zugeführten Luft kann über externe Mittel unter Verwendung einer manuellen oder automatischen Ventilanordnung gesteuert werden, und die Höhe des Luftmesser-Öffnungsspalts kann durch die Anzahl von Zwischenlagen 28 eingestellt werden, die zwischen dem oberen und den unteren Teil der Düse verwendet werden. (Typischerweise werden 1 oder zwei Zwischenlagen einer Dicke von 0,002" [0,05 mm] verwendet). Die in 1 zu sehenden großen Öffnungen 30 in der Schweißdüse oberhalb und unterhalb des Luftmesserschlitzes 26 ermöglichen ein Einbeziehen von Umgebungsluft in diesen Strom, die den größten Teil der Luft in dem Querstrahlstrom darstellt. Beim Erzeugen des anfänglichen Luftstroms wird auch Umgebungsluft durch den erzeugten Unterdruck mittgerissen. Die Umgebungsluft wird durch die Öffnungen 30 gezogen. Die Position des Luftmessers und die Größe der Öffnungen sind beide sehr wichtig beim Verhindern, dass die durch das Luftmesser erzeugte Saugwirkung das Prozess-Schutzgas beeinträchtigt.
Die Luftzufuhr 20 ist auch verwendet, um ein aktives Luftkühlsystem zu betreiben, das ausgelegt ist, die Düse während eines Schweißens mit hoher Leistung, dickem Querschnitt oder niedriger Geschwindigkeit zu kühlen, wo von der Schweißperle abstrahlende Wärme eine bedeutende Erwärmung der Düse verursachen kann. Das aktive Kühlsystem verwendet Luft, die durch dieselbe Luftzufuhr 20 zugeführt ist wie die für das Querstrahl-Luftmesser 14. Die Luft wird über den Kühlluft-Zufuhrpfad 32 intern in einen Kühlluftspeicher 30 geliefert. Die Luft wird sowohl an das Luftmesser als auch den Kühlluftspeicher geliefert. Die Luft im Kühlluftspeicher wird dann durch gebohrte Kanäle im Prozessgasteil 16 der Düse hinunter geführt. Wie in 3 und 4 zu sehen, wird die Luft entlang dem Kühlkanal 32 hinunter in eine Kammer 34 an der Spitze der Düse geleitet. Eine auf die Düse gesetzte Abdeckung 36 dichtet die Kammer 34 ab und leitet den Luftstrom zu kleinen, in die Abdeckung 36 gebohrten Austrittslöchern 38. Diese Löcher sind senkrecht zur optischen Achse des Lasers gebohrt und erzeugen kleine Strahlen von Austrittsluft parallel zur Werkstückoberfläche (für einen Beispielsfall senkrechten Schweißens eines flachen Blechs). Der Luftstrom wird auf diese Weise geleitet, um eine Erzeugung von Turbulenzen oder ein Vermischen der Luftstrahlen mit dem Prozess-Schutzgas nahe dem Schweißbereich zu verhindern. Falls komplexe 3-D-Teile oder Spannvorrichtungen Probleme beim Richten des Austrittsluftstroms in den Prozessbereich verursachen, können einige der Löcher blockiert werden, oder die Abdeckung kann durch eine ohne Löcher ersetzt werden. Teile der Flächen an der Spitze der Düse sind als strukturiert zu erkennen, um den Wärmeabfuhrvorgang zu verbessern.
Zurück zu 2, es wird das Prozess-Schutzgas aus dem Gasanschluss 22 intern durch den Kanal 40 durch die Düse geleitet. Wie in 5 zu sehen, tritt das Prozessgas aus dem Kanal 40 aus und füllt einen Prozessgasspeicher 42, der konzentrisch zum Laserstrahl 18 ist. Dieser Prozessgasspeicher ist gegenüber der äußeren aktiven Luftkühlkammer 34 abgedichtet, um ein Vermischen des Schutzgases mit der Kühlluft zu verhindern. Der Strom des Prozessgases ist an der Spitze der Düse koaxial zum Laserstrahl 18 eingeschränkt. Dies ermöglicht, dass ein diffuser Prozessgasstrom niedriger Geschwindigkeit das Innere des Laserstrahlpfads 18 „flutet“ und eine Atmosphäre aus dem Prozess-Schutzgas an diesem Ort erzeugt. Das Schutzgas strömt dann bei sehr niedriger Geschwindigkeit nach unten entlang der optischen Achse in den Laser-/Material-Wechselwirkungsbereich. Turbulenz und/oder Vermischen des Schutzgases und der umgebenden Luft, das bei Anordnungen mit nicht-koaxialen Gasführungsanordnungen sehr verbreitet sein kann, kann beim Laserschweißen Qualitätsprobleme verursachen. Diese Turbulenz und Vermischung ist hier aufgrund der in dieser Anordnung erzeugten sehr niedrigen Gasdurchflussrate verhindert.
Wie in 6 gezeigt, ist der Unterteil der Düse ausgelegt, das Anbringen einer beliebigen Anzahl verschieden großer/geformter Düsenspitzen oder -schuhe zu ermöglichen, von denen einige Beispiele gezeigt sind. Diese und andere Düsenspitzen und -schuhe können die Fläche vergrößern, der das Schutzgas zugeführt wird.
Es ist daher zu sehen, dass die vorliegende Erfindung eine kompakte Laserschweißdüse schafft, die sowohl ein Luftmesser zum Schützen der Laseroptik als auch ein Gasschutz-Zufuhrsystem zur Zufuhr von Prozessgas enthält. Weiter schafft die vorliegende Erfindung einen kompakten Laserschweißdüsenkopf, der ein Querstrahl-Luftmesser zum Schützen der Laserbearbeitungsoptik sowie ein Gasschutz-Zufuhrsystem in eine einzige kompakte Vorrichtung kombiniert, während er auch einen aktiven Kühlstrom in einer Weise führt, die das im Schutz-Zufuhrsystem verwendete Prozessgas nicht stört. Aus diesen Gründen ist dafürgehalten, dass die vorliegende Erfindung einen bedeutenden Fortschritt in der Technik darstellt, die einen wesentlichen wirtschaftlichen Wert aufweist.
Während hier bestimmte besondere Aufbauten gezeigt und beschrieben sind, die die Erfindung verkörpern, wird es Fachleuten offenbar sein, dass verschiedene Abwandlungen und Neuanordnungen der Teile vorgenommen werden können, ohne vom Erfindungsgeist und Geltungsbereich des zugrundeliegenden erfinderischen Konzepts abzuweichen, und dass dasselbe nicht auf die hier gezeigten und beschriebenen besonderen Formen beschränkt ist, außer insoweit, wie durch den Geltungsbereich der angefügten Ansprüche angegeben.

Claims

Düse für ein Laserschweißsystem, das einen Laserstrahl entlang einer optischen Achse durch eine Optik auf ein Werkstück richtet, wobei die Düse umfasst: einen ersten Gasführungsteil, der einen ersten Luftstrom durch den Laserstrahl in eine im Wesentlichen senkrechte Richtung zu der optischen Achse des Laserstrahls und einen zweiten Luftstrom durch Kühlkanäle in der Düse leitet; und einen zweiten Gasführungsteil, der einen Prozessgasstrom durch einen Kanal in der Düse zu einem mit dem Laserstrahl konzentrischen Prozessgasspeicher an einem Ausgangsende der Düse leitet, wobei das Prozessgas den Pfad des Laserstrahls füllt.
Düse nach Anspruch 1, wobei der erste Luftstrom ein Luftmesser ist.
Düse nach Anspruch 2, wobei der Strom des Luftmessers Umgebungsluft mitreißt, um eine Luftsperre zum Schützen der Optik vor während des Laserschweißens erzeugten Nebenprodukten zu erzeugen.
Düse nach Anspruch 1, wobei der erste Luftstrom eine Sperre zum Schützen der Optik vor während des Laserschweißens erzeugten Nebenprodukten erzeugt.
Düse nach Anspruch 1, weiter umfassend: mindestens eine Öffnung in der Düse, angeordnet zwischen dem ersten Gasführungsteil und dem zweiten Gasführungsteil, um dem ersten Gasstrom zu ermöglichen, Umgebungsluft hereinzuziehen und zu verhindern, dass der erste Gasstrom Prozessgas aus dem zweiten Gasführungsteil zieht.
Düse nach Anspruch 1, wobei der zweite Luftstrom durch Kühlkanäle in der Düse zu einem Kühlspeicher an einem Ausgangsende der Düse und nach außen durch Öffnungen an dem Ausgangsende geführt wird.
Düse nach Anspruch 6, wobei die Öffnungen an dem Ausgangsende den zweiten Luftstrom in eine Richtung nach außen und weg von dem Werkstück leiten.
Düse nach Anspruch 6, wobei das Ausgangsende der Düse benachbart zu dem Kühlspeicher strukturiert ist, um die Wärmeübertragung zu verbessern.
Vorrichtung zum Ausführen von Laserschweißen, umfassend: eine Laserstrahl-Erzeugungsvorrichtung, die einen Laserstrahl durch eine Optik auf ein Werkstück richtet; eine Düse, umfassend: einen ersten Gasführungsteil, der einen ersten Luftstrom durch den Laserstrahl in eine im Wesentlichen senkrechte Richtung zu der optischen Achse des Laserstrahls und einen zweiten Luftstrom durch Kühlkanäle in der Düse leitet; und einen zweiten Gasführungsteil, der einen Prozessgasstrom durch einen Kanal in der Düse zu einem mit dem Laserstrahl konzentrischen Prozessgasspeicher an einem Ausgangsende der Düse leitet, wobei das Prozessgas den Pfad des Laserstrahls füllt.
Vorrichtung nach Anspruch 9, wobei der erste Luftstrom ein Luftmesser ist.
Vorrichtung nach Anspruch 10, wobei der Strom des Luftmessers Umgebungsluft mitreißt, um eine Luftsperre zum Schützen der Optik vor während des Laserschweißens erzeugten Nebenprodukten zu erzeugen.
Vorrichtung nach Anspruch 9, wobei der erste Luftstrom eine Sperre zum Schützen der Optik vor während des Laserschweißens erzeugten Nebenprodukten erzeugt.
Vorrichtung nach Anspruch 9, weiter umfassend: mindestens eine Öffnung in der Düse, angeordnet zwischen dem ersten Gasführungsteil und dem zweiten Gasführungsteil, um dem ersten Gasstrom zu ermöglichen, Umgebungsluft hereinzuziehen und zu verhindern, dass der erste Gasstrom Prozessgas aus dem zweiten Gasführungsteil zieht.
Vorrichtung nach Anspruch 9, wobei der zweite Luftstrom durch Kühlkanäle in der Düse zu einem Kühlspeicher an einem Ausgangsende der Düse und nach außen durch Öffnungen an dem Ausgangsende geführt wird.
Vorrichtung nach Anspruch 14, wobei die Öffnungen an dem Ausgangsende den zweiten Luftstrom in eine Richtung nach außen und weg von dem Werkstück leiten.
Düse nach Anspruch 14, wobei das Ausgangsende der Düse benachbart zu dem Kühlspeicher strukturiert ist, um die Wärmeübertragung zu verbessern.