DE112019007022T5

DE112019007022T5 - Schutzgasdüse zur Metallbildung und Lasermetallbildungsvorrichtung

Info

Publication number: DE112019007022T5
Application number: DE112019007022.3T
Authority: DE
Inventors: Yoshikazu Nakano; Hidetaka Katogi; Akiyoshi Sawai
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2019-04-16
Filing date: 2019-04-16
Publication date: 2021-11-25
Anticipated expiration: 2039-04-17
Also published as: CN113677475B; JP6631767B1; US20220088712A1; JPWO2020213051A1; DE112019007022B4; US11311970B2; WO2020213051A1; CN113677475A

Abstract

Schutzgasdüse für Metallbildung umfasst eine Drahtzuführungsstrecke (72), die ein Weg zum Zuführen eines Drahtes (2) unter einem Neigungswinkel θ zu einer Basismaterialoberfläche ist, eine erste Gasausstoßöffnung (75) zum Ausstoßen von Schutzgas zur Verhinderung der Oxidation von Ablagerungen unter einem Winkel, der gleich oder kleiner ist als der Neigungswinkel θ zu der Basismaterialoberfläche, und eine zweite Gasausstoßöffnung (76) zum Ausstoßen des Schutzgases auf die Basismaterialoberfläche in einer Richtung, die sich von einer Ausstoßrichtung der ersten Gasausstoßöffnung (75) auf die Basismaterialoberfläche unterscheidet. Die Drahtzuführungsrichtung (81), eine Mittelachsenrichtung (82) der ersten Gasausstoßöffnung (75) und eine Mittelachsenrichtung (83) der zweiten Gasausstoßöffnung (76) schneiden sich miteinander an einem Schnittpunkt (P). Die erste Gasausstoßöffnung (75) stößt das Schutzgas zu dem Schnittpunkt hin entlang einer Richtung aus, in der ein absoluter Wert eines Winkels zu der Drahtzuführungsrichtung (81) bei Betrachtung in einer Richtung senkrecht zu der Basismaterialoberfläche weniger als 90 Grad ist, und die zweite Gasausstoßöffnung (76) stößt das Schutzgas zu dem Schnittpunkt hin entlang einer Richtung aus, in der ein absoluter Wert eines Winkels zu der Drahtzuführungsrichtung (81) bei Betrachtung in der Richtung senkrecht zu der Basismaterialoberfläche größer als 90 Grad ist.

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Offenbarung betrifft eine Schutzgasdüse zur Metallbildung, die für Lasermetallbildung verwendet wird, und eine Lasermetallbildungsvorrichtung.
Stand der Technik
Lasermetallbildung ist eine Technologie, bei der Laserlicht mit hoher Energiedichte als eine Wärmequelle verwendet wird, um ein Metallbildungsmaterial zu schmelzen und Ablagerung aus dem geschmolzenen formgebenden Material in einem Bearbeitungsbereich zu formen; es gibt eine Vorrichtung, die die Lasermetallbildung unter Verwendung eines drahtartigen formgebenden Materials (im Folgenden einfach als „Draht“ bezeichnet) durchführt. Der Bearbeitungsbereich ist ein Bereich, in dem der Draht erhitzt und geschmolzen wird und die Ablagerungen frisch abgelagert werden; der Bearbeitungsbereich wird auf einer Basismaterialoberfläche oder den bereits abgelagerten Ablagerungen entwickelt. Wenn das formgebende Material in der Luft erhitzt und geschmolzen wird, um die Ablagerungen auf der Bearbeitungsfläche zu formen, werden die Ablagerungen und das Basismaterial aufgrund der zum Erhitzen und Schmelzen aufgebrachten Wärme und des in der Luft enthaltenen Sauerstoffs oxidiert. Um dem entgegenzuwirken, wird dem Bearbeitungsbereich und seiner Umgebung ein Schutzgas zugeführt, das eine solche Oxidation verhindert. Als Schutzgas wird beispielsweise ein Inertgas wie Argon (Ar) oder Stickstoff (N2) verwendet. Im Allgemeinen werden bei der Metallbildung unter Verwendung des Schutzgases die Ablagerungen und das Basismaterial gekühlt und der Bearbeitungsbereich wird von der Umgebungsluft abgeschirmt, indem das Schutzgas aus einer Gasdüse ausgestoßen wird. Diese Behandlung verhindert die Ablagerungen und das Basismaterial vor Oxidation. Eine ähnliche Technologie ist in Patentliteratur 1 offenbart.
Literatur zum Stand der Technik
Patentliteratur
Patentliteratur 1: Offenlegung der japanischen Patentanmeldung Nr. 2010-172941
Überblick über die Erfindung
Durch die Erfindung zu lösende Probleme
Wenn eine Schutzgaszuführungsachse, die die Richtung für das Ausstoßen des Schutzgases darstellt, und eine Drahtzuführungsachse, die die Richtung für die Zuführung des Drahtes darstellt, nicht koaxial sind, dann wird im Bearbeitungsbereich hinter dem Draht in Bezug auf die Ausstoßrichtung des Schutzgases das Schutzgas durch den Draht blockiert, und infolgedessen wird die Zuführung des Schutzgases unterbrochen. Dadurch wird die Antioxidation erschwert. Nachfolgend wird der Bereich hinter dem Draht als „Schattenbereich“ bezeichnet.
Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, eine Schutzgasdüse für Metallbildung bereitzustellen, die die Oxidation der Ablagerungen und des Basismaterials, die während der Laser-Metallbildung unter Verwendung eines Drahtmaterials auftritt, verhindern kann.
Mittel zur Lösung der Probleme
Um die oben genannten Probleme zu lösen und das Ziel zu erreichen, umfasst die Schutzgasdüse für Metallbildung gemäß der vorliegenden Offenbarung: eine Drahtzuführungsstrecke, die ein Weg zum Zuführen eines Drahts unter einem Neigungswinkel zu einer Basismaterialoberfläche ist; eine erste Gasausstoßöffnung zum Ausstoßen von Schutzgas zur Verhinderung der Oxidation von Ablagerungen unter einem Winkel, der gleich oder kleiner als der Neigungswinkel zu der Basismaterialoberfläche ist; und eine zweite Gasausstoßöffnung zum Ausstoßen des Schutzgases auf die Basismaterialoberfläche in einer Richtung, die sich von der Ausstoßrichtung der ersten Gasausstoßöffnung unterscheidet. Die Schutzgasdüse für Metallbildung hat einen Schnittpunkt der Drahtzuführungsrichtung, in der der Draht zugeführt ist, der Mittelachsenrichtung der ersten Gasausstoßöffnung und der Mittelachsenrichtung der zweiten Gasausstoßöffnung an einer Position, die niedriger ist als die erste Gasausstoßöffnung und die zweite Gasausstoßöffnung. Die erste Gasausstoßöffnung stößt das Schutzgas zu dem Schnittpunkt hin entlang einer Richtung aus, in der der absolute Wert des Winkels zu der Drahtzuführungsrichtung bei Betrachtung in der Richtung senkrecht zu der Basismaterialoberfläche weniger als 90 Grad ist; die zweite Gasausstoßöffnung stößt das Schutzgas zu dem Schnittpunkt hin entlang einer Richtung aus, in der der absolute Wert des Winkels zu der Drahtzuführungsrichtung bei Betrachtung in der Richtung senkrecht zu der Basismaterialoberfläche größer als 90 Grad ist.
Wirkungen der Erfindung
Die Schutzgasdüse für Metallbildung gemäß der vorliegenden Offenbarung kann eine Luftabschirmung während der Lasermetallbildung unter Verwendung eines Drahtmaterials sicherstellen, sodass es möglich ist, die Oxidation der Ablagerungen und des Basismaterials zu verhindern.
Figurenliste

1 ist ein schematisches Diagramm, das eine Konfiguration einer Lasermetallbildungsvorrichtung gemäß der Ausführungsform 1 zeigt.
2 ist ein schematisches Diagramm einer Schutzgasdüse für Metallbildung gemäß der Ausführungsform 1.
3 ist ein schematisches Diagramm, das eine Lagebeziehung zwischen einem Bearbeitungsbereich und einem Schnittpunkt gemäß der Ausführungsform 1 erläutert.
4 ist ein schematisches Diagramm zur Erläuterung einer Lagebeziehung von Gasausstoßöffnungen, die an der Schutzgasdüse für Metallbildung gemäß der Ausführungsform 1 vorgesehen sind.
5 ist ein schematisches Diagramm, das eine Konfiguration zeigt, bei der die Schutzgasdüse für Metallbildung gemäß der Ausführungsform 1 ein erstes Gasausstoßöffnung, ein zweites Gasausstoßöffnung und vierte Gasausstoßöffnungen aufweist.
6 ist ein Hardware-Konfigurationsdiagramm einer Steuerung der Lasermetallbildungsvorrichtung gemäß der Ausführungsform 1.
7 ist ein schematisches Diagramm einer Schutzgasdüse für Metallbildung gemäß der Ausführungsform 2.
8 ist ein schematisches Diagramm einer Schutzgasdüse für Metallbildung gemäß der Ausführungsform 3.

Modi zur Durchführung der Erfindung
Nachfolgend werden Schutzgasdüsen für Metallbildung und Lasermetallbildungsvorrichtungen gemäß den Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen im Detail beschrieben. Die Erfindung ist jedoch nicht auf diese Ausführungsformen beschränkt.
Ausführungsform 1
1 ist ein schematisches Diagramm, das eine Konfiguration einer Lasermetallbildungsvorrichtung 100 gemäß der Ausführungsform 1 der vorliegenden Offenbarung zeigt. Die Lasermetallbildungsvorrichtung 100 erhitzt und schmilzt einen Draht 2 mit Laserlicht 1, um Ablagerungen 3 auf einem Bearbeitungsbereich A auf einer Basismaterialoberfläche abzulagern. Ein Basismaterial 4 wird auf einer Arbeitsbühne 5 angeordnet. Die Lasermetallbildungsvorrichtung 100 umfasst einen Laseroszillator 10, eine Steuerung 20, einen Bearbeitungskopf 30, eine Drahtzuführung 40, einen Schutzgasversorger 50, eine Antriebseinheit 60 und die Arbeitsbühne 5. Der Bearbeitungskopf 30 umfasst einen Bearbeitungskopf-Hauptkörper 31, der mit einer Schutzgasdüse 70 für Metallbildung und einem Laserkopf 6 versehen ist. Die Drahtzuführung 40 führt den Draht 2 der Schutzgasdüse 70 für Metallbildung zu. Der Schutzgasversorger 50 versorgt die Schutzgasdüse 70 für Metallbildung mit Schutzgas. Die Schutzgasdüse 70 für Metallbildung führt den von der Drahtzuführung 40 zugeführten Draht 2 dem Bearbeitungsbereich A zu und stößt das Schutzgas in den Bearbeitungsbereich A aus. Der Laseroszillator 10 gibt das Laserlicht 1 über einen Lichtübertragungsweg 7 an den Laserkopf 6 aus. Der Laserkopf 6 strahlt das über den Lichtübertragungsweg 7 empfangene Laserlicht 1 zu dem Bearbeitungsbereich A hin. Die Antriebseinheit 60 umfasst: einen Z-Achsen-Treiber 63, der den Bearbeitungskopf 30 in die (vertikale) Z-Achsen-Richtung bewegt; einen X-Achsen-Treiber 61, der den Bearbeitungskopf 30 in die X-Achsen-Richtung senkrecht zu der Z-Achsen-Richtung bewegt; und einen Y-Achsen-Treiber 62, der den Bearbeitungskopf 30 in die Y-Achsen-Richtung senkrecht zu der Z-Achsen-Richtung und der X-Achsen-Richtung bewegt. Mit dieser Konfiguration wird der Bearbeitungskopf 30 an eine bestimmte Position bewegt. Die Steuerung 20 steuert den Laseroszillator 10, den Drahtzuführung 40, den Schutzgasversorger 50 und die Antriebseinheit 60, damit die Ablagerungen 3 in einem gewünschten Bearbeitungsbereich A abgelegt werden können.
2 ist ein schematisches Diagramm der Schutzgasdüse 70 für Metallbildung gemäß der Ausführungsform 1 der vorliegenden Offenbarung. 2(a) ist ein Diagramm, das in der Richtung senkrecht zu der Basismaterialoberfläche (in der in der 1 dargestellten Z-Achsen-Richtung) betrachtet wird; 2(b) ist ein Diagramm, das in der Richtung parallel zu der Basismaterialoberfläche (in der in 1 dargestellten X-Achsen-Richtung) betrachtet wird. Die Düse 71 umfasst eine Drahtzuführungsstrecke 72 und erste Gaszuführungsleitungen 74. Die Drahtzuführungsstrecke 72 ist ein Weg, um den Draht 2 unter einem Neigungswinkel in Bezug auf die Oberfläche des Basismaterials, auf dem die Ablagerungen 3 zu bilden sind, in den Bearbeitungsbereich A zuzuführen. Die ersten Gaszuführungsleitungen 74 sind Wege, um das Schutzgas zu einer Gasverzweigungseinheit 73 zuzuführen. Die Gasverzweigungseinheit 73 verzweigt das über die ersten Gaszuführungsleitungen 74 zugeführte Schutzgas und stößt das verzweigte Schutzgas aus mehreren Richtungen zu dem Bearbeitungsbereich A hin aus. Das Ende der Düse 71 ist mit der ringförmigen Gasverzweigungseinheit 73 verbunden, die mit einer ersten Gasausstoßöffnung 75 und einer zweiten Gasausstoßöffnung 76 versehen ist, um das Schutzgas zu dem Bearbeitungsbereich A hin auszustoßen. Die Gasverzweigungseinheit 73 ist intern mit einer verzweigten Gaszuführungsleitung 77 versehen, die ein Weg zum Verzweigen und Zuführen des Schutzgases zu der ersten Gasausstoßöffnung 75 und der zweiten Gasausstoßöffnung 76 ist. Die verzweigte Gaszuführungsleitung 77 ist mit den ersten Gaszuführungsleitungen 74 in der Düse 71 an der Gasverzweigungsstelle 78 verbunden. In 2 sind zwei Wege der ersten Gaszuführungsleitungen 74 vorgesehen; dies liegt daran, dass, wenn die erste Gasausstoßöffnung 75 auf einer Verlängerungsstrecke einer ersten Gaszuführungsleitung 74 auf ihrer Auslassseite vorgesehen ist, das von den ersten Gaszuführungsleitungen 74 zugeführte Schutzgas direkt in die erste Gasausstoßöffnung 75 strömt, und eine Durchflussgeschwindigkeitsdifferenz zwischen dem aus der ersten Gasausstoßöffnung 75 ausgestoßenen Schutzgas und dem aus der zweiten Gasausstoßöffnung 76 ausgestoßenen Schutzgas wahrscheinlich auftritt; um dieses Problem zu lösen, sind die Verlängerungsstrecke der ersten Gaszuführungsleitung 74 und die Verlängerungsstrecke der ersten Gasausstoßöffnung 75 so konfiguriert, dass sie sich nicht überlappen; aber eine Vielzahl von Wegen der ersten Gaszuführungsleitungen 74 sind nicht notwendigerweise erforderlich, wenn das Problem anders gelöst werden kann.
Bei der Ausführungsform 1 der vorliegenden Offenbarung sind die Drahtzuführungsstrecke 72, die erste Gasausstoßöffnung 75 und die zweite Gasausstoßöffnung 76 so ausgebildet, dass eine Drahtzuführungsrichtung 81, entlang der der Draht 2 zugeführt ist, eine zentrale Achsenrichtung 82 der ersten Gasausstoßöffnung 75 und eine zentrale Achsenrichtung 83 der zweiten Gasausstoßöffnung 76 sich an einem Punkt (Schnittpunkt P) schneiden, der niedriger liegt als die erste Gasausstoßöffnung 75 und die zweite Gasausstoßöffnung 76. Die zentrale Achsenrichtung 82 der ersten Gasaustrittsöffnung 75 und die zentrale Achsenrichtung 83 der zweiten Gasausstoßöffnung 76 sind jeweils die zentrale Achsenrichtung der Ausstoßrichtung des aus den jeweiligen Gasausstoßöffnungen ausgestoßenen Schutzgases. Darüber hinaus ist der Laserkopf 6 so vorgesehen, dass das Laserlicht 1 auch zu dem Schnittpunkt P hin abgestrahlt wird. 3 ist ein schematisches Diagramm, das eine Lagebeziehung zwischen dem Bearbeitungsbereich A und dem Schnittpunkt P erläutert. 3(a) zeigt eine Lagebeziehung zwischen dem Bearbeitungsbereich A und dem Schnittpunkt P in der Richtung senkrecht zu der Basismaterialoberfläche (in der in 1 dargestellten Z-Achsen-Richtung); 3(b) zeigt eine Lagebeziehung zwischen dem Bearbeitungsbereich A und dem Schnittpunkt P, die in der Richtung parallel zu der Basismaterialoberfläche (in der in 1 dargestellten X-Achsen-Richtung) betrachtet wird. Der Schnittpunkt P ist vorzugsweise so positioniert, dass der Druck des Schutzgases, das entlang der Mittelachsenrichtung der ersten Gasausstoßöffnung 75 ausstößt, und der Druck des Schutzgases, das entlang der Mittelachsenrichtung der zweiten Gasausstoßöffnung 76 ausstößt, an dem Schnittpunkt P gleich sind.
Bei der Ausführungsform 1 der vorliegenden Offenbarung sind die Drahtzuführungsstrecke 72, die erste Gasausstoßöffnung 75 und die zweite Gasausstoßöffnung 76 so ausgebildet, dass der Schnittpunkt P in oder nahe der Mitte der ringförmigen Gasverzweigungseinheit 73 liegt, wenn sie in der Richtung senkrecht zu der Basismaterialoberfläche betrachtet werden. Mit anderen Worten hat die Gasverzweigungseinheit 73 eine Ringform, die an dem Schnittpunkt P zentriert ist, wenn sie in der Richtung senkrecht zur Grundmaterialoberfläche betrachtet wird. Bei der Lasermetallbildung wird die Position der Schutzgasdüse 70 für Metallbildung so gesteuert, dass der Schnittpunkt P in den Bearbeitungsbereich A gebracht und der Laserlicht 1 zu dem Schnittpunkt P hin abgestrahlt wird; dies ermöglicht die Ablagerung der Ablagerungen 3 durch Zuführen des Drahtes 2 in den gewünschten Bearbeitungsbereich A und durch Zuführen des Schutzgases aus mehreren Richtungen zu den abgelagerten Ablagerungen 3. Im Folgenden wird davon ausgegangen, dass die Metallbildung in einem Zustand durchgeführt wird, in dem der Schnittpunkt P in dem Bearbeitungsbereich A als Ergebnis der Positionssteuerung der Schutzgasdüse 70 für Metallbildung existiert. Daher wird das Ausstoßen des Schutzgases aus der ersten Gasausstoßöffnung und der zweiten Gasausstoßöffnung zu dem Schnittpunkt hin von Zeit zu Zeit als einfaches Ausstoßen des Schutzgases zu dem Bearbeitungsbereich A hin beschrieben.
Auch ist von den Auslässen der ersten Gasausstoßöffnung 75 und der zweiten Gasausstoßöffnung 76 zumindest der Auslass der ersten Gasausstoßöffnung 75 näher an der Basismaterialoberfläche ausgebildet als die Position des Auslasses der Drahtzuführungsstrecke 72, sodass das Schutzgas unter einem Winkel, der gleich oder kleiner als der Neigungswinkel in Bezug auf die Basismaterialoberfläche ist, zu dem Schnittpunkt hin ausgestoßen wird. Die Formen der ersten Gasausstoßöffnung 75 und der zweiten Gasausstoßöffnung 76 sind vorzugsweise zu ihren jeweiligen Auslässen hin so ausgeweitet, dass die auf dem Bearbeitungsbereich A gebildeten Ablagerungen 3 einschließlich ihrer Umgebung mit dem Schutzgas abgeschirmt werden. Bei der Ausführungsform 1 ist die erste Gasausstoßöffnung 75 in der Richtung, die senkrecht zu der Basismaterialoberfläche gesehen wird, direkt unterhalb der Drahtzuführungsstrecke 72 ausgebildet, und die zweite Gasausstoßöffnung 76 ist 180 Grad gegenüber der ersten Gasausstoßöffnung 75 quer zu dem Bearbeitungsbereich A gebildet. Dies ist jedoch ein Beispiel und ihre Lagebeziehung ist nicht darauf beschränkt. Die einzige Bedingung ist, dass die erste Gasausstoßöffnung 75 in der Gasverzweigungseinheit 73 so vorgesehen ist, dass das Schutzgas zu dem Schnittpunkt P hin in einer Richtung ausgestoßen wird, deren Winkel im absoluten Wert zu der Drahtzuführungsrichtung 81 kleiner als 90 Grad, wenn er in der Richtung senkrecht zu der Basismaterialoberfläche betrachtet wird. Und die zweite Gasausstoßöffnung 76 ist in der Gasverzweigungseinheit 73 so vorgesehen, dass das Schutzgas zu dem Schnittpunkt P hin in einer Richtung ausgestoßen wird, deren Winkel im absoluten Wert zu der Drahtzuführungsrichtung 81 größer als 90 Grad ist, wenn er in der Richtung senkrecht zur Grundmaterialoberfläche betrachtet wird. Diese Lagebeziehung wird unter Bezugnahme auf 4 beschrieben. 4 ist ein schematisches Diagramm, das die Gasverzweigungseinheit 73 in der Richtung senkrecht zu der Basismaterialoberfläche (in der in 1 gezeigten Z-Achsen-Richtung) zeigt, und wie darin gezeigt, ist die erste Gasausstoßöffnung 75 nicht direkt unterhalb der Drahtzuführungslinie 72 in Bezug auf die senkrechte Blickrichtung gebildet. Bei einer Konfiguration, bei der der absolute Wert des Winkels (bei Betrachtung in der Richtung senkrecht zu der Basismaterialoberfläche), der durch die Drahtzuführungsrichtung 81 und die Mittelachsenrichtung 82 der ersten Gasausstoßöffnung 75 gebildet wird, kleiner als 90 Grad ist und der absolute Wert des Winkels (bei Betrachtung in der Richtung senkrecht zur Grundmaterialoberfläche), der durch die Drahtzuführungsrichtung 81 und die Mittelachsenrichtung 83 der zweiten Gasausstoßöffnung 76 gebildet wird, größer als 90 Grad ist, wobei der Draht 2 das vom zweiten Gasausstoßöffnung 76 zu dem Schnittpunkt P hin ausgestoßene Schutzgas blockiert, um den Schattenbereich B zu bilden, in dem die Zuführung des Schutzgases unterbrochen ist, während der Draht 2 das von der ersten Gasausstoßöffnung 75 zu dem Schnittpunkt P hin ausgestoßene Schutzgas nicht blockiert, sodass der Schattenbereich B weiterhin mit dem Schutzgas versorgt werden kann. Dies bedeutet, dass bei dieser oben beschriebenen Lagekonfiguration der gesamte Bearbeitungsbereich A mit dem Schutzgas versorgt werden kann.
Selbst wenn das aus einer der Gasaustrittsöffnungen ausgestoßene Schutzgas durch den Draht 2 blockiert wird und in dem Bearbeitungsbereich A der Schattenbereich B entsteht, kann bei der oben beschriebenen Konfiguration das aus der anderen Gasausstoßöffnung ausgestoßene Schutzgas in den Schattenbereich B zugeführt werden. Daher können die Ablagerungen 3 und ihre Umgebung vollständig von der Schutzgasatmosphäre umgeben sein, sodass die Ablagerungen 3 und das Basismaterial 4 an der Oxidation gehindert werden können.
Die Gasverzweigungseinheit 73 mit einer Ringform in Draufsicht mit der ersten Gasausstoßöffnung 75 und der zweiten Gasausstoßöffnung 76, die bei der Ausführungsform 1 der vorliegenden Offenbarung gezeigt ist, ist ein Beispiel für die Konfigurationen, und die gleichen Effekte können erzielt werden, wenn mindestens zwei solcher Gasausstoßöffnungen, einschließlich der ersten Gasausstoßöffnung 75 und der zweiten Gasausstoßöffnung 76, vorgesehen sind. Wie in 5 gezeigt, ist beispielsweise auch eine Gasverzweigungseinheit 73 mit der ersten Gasausstoßöffnung 75, der zweiten Gasausstoßöffnung 76 und einer Vielzahl von vierten Gasausstoßöffnungen 84 zum Ausstoßen des Schutzgases zu dem Schnittpunkt P hin möglich. Auch die Gasverzweigungseinheit 73, deren Form nicht auf einen Ring in der Draufsicht, wie oben dargestellt, beschränkt ist, kann jede beliebige Form haben, solange sie die folgenden Anforderungen erfüllt: (a) sie stört nicht die Abstrahlung des Laserlichts 1 auf den Bearbeitungsbereich A, (b) sie weist die Gasausstoßöffnungen auf, um das Schutzgas aus mehreren Richtungen auf den Bearbeitungsbereich A auszustoßen, und (c) sie kann das Schutzgas zu ihren jeweiligen Gasausstoßöffnungen verzweigen.
Bei der vorliegenden Ausführungsform ist eine Konfiguration beispielsweise dargestellt, bei der die Drahtzuführungsstrecke 72 und die erste Gaszuführungsleitung 74 integriert sind. Allerdings ist nicht nur die Struktur, bei der die Drahtzuführungsstrecke 72 und die erste Gaszuführungsleitung 74 integriert sind, sondern auch die Struktur, bei der die Drahtzuführungsstrecke 72 und die erste Gaszuführungsleitung 74 getrennt sind, akzeptabel.
6 ist ein Hardware-Konfigurationsdiagramm der Steuerung 20 der Lasermetallformungsvorrichtung 100. Die Funktion der Steuerung 20 wird von einem Prozessor ausgeführt, der ein in einem Speicher 102 gespeichertes Programm ausführt. Ein Prozessor 101 ist ein Verarbeitungsgerät wie eine Zentraleinheit (CPU), eine Verarbeitungseinheit, eine Recheneinheit, ein Mikroprozessor, ein Mikrocomputer und ein digitaler Signalprozessor (DSP). Die Funktion der Steuerung 20 wird durch das Zusammenwirken von dem Prozessor 101 und Software, Firmware oder einer Kombination aus Software und Firmware realisiert. Die Software und/oder die Firmware sind als Programm geschrieben und in dem Speicher 102 gespeichert. Der Speicher 102 ist eine Speichervorrichtung, wie beispielsweise ein eingebauter Halbleiterspeicher, flüchtig oder nicht flüchtig, wie beispielsweise Direktzugriffsspeicher (RAM), Festwertspeicher (ROM), Flash-Speicher, löschbarer programmierbarer Festwertspeicher (EPROM) und elektrisch löschbarer programmierbarer Festwertspeicher (EEPROM: eingetragenes Warenzeichen). Das Display 103 zeigt Informationen zur Steuerung der Lasermetallbildungsvorrichtung 100 auf seinem Bildschirm an.
Ausführungsform 2
Bei der Ausführungsform 2 wird eine Schutzgasdüse für Metallbildung beschrieben, die die Annäherung von Luft an die Ablagerungen und deren Umgebung unterdrückt und eine noch höhere antioxidative Wirkung hat. Die Beschreibung der gleichen Teile wie bei der Ausführungsform 1 wird weggelassen und die unterschiedlichen Teile werden beschrieben.
7 ist ein schematisches Diagramm einer Schutzgasdüse 70a für Metallbildung gemäß der Ausführungsform 2. 7(a) ist ein Diagramm, das in der Richtung senkrecht zu der Basismaterialoberfläche (in der in 1 dargestellten Z-Achsen-Richtung) betrachtet wird; 7(b) ist ein Diagramm, das in der Richtung parallel zu der Basismaterialoberfläche (in der in 1 dargestellten X-Achsen-Richtung) betrachtet wird; 7(c) ist ein Diagramm, das in der Richtung parallel zu der Basismaterialoberfläche (in der in 1 dargestellten Y-Achsen-Richtung) betrachtet wird.
Eine Düse 71a der Schutzgasdüse 70a für Metallbildung gemäß der Ausführungsform 2 ist die gleiche wie die Düse 71 der Schutzgasdüse 70 für Metallbildung gemäß der Ausführungsform 1, außer dass die Düse 71a ferner eine dritte Gasausstoßöffnung 85 umfasst, die das Schutzgas von einer Position aus ausstößt, die höher liegt als die erste Gasausstoßöffnung 75 und die zweite Gasausstoßöffnung 76, sodass das ausgestoßene Schutzgas oberhalb des Schnittpunkts P durchströmt; und eine zweite Gaszuführungsleitung 86, die ein Weg ist, um das Schutzgas zu der dritten Gasausstoßöffnung 85 zuzuführen. Die dritte Gasausstoßöffnung 85 ist an der Düse 71a an einer Stelle ausgebildet, die höher liegt als die erste Gasausstoßöffnung 75 und die zweite Gasausstoßöffnung 76 in Bezug auf die Basismaterialoberfläche. Die dritte Gasausstoßöffnung 85 erzeugt einen Gasströmungsvorhang oberhalb des Schnittpunkts P, indem das Schutzgas von dieser Position aus in die Richtung parallel zu der Basismaterialoberfläche ausgestoßen wird.
Das aus der dritten Gasausstoßöffnung 85 ausgestoßene Schutzgas wird nicht direkt dem Bearbeitungsbereich A zugeführt, sondern wirkt wie ein aus dem Gasstrom gebildeter Gasvorhang, der das Eindringen von Außenluft verhindert. Dadurch ist es möglich, den Lufteintritt direkt oberhalb des Bearbeitungsbereichs A zu verhindern und somit die Ablagerungen 3 und deren Umgebung stabil mit dem Schutzgas zu sichern. Die Gasströmung des aus der dritten Gasaustrittsöffnung 85 ausgestoßenen Schutzgases ist vorzugsweise eine laminare Strömung, also eine gleichmäßige und stabile Strömung. Ob der aus der dritten Gasaustrittsöffnung 85 ausgestoßene Gasstrom eine laminare oder eine turbulente Strömung ist, hängt von der Größe der Reynoldszahl ab, die durch die folgende Gleichung beschrieben wird. $Re = ρ \cdot L \cdot U / μ$
Hier ist Re die Reynoldszahl, p die Gasdichte [kg/m³], L die repräsentative Länge [m], U die Strömungsgeschwindigkeit [m/s] und µ der Viskositätskoeffizient des Gases [Pa.s]. Wenn die Auslassform der dritten Gasauslassöffnung 85 beispielsweise ein Rechteck mit einer Länge von 1,0 × 10^-3 [m] an der kurzen Seite 87 und einer Länge von 30,0 × 10^-3 [m] an der langen Seite 88 ist, beträgt das Seitenverhältnis 1:30, was ein ausreichend großes Seitenverhältnis ist. Dann wird die kurze Seite 87 als ihre repräsentative Länge L definiert und es gilt L = 1,0 × 10-3 [m]. Unter der Annahme, dass Re = 1000 eine Bedingung ist, die eine laminare Strömung ergibt, wenn das Schutzgas Argon (Ar) ist und die Temperatur 25 Grad Celsius beträgt, wird die Gasdichte mit 1,076 [kg/m3] und der Gasviskositätskoeffizient mit 0,0227 × 10-3 [Pa·s] angegeben, so dass U aus Gleichung (1) etwa 21 [m/s] beträgt. Das heißt, wenn das Schutzgas aus dem dritten Gasausstoßöffnung 85 mit einer Strömungsgeschwindigkeit von etwa 21 [m/s] ausgestoßen wird, kann das ausgestoßene Schutzgas laminar gemacht werden. Dementsprechend steuert die Steuerung 20 die Strömungsgeschwindigkeit des Schutzgases so, dass das aus der dritten Gasausstoßöffnung 85 ausgestoßene Schutzgas eine laminare Strömung wird. Die Auslassform der dritten Gasausstoßöffnung 85 ist nicht auf die in 7 gezeigte Form beschränkt, sondern kann jede beliebige Form haben, solange die Form die aus Gleichung (1) ermittelte Reynoldszahl ergibt, die eine laminare Strömung ergibt.
Wie bisher beschrieben, wird gemäß der vorliegenden Ausführungsform ein Vorhang des Gasstroms oberhalb des Schnittpunkts P erzeugt, indem das Schutzgas aus der dritten Gasausstoßöffnung 85 in die Richtung parallel zu der Basismaterialoberfläche ausgestoßen wird. Dadurch wird die Luftabschirmung für den Bearbeitungsbereich und seine Umgebung erhöht, um eine Oxidation der Ablagerungen und des Basismaterials zu verhindern.
Ausführungsform 3
Bei Ausführungsform 2 wurde die Schutzgasdüse beschrieben, die Annährung von Luft an die Ablagerungen und ihre Umgebung reduziert und eine noch höhere antioxidative Wirkung hat. Bei Ausführungsform 3 wird eine Modifikation von der Ausführungsform 2 beschrieben. Die Beschreibung der gleichen Teile wie bei der Ausführungsform 1 und der Ausführungsform 2 wird weggelassen und die unterschiedlichen Teile werden beschrieben.
8 ist ein schematisches Diagramm einer typischen Schutzgasdüse 70b für Metallbildung gemäß der Ausführungsform 3. 8(a) ist eine Draufsicht in der Richtung senkrecht zu der Basismaterialoberfläche (in der in 1 dargestellten Z-Achsen-Richtung); 8(b) ist eine Seitenansicht in der Richtung parallel zu der Basismaterialoberfläche (in der in 1 dargestellten X-Achsen-Richtung); 8(c) ist eine Seitenansicht in der Richtung parallel zu der Basismaterialoberfläche (in der in 1 dargestellten Y-Achsen-Richtung).
Eine Düse 71b umfasst auf ihrem Innenseite die Drahtzuführungsstrecke 72, eine erste Gasausstoßöffnung 75a, eine erste Gaszuführungsleitung 74a, die dritte Gasausstoßöffnung 85 und die zweite Gaszuführungsleitung 86. Die Drahtzuführungsstrecke 72 ist ein Weg, um den Draht 2 unter einem Neigungswinkel in Bezug auf die Basismaterialoberfläche, auf dem die Ablagerungen 3 zu bilden sind, in den Verarbeitungsbereich A zuzuführen. Durch die erste Gasausstoßöffnung 75a wird das Schutzgas in den Bearbeitungsbereich A ausgestoßen. Die erste Gaszufuhrleitung 74a ist eine Leitung zum Zuführen des Schutzgases zu der ersten Gasausstoßöffnung 75a. Die dritte Gasausstoßöffnung 85 stößt das Schutzgas aus einer Position aus, die höher liegt als die erste Gasausstoßöffnung 75a und die zweite Gasausstoßöffnung 76a, sodass das ausgestoßene Schutzgas über den Schnittpunkt P durchströmt. Die dritte Gasausstoßöffnung 85 ist an der Düse 71b an einer Position ausgebildet, die höher liegt als die erste Gasausstoßöffnung 75a und die zweite Gasausstoßöffnung 76a in Bezug auf die Basismaterialoberfläche. Die dritte Gasausstoßöffnung 85 erzeugt einen Gasströmungsvorhang oberhalb des Schnittpunkts P, indem das Schutzgas von dieser Position aus in die Richtung parallel zu der Basismaterialoberfläche ausgestoßen wird.
Außerdem ist der Auslass der ersten Gasausstoßöffnung 75a näher an der Basismaterialoberfläche ausgebildet als die Position des Auslasses der Drahtzuführungsstrecke 72 und ist so gebildet, dass das Schutzgas zu dem Schnittpunkt P hin unter einem Winkel ausgestoßen wird, der gleich oder kleiner ist als der Neigungswinkel in Bezug auf die Basismaterialoberfläche. Die Form der ersten Gasaustrittsöffnung 75a ist vorzugsweise zu ihrem Ausgang hin so ausgeweitert, dass die auf dem Bearbeitungsbereich A gebildeten Ablagerungen 3 einschließlich ihrer Umgebung mit dem Schutzgas abgeschirmt werden.
Die Schutzgasdüse 70b für Metallbildung umfasst eine Gasumlenkungseinheit 90, die das aus der dritten Gasaustrittsöffnung 85 ausgestoßene Schutzgas oberhalb des Bearbeitungsbereichs A umlenkt, um das umgeleitete Schutzgas wieder auf den Bearbeitungsbereich A auszustoßen. Die Gasumlenkungseinheit 90 umfasst die zweite Gasausstoßöffnung 76a, einen Gaseinlass 91 und eine Gasumlenkungsleitung 92. Die zweite Gasausstoßöffnung 76a stößt das Schutzgas in den Bearbeitungsbereich A aus; der Gaseinlass 91 nimmt das von der dritten Gasausstoßöffnung 85 ausgestoßene Schutzgas oberhalb des Bearbeitungsbereichs A auf; die Gasumleitungsleitung 92 ist ein Weg zum Umleiten des von dem Gaseinlass 91 aufgenommenen Schutzgases, um das umgeleitete Schutzgas der zweiten Gasausstoßöffnung 76a zuzuführen. Damit das Schutzgas, das aus der dritten Gasausstoßöffnung 85 oberhalb des Bearbeitungsbereichs A in der Richtung parallel zu der Basismaterialoberfläche ausgestoßen wird, leicht in den Gaseinlass 91 gelangen kann, ist der Gaseinlass 91 in der Gasumlenkeinheit 90 an einer Position auf der Verlängerungsstrecke der Ausstoßrichtung von der dritten Gasausstoßöffnung 85 ausgebildet. Die Form der zweiten Gasausstoßöffnung 76a ist vorzugsweise zu ihrem Ausgang hin so ausgeweitert, dass die auf dem Bearbeitungsbereich A gebildeten Ablagerungen 3 einschließlich ihrer Umgebung mit dem Schutzgas abgeschirmt werden.
Wie bisher beschrieben, wird bei der vorliegenden Ausführungsform das Schutzgas aus der dritten Gasausstoßöffnung 85 in die Richtung parallel zu der Basismaterialoberfläche ausgestoßen, nach dem Durchströmen des Schnittpunktes P umgelenkt und dann aus der zweiten Gasausstoßöffnung 76a ausgestoßen. Durch diese Bewegung des Schutzgases entsteht ein Vorhang des Gasstroms oberhalb des Schnittpunkts P, und gleichzeitig wird der Schattenbereich mit dem Schutzgas versorgt. Dadurch wird die Luftabschirmung zu dem Bearbeitungsbereich A und seiner Umgebung verbessert, und die Oxidation der Ablagerungen 3 und des Basismaterials 4 kann verhindert werden.
Die Düse 71b mit der ersten Gasausstoßöffnung 75a und die Gasumlenkungseinheit 90 mit der zweiten Gasausstoßöffnung 76a werden bei der Ausführungsform 3 der vorliegenden Offenbarung dargestellt. Dies ist jedoch nur ein Beispiel, und es ist nur erforderlich, dass mindestens zwei oder mehr Gasausstoßöffnungen, einschließlich der ersten Gasausstoßöffnung 75a und der zweiten Gasausstoßöffnung 76a, vorhanden sind. Beispielsweise kann die Düse 71b zusätzlich zu der ersten Gasausstoßöffnung 75a eine weitere Gasausstoßöffnung aufweisen; die Gasumlenkungseinheit 90 kann zusätzlich zu der zweiten Gasausstoßöffnung 76a eine weitere Gasausstoßöffnung aufweisen.
Bei der Ausführungsform 3 der vorliegenden Offenbarung sind die Auslässe der ersten Gasauslassöffnung 75a und der zweiten Gasauslassöffnung 76a beispielsweise jeweils rechteckig ausgebildet. Die Auslässe der Gasausblasöffnungen haben vorzugsweise jeweils eine rechteckige Form, wodurch es einfach ist, die große Fläche der Ablagerungen und ihre Umgebung mit dem Schutzgas zu bedecken. Ihre Form ist jedoch nicht auf eine rechteckige Form beschränkt, solange die Ablagerungen und ihre Umgebung vollständig von der Schutzgasatmosphäre umgeben werden können. Die Auslassform der dritten Gasauslassöffnung 85 ist nicht auf die in 8 gezeigte Form beschränkt, solange die Form eine ReynoldsZahl ergibt, die bei der Berechnung nach Gleichung (1) eine laminare Strömung ergibt. Ferner ist die Strömung des Schutzgases, das aus der ersten Gasausstoßöffnung 75a und der zweiten Gasausstoßöffnung 76a ausgestoßen wird, vorzugsweise eine laminare Strömung, und noch vorzugsweise eine Strömung, die die gewünschten Bedingungen für die bei der Ausführungsform 1 beschriebene laminare Strömung erfüllt.
Bei der vorliegenden Ausführungsform ist eine Konfiguration beispielweise dargestellt, bei der die Drahtzuführungsstrecke 72 und die erste Gaszuführungsleitung 74a integriert sind. Die Struktur ist jedoch nicht auf eine Struktur beschränkt, bei der die Drahtzuführungsstrecke 72 und die erste Gaszuführungsleitung 74a integriert sind, und kann eine Struktur sein, bei der die Drahtzuführungsstrecke 72 und die erste Gaszuführungsleitung 74a getrennt sind.
Die oben bei den Ausführungsformen gezeigten Konfigurationen sind jeweils ein Beispiel für den Inhalt der vorliegenden Erfindung; sie können mit anderen bekannten Technologien kombiniert werden, und ein Teil von ihnen kann im Rahmen der vorliegenden Erfindung weggelassen oder geändert werden.
Bezugszeichenliste

1: Laserlicht,
2: Draht,
3: Ablagerunen,
4: Basismaterial,
5: Arbeitsbühne,
6: Laserkopf,
7: Lichtübertragungsstrecke,
10: Laseroszillator,
20: Steuerung,
30: Bearbeitungskopf,
31: Hauptkörper des Bearbeitungskopfes,
40: Drahtzuführung,
50: Schutzgasversorger,
60: Antriebseinheit,
61: X-Achsen-Treiber,
62: Y-Achsen-Treiber,
63: Z-Achsen-Treiber,
70,70a,70b: Schutzgasdüse für Metallbildung,
71,71a,71b: Düse,
72: Drahtzuführungsstrecke,
73: Gasverzweigungseinheit,
74,74a: erste Gaszuführungsleitung,
75,75a: erste Gasausstoßöffnung,
76,76a: zweite Gasausstoßöffnung,
77: verzweigte Gaszuführungsleitung,
78: Gasverzweigungsstelle,
81: Drahtzuführungsrichtung,
82: Richtung der Mittelachse der ersten Gasausstoßöffnung,
83: Richtung der Mittelachse der zweiten Gasausstoßöffnung,
84: vierte Gasausstoßöffnung,
85: dritte Gasausstoßöffnung,
86: zweite Gaszuführungsleitung,
87: kurze Seite,
88: lange Seite,
90: Gasumlenkungseinheit,
91: Gaseinlass,
92: Gasumlenkungsleitung,
100: Lasermetallbildungsvorrichtung,
101: Prozessor,
102: Speicher,
103: Anzeige,
A: Bearbeitungsbereich,
B: Schattenbereich,
P: Schnittpunkt

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

JP 2010172941 [0003]

Claims

Schutzgasdüse für Metallbildung, umfassend: eine Drahtzuführungsstrecke, die ein Weg zum Zuführen eines Drahtes unter einem Neigungswinkel θ zu einer Basismaterialoberfläche ist; eine erste Gasausstoßöffnung zum Ausstoßen von Schutzgas zur Verhinderung der Oxidation von Ablagerungen unter einem Winkel, der gleich oder kleiner ist als der Neigungswinkel θ zu der Basismaterialoberfläche; und eine zweite Gasausstoßöffnung zum Ausstoßen des Schutzgases auf die Basismaterialoberfläche in einer Richtung, die sich von einer Ausstoßrichtung der ersten Gasausstoßöffnung auf die Basismaterialoberfläche unterscheidet, wobei eine Drahtzuführungsrichtung, in der der Draht zugeführt ist, eine Mittelachsenrichtung der ersten Gasausstoßöffnung und eine Mittelachsenrichtung der zweiten Gasausstoßöffnung sich miteinander an einem Schnittpunkt schneiden, der niedriger als die erste Gasausstoßöffnung und die zweite Gasausstoßöffnung ist, wobei die erste Gasausstoßöffnung das Schutzgas zu dem Schnittpunkt hin entlang einer Richtung ausstößt, in der ein absoluter Wert eines Winkels zu der Drahtzuführungsrichtung bei Betrachtung in einer Richtung senkrecht zu der Basismaterialoberfläche weniger als 90 Grad ist, und wobei die zweite Gasausstoßöffnung das Schutzgas zu dem Schnittpunkt hin entlang einer Richtung ausstößt, in der ein absoluter Wert eines Winkels zu der Drahtzuführungsrichtung bei Betrachtung in der Richtung senkrecht zu der Basismaterialoberfläche größer als 90 Grad ist.
Schutzgasdüse für Metallbildung nach Anspruch 1, die ferner eine dritte Gasausstoßöffnung zum Ausstoßen des Schutzgases aus einer Position umfasst, die höher als die erste Gasausstoßöffnung und die zweite Gasausstoßöffnung in einer solchen Weise liegt, dass das daraus ausgestoßene Schutzgas über den Schnittpunkt hinausgeht.
Schutzgasdüse für Metallbildung nach Anspruch 2, ferner umfassend: einen Gaseinlass zum Ansaugen des aus der dritten Gasausstoßöffnung ausgestoßenen Schutzgases; und eine Gasumlenkungsleitung, die ein Weg ist, um eine Richtung des vom Gaseinlass angesaugten Schutzgases umzuleiten, um es der zweiten Gasausstoßöffnung zuzuführen.
Schutzgasdüse für Metallbildung nach Anspruch 1 oder 2, ferner umfassend: eine Gasverzweigungseinheit zum Verzweigen des Schutzgases und zum Ausstoßen desselben aus mehreren Richtungen zu dem Schnittpunkt; und eine erste Gaszuführungsleitung, die ein Weg zum Zuführen des Schutzgases zu der Gasverzweigungseinheit ist, wobei die Gasverzweigungseinheit umfasst: die erste Gasausstoßöffnung; die zweite Gasausstoßöffnung; und eine verzweigte Gaszuführungsleitung, die ein Weg zum Verzweigen und Zuführen des Schutzgases zu der ersten Gasausstoßöffnung und der zweiten Gasausstoßöffnung ist.
Schutzgasdüse für Metallbildung nach Anspruch 4, wobei die Gasverzweigungseinheit eine Ringform aufweist, die an dem Schnittpunkt zentriert ist, wenn sie in der Richtung senkrecht zu der Basismaterialoberfläche betrachtet wird.
Schutzgasdüse für Metallbildung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die erste Gasausstoßöffnung und die zweite Gasausstoßöffnung eine Form aufweisen, die zu ihren jeweiligen Auslässen hin verbreitert ist.
Lasermetallbildungsvorrichtung zum Erhitzen und Schmelzen eines Drahts mit Laserlicht, um Ablagerungen abzulagern, wobei die Lasermetallbildungsvorrichtung die Schutzgasdüse für Metallbildung nach einem der Ansprüche 1 bis 6 umfasst, wobei die Position der Schutzgasdüse für Metallbildung so gesteuert ist, dass die Position des Schnittpunkts in einen Bearbeitungsbereich gebracht wird, in dem die Ablagerungen durch Erhitzen und Schmelzen des Drahts frisch abgelagert werden, und das Laserlicht zu dem Schnittpunkt hin gestrahlt wird.
Lasermetallbildungsvorrichtung zum Erhitzen und Schmelzen eines Drahtes mit Laserlicht, um Ablagerungen abzulagern, wobei die Lasermetallbildungsvorrichtung die Schutzgasdüse für Metallbildung nach Anspruch 2 oder 3 umfasst, wobei eine Strömungsgeschwindigkeit des Schutzgases so gesteuert ist, dass das aus der dritten Gasausstoßöffnung ausgestoßene Schutzgas eine laminare Strömung wird.