DE202007003451U1

DE202007003451U1 - Düse zur Lasermaterialbearbeitung

Info

Publication number: DE202007003451U1
Application number: DE202007003451U
Authority: DE
Original assignee: Trumpf Laser GmbH
Current assignee: Trumpf Laser GmbH
Priority date: 2007-03-06
Filing date: 2007-03-06
Publication date: 2007-05-03
Anticipated expiration: 2017-03-07

Abstract

Düse zur Lasermaterialbearbeitung, insbesondere zum Laserstrahlschweißen, mit einem rotationssymmetrischen Düsenkanal (2), durch den ein Laserstrahl (3) und ein Prozessgas (4), insbesondere Schutzgas, gemeinsam geführt werden, dadurch gekennzeichnet, dass der Düsenkanal (2) sich in Richtung auf seine Austrittsöffnung (5) flaschenhalsförmig verjüngt und an der Austrittsöffnung (5) parallel oder nahezu parallel zur Symmetrieachse (6) des Düsenkanals (2) verläuft, derart, dass das Prozessgas (4) als laminare Strömung aus der Austrittsöffnung (5) ausströmt.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Düse zur Lasermaterialbearbeitung, insbesondere zum Laserstrahlschweißen, mit einem rotationssymmetrischen Düsenkanal, durch den ein Laserstrahl und ein Prozessgas, insbesondere Schutzgas, gemeinsam geführt werden.
Bekannte Düsen dieser Art verwenden beispielsweise Bernoullikonturen mit einer trompetenförmigen Austrittsöffnung. Allerdings führt diese Trompetenform zu Verwirbelungen und zum Abreißen des ausströmenden Gasstroms und somit zu einer verminderten Schutzgaswirkung.
Zudem werden vielfach Düsen zum Laserstrahlschweißen eingesetzt, die zum Optikschutz eine so genannte Cross-Jet-Düse und zum Schutz der Schweißnaht gegen Oxidbildung eine seitlich angebrachte separate Schutzgasdüse aufweisen. Allerdings führt diese seitliche Schutzgasdüse zu einer Richtungsabhängigkeit der Düsenanordnung. So führt eine Richtungsänderung der Düsenbewegung zu einer geringeren bis fehlenden Schutzgasversorgung der Naht, so dass Oxidation auftreten kann. Zudem ist der Gasverbrauch der seitlichen Schutzgasdüse in Kombination mit dem Cross-Jet vergleichsweise hoch, was sich insbesondere bei der Verwendung teurer Gase auswirkt. Die Cross-Jet-Düse ist zwischen der Optik und dem zu bearbeitenden Werkstück angeordnet und erzeugt eine Quergasströmung, die verhindert, dass sich die üblicherweise beim Laserschweißen entstehenden Schmelzspritzer und/oder Schmauch auf der Optik niederschlagen.
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Düse der eingangs genannten Art dahingehend weiterzubilden, dass ein durch die Düse strömendes Prozessgas über den gesamten Öffnungsdurchmesser der Austrittsöffnung als möglichst verwirbelungsfreie Strömung austritt.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass der Düsenkanal sich in Richtung auf seine Austrittsöffnung flaschenhalsförmig verjüngt und an der Austrittsöffnung parallel oder nahezu parallel zur Symmetrieachse des Düsenkanals verläuft, derart, dass das Prozessgas als laminare Strömung aus der Austrittsöffnung ausströmt.
Erfindungsgemäß verjüngt sich der Düsenkanal kurvenförmig unter Verwendung größtmöglicher Radien und ohne Absatz, Stufe oder Kante, so dass das Prozessgas über den gesamten Öffnungsdurchmesser der Austrittsöffnung als laminare Strömung austritt. An der Austrittsöffnung treten somit keine Verwirbelungen und auch kein Abreißen des Gasstroms auf. Aufgrund der gleichmäßigen Schutzgasverteilung über den gesamten Öffnungsquerschnitt der Austrittsöffnung erreichen keine Spritzer das Schutzglas. Der normalerweise erforderliche Druckluft-Cross-Jet zum Schutz des Schutzglases vor Spritzern und Schmauch kann entfallen, womit sich die Betriebskosten durch Wegfall der Druckluftversorgung reduzieren. Durch die gemeinsame Führung des Laserstrahls und des Prozessgases durch den Düsenkanal ist die Schweißnaht unabhängig von der Bewegungsrichtung der Düse vor Oxidationen geschützt.
Weitere Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung, den Ansprüchen und der Zeichnung. Ebenso können die vorstehend genannten und die noch weiter aufgeführten Merkmale je für sich oder zu mehreren in beliebigen Kombinationen Verwendung finden. Die gezeigte und beschriebene Ausführungsform ist nicht als abschließende Aufzählung zu verstehen, sondern hat vielmehr beispielhaften Charakter für die Schilderung der Erfindung.
Die einzige Figur zeigt einen Längsschnitt der erfindungsgemäßen Düse zur Lasermaterialbearbeitung, insbesondere zum Laserstrahlschweißen.
Die Düse weist einen Düsenkörper 1 mit einem rotationssymmetrischen inneren Düsenkanal 2 auf, durch den ein Laserstrahl 3 und ein Schutzgas 4 (z.B. Argon) gemeinsam geführt werden. Der innere Düsenkanal 2 verjüngt sich in Richtung auf seine Austrittsöffnung 5 flaschenhalsförmig, d.h. ohne irgendeinen Absatz, Stufe, Kante etc. Genauer gesagt weist der Düsenkörper 1 einen hinteren Düsenabschnitt 2a und einen in die Austrittsöffnung 5 mündenden vorderen Düsenabschitt 2b auf. Der hintere Düsenabschnitt 2a ist nach außen und der vordere Düsenabschnitt 2b nach innen gekrümmt, wobei die beiden Düsenabschnitte 2a, 2b absatzlos ineinander übergehen. Der hintere Düsenabschnitt 2a verläuft an seinem stromaufwärtigen Ende und der vordere Düsenabschnitt 2b an der Austrittsöffnung 5 jeweils nahezu parallel zur Symmetrieachse 6 des Düsenkanals 2.
Der Düsenkörper 1 ist relativ zu einer Optik bzw. zu einem Düsenhalter (Düsenkörperaufnahme) 19 axial verschiebbar, um den Abstand zwischen der Austrittsöffnung 5 und einem Werkstück, z.B. bei Änderung der Fokuslage des Laserstrahls 6, stufenlos oder schrittweise nachstellen zu können. Das Verstellen der Düse kann über geeignete Systeme zum Hinaus- und Hineinfahren der Düse, wie einen elektrischen Motor, Zahnstangen, hydraulische Systeme oder Federn, realisiert werden. Bevorzugt erfolgt die Positionierung der Düse über zwei Pneumatikzylinder mittels einer Umlenkgabel. Die Störkontur der Düse ist dabei so gering, dass sämtliche Schweißnahtgeometrien (I-Naht, Kehlnaht, Überlappnaht) erzeugt werden können.
An dem der Austrittsöffnung 5 abgewandten, in der Figur oberen Ende des Düsenkanals 2 weist der Düsenhalter 19 einen axial in den Düsenkanal 2 mündenden Ringspalt 7 auf, vor dem ein poröser Sinterring 8 aus gasdurchlässigem Sintermaterial angeordnet ist. Über einen Außenanschluss 9 des Düsenhalters 19 wird das Schutzgas 4 in den Ringspalt 7 und von dort durch den porösen Sinterring 8 hindurch in den inneren Düsenkanal 2 geleitet. Unmittelbar stromabwärts des Sinterrings 8 ist am Düsenhalter 18 eine Fase 18 zur radialen Führung des aus dem Sinterring 8 ausströmenden Schutzgases 4 vorgesehen. Der Sinterring 8 bewirkt im Ringspalt 7 einen Gasrückstau und somit eine gleichmäßige Verteilung des Schutzgases 4 im Ringspalt 7, so dass ein umfänglich gleichmäßig verteilter Gasstrom über den Sinterring 8 in den inneren Düsenkanal 2 laminar einströmt. Die laminare Einströmung des umfänglich gleichmäßig verteilten Schutzgases 4 und die flaschenhalsförmige Innenkontur des Düsenkanals 2 führen zu dem laminaren Strömungsverhalten an der Austrittsöffnung 5. Der innere Düsenkanal 2 ist an seinem der Austrittsöffnung 5 abgewandten Ende durch ein Schutzglas 10 begrenzt.
Die Düse weist weiterhin eine die Austrittsöffnung 5 des inneren Düsenkanals 2 koaxial umgebende, konische Ringdüse 11 auf, die durch einen den Düsenköper 1 koaxial umgebenden Außenring 12 gebildet wird. Um die Spaltbreite der Ringdüse 11 einstellen zu können, ist der Außenring 12 relativ zum Düsenkörper 1 axial verstellbar, also z.B. auf den Düsenkörper 1 aufgeschraubt. Über mehrere Außenanschlüsse 13 des Düsenhalters 19 wird ein Schutzgas 14 (z.B. ebenfalls Argon) über den Düsenhalter 19 und einen oder mehrere im Düsenkörper 1 und/oder im Düsenhalter 19 vorgesehene Kanäle 15 in einen Faltenbalg 16 und von dort über einen oder mehrere Kanäle 17 weiter in die Ringdüse 11 geleitet. Der Faltenbalg 16 ist einerseits am Düsenhalter 19 und andererseits am Außenring 12 (insbesondere formschlüssig oder auch kraftschlüssig) montiert und stellt beim Verschieben des Außenrings 12 gegenüber dem Düsenkörper 1 die Zufuhr des Schutzgases 14 in die Ringdüse 11 sicher. Der Faltenbalg 16 dient zudem als Rückstaubereich für das Schutzgas 14 und übernimmt somit eine identische Funktion wie der Ringspalt 7 für das Schutzgas 4. Außerdem wird eine zwischen Düsenhalter 19 und Düsenkörper 1 vorgesehene Führung (z.B. Gleitführung) durch den Faltenbalg 16 abgedichtet und vor Schweißspritzern und Schmauch geschützt. Durch die elastische Verformung des Faltenbalgs 16 wird auch ein Gewichtsausgleich für die beweglichen Düsenkomponenten erreicht. Im Anschluss an den Faltenbalg 16 strömt das Schutzgas 14 durch die Kanäle 17 in die Ringdüse 11, die aufgrund ihres sich verjüngenden Ringspalts einen weiteren Rückstaubereich für das Schutzgas 14 ausbildet. Durch das aus der Ringdüse 11 ausströmende Schutzgas 14 wird das aus der Austrittsöffnung 5 ausströmende Schutzgas 4 nach außen abgeschirmt.

Claims

Düse zur Lasermaterialbearbeitung, insbesondere zum Laserstrahlschweißen, mit einem rotationssymmetrischen Düsenkanal (2), durch den ein Laserstrahl (3) und ein Prozessgas (4), insbesondere Schutzgas, gemeinsam geführt werden, dadurch gekennzeichnet, dass der Düsenkanal (2) sich in Richtung auf seine Austrittsöffnung (5) flaschenhalsförmig verjüngt und an der Austrittsöffnung (5) parallel oder nahezu parallel zur Symmetrieachse (6) des Düsenkanals (2) verläuft, derart, dass das Prozessgas (4) als laminare Strömung aus der Austrittsöffnung (5) ausströmt.
Düse nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der sich flaschenhalsförmig verjüngende Düsenkanal (2) einen absatzlosen hinteren Düsenabschnitt (2a) und einen in die Austrittsöffnung (5) mündenden, absatzlosen vorderen Düsenabschitt (2b) aufweist, wobei der hintere Düsenabschnitt (2a) nach außen und der vordere Düsenabschnitt (2b) nach innen gekrümmt ist und die beiden Düsenabschnitte (2a, 2b) absatzlos ineinander übergehen.
Düse nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der hintere Düsenabschnitt (2a) am stromaufwärtigen Ende und der vordere Düsenabschnitt (2b) an der Austrittsöffnung (5) jeweils parallel oder nahezu parallel zur Symmetrieachse (6) des Düsenkanals (2) verlaufen.
Düse nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass an dem der Austrittsöffnung (5) abgewandten Ende des Düsenkanals (2) ein axial in den Düsenkanal (2) mündender, in Richtung auf die Austrittsöffnung (5) offener Ringspalt (7) vorgesehen ist, über den das Prozessgas (4) in den Düsenkanal (2) eingeströmt wird.
Düse nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass vor dem Ringspalt (7) ein poröser Ring (8) aus gasdurchlässigem Material, insbesondere aus Sintermaterial, angeordnet ist.
Düse nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Düsenkanal (2) unmittelbar stromabwärts des porösen Rings (8) eine Fase (18) oder einen nach innen gekrümmten Abschnitt zur radialen Führung des aus dem porösen Ring (8) ausströmenden Prozessgases (4) aufweist.
Düse nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Düsenkanal (2) an seinem der Austrittsöffnung (5) abgewandten Ende durch ein Schutzglas (10) begrenzt ist.
Düse nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine die Austrittsöffnung (5) des Düsenkanals (2) koaxial umgebende Ringdüse (11) für ein Schutzgas (14) vorgesehen ist.
Düse nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Ringdüse (11) an einen Faltenbalg (16) angeschlossen ist, über den das Schutzgas (14) in die Ringdüse (11) eingeströmt wird.