DE20318461U1

DE20318461U1 - Lavaldüse für eine Crossjet-Vorrichtung

Info

Publication number: DE20318461U1
Application number: DE20318461U
Authority: DE
Original assignee: Trumpf Laser GmbH
Current assignee: Trumpf Laser GmbH
Priority date: 2003-11-26
Filing date: 2003-11-26
Publication date: 2004-03-11
Anticipated expiration: 2013-11-27

Abstract

Düse (1), insbesondere Lavaldüse, mit einer in einer Wand (7) vorgesehenen Düsenöffnung (2), die eine konvergierende Düseneintrittsöffnung (3) und eine divergierende Düsenaustrittsöffnung (4) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Düsenöffnung (2) in die Düsenwand (7) mittels eines Laserstrahls (8) geschnitten ist, dessen Strahlkontur der Düsenkontur (3, 4, 5) entspricht.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Düse, insbesondere Lavaldüse, mit einer in einer Wand vorgesehenen Düsenöffnung, die eine konvergierende Düseneintrittsöffnung und eine divergierende Düsenaustrittsöffnung aufweist, sowie eine Crossjet-Vorrichtung mit einer solchen Düse.
Um beim Laserschweißen das Niederschlagen von Schmelzspritzern auf der Oberfläche einer Optik des Bearbeitungslaserstrahls zu verhindern, ist es bekannt, zwischen der Optik und dem zu bearbeitenden Werkstück eine Crossjet-Vorrichtung mit einer Gasdüse anzuordnen. Aus der Gasdüse strömt ein quer zum Bearbeitungslaserstrahl gerichteter Gasstrom aus, der die vom Werkstück in Richtung Optik fliegenden Schmelzspritzer von der Optik ablenkt. Bei bekannten Crossjet-Vorrichtungen ist die Gasdüse nicht als einfache, konvergierende Düse, sondern zur Erzeugung eines Gasstromes mit hoher Strömungsgeschwindigkeit als so genannte Lavaldüse mit einer konvergierenden Düseneintrittsöffnung und im Anschluss daran mit einer divergierenden Düsenaustrittsöffnung ausgebildet. An der engsten Stelle (Auslasstaille) erreicht der Gasstrom maximal Schallgeschwindigkeit. Durch die divergierende Düsenaustrittsöffnung nach der engsten Stelle wird die Strömungsgeschwindigkeit weit größer als die Schallgeschwindigkeit („Prinzip der Lavaldüse").
Bei derzeit verfügbaren Crossjet-Vorrichtungen wird die Düse aus zwei Bauteilen zusammengesetzt, in die die Kontur der Düsenöffnung gefräst oder erodiert wurde. Unabhängig vom Fertigungsverfahren stellt die Herstellung der Düsenöffnung den schwierigsten Schritt bei der Herstellung der Crossjet-Vorrichtung dar. Beim Fräsen ist die Einhaltung der Formgenauigkeit der Düsenkontur, insbesondere bei Systemen mit langer Düsenöffnung, problematisch. Das Erodieren (Draht- oder Senkerodieren) ist ein aufwändiges und kostenintensives Fertigungsverfahren. Auch mit diesem Verfahren ist die Formgebung der Düsenkontur sehr schwierig.
Demgegenüber ist es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine möglichst einfache und kostengünstig hergestellte Düse sowie eine entsprechende Crossjet-Vorrichtung bereitzustellen.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass die Düsenöffnung in die Düsenwand mittels eines Laserstrahls geschnitten ist, dessen Strahlkontur der Düsenkontur entspricht.
Der Laserstrahl wird etwas defokussiert, so dass sich die Strahlform im Schnittbild der Düsenöffnung widerspiegelt. Der Laserstrahl wird derart auf die Düsenwand gerichtet, dass die Strahltaille seines Strahlkegels innerhalb der Wand mit der Auslasstaille der zu schneidenden Düsenöffnung zusammenfällt. Durch Variation des Strahltaillendurchmessers und der Lage der Strahltaille im Material wird die Kontur und Breite der Düsenöffnung beeinflusst.
Je nach Länge des Schneidwegs kann die Düsenöffnung eher rund oder schlitzförmig hergestellt werden.
Die Vorteile der erfindungsgemäß hergestellten Düse sind wie folgt:

– einfache Bauweise, da weniger Einzelteile benötigt werden;
– einfache und kostengünstige Herstellung;
– bessere Dichtheit und geringerer Gasverbrauch im Vergleich zu bisherigen Crossjet-Vorrichtungen;
– der Düsenkörper bzw. die eingeschnittene Wand ist im Bereich der Düsenöffnung einteilig;
– die Größe der Düsenöffnung ist nicht durch das Herstellverfahren begrenzt, so dass beispielsweise lange Düsenöffnungen (Schlitze) problemlos herstellbar sind.

Die Erfindung betrifft auch eine Crossjet-Vorrichtung zum Schutz einer Bearbeitungslaseroptik vor Schmelzspritzern mit einer Düse, die wie oben ausgestaltet ist und zwischen der Optik (z.B. Fokussierlinse oder Schutzglas) des Bearbeitungslaserstrahls und dem Werkstück angeordnet ist. Der aus der Düsenöffnung austretende Gasstrom lenkt die bei der Laserbearbeitung vom Werkstück in Richtung Optik fliegenden Schmelzspritzer quer zum Bearbeitungslaserstrahl ab und schützt somit die Optik.
Vorzugsweise weist die Crossjet-Vorrichtung eine Druckkammer auf, die der Düse vorgeschaltet ist. Bevorzugt ist die Wand, in welche die Düsenöffnung geschnitten ist, eine Wand dieser Druckkammer. Besonders vorteilhaft ist es, wenn das Kammergehäuse seitlich offen und durch ein Seitenblech verschlossen ist. Das Seitenblech kann an das Kammergehäuse mittels Verbindungsschrauben angeschraubt werden, die rechtwinklig zum Verbindungsspalt zwischen beiden Teilen wirken.
Weitere Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung 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 gezeigten und beschriebenen Ausführungsformen sind nicht als abschließende Aufzählung zu verstehen, sondern haben vielmehr beispielhaften Charakter für die Schilderung der Erfindung.
Es zeigen:
1 den Längsschnitt der erfindungsgemäßen Düse;
2 die Längskontur eines Laserstrahls zum Herstellen der erfindungsgemäßen Düse;
3 den Längsschnitt einer Crossjet-Vorrichtung mit der erfindungsgemäßen Düse; und
4 die Vorderansicht der in 3 gezeigten Crossjet-Vorrichtung.
1 zeigt eine als Lavaldüse ausgebildete Düse 1, deren Düsenöffnung 2 eine konvergierende Düseneintrittsöffnung 3, eine divergierenden Düsenaustrittsöffnung 4 und dazwischen eine Auslasstaille 5 aufweist. Ein durch die konvergierende Düseneintrittsöffnung 3 einströmender Gasstrom 6 erreicht an der Auslasstaille 5 maximal Schallgeschwindigkeit. Durch die divergierende Düsenaustrittsöffnung 4 nach der Auslasstaille 5 wird die Strömungsgeschwindigkeit weit größer als die Schallgeschwindigkeit (so genanntes „Prinzip der Lavaldüse").
Die Düsenöffnung 2 ist in eine Wand 7 mittels eines in 2 gezeigten Laserstrahls 8 geschnitten, dessen Strahlkontur der durch Düseneintrittsöffnung 3, Düsenaustrittsöffnung 4 und Auslasstaille 5 gebildeten Düsenkontur entspricht. Mit anderen Worten, der Laserstrahl 8 wird derart auf die Wand 7 gerichtet, dass die Strahltaille 9 seines Strahlkegels innerhalb der Wand 7 mit der Auslasstaille 5 der zu schneidenden Düsenöffnung 2 zusammenfällt. Mit der Lage der Strahltaille 9 im Material kann nun die Düsenöffnung 2 mit der gewünschten Düsenkontur geschnitten werden. Die Breite der Düsenöffnung 2 wird mit dem Taillendurchmesser des Laserstrahls 8 und der Lage der Strahltaille 9 im Material bestimmt. Die Düsenöffnung 2 kann beispielsweise rund oder durch einen entsprechend langen Schnitt schlitzförmig hergestellt werden. Die Wand 7 kann aus z.B. Edelstahl sein, und die Düsenöffnung 2 darin mittels eines gepulsten Nd:YAG-Lasers geschnitten sein.
In 3 sind ein Bearbeitungslaserstrahl 10 zum Bearbeiten (Laserschweißen) eines Werkstücks 11 und eine Crossjet-Vorrichtung 12 gezeigt, die zwischen einer Optik 13 (z.B. Fokussierlinse oder vorgeschaltetes Schutzglas) des Bearbeitungslaserstrahls 10 und dem Werkstück 11 angeordnet ist. Die Crossjet-Vorrichtung 12 weist eine Druckkammer 14 mit einer Einlassöffnung 15 und einer wie oben ausgebildeten Düse 1 auf, deren Düsenöffnung 2 in der dem Bearbeitungslaserstrahl 10 zugewandten Wand 7 der Druckkammer 14 vorgesehen ist. Die Druckkammer 14 hat ein seitlich offenes Kammergehäuse 16, das mit einem Seitenblech 17 (4) verschlossen und dadurch abgedichtet ist.
Die Druckkammer 14 ist über die Einlassöffnung 15 an eine Gas-Druckquelle (nicht gezeigt) angeschlossen, so dass ein Gasstrom 6 aus der Düsenöffnung 2 quer zum Bearbeitungslaserstrahl 10 austritt. Dieser Gasstrom 6 lenkt die bei der Laserbearbeitung vom Werkstück 11 in Richtung Optik 13 fliegenden Schmelzspritzer quer zum Bearbeitungslaserstrahl 10 ab und schützt somit die Optik 13.

Claims

Düse (1), insbesondere Lavaldüse, mit einer in einer Wand (7) vorgesehenen Düsenöffnung (2), die eine konvergierende Düseneintrittsöffnung (3) und eine divergierende Düsenaustrittsöffnung (4) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Düsenöffnung (2) in die Düsenwand (7) mittels eines Laserstrahls (8) geschnitten ist, dessen Strahlkontur der Düsenkontur (3, 4, 5) entspricht.
Düse nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Düsenöffnung (2) einen runden oder schlitzförmigen Querschnitt hat.
Crossjet-Vorrichtung (12) mit einer Düse (1) nach Anspruch 1 oder 2.
Crossjet-Vorrichtung nach Anspruch 3, gekennzeichnet durch eine Druckkammer (14), die der Düse (1) vorgeschaltet ist.
Crossjet-Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Wand (7), in welche die Düsenöffnung (2) geschnitten ist, eine Wand der Druckkammer (14) ist.
Crossjet-Vorrichtung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Druckkammer (14) ein seitlich offenes Kammergehäuse (16) aufweist, das durch ein Seitenblech (17) verschlossen ist.