EP2948269A1 - Düse für das laser-pulver-auftragsschweissen - Google Patents

Düse für das laser-pulver-auftragsschweissen

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Publication number
EP2948269A1
EP2948269A1 EP14713418.3A EP14713418A EP2948269A1 EP 2948269 A1 EP2948269 A1 EP 2948269A1 EP 14713418 A EP14713418 A EP 14713418A EP 2948269 A1 EP2948269 A1 EP 2948269A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
opening
powder
powder channel
laser
material inlet
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP14713418.3A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Nikolai Arjakine
Bernd Burbaum
Torsten JOKISCH
Eike Kohlhoff
Lukasz Panek
Sebastian Piegert
Christoph Starke
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Siemens AG
Original Assignee
Siemens AG
Siemens Corp
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Siemens AG, Siemens Corp filed Critical Siemens AG
Priority to EP14713418.3A priority Critical patent/EP2948269A1/de
Publication of EP2948269A1 publication Critical patent/EP2948269A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K26/00—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring
    • B23K26/14—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring using a fluid stream, e.g. a jet of gas, in conjunction with the laser beam; Nozzles therefor
    • B23K26/1462—Nozzles; Features related to nozzles
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
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    • B23K26/1462—Nozzles; Features related to nozzles
    • B23K26/1464—Supply to, or discharge from, nozzles of media, e.g. gas, powder, wire
    • B23K26/1476—Features inside the nozzle for feeding the fluid stream through the nozzle
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    • B23K26/144—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring using a fluid stream, e.g. a jet of gas, in conjunction with the laser beam; Nozzles therefor the fluid stream containing particles, e.g. powder
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    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K26/00—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring
    • B23K26/34—Laser welding for purposes other than joining
    • B23K26/342—Build-up welding

Definitions

  • the invention relates to a nozzle for laser powder deposition welding, comprising a sleeve-shaped nozzle body, in which an axial passage opening for a machining laser beam is formed with a laser entrance opening at its rear side and a laser exit opening at its front side, wherein the passage opening in particular is tapered in the direction of the laser exit opening, and an annular powder channel surrounding the passage opening at least over part of its axial length and extending coaxially therewith for supplying powdery material into a processing area in front of the laser outlet opening, the at least one material inlet opening in its radially outer Has wall and defined by the open front end face of the powder channel Materialaus ⁇ outlet opening, and tapers towards the front.
  • the laser powder build-up welding process is generally used to coat workpieces.
  • a directed to a workpiece to be machined laser beam serves as a heat source to weld a powdery material on the surface of the workpiece.
  • a directed to a workpiece to be machined laser beam serves as a heat source to weld a powdery material on the surface of the workpiece.
  • coaxial nozzles are used.
  • Such a coaxial nozzle is known for example from DE 693 00 757 T2.
  • This comprises a substantially cylindrical nozzle body, in which centrally a to the front of the nozzle body conically tapered passage opening is provided for the to be machined workpiece to be processed laser beam processing.
  • the through-hole defined at the back of a laser entrance opening and at the front a Laseraustrittsöff ⁇ voltage. Due to the tapering geometry of the passage opening, the laser exit opening has a smaller one Diameter up than the laser entrance opening at the back.
  • the nozzle For the supply of powdery material in a processing area in front of the laser exit opening, ie in the interaction zone, the nozzle comprises a passageway surrounding the opening and extending coaxially to this powder channel. This tapers from the laser entrance to the laser exit opening.
  • the powder channel In its rear end portion of the powder channel comprises an injection chamber into which the powdered material is introduced together with a production fluid, insbeson ⁇ particular an inert gas such as helium or argon.
  • tangential and radial supply lines are provided, which extend from the outside through the nozzle body and open into the injection chamber. Adjoining the injection chamber to the front of a powder channel section whose width is significantly reduced compared to the width of the injection chamber.
  • the powdered material passes through the injection chamber and the adjoining PUL- verkanalab Songs smaller width and exits therefrom via the Mate ⁇ rialaustrittsö réelle which is formed by the formed front open end side of the powder duct. Due to the tapering geometry of the powder channel, the powdery material is guided coaxially to the processing laser beam ⁇ to a point, or an area below the laser exit opening. This point or area is also referred to as material focus.
  • the material flowing into the focus powdery material is, by means of the machining ⁇ processing laser beam, which propagates simultaneously by the through hole and ge ⁇ focused on the workpiece surface welded in the processing area on the workpiece.
  • a nozzle of the type initially mentioned in that the powder passage is formed such that the included angle between the radially outer wall of the powder duct and the axis of the powder duct angle at ⁇ least in the from of at least one material inlet ⁇ opening to to the material outlet opening extending area is constant or decreases in the direction of the Materialaustrittsöff ⁇ tion.
  • the performance of fluidic simulations has shown that the inventive design of the powder channel ensures excellent conveyability of the powdery material.
  • the delivering is very well using pul ⁇ verförmigen materials having a comparatively small particle ⁇ fraction of several to several tens of micrometers. Therefore, powdery materials can be used with such a grain fraction.
  • the nozzle according to the invention is also particularly suitable for use in the context of the micro-cladding process.
  • materials with a smaller grain fraction can be used than with the known nozzles, new processes and applications can be tapped. For example, smaller or larger application rates can be realized and the weldability of new alloys for the micro-cladding process can be tapped.
  • the specific geometry of the powder duct enables be ⁇ Sonders trouble-free operation of the nozzle, among other things by the fact that the formation of deposits powder material is suppressed in the powder channel.
  • the radially outer wall of the powder channel is configured such that viewed from the at least one material inlet opening to the material outlet opening at no point of the radially outer wall of the angle between the wall and the axis of the powder channel - compared to a higher point - increases, ie there is no reduction in the slope.
  • the nozzle according to the invention has a powder channel with a radially outer wall, which is smooth in the case of a constant angle between outer wall and axis and is curved in the case of an increasing angle to the axis or for a discontinuous angle increase inwards, So has directed to the axis Wandungs ⁇ transitions.
  • the powder channel according to the invention consequently no depressions, corners or edges are present in or on which powdered material is deposited.
  • the outer wall in this area has the shape of a truncated cone jacket.
  • the angle between the outer wall and the axis in this embodiment corresponds to half the opening angle of the truncated cone.
  • a smooth radially outer wall of the powder channel has proven to be particularly appro ⁇ net to prevent deposits of powdered material.
  • the angle between the wall and the axis of the powder channel is given by the angle between the tangent at the respective curved point and the axis.
  • the nozzle for the build-up welding according to the invention can - compared to the nozzles of the prior art - are operated trouble-free even at an angle. Since operation is possible even at high angles of attack, 3-D structures can be produced without problems with the nozzle according to the invention.
  • the at least one material inlet ⁇ opening is preferably provided in the rear end of the powder duct.
  • the annular material outlet opening defined by the open front end face of the powder channel can in particular include the laser outlet opening of the through opening.
  • the width of the powder channel decreases at least in the region extending from the at least one material inlet opening to the material outlet opening in the direction of the material outlet opening.
  • width of the Powder channel is here designated by the difference between the radius of the radially outer wall and the radius of the radially inner wall of the powder channel size.
  • the fact that the width decreases towards the laser exit opening means that the difference between the aforementioned radii becomes smaller.
  • the above object is alternatively or zusharm ⁇ Lich achieved in that the width of the powder duct in which decreases continuously from the at least one material inlet opening extending up to the material outlet opening area in the direction of the material outlet opening.
  • the continuous decrease of the width results in a continu ous ⁇ acceleration of the conveying fluid and powdered with this mixed material, thereby particularly reliably avoided that material is deposited in the powder ⁇ channel.
  • the powder channel in the region extending from the at least one material inlet opening to the material outlet opening comprises a rear section in which its width decreases more sharply, and a front section in which its width decreases less sharply, includes.
  • the powder channel in the region of the material supply which takes place in the region facing away from the material outlet opening, may have a comparatively large width, which is adapted, for example, to the dimensions of the material inlet opening, in order to ensure unimpeded, uniform inflow of the powder - To ensure deformed material.
  • a uniform distribution of the material along the circumferential direction of the powder channel takes place in this subsection. Due to the comparatively strong reduction of the width in these This section ensures that the width is brought to a dimensioning over a comparatively short distance from the dimensioning adapted to the optimum material supply, which allows a good, in particular sufficiently small material focus.
  • the subsequently Part is at the partial portion ⁇ strong width reduction then in particular (ring) formed slit-shaped with the width decreases only to a reduced extent to the material from ⁇ enters opening. As a result, a particularly good material focus is obtained.
  • a comparatively small width of the annular material from ⁇ opening is required, which should be, for example just a few hundred microns in order to obtain a processing process necessary for the machining material focus sufficient clotting ⁇ gen diameter.
  • the division of the powder channel according to this embodiment makes it possible to achieve a sufficiently small focus for the micro-cladding method.
  • the focus obtained is also particularly homogeneous.
  • the powder channel preferably comprises two subsections. Of course, it is also possible that the powder channel has further sections.
  • the radially inner wall of the powder channel in the rear and the front portion each having the shape of a truncated cone shell and in particular the rear Operaab ⁇ section has a smaller truncated cone opening angle than the front portion.
  • the front part section can preferably UNMIT ⁇ telbar connected to the rear part section thereby and may, in particular, the front and rear sectionab ⁇ cut in each case over approximately half of the to Wenig ⁇ least one material inlet opening to the Materialaus- opening of the extending portion the powder channel compassionre ⁇ ck, which has proven to be a particularly suitable distribution.
  • the sleeve-shaped nozzle body comprises a sleeve-like base member and a base member positioned in the sleeve-like insert ⁇ element and the through hole is formed for the machining ⁇ processing laser beam in the insert member.
  • the powder channel is then preferably formed between the base member and the insert element.
  • the transition between the rear end wall and the radially outer wall is rounded.
  • the rounded shape represents an adaptation to the generally circular flow cross section of the pulverulent material, which preferably flows into the powder channel through circular or oval material inlet openings.
  • the flow profile of the incoming powdery material can be disturbed, and it is prevented that over the Um- fang of the powder duct adjusts a uniform distribution of the mate rials ⁇ .
  • the rounded design of the powder channel according to this embodiment thus ensures a particularly uniform distribution of the powdery material in the circumferential direction of the powder channel. In this way, a particularly homogeneous material focus is achieved.
  • the at least one material inlet opening is formed such that powdered material can be introduced opposite to a plane perpendicular to the axis of the powder ⁇ channel plane at an angle in the direction of the material outlet opening in the powder channel.
  • the feed direction of the powdery material is aligned such that the material has a velocity component facing in the direction of the powder channel from the material inlet opening to the material outlet opening.
  • the angle with respect to the plane perpendicular to the axis of the powder channel is preferably up to 30 °.
  • a material inlet opening is adapted at least, that the perpendicular to the inflow direction of the air flowing in through the material inlet opening in the powder duct powdery material projection of the inlet opening corresponds at least approximately to the width of the powder duct in the region of the material inlet ⁇ opening. If the dimensioning of the material inlet opening and therefore the flow cross-section of the inflowing material adapted to meet this way to the dimensioning of the powder duct in the region of the material inlet opening, so the powdery material can be uniformly and un ⁇ disturbed flow in the powder duct. If the width of the powder channel at this point, for example, below the flow cross-section, so would disturb the flow
  • the projection of the inlet opening which is perpendicular to the inflow direction of the powdery material, may for example have a diameter of a few millimeters, in particular have a diameter in the range of 1 to 3 mm.
  • the at least one material ⁇ inlet opening is formed such that powder material can be introduced with a white ⁇ send in the circumferential direction of the powder duct movement component in the powder duct.
  • the pulverulent material is not introduced radially, but rather in the powder channel in such a way that it has a movement component pointing in the circumferential direction of the powder channel.
  • This geometry is particularly advantageous, since the powdery material does not "bounce" against the inner wall after entering the powder channel, but flows freely in the circumferential direction.
  • the supply of powdered material can be done exactly tangential to the powder channel, or at an angle to the tangents. The angle can preferably be up to 45 °.
  • the swirl of the pulverulent material gradually builds up and the uniformly distributed material has only a movement component pointing in the direction of the material outlet opening in the (end) region of the powder channel facing the material outlet opening, whereby a material focus with good properties, in particular good homogeneity is obtained.
  • the PUL- is verkanal in a section greater decrease in width, and a section of lesser decrease in the width divided by ⁇ .
  • the powdery material is then introduced into the first section and can be in this spiralför- mig spread and reduce its swirl, with a particularly uniform distribution in the circumferential direction is achieved.
  • the material Upon entry into the subsection of lesser width and smaller decrease of the width ⁇ the material then has only a component of movement in the direction of the material outlet opening , which ensures good Materialfokuseigenschaften.
  • a plurality of material inlet openings are provided in the powder channel.
  • a distribution of pulverulent material which is particularly uniform in the circumferential direction of the powder channel is achieved.
  • the material inlet openings are preferably equidistantly spaced in the circumferential direction of the powder channel and / or provided at the same height.
  • FIG. 1 shows a nozzle according to the invention for laser powder deposition welding in the external view
  • Figure 2 is a longitudinal section along the line I-I of in
  • Figure 1 illustrated nozzle
  • Figure 3 is a horizontal section through the nozzle shown in Figures 1 and 2.
  • the sleeve--shaped nozzle body 1 has a sleeve-like design basis ⁇ element 2, and a likewise sleeve-like design A ⁇ set element 3, which in the base member 2 is positioned.
  • the insert element 3 is here inserted into the base element 2. screwed.
  • laser beam machining is provided, which tapers towards the side facing downward in the figure front of the nozzle body 1.
  • the passage opening 4 has on its rear side a laser inlet opening 5 and on its front side a laser outlet opening 6. Through the passage opening 4, the processing laser beam can be directed to a processing area in front of the laser exit opening 6.
  • a coaxial with the through-opening 4 extending annular powder channel 7 is formed for the supply of a powdery material in the processing area.
  • the powder channel 7 surrounds the passage opening 4 over about 2/3 of its axial length and tapers towards the front of the nozzle body 1.
  • the powder channel 7 has a radially outer wall 8, which has the shape of a truncated cone, that is, that the radially outer wall 8 tapers conically to the front of Dü ⁇ sen stressess 1 out.
  • the width of the powder channel 7 further decreases toward the laser exit opening 6, whereby the powder channel 7 is subdivided into a rear section 7a in which the width decreases more and a front section 7b, in which the width decreases less.
  • this subdivision of the powder channel 7 into a section stronger and a portion less strong Exerciseredulement implemented by the radially inner wall 9 of the powder channel 7 in the rear portion 7a and the front portion 7b each has the shape of a truncated cone, ie, towards the front Tapered conically, wherein the radially inner wall 9 in the rear portion ⁇ section 7a has a smaller truncated cone opening angle than in the front section 7b.
  • the opening angle of the truncated cone-shaped radially äuße ⁇ Ren wall 8 is 35 °.
  • the opening angle of the radial inner wall 9 is 24.2 ° in the rear section 7a of the powder channel 7 and 33 ° in the front section 7b.
  • the front section 7b further directly adjoins the rear section 7a.
  • the rear section 7a is in the front portion 7b at a circular edge 10 in the radially inner wall 9 of the powder channel 7 via.
  • the sections 7 a and 7 b each extend over approximately half the length of the powder channel 7.
  • the powder channel 7 is formed on its rear end face 11 ge ⁇ closed.
  • the transition between the rear end wall and the radially outer wall 8 is also rounded off.
  • the width of the powder channel 7 is about 3 mm in its rear end region.
  • a total of three material inlet openings 12 of the powder duct 7 in environmental circumferential direction equidistantly spaced so as ⁇ at the same level are provided.
  • powdered material can flow into the powder channel 7.
  • the powdered material can, after it has flowed through the powder duct 7 defined by the openly formed by the ⁇ front end side of the powder duct 7 annular material outlet opening 13 emerging from the powder channel. 7
  • the annular material outlet opening 13 encloses the circular laser outlet opening 6 of the passage opening 4.
  • the powder channel 7 has a width of about 250 ym in the area of the material outlet opening.
  • the material inlet openings 12 provided in the rear end region of the powder channel 7 are designed in such a way that pulverulent material having a component of movement in the circumferential direction of the powder channel 7 can be introduced into the latter.
  • three supply lines 14 are provided, which in each case via the material Inlet openings 12 open into the powder channel 7 and have a round cross-section.
  • the supply lines 14 each comprise a vertical section 14a and a horizontal section 14b whose end section opens into the powder channel 7.
  • the horizontal sections 14b of the supply lines 14 open into the upper end region of the powder channel 7 in such a way that they form an angle of approximately 35 ° with the tangents to the powder channel 7 at their point of intersection.
  • the inner diameter of the supply lines 14 is about 2 mm and is thus just below the width of the powder channel 7 in this area. Due to the non-radial orientation of the supply lines 14 and their round cross-section, the material inlet openings 12 have a substantially oval shape.
  • a conveying fluid here argon
  • mixed powdery nickel-based material having a grain fraction of 25 to 50 micrometer ⁇
  • the volume flow of powdered material is a total of about 10 ⁇ 4 m 3 / s for the sum of the three partial streams.
  • the kinematic viscosity of argon is at room temperature ⁇ about 1, 278 * 10 -5 m 2 / s.
  • the powder channel 7 Since the powder channel 7 is rounded in its rear end region, the powdery material, which is conducted via the supply lines 14 into the powder channel 7, can flow unhindered and uniformly into the rear end region of the powder channel 7. As a result of the supply with a movement component in the circumferential direction of the powder channel 7 and the action of the gravitational force, a spiral flow geometry is produced in the rear section 7a of the powder channel 7, which forms a flow section. a metric. Virtually three interspersed spirals of powdery material each starting from a material inlet opening are formed. In this way, a particularly uniform distribution of the powdered material in the circumferential direction of the powder channel 7 can be achieved.
  • the swirl of the powder material builds up on the rear part ⁇ ren portion 7a of the powder duct 7 in the direction of Mate ⁇ rialaustrittsö réelle 13 gradually decreases. Because of the decreasing speed of the powder and the decreasing width of the powder duct 7, the Reynolds number decreases along the Pul ⁇ verkanals 7.
  • the powdered material has 7b when entering the front portion which is formed slit-like, only one in the direction of the material outlet opening 13 directed velocity component on.
  • the powdery material exits at the front of Dü ⁇ sen stressess 1 via the annular material outlet opening 13 from the powder channel 7 and is due to the forward tapered conical shape of the powder channel 7 to a point in front of the material outlet opening 13 bundled, the so-called material focus.
  • the material focus is characterized by a special ⁇ good good homogeneity out.
  • the powdery material is in the processing area by means of the simultaneously through the through hole 4 by the nozzle body 1 propagating processing laser beam on the surface of a located in front of the laser exit opening 6 and the material outlet opening 13 workpiece, which is not shown in the figure, welded.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Düse für das Laser-Pulver-Auftragsschweißen, umfassend einen hülsenförmigen Düsenkörper (1), in dem eine axiale Durchgangsöffnung (4) für einen Bearbeitungslaserstrahl mit einer Lasereintrittsöffnung (5) an ihrer Hinterseite und einer Laseraustrittsöffnung (6) an ihrer Vorderseite ausgebildet ist, wobei sich die Durchgangsöffnung (4) insbesondere in Richtung der Laseraustrittsöffnung (6) verjüngt, und einen die Durchgangsöffnung (4) zumindest über einen Teil ihrer axialen Länge umgebenden und sich koaxial zu dieser erstreckenden ringförmigen Pulverkanal (7) für die Zufuhr pulverförmigen Materials in einen Bearbeitungsbereich vor der Laseraustrittsöffnung (6), der wenigstens eine Materialeintrittsöffnung (12) in seiner radial äußeren Wandung (8) und eine durch die offene vordere Stirnseite des Pulverkanals (7) definierte Materialaustrittsöffnung (13) aufweist, und sich nach vorne hin verjüngt, wobei der Pulverkanal (7) derart ausgebildet ist, dass der zwischen der radial äußeren Wandung (8) des Pulverkanals (7) und der Achse des Pulverkanals (7) eingeschlossene Winkel zumindest in dem sich von der wenigstens einen Materialeintrittsöffnung (12) bis zu der Materialaustrittsöffnung (13) erstreckenden Bereich konstant ist oder in Richtung der Materialaustrittsöffnung (6) abnimmt.

Description

Düse für das Laser-Pulver-Auftragsschweißen
Die Erfindung betrifft eine Düse für das Laser-Pulver-Auf- tragsschweißen, umfassend einen hülsenförmigen Düsenkörper, in dem eine axiale Durchgangsöffnung für einen Bearbeitungslaserstrahl mit einer Lasereintrittsöffnung an ihrer Hinterseite und einer Laseraustrittsöffnung an ihrer Vorderseite ausgebildet ist, wobei sich die Durchgangsöffnung insbeson- dere in Richtung der Laseraustrittsöffnung verjüngt, und einen die Durchgangsöffnung zumindest über einen Teil ihrer axialen Länge umgebenden und sich koaxial zu dieser erstreckenden ringförmigen Pulverkanal für die Zufuhr pulverförmi- gen Materials in einen Bearbeitungsbereich vor der Laseraus- trittsöffnung, der wenigstens eine Materialeintrittsöffnung in seiner radial äußeren Wandung und eine durch die offene vordere Stirnseite des Pulverkanals definierte Materialaus¬ trittsöffnung aufweist, und sich nach vorne hin verjüngt. Das Laser-Pulver-Auftragsschweiß-Verfahren wird im Allgemeinen zur Beschichtung von Werkstücken angewandt. Dabei dient ein auf ein zu bearbeitendes Werkstück gerichteter Laserstrahl als Wärmequelle, um ein pulverförmiges Material auf die Oberfläche des Werkstücks aufzuschweißen. Um das Material in die Wechselwirkungszone von der Laserstrahlung und dem Grundwerkstoff des zu bearbeitenden Werkstücks zu fördern, kommen im Allgemeinen koaxiale Düsen zum Einsatz.
Eine derartige koaxiale Düse ist beispielsweise aus der DE 693 00 757 T2 bekannt. Diese umfasst einen im Wesentlichen zylinderförmigen Düsenkörper, in welchem zentral eine sich zur Vorderseite des Düsenkörpers konusförmig verjüngende Durchgangsöffnung für den auf das zu bearbeitende Werkstück zu richtenden Bearbeitungslaserstrahl vorgesehen ist. Die Durchgangsöffnung definiert an der Rückseite eine Lasereintrittsöffnung und an der Vorderseite eine Laseraustrittsöff¬ nung. Die Laseraustrittsöffnung weist aufgrund der sich verjüngenden Geometrie der Durchgangsöffnung einen geringeren Durchmesser auf als die Lasereintrittsöffnung an der Rückseite.
Für die Zufuhr pulverförmigen Materials in einen Bearbei- tungsbereich vor der Laseraustrittsöffnung, d.h. in die Wechselwirkungszone, umfasst die Düse einen die Durchgangsöffnung umgebenden und sich koaxial zu dieser erstreckenden Pulverkanal. Dieser verjüngt sich von der Lasereintritts- zu der Laseraustrittsöffnung hin. Der Pulverkanal umfasst in seinem hinteren Endbereich eine Einspritzkammer, in welche das pulverförmige Material zusammen mit einem Förderfluid, insbeson¬ dere einem Schutzgas wie etwa Helium oder Argon, eingebracht wird. Hierfür sind tangentiale und radiale Zuführleitungen vorgesehen, die sich von außen durch den Düsenkörper erstre- cken und in die Einspritzkammer münden. An die Einspritzkammer schließt sich nach vorne ein Pulverkanalabschnitt an, dessen Breite gegenüber der Breite der Einspritzkammer deutlich reduziert ist. Das pulverförmige Material durchströmt die Einspritzkammer sowie den sich daran anschließenden Pul- verkanalabschnitt geringerer Breite und tritt über die Mate¬ rialaustrittsöffnung, welche durch die offen ausgebildete vordere Stirnseite des Pulverkanals gebildet wird aus diesem aus . Aufgrund der sich verjüngenden Geometrie des Pulverkanals wird das pulverförmige Material koaxial zu dem Bearbeitungs¬ laserstrahl auf einen Punkt, bzw. einen Bereich unterhalb der Laseraustrittsöffnung geführt. Dieser Punkt bzw. Bereich wird auch als Materialfokus bezeichnet. Das in den Materialfokus strömende pulverförmige Material wird mittels des Bearbei¬ tungslaserstrahles, welcher sich simultan durch die Durchgangsöffnung ausbreitet und auf die Werkstückoberfläche ge¬ richtet ist, in dem Bearbeitungsbereich auf das Werkstück aufgeschweißt .
Derartige Düsen haben sich bei der Anwendung des Laser-Pulver-Auftragsschweißens prinzipiell bewährt. Es wird jedoch als nachteilig erachtet, dass es unter Verwendung dieser zu Fehlfunktionen aufgrund von Verstopfungen des Pulverkanals mit dem pulverförmigen Material kommen kann.
Die Gefahr von Verstopfungen besteht bei den bekannten Düsen vor allem dann, wenn pulverförmige Materialien mit einer vergleichsweise kleinen Kornfraktion im Bereich von einigen bis einigen zehn, insbesondere 5 bis 20 Mikrometern zum Einsatz kommen. Das pulverförmige Material wird daher gemäß dem Stand der Technik gesiebt, damit möglichst keine Kornfraktionen dieser Größenordnung in dem Material enthalten sind und die Gefahr von Verstopfungen reduziert ist. Das Sieben des pul¬ verförmigen Materials stellt einen zusätzlichen, aufwendigen Arbeitsschritt dar. Insbesondere für Verwendung im Rahmen des sogenannten Micro- Cladding-Verfahrens ist die offenbarte Düse nicht geeignet, da hierfür pulverförmige Materialien mit einer kleinen Kornfraktion im vorgenannten Bereich zum Einsatz kommen. Da mittels des Micro-Cladding-Verfahrens u.a. Mikrostrukturen auch auf gekrümmten Oberflächen erzeugt werden können, besteht ein großes Interesse daran, eine verbesserte Düsentechnologie be¬ reitzustellen.
Ausgehend von diesem Stand der Technik ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Düse für das Laser-Pulver- Auftragsschweißen anzugeben, die ausgebildet ist, um die Gefahr von Verstopfungen zu reduzieren.
Diese Aufgabe wird bei einer Düse der eingangs genannten Art dadurch gelöst, dass der Pulverkanal derart ausgebildet ist, dass der zwischen der radial äußeren Wandung des Pulverkanals und der Achse des Pulverkanals eingeschlossene Winkel zumin¬ dest in dem sich von der wenigstens einen Materialeintritts¬ öffnung bis zu der Materialaustrittsöffnung erstreckenden Be- reich konstant ist oder in Richtung der Materialaustrittsöff¬ nung abnimmt. Die Durchführung von strömungstechnischen Simulationen (CFD- Simulationen - computational fluid dynamics) hat gezeigt, dass die erfindungsgemäße Ausgestaltung des Pulverkanals eine exzellente Förderbarkeit des pulverförmigen Materials gewähr- leistet. Die Förderbarkeit ist auch unter Verwendung von pul¬ verförmigen Materialien mit vergleichsweise geringer Korn¬ fraktion von einigen bis einigen zehn Mikrometern sehr gut. Daher können auch pulverförmige Materialien mit einer solchen Kornfraktion zum Einsatz kommen. Unter Verwendung der erfin- dungsgemäßen Düse ist daher gegenüber dem Stand der Technik ein aufwendiges Sieben des zum Einsatz kommenden pulverförmi- gen Materials nicht erforderlich. Die erfindungsgemäße Düse ist ferner besonders geeignet für den Einsatz im Rahmen des Micro-Cladding-Verfahrens . Darüber hinaus können, da Materia- lien mit einer geringeren Kornfraktion zum Einsatz kommen können, als bei den bekannten Düsen, neue Prozesse und Anwendungen erschlossen werden. Es können beispielsweise kleinere oder größere Auftragsraten realisiert werden und es kann die Schweißbarkeit von neuen Legierungen für das Micro-Cladding- Verfahren erschlossen werden.
Die konkrete Geometrie des Pulverkanals ermöglicht einen be¬ sonders störungsfreien Betrieb der Düse u.a. dadurch, dass die Bildung von Ablagerungen von pulverförmigem Material in dem Pulverkanal unterbunden wird. Dazu ist die radial äußere Wandung des Pulverkanals derart ausgestaltet, dass betrachtet von der wenigstens einen Materialeintrittsöffnung zur Materialaustrittsöffnung hin an keiner Stelle der radial äußeren Wandung der Winkel zwischen der Wandung und der Achse des Pulverkanals - gegenüber einer weiter oben liegenden Stelle - zunimmt, also an keiner Stelle eine Verringerung der Steigung vorliegt .
In Bereichen, in denen die Steigung von der Materialein- trittsöffnung zur Materialaustrittsöffnung hin betrachtet abnimmt, liegen nach außen weisende Vertiefungen in der Außenwandung vor. Es hat sich gezeigt, dass sich in diesen Vertiefungen, die "Totwassergebiete" in dem Strömungsprofil dar- stellen, pulvertörmiges Material ablagert. Es können "Pulver¬ trauben" entstehen. Löst sich eine derartige "Pulvertraube" aus einer Vertiefung, so führt dies in der Regel zu einer Verstopfung des Pulverkanals und der Betrieb muss unterbro- chen werden.
Insbesondere für den Fall, dass eine Düse für das Auftrags¬ schweißen unter einem Anstellwinkel zum Einsatz kommt, also in einer Gegenüber der Vertikalen verkippten Position, be- günstigt das Vorhandensein von Vertiefungen in der radial äußeren Wandung die Bildung von "Pulvertrauben" und hierdurch bedingte Verstopfungen des Pulverkanals. Dies ist darauf zu¬ rückzuführen, dass unter einem Anstellwinkel der zur Oberfläche des zu bearbeitenden Werkstücks weisende Bereich der äußeren Wandung des Pulverkanals in Richtung der Horizontalen verkippt ist und die auf die Partikel des pulverförmigen Materials wirkende Schwerkraft eine Sammlung und Ablagerung insbesondere in Vertiefungen in diesem Bereich begünstigt. Bei der Düse gemäß dem Stand der Technik ist eine nach außen gerichtete Vertiefung, in der es unter einem Anstellwinkel zu Ablagerungen des Materials kommt, insbesondere im Bereich der Einspritzkammer gegeben. Ein Betrieb der Düse gemäß dem Stand der Technik ist unter einem Anstellwinkel nicht möglich, da sich vor allem an dieser Stelle eine Materialansammlung bil- den wird, die zu einer Verstopfung der Düse führen kann.
Die erfindungsgemäße Düse hingegen weist einen Pulverkanal mit einer radial äußeren Wandung auf, die für den Fall eines konstanten Winkels zwischen äußerer Wandung und Achse glatt ausgebildet ist und für den Fall eines zunehmenden Winkels zur Achse hin gewölbt ist bzw. für eine diskontinuierliche Winkelzunahme nach innen, also zur Achse gerichtete Wandungs¬ übergänge aufweist. In dem erfindungsgemäßen Pulverkanal sind folglich keine Vertiefungen, Ecken oder Kanten vorhanden, in bzw. an denen sich pulverförmiges Material ablagert.
Ist der Winkel zwischen der äußeren Wandung und der Achse des Pulverkanals über den sich der Materialeintrittsöffnung, ins- besondere von der der Materialaustrittsöffnung zugewandten Kante der Materialeintrittsöffnung, bis zu der Materialaustrittsöffnung erstreckenden Bereich konstant, so weist die äußere Wandung in diesem Bereich die Form eines Kegelstumpf- mantels auf. Der Winkel zwischen der äußeren Wandung und der Achse entspricht bei dieser Ausgestaltung dem halben Öffnungswinkel des Kegelstumpfes. Eine glatt ausgebildete radial äußere Wandung des Pulverkanals hat sich als besonders geeig¬ net erwiesen, um Ablagerungen von pulverförmigem Material vorzubeugen.
Weist die radial äußere Wandung gekrümmte Bereiche auf, so ist der Winkel zwischen Wandung und der Achse des Pulverkanals durch den Winkel zwischen der Tangente an der jeweili- gen gekrümmten Stelle und der Achse gegeben.
Die erfindungsgemäße Düse für das Auftragsschweißen kann - gegenüber den Düsen aus dem Stand der Technik - auch unter einem Anstellwinkel störungsfrei betrieben werden. Da ein Be- trieb selbst unter großen Anstellwinkeln möglich ist, können mit der erfindungsgemäßen Düse problemlos 3-D-Strukturen erzeugt werden.
Damit der gesamte Pulverkanal von dem pulverförmigen Material durchströmt wird, ist die wenigstens eine Materialeintritts¬ öffnung vorzugsweise im hinteren Endbereich des Pulverkanals vorgesehen .
Die durch die offene vordere Stirnseite des Pulverkanals de- finierte ringförmige Materialaustrittsöffnung kann insbesondere die Laseraustrittsöffnung der Durchgangsöffnung einschließen .
Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist vorgesehen, dass die Breite des Pulverkanals zumindest in dem sich von der wenigstens einen Materialeintrittsöffnung bis zu der Materialaustrittsöffnung erstreckenden Bereich in Richtung der Materialaustrittsöffnung abnimmt. Als Breite des Pulverkanals ist hier die durch die Differenz aus dem Radius der radial äußeren Wandung und dem Radius der radial inneren Wandung des Pulverkanals gegebene Größe bezeichnet. Dass die Breite zur Laseraustrittsöffnung hin abnimmt bedeutet demge- mäß, dass die Differenz der vorgenannten Radien kleiner wird. Durch die Abnahme der Breite des Pulverkanals wird gewähr¬ leistet, dass die Geschwindigkeit des Förderfluids und des pulverförmigen Materials zur Materialaustrittsöffnung hin zunimmt. Durch diese Beschleunigung wird die Ablagerung von Material in dem Pulverkanal weiterhin vermieden.
Die vorstehend genannte Aufgabe wird alternativ oder zusätz¬ lich dadurch gelöst, dass die Breite des Pulverkanals in dem sich von der wenigstens einen Materialeintrittsöffnung bis zu der Materialaustrittsöffnung erstreckenden Bereich in Richtung der Materialaustrittsöffnung kontinuierlich abnimmt. Die kontinuierliche Abnahme der Breite resultiert in eine konti¬ nuierliche Beschleunigung des Förderfluids und des mit diesem vermischten pulverförmigem Materials, wodurch besonders zu- verlässig vermieden wird, dass sich Material in dem Pulver¬ kanal ablagert.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist vorgesehen, dass der Pulverkanal in dem sich von der wenigstens einen Materialein- trittsöffnung bis zu der Materialaustrittsöffnung erstreckenden Bereich einen hinteren Teilabschnitt, in dem seine Breite stärker abnimmt, und einen vorderen Teilabschnitt, in dem seine Breite weniger stark abnimmt, umfasst.
Diese Ausgestaltung ist besonders vorteilhaft, da der Pulver- kanal im Bereich der Materialzufuhr, die in dem der Materialaustrittsöffnung abgewandten Bereich erfolgt, eine vergleichsweise große Breite aufweisen kann, die beispielsweise an die Dimensionen der Materialeintrittsöffnung angepasst ist, um ein ungehindertes, gleichmäßiges Einströmen des pul- verförmigen Materials zu gewährleisten. In diesem Teilabschnitt findet insbesondere eine gleichmäßige Verteilung des Materials entlang der Umfangsrichtung des Pulverkanals statt. Durch die vergleichsweise starke Reduktion der Breite in die- sem Teilabschnitt wird gewährleistet, dass die Breite über eine vergleichsweise kurze Strecke von der an die optimale Materialzufuhr angepassten Dimensionierung auf eine Dimensionierung gebracht wird, die einen guten, insbesondere ausrei- chend kleinen Materialfokus ermöglicht. Der sich an den Teil¬ abschnitt starker Breitereduktion anschließend Teilabschnitt ist dann insbesondere (ring) spaltförmig ausgebildet, wobei die Breite nur noch in verringertem Maße zur Materialaus¬ trittsöffnung hin abnimmt. Im Ergebnis wird ein besonders guter Materialfokus erhalten.
Insbesondere für das Micro-Cladding-Verfahren ist eine vergleichsweise geringe Breite der ringförmigen Materialaus¬ trittsöffnung erforderlich, die beispielsweise nur wenige hundert Mikrometer betragen sollte, um einen für den Bearbei- tungsprozess erforderlichen Materialfokus ausreichend gerin¬ gen Durchmessers zu erhalten. Die Unterteilung des Pulverkanals gemäß dieser Ausführungsform ermöglicht das Erzielen eines für das Micro-Cladding-Verfahren ausreichend kleinen Fokus. Darüber hinaus ist der erhaltene Fokus auch besonders homogen .
Der Pulverkanal umfasst vorzugsweise zwei Teilabschnitte. Es ist aber selbstverständlich auch möglich, dass der Pulver- kanal weitere Teilabschnitte aufweist.
Bei dieser Ausführungsform kann ferner vorgesehen sein, dass die radial innere Wandung des Pulverkanals in dem hinteren und dem vorderen Teilabschnitt jeweils die Form eines Kegel- stumpfmantels aufweist und insbesondere der hintere Teilab¬ schnitt einen geringeren Kegelstumpf-Öffnungswinkel hat als der vordere Teilabschnitt. Durch die Unterteilung der radial inneren Wandung des Pulverkanals in zwei kegelstumpfförmige Teilabschnitte mit unterschiedlichen Öffnungswinkeln kann auf besonders einfache konstruktive Weise ein Pulverkanal mit einem Teilabschnitt stärkerer und einem Teilabschnitt weniger starker Abnahme der Breite in Richtung der Laseraustrittsöff¬ nung erhalten werden. Die Winkeländerung im Übergangspunkt der beiden Teilabschnitte liegt dabei vorzugsweise in der Größenordnung einiger weniger Grad, insbesondere im Bereich von 0,5 bis 3° . Der vordere Teilabschnitt kann sich dabei vorzugsweise unmit¬ telbar an den hinteren Teilabschnitt anschließen und es können sich insbesondere der vordere und der hintere Teilab¬ schnitt jeweils über etwa die Hälfte des sich von der wenigs¬ tens einen Materialeintrittsöffnung bis zu der Materialaus- trittsöffnung erstreckenden Bereichs des Pulverkanals erstre¬ cken, was sich als besonders geeignete Aufteilung erwiesen hat .
In Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass der hül- senförmigen Düsenkörper ein hülsenartiges Basiselement und ein in dem Basiselement positioniertes hülsenartiges Einsatz¬ element umfasst und die Durchgangsöffnung für den Bearbei¬ tungslaserstrahl in dem Einsatzelement ausgebildet ist. Der Pulverkanal ist dann vorzugsweise zwischen dem Basiselement und dem Einsatzelement ausgebildet. Unter Verwendung eines hülsenartigen Basis- und Einsatzelementes kann auf einfache konstruktive Weise eine erfindungsgemäße Düse mit einem Pul¬ verkanal für die Zufuhr pulverförmigen Materials erhalten werden. Die beiden hülsenartigen Bauteile lassen sich einfach fertigen und müssen nur ineinander gesetzt werden, um eine erfindungsgemäße Düse mit Pulverkanal zu erhalten.
In Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass in dem Pulverkanal der Übergang zwischen der hinteren Stirnwandung und der radial äußeren Wandung abgerundet ausgebildet ist. Die abgerundete Form stellt eine Anpassung an den in der Regel kreisförmigen Strömungsquerschnitt des pulverförmigen Materials dar, welches vorzugsweise durch kreisrunde bzw. ovale Materialeintrittsöffnungen in den Pulverkanal ein- strömt. Würde der Pulverkanal insbesondere im Bereich der
Materialzufuhr Ecken oder Kanten aufweisen, so kann das Strömungsprofil des einströmenden pulverförmigen Materials gestört werden, und es wird verhindert, dass sich über den Um- fang des Pulverkanals eine gleichmäßige Verteilung des Mate¬ rials einstellt. Die abgerundete Ausbildung des Pulverkanals gemäß dieser Ausführungsform gewährleistet folglich eine besonders gleichmäßige Verteilung des pulverförmigen Materials in Umfangsrichtung des Pulverkanals. Auf diese Weise wird ein besonders homogener Materialfokus erzielt.
In vorteilhafter Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung kann vorgesehen sein, dass die wenigstens eine Materialeintrittsöffnung derart ausgebildet ist, dass pulverförmiges Material gegenüber einer senkrecht zu der Achse des Pulver¬ kanals liegenden Ebene unter einem Winkel in Richtung der Materialaustrittsöffnung in den Pulverkanal eingebracht werden kann. Gemäß dieser Ausführungsform ist die Zuführrichtung des pulverförmigen Materials derart ausgerichtet, dass das Material eine Geschwindigkeitskomponente aufweist, die in Richtung des Pulverkanals von der Materialeintrittsöffnung zu der Materialaustrittsöffnung weist. Der Winkel gegenüber der senkrecht zur Achse des Pulverkanals liegenden Ebene beträgt vorzugsweise bis zu 30°.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist die wenigstens eine Materialeintrittsöffnung derart ausgebildet ist, dass die zu der Einströmrichtung des durch die Materialeintrittsöffnung in den Pulverkanal einströmenden pulverförmigen Materials senkrechte Projektion der Eintrittsöffnung zumindest in etwa der Breite des Pulverkanals im Bereich der Materialeintritts¬ öffnung entspricht. Ist die Dimensionierung der Materialeintrittsöffnung und somit der Strömungsquerschnitt des einströ- menden Materials auf diese Weise an die Dimensionierung des Pulverkanals im Bereich der Materialeintrittsöffnung ange- passt, so kann das pulverförmige Material gleichmäßig und un¬ gestört in den Pulverkanal einströmen. Läge die Breite des Pulverkanals an dieser Stelle beispielsweise unterhalb des Strömungsquerschnitts, so wäre eine die Strömung störende
Verengung gegeben, was nachteilig ist. Die zu der Einströmrichtung des pulverförmigen Materials senkrechte Projektion der Eintrittsöffnung kann beispielsweise einen Durchmesser von einigen Millimetern, insbesondere einen Durchmesser im Bereich von 1 bis 3 mm aufweisen.
Eine weitere Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass die wenigstens eine Material¬ eintrittsöffnung derart ausgebildet ist, dass pulverförmiges Material mit einer in Umfangsrichtung des Pulverkanals wei¬ senden Bewegungskomponente in den Pulverkanal eingebracht werden kann. Gemäß dieser Ausführungsform wird das pulverför- mige Material nicht radial, sondern derart in dem Pulverkanal eingebracht, dass es eine in Umfangsrichtung des Pulverkanals weisende Bewegungskomponente aufweist. Diese Geometrie ist besonders vorteilhaft, da das pulverförmige Material nach Eintritt in den Pulverkanal nicht gegen die Innenwandung die- ses "prallt", sondern ungehindert in Umfangsrichtung einströmt. Die Zufuhr von pulverförmigem Material kann dazu exakt tangential in den Pulverkanal erfolgen, oder unter einem Winkel gegenüber der Tangenten. Der Winkel kann dabei vorzugsweise bis zu 45° betragen.
Bei der Zufuhr des pulverförmigen Materials mit einer in Um- fangsrichtung des Pulverkanals weisenden Bewegungskomponente stellt zunächst eine spiralförmige Strömung des pulverförmi- gen Materials ein und dieses kann sich besonders gleichmäßig über den Umfang des Pulverkanals verteilen. In Richtung der
Materialaustrittsöffnung baut sich der Drall des pulverförmi- gen Materials nach und nach ab und das gleichmäßig verteilte Material weist in dem der Materialaustrittsöffnung zugewandten (End- ) Bereich des Pulverkanals nur noch eine in Richtung der Materialaustrittsöffnung weisende Bewegungskomponente auf, wodurch ein Materialfokus mit guten Eigenschaften, insbesondere guter Homogenität erhalten wird. Für den Fall der Pulverzufuhr mit einer Bewegungskomponente in Umfangsrichtung des Pulverkanals ist es besonders vorteilhaft, wenn der Pul- verkanal in einen Teilabschnitt stärkerer Abnahme der Breite und einen Teilabschnitt geringerer Abnahme der Breite unter¬ teilt ist. Das pulverförmige Material wird dann in den ersten Teilabschnitt eingebracht und kann sich in diesem spiralför- mig ausbreiten und seinen Drall abbauen, wobei eine besonders gleichmäße Verteilung in Umfangsrichtung erzielt wird. Bei Eintritt in den Teilabschnitt geringerer Breite und geringe¬ rer Abnahme der Breite weist das Material dann lediglich eine Bewegungskomponente in Richtung der Materialaustrittsöffnung auf, was für gute Materialfokuseigenschaften sorgt.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung sind in dem Pulverkanal mehrere Materialeintrittsöffnungen vorgesehen. Durch die Pulverzufuhr an mehreren Stellen wird ein in Umfangsrichtung des Pulverkanals besonders gleichmäßige Verteilung pulverförmigen Materials erzielt. Da¬ bei sind die Materialeintrittsöffnungen vorzugsweise in Um- fangsrichtung des Pulverkanals äquidistant beabstandet und/oder in gleicher Höhe vorgesehen.
Weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend anhand der Beschreibung einer Ausführungsform unter Bezugnahme auf die beiliegende Zeichnung deutlich. In der Zeichnung zeigt:
Figur 1 eine erfindungsgemäße Düse für das Laserpulverauf- tragsschweißen in der Außenansicht;
Figur 2 einen Längsschnitt entlang der Linie I-I der in
Figur 1 dargestellten Düse; und
Figur 3 einen Horizontalschnitt durch die in den Figuren 1 und 2 dargestellte Düse.
Die Figur 1 zeigt eine erfindungsgemäße Düse für das Laser¬ pulver-Auftragsschweißen in der Außenansicht. Diese umfasst, wie aus der Schnittdarstellung aus Figur 2 gut entnommen werden kann, einen hülsenförmigen Düsenkörper 1. Der hülsenför- mige Düsenkörper 1 weist ein hülsenartig ausgebildetes Basis¬ element 2 sowie ein ebenfalls hülsenartig ausgebildetes Ein¬ satzelement 3 auf, welches in dem Basiselement 2 positioniert ist. Das Einsatzelement 3 ist hier in das Basiselement 2 ein- geschraubt. In dem Einsatzelement 3 ist eine axiale Durch¬ gangsöffnung 4 für einen in der Figur nicht dargestellten Bearbeitungslaserstrahl vorgesehen, welche sich zu der in der Figur nach unten weisenden Vorderseite des Düsenkörpers 1 hin verjüngt. Die Durchgangsöffnung 4 weist an ihrer Rückseite eine Lasereintrittsöffnung 5 sowie an ihrer Vorderseite eine Laseraustrittsöffnung 6 auf. Durch die Durchgangsöffnung 4 kann der Bearbeitungslaserstrahl auf einen Bearbeitungsbereich vor der Laseraustrittsöffnung 6 gerichtet werden.
Zwischen dem Basiselement 2 und dem Einsatzelement 3 des Düsenkörpers 1 ist ein sich koaxial zu der Durchgangsöffnung 4 erstreckender ringförmiger Pulverkanal 7 für die Zufuhr eines pulverförmigen Materials in den Bearbeitungsbereich ausgebildet. Der Pulverkanal 7 umgibt die Durchgangsöffnung 4 über etwa 2/3 deren axialer Länge und verjüngt sich zur Vorderseite des Düsenkörpers 1 hin.
Der Pulverkanal 7 hat eine radial äußere Wandung 8, welche die Form eines Kegelstumpfmantels aufweist, d.h., dass sich die radial äußere Wandung 8 konisch zur Vorderseite des Dü¬ senkörpers 1 hin verjüngt. Die Breite des Pulverkanals 7 nimmt ferner zu der Laseraustrittsöffnung 6 hin ab, wobei der Pulverkanal 7 in einen hinteren Teilabschnitt 7a, in dem die Breite stärker abnimmt und einen vorderen Teilabschnitt 7b, in welchem die Breite weniger stark abnimmt, unterteilt ist. Konstruktiv ist diese Unterteilung des Pulverkanals 7 in einen Teilabschnitt stärkerer und einen Teilabschnitt weniger starker Breitereduktion umgesetzt, indem die radial innere Wandung 9 des Pulverkanals 7 in dem hinteren Teilabschnitt 7a und dem vorderen Teilabschnitt 7b jeweils die Form eines Kegelstumpfmantels aufweist, sich also nach vorne hin konisch verjüngt, wobei die radial innere Wandung 9 im hinteren Teil¬ abschnitt 7a einen geringeren Kegelstumpf-Öffnungswinkel hat als im vorderen Teilabschnitt 7b.
Der Öffnungswinkel der kegelstumpfmantelförmigen radial äuße¬ ren Wandung 8 beträgt 35°. Der Öffnungswinkel der radial inneren Wandung 9 beträgt im hinteren Teilabschnitt 7a des Pulverkanals 7 24,2° und im vorderen Teilabschnitt 7b 33°.
Der vordere Teilabschnitt 7b schließt sich ferner unmittelbar an den hinteren Teilabschnitt 7a an. Der hintere Teilab¬ schnitt 7a geht in den vorderen Teilabschnitt 7b an einer kreisförmigen Kante 10 in der radial inneren Wandung 9 des Pulverkanals 7 über. Die Teilabschnitte 7a und 7b erstrecken sich jeweils über etwa die Hälfte der Länge des Pulverkanals 7.
Der Pulverkanal 7 ist an seiner hinteren Stirnseite 11 ge¬ schlossen ausgebildet. Der Übergang zwischen der hinteren Stirnwandung und der radial äußeren Wandung 8 ist ferner ab- gerundet ausgebildet. Die Breite des Pulverkanals 7 beträgt in seinem hinteren Endbereich etwa 3 mm.
In dem geschlossenen hinteren Endbereich des Pulverkanals 7 sind, wie in der Schnittdarstellung in Figur 3 gut zu erken- nen ist, insgesamt drei Materialeintrittsöffnungen 12 in Um- fangsrichtung des Pulverkanals 7 äquidistant beabstandet so¬ wie in gleicher Höhe vorgesehen. Durch die Materialeintritts¬ öffnungen 12 kann pulverförmiges Material in den Pulverkanal 7 einströmen. Das pulverförmige Material kann, nachdem es den Pulverkanal 7 durchströmt hat, durch die von der offen ausge¬ bildeten vorderen Stirnseite des Pulverkanals 7 definierte ringförmige Materialaustrittsöffnung 13 aus dem Pulverkanal 7 austreten. Die ringförmige Materialaustrittsöffnung 13 schließt die kreisförmige Laseraustrittsöffnung 6 der Durch- gangsöffnung 4 ein. Der Pulverkanal 7 weist im Bereich der Materialaustrittsöffnung eine Breite von etwa 250 ym auf.
Die im hinteren Endbereich des Pulverkanals 7 vorgesehenen Materialeintrittsöffnungen 12 sind derart ausgebildet, dass pulverförmiges Material mit einer Bewegungskomponente in Um- fangsrichtung des Pulverkanals 7 in diesen eingebracht werden kann. Für die Zufuhr des pulverförmigen Materials sind drei Zuführleitungen 14 vorgesehen, die jeweils über die Material- eintrittsöffnungen 12 in den Pulverkanal 7 münden und einen runden Querschnitt aufweisen.
Die Zuführleitungen 14 umfassen, wie in Figur 2 gut erkenn- bar, jeweils einen vertikalen Teilabschnitt 14a sowie einen horizontalen Teilabschnitt 14b, dessen Endbereich in den Pulverkanal 7 mündet. Wie ebenfalls in Figur 3 gut erkennbar, münden die horizontalen Teilabschnitte 14b der Zuführleitungen 14 derart in den oberen Endbereich des Pulverkanals 7, dass sie mit der Tangenten an den Pulverkanal 7 an ihrem Einmündungspunkt einen Winkel von etwa 35° einschließen. Der innere Durchmesser der Zuführleitungen 14 beträgt etwa 2 mm und liegt somit knapp unterhalb der Breite des Pulverkanals 7 in diesem Bereich. Infolge der nicht radialen Orientierung der Zuführleitungen 14 und deren rundem Querschnitt weisen die Materialeintrittsöffnungen 12 eine im Wesentlichen ovale Form auf.
Im Betrieb wird über die Zuführleitungen 14 mit einem Förder- fluid, hier Argon, vermischtes pulverförmiges Material auf Nickelbasis, welches eine Kornfraktion von 25 bis 50 Mikro¬ meter aufweist durch die drei Materialeintrittsöffnungen 12 mit einer Bewegungskomponente in Umfangsrichtung des Pulverkanals 7 in den hinteren Endbereich des Pulverkanals 7 einge- bracht. Der Volumenstrom von pulverförmigem Material beträgt insgesamt, also für die Summe der drei Teilströme, etwa 10~4 m3/s. Die kinematische Viskosität von Argon beträgt bei Raum¬ temperatur etwa 1, 278*10~5 m2/s. Da der Pulverkanal 7 in seinem hinteren Endbereich abgerundet ausgebildet ist, kann das pulverförmige Material, welches über die Zuführleitungen 14 in den Pulverkanal 7 geleitet wird, ungehindert und gleichmäßig in den hinteren Endbereich des Pulverkanals 7 einströmen. Infolge der Zufuhr mit einer Bewegungskomponente in Umfangsrichtung des Pulverkanals 7 und der Einwirkung der Gravitationskraft stellt sich in dem hinteren Teilabschnitt 7a des Pulverkanals 7, welcher einen Strömungsabschnitt bildet, eine spiralförmige Strömungsgeo- metrie ein. Es bilden sich praktisch drei jeweils von einer Materialeintrittsöffnung beginnende ineinander greifende Spiralen aus pulverförmigem Material. Auf diese Weise kann eine besonders gleichmäßige Verteilung des pulverförmigen Materi- als in Umfangsrichtung des Pulverkanals 7 erzielt werden. Der Drall des pulverförmigen Materials baut sich über den hinte¬ ren Teilabschnitt 7a des Pulverkanals 7 in Richtung der Mate¬ rialaustrittsöffnung 13 nach und nach ab. Aufgrund der abnehmenden Geschwindigkeit des Pulvers und der abnehmenden Breite des Pulverkanals 7 sinkt die Reynolds-Zahl entlang des Pul¬ verkanals 7. Das pulverförmige Material weist bei Eintritt in den vorderen Teilabschnitt 7b, welcher spaltartig ausgebildet ist, nur noch eine in Richtung der Materialaustrittsöffnung 13 gerichtet Geschwindigkeitskomponente auf.
Das pulverförmige Material tritt an der Vorderseite des Dü¬ senkörpers 1 über die ringförmige Materialaustrittsöffnung 13 aus dem Pulverkanal 7 aus und wird infolge der sich nach vorne konisch verjüngenden Form des Pulverkanals 7 auf einen Punkt vor der Materialaustrittsöffnung 13 gebündelt, den sogenannten Materialfokus. Infolge der besonders gleichmäßigen Verteilung des pulverförmigen Materials über den Umfang des Pulverkanals 7 in dem hinteren Teilabschnitt 7a und der an¬ schließend allein in Richtung der Materialaustrittsöffnung 13 gerichteten Bewegung des Materials in dem vorderen Teilabschnitt 7b zeichnet sich der Materialfokus durch eine beson¬ ders gute Homogenität aus.
Das pulverförmige Material wird in dem Bearbeitungsbereich mittels des sich simultan durch die Durchgangsöffnung 4 durch den Düsenkörper 1 ausbreitenden Bearbeitungslaserstrahls auf die Oberfläche eines vor der Laseraustrittsöffnung 6 und der Materialaustrittsöffnung 13 befindlichen Werkstücks, welches in der Figur nicht dargestellt ist, aufgeschweißt.
Infolge der erfindungsgemäßen Ausgestaltung des Pulverkanals 7 wird während des Betriebs ein Verstopfen der Düse verhin¬ dert. Insbesondere kommt es zu keinen Ablagerungen von pul- verförmigem Material in dem Pulverkanal 7. Dabei kann die er¬ findungsgemäße Düse sowohl senkrecht, als auch unter einem kleinen oder großen Anstellwinkel betrieben werden, ohne dass ihre Funktionsfähigkeit hierdurch eingeschränkt wäre. Im Er- gebnis können unter Verwendung der erfindungsgemäßen Düse auch 3-D-Strukturen problemlos erzeugt werden.
Obwohl die Erfindung im Detail durch das bevorzugte Ausführungsbeispiel näher illustriert und beschrieben wurde, so ist die Erfindung nicht durch die offenbarten Beispiele einge¬ schränkt und andere Variationen können vom Fachmann hieraus abgeleitet werden, ohne den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen .

Claims

Patentansprüche
1. Düse für das Laser-Pulver-Auftragsschweißen,
umfassend einen hülsenförmigen Düsenkörper (1), in dem eine axiale Durchgangsöffnung (4) für einen Bearbeitungslaserstrahl mit einer Lasereintrittsöffnung (5) an ihrer Hinterseite und einer Laseraustrittsöffnung (6) an ihrer Vorderseite ausgebildet ist,
wobei sich die Durchgangsöffnung (4) insbesondere in Richtung der Laseraustrittsöffnung (6) verjüngt, und einen die Durchgangsöffnung (4) zumindest über einen Teil ihrer axialen Länge umgebenden und sich koaxial zu dieser erstreckenden ringförmigen Pulverkanal (7) für die Zufuhr pulverför- migen Materials in einen Bearbeitungsbereich vor der Laseraustrittsöffnung (6), der wenigstens eine Materialeintrittsöffnung (12) in seiner radial äußeren Wandung (8) und eine durch die offene vordere Stirnseite des Pulverkanals (7) definierte Materialaustrittsöffnung (13) aufweist, und sich nach vorne hin verjüngt,
dadurch gekennzeichnet, dass
der Pulverkanal (7) derart ausgebildet ist, dass der zwi¬ schen der radial äußeren Wandung (8) des Pulverkanals (7) und der Achse des Pulverkanals (7) eingeschlossene Winkel zumindest in dem sich von der wenigstens einen Materialeintrittsöffnung (12) bis zu der Materialaustrittsöffnung (13) erstreckenden Bereich konstant ist oder in Richtung der Materialaustrittsöffnung (6) abnimmt.
2. Düse nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Breite des Pulverkanals (7) zumindest in dem sich von der wenigstens einen Materialeintrittsöffnung (12) bis zu der Materialaustrittsöffnung (13) erstreckenden Bereich in Richtung der Materialaustrittsöffnung (6) abnimmt.
3. Düse für das Laser-Pulver-Auftragsschweißen, insbesondere nach Anspruch 2,
umfassend einen hülsenförmigen Düsenkörper (1), in dem eine axiale Durchgangsöffnung (4) für einen Bearbeitungslaserstrahl mit einer Lasereintrittsöffnung (5) an ihrer Hinterseite und einer Laseraustrittsöffnung (6) an ihrer Vorderseite ausgebildet ist,
wobei sich die Durchgangsöffnung (4) insbesondere in Richtung der Laseraustrittsöffnung (6) verjüngt, und einen die Durchgangsöffnung (4) zumindest über einen Teil ihrer axialen Länge umgebenden und sich koaxial zu dieser erstreckenden ringförmigen Pulverkanal (7) für die Zufuhr pulverför- migen Materials in einen Bearbeitungsbereich vor der Laseraustrittsöffnung (6), der wenigstens eine Materialeintrittsöffnung (12) in seiner radial äußeren Wandung (8) und eine durch die offene vordere Stirnseite des Pulverkanals (7) definierte Materialaustrittsöffnung (13) aufweist, und sich nach vorne hin verjüngt,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Breite des Pulverkanals (7) in dem sich von der wenigs¬ tens einen Materialeintrittsöffnung (12) bis zu der Materialaustrittsöffnung (13) erstreckenden Bereich in Richtung der Materialaustrittsöffnung (13) kontinuierlich abnimmt.
4. Düse nach Anspruch 2 oder 3,
dadurch gekennzeichnet, dass
der Pulverkanal (7) in dem sich von der wenigstens einen Materialeintrittsöffnung (12) bis zu der Materialaustrittsöffnung (13) erstreckenden Bereich einen hinteren Teilabschnitt (7a) , in dem seine Breite stärker abnimmt, und einen vorderen Teilabschnitt (7b) , in dem seine Breite weniger stark abnimmt, umfasst.
5. Düse nach Anspruch 4,
dadurch gekennzeichnet, dass
die radial innere Wandung (9) des Pulverkanals (7) in dem hinteren und dem vorderen Teilabschnitt (7a, 7b) jeweils die Form eines Kegelstumpfmantels aufweist und insbesondere der hintere Teilabschnitt (7a) einen geringeren Kegel¬ stumpf- Öffnungswinkel hat als der vordere Teilabschnitt (7b) .
6. Düse nach Anspruch 5,
dadurch gekennzeichnet, dass
sich der vordere Teilabschnitt (7b) unmittelbar an den hinteren Teilabschnitt (7a) anschließt und sich insbesondere der vordere und der hintere Teilabschnitt (7b, 7a) jeweils über etwa die Hälfte des sich von der wenigstens einen
Materialeintrittsöffnung (12) bis zu der Materialaustrittsöffnung (13) erstreckenden Bereichs des Pulverkanals (7) erstrecken .
7. Düse nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
der hülsenförmigen Düsenkörper (1) ein hülsenartiges Basiselement (2) und ein in dem Basiselement positioniertes hül¬ senartiges Einsatzelement (3) umfasst und die Durchgangs- Öffnung (4) für den Bearbeitungslaserstrahl in dem Einsatzelement (3) ausgebildet ist.
8. Düse nach Anspruch 7,
dadurch gekennzeichnet,
dass der Pulverkanal (7) zwischen dem Basiselement (2) und dem Einsatzelement (3) ausgebildet ist.
9. Düse nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
in dem Pulverkanal (7) der Übergang zwischen der hinteren
Stirnwandung und der radial äußeren Wandung (8) abgerundet ausgebildet ist.
10. Düse nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass
die wenigstens eine Materialeintrittsöffnung (12) derart ausgebildet ist, dass pulverförmiges Material gegenüber einer senkrecht zu der Achse des Pulverkanals (7) liegenden
Ebene unter einem Winkel in Richtung der Materialaustritts¬ öffnung (13) in den Pulverkanal (7) eingebracht werden kann .
11. Düse nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
die wenigstens eine Materialeintrittsöffnung (12) derart ausgebildet ist, dass die zu der Einströmrichtung des durch die Materialeintrittsöffnung (12) in den Pulverkanal (7) einströmenden pulverförmigen Materials senkrechte Projektion der Materialeintrittsöffnung (12) zumindest in etwa der Breite des Pulverkanals (7) im Bereich der Materialeintrittsöffnung (12) entspricht.
12. Düse nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
die wenigstens eine Materialeintrittsöffnung (12) derart ausgebildet ist, dass pulverförmiges Material mit einer in Umfangsrichtung des Pulverkanals (7) weisenden Bewegungs- komponente in den Pulverkanal (7) eingebracht werden kann.
13. Düse nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
in dem Pulverkanal (7) mehrere Materialeintrittsöffnungen (12) vorgesehen sind.
14. Düse nach Anspruch 13,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Materialeintrittsöffnungen (12) in Umfangsrichtung des Pulverkanals (7) äquidistant beabstandet und/oder in glei¬ cher Höhe vorgesehen sind.
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