WO2005099959A1 - Method and nozzle for treating or analyzing a work piece or a sample by way of an energetic beam - Google Patents

Method and nozzle for treating or analyzing a work piece or a sample by way of an energetic beam Download PDF

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WO2005099959A1
WO2005099959A1 PCT/DE2005/000651 DE2005000651W WO2005099959A1 WO 2005099959 A1 WO2005099959 A1 WO 2005099959A1 DE 2005000651 W DE2005000651 W DE 2005000651W WO 2005099959 A1 WO2005099959 A1 WO 2005099959A1
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WO
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nozzle
medium
flow
workpiece
energetic
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PCT/DE2005/000651
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Inventor
Dirk Petring
Christian Fuhrmann
Norbert Wolf
Frank Schneider
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Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e. V.
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    • B23MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23KSOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
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    • B23K26/16Removal of by-products, e.g. particles or vapours produced during treatment of a workpiece
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
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    • B23K26/1464Supply to, or discharge from, nozzles of media, e.g. gas, powder, wire
    • B23K26/1476Features inside the nozzle for feeding the fluid stream through the nozzle

Definitions

  • the invention relates to a method for processing or analyzing a workpiece or a sample with at least one energetic beam, in which the energetic beam is directed at a location to be processed or analyzed and in the vicinity of the location to be processed or analyzed with at least one A directed flow of an auxiliary medium emerging from the nozzle is generated.
  • the invention further relates to a nozzle for performing the method with a nozzle body with a through hole for the passage of the energetic
  • Jet and one or more outlet openings for an auxiliary medium that can be supplied via the nozzle body are provided.
  • emission products such as steam or components of a melt
  • This effect occurs, for example, due to temperature or pressure changes or due to phase changes in the material when cutting, cutting, removing, drilling, structuring, joining, welding, soldering or remelting.
  • Local changes in one or more physical or chemical properties of the material can result in such undesirable emissions.
  • the emissions can contaminate or damage the processing or analysis device, e.g.
  • measures are therefore taken to avoid an uncontrolled spread of the emissions caused.
  • PRIOR ART Numerous methods and devices for material processing with energetic radiation are known. For example, laser, plasma and arc processes are used for thermal cutting, joining and surface finishing.
  • the machining process in these methods is often supported by supplying a gaseous or liquid auxiliary medium which is fed in via one or more nozzles to generate a directed flow in the region of the point to be machined.
  • the liquid or gas flow is either in the direction of the interaction zone of the energetic radiation with the
  • the supply of the auxiliary medium thus serves on the one hand to protect the optics or electrodes of the device from contamination by the emissions, and on the other hand the interaction zone can also be shielded from the ambient air by supplying a protective gas. It is also known to influence the material properties and plasma or arc properties by suitable choice of the gas type of the auxiliary medium and the flow conditions. Finally, the transfer of compressive and / or tensile forces through the flow of the auxiliary medium can also support an intended removal of material.
  • DE 198 02 305 AI discloses a laser welding head which has two gas outlet channels for a working gas fed to the welding point and for a protective gas for the extensive shielding of the weld seam during the welding process.
  • the working gas strikes the welding point in the form of a centrally flowing working gas stream coaxial with the laser beam.
  • the protective gas is also directed onto the workpiece via an annular channel with an annular outlet opening.
  • the outlet opening is designed and arranged in such a way that an annularly closed and concavely curved (bell-shaped) protective gas flow is created to reliably shield the weld seam from the atmosphere.
  • the publication does not address the issue of the removal of emission products. Such removal cannot be achieved by the bell-shaped closed protective gas flow in this document. Rather, this flow of inert gas incoming emission products in turn directed to the workpiece.
  • a swirl-free coaxial gas stream is generated, which is also directed towards the workpiece surface.
  • Such a gas flow allows a good flow of inert gas
  • the object of the present invention is to provide a method for processing or analyzing a workpiece or a sample with energetic radiation and a nozzle for carrying out the method, which allow the emission products to be removed close to the workpiece without disturbing the processing zone.
  • the energetic jet is directed in a known manner at a point on the workpiece or sample to be processed or analyzed, and a directed flow of an auxiliary medium emerging from the nozzle is generated in the vicinity of the point to be processed or analyzed with at least one nozzle ,
  • the present invention thus goes a completely different way from the known methods of the prior art, in which the main flow component of the auxiliary medium is always generated either parallel to the beam axis of the energetic radiation in the direction of the surface or directed towards this beam axis.
  • the main flow component directed away from the beam axis and / or surface prevents the auxiliary medium used from interacting with the interaction zone, ie the point to be processed or analyzed, or the energetic beam itself.
  • the directional flow used in the present case creates a suction in the area of the interaction zone, which emits emission products from the side of the interaction zone. Effective zone promoted.
  • this arrangement can be used to effectively cool the nozzle parts facing the processing point by the expanding gas or liquid flow and the rapid removal of hot emission products and to protect them from damage and buildup.
  • the flow of the auxiliary medium can also be generated rotationally symmetrically about the jet axis, so that the need for reorientation when changing the direction of processing becomes superfluous.
  • the flow of the auxiliary medium in the present method is generated with the main flow component in a radial direction to the beam axis and / or parallel to the workpiece or sample surface.
  • Air, inert or inert gases or even reactive gases or liquids can be used as auxiliary medium in the present process.
  • the type of medium used depends on the desired additional effect of this medium.
  • the one or more nozzles with which the flow is directed away from the jet axis and / or surface of the auxiliary medium is generated above the surface, depending on the desired suction effect and desired suction location at a suitable distance above the workpiece or sample surface.
  • the volume flow of the auxiliary medium passed through the one or more nozzles can also be adjusted depending on the desired suction effect. In this way, the process can be flexibly adapted to the respective application.
  • the nozzle proposed for carrying out the method comprises a nozzle body with a preferably central through-hole for the passage of the energetic jet and one or more outlet openings for the auxiliary medium supplied via the nozzle body.
  • outlet openings are arranged and formed on the nozzle body in such a way that, according to the present method, they are oriented from the central longitudinal axis of the through-hole and / or from one located on an outlet side of the nozzle and perpendicular to the longitudinal axis of the through-hole
  • Auxiliary plane directed main flow component of the auxiliary medium is achieved, by which a suction is created in the interaction zone of the energetic jet with a workpiece arranged in front of the nozzle, which transports emission products arising there laterally out of the interaction zone.
  • the one or more outlet openings are arranged and designed such that the main flow direction is directed radially away from the longitudinal axis of the through hole.
  • the nozzle body comprises one or more connections for the supply of the auxiliary medium, which via one or several channels are connected to the outlet openings.
  • the component is in the radial direction to the beam axis and / or parallel to the workpiece or sample surface preferred embodiment of the method and the nozzle larger than the component perpendicular to the workpiece or sample surface.
  • the one or more outlet openings for the auxiliary medium are preferably designed as slots or bores in the part of the outer nozzle wall near the workpiece, so that the flow of the auxiliary medium dominantly flows radially and forms a radial rotationally symmetrical or asymmetrical flow fan, hereinafter also called Radialj et.
  • the axes of the energy beam and through hole do not always have to be coaxial or parallel. Rather, the nozzle and thus the through hole can be positioned and adjusted independently of the beam axis of the energy beam.
  • the nozzle preferably also has a connection for supplying a further medium via the through hole.
  • the preferably central through hole provided for the passage of radiation can additionally be used as a feed channel for a gaseous or liquid, inert, inert or reactive medium, in particular for influencing emissions or processing. Furthermore, the supply of such an additional medium can compensate for the volume sucked out of the interaction zone in order to avoid suction of secondary air.
  • the through bore is preferably provided on the side facing the workpiece with a circumferential bevel or rounding in order to avoid losses in the flow deflection of the outflowing additional medium.
  • Other parts of the nozzle, where a flow deflection takes place, are preferably suitably rounded to avoid dead water areas.
  • the through hole can also have further lateral openings in addition to the outlet opening close to the workpiece.
  • the central medium supply via the through hole can be set so that secondary air is not sucked in through the additional openings.
  • the central media supply via the through hole is preferably set in such a way that at least negative pressure formation in the through hole is avoided.
  • the outlet openings for the auxiliary medium are preferably provided with guide lips for influencing the flow direction and
  • the guide lip further away from the workpiece or the sample can protrude radially further than that of the workpiece or the sample closer guide lip or vice versa.
  • the flow contours of the guide lips can also be designed such that a flow with a convergent, divergent or composed of these properties is established in and / or outside the nozzle channel between the guide lip further away from the workpiece or sample surface and the workpiece or sample surface , for example Laval-shaped longitudinal flow section is created.
  • its through hole is designed in such a way that it can be attached or pushed onto conventional, coaxial machining nozzles.
  • the inner contour of the through hole is essentially adapted to the outer contour of the conventional nozzle.
  • the nozzle can additionally have an annular gap for the supply of a further medium, as is explained in more detail in DE 4402000 C2.
  • this annular gap can also be formed by a suitable inner contour of the present nozzle between the present and the conventional nozzle.
  • the present process and the associated nozzle enable the emission products to be removed more effectively close to where they originated.
  • the emission products are expanded instead of compressed, so that precipitation and buildup on the workpiece surface are avoided.
  • the suction effect promotes the degassing of welding capillaries and weld pools in the interaction zone, so that the pore formation in the material is reduced.
  • the method can also be operated with inexpensive auxiliary media, since an indirect flow effect is used and thus the auxiliary medium is not directly loaded on the central processing point.
  • the present radial jet concept does not lead to the extraction of process or protective gas from the interaction zone, but rather to the suction of media supplied centrally via the through-hole in the direction of the interaction zone.
  • FIG. 1 shows a first example of an embodiment of the present nozzle
  • FIG. 2 shows a second example of an embodiment of the present nozzle.
  • FIG. 1 shows an example of a structure of a nozzle for carrying out the present method, only the nozzle tip essential for the invention being shown in this and the following example.
  • the nozzle body 1 has a central through-hole 2 for the passage of the energy beam 3, for example the beam of a laser,
  • the beam axis 4 of this energetic beam 3 lies in the present example on the longitudinal axis 5 of the central through hole 2.
  • This through hole 2 serves at the same time a central media feed 6, through which process gases can be transported, for example, into the interaction zone 7 on the workpiece surface 8 of the workpiece 9.
  • the nozzle body 1 has a circumferential nozzle outlet slot 11 on the nozzle bottom 10 facing the workpiece 9 which a supplied auxiliary medium in the present example exits the nozzle radially to the jet axis 4 or longitudinal axis of the through-bore 5.
  • the nozzle body has a corresponding connection 12 for the supply of this auxiliary medium, which flows in the nozzle body via a boiler space 13 to the outlet slot 11.
  • a radial j et 14 with a dominant flow component parallel to the workpiece surface is generated by the auxiliary medium flowing radially away from the beam axis 4. Due to this flow, emission products 15 are sucked out of the interaction zone 7, as shown by the arrows. These emission products result from the interaction of the energetic beam 3 impinging on the workpiece surface 8 with the material of the workpiece surface, in particular from the rapid temperature and / or phase change in the material caused thereby. Radialj et 14 achieves a rapid removal of these emission products 15 without significantly influencing the interaction zone 7. In particular, the Radialj et 14 does not come into contact with this interaction zone 7 or the energetic beam 3.
  • the flow guidance is additionally supported in the present example by guide lips 16 on the outlet slot 11. The volume sucked off by the suction effect is replaced by the medium supplied through the through hole 2. As can be seen in the figure, the outlet opening of the through hole is chamfered or rounded in order not to disturb the outflow of this medium.
  • FIG. 2 Another example of a possible configuration of a nozzle for carrying out the present The method is shown in FIG. 2.
  • the outlet slot 11 of the nozzle is designed via corresponding guide lips 16 such that the flow of the auxiliary medium is directed not only away from the jet axis 4 or longitudinal axis 5 of the through hole, but also away from the workpiece surface , In this embodiment too, emission products 15 are sucked out of the interaction zone 7 by this flow guide.
  • This also applies to a possible embodiment in which the flow is generated by designing the guide lips parallel to the beam axis to the rear or inclined to the beam axis to the rear.
  • the other components of the nozzle shown in FIG. 2 correspond to those of the nozzle of FIG. 1, so that it is no longer necessary to go into them here.
  • a nozzle designed according to FIG. 1 has already been successful and advantageous when welding steel materials with Nd: / YAG laser radiation

Abstract

The invention relates to a method for treating or analyzing a work piece (9) or a sample by way of at least one energetic beam (3), whereby the energetic beam (3) is directed onto a spot to be treated or analyzed and a directed flow of an auxiliary medium fed via the nozzle is generated by means of the nozzle in the area of the spot to be treated or analyzed. The invention also relates to a nozzle for carrying out the method. The inventive method is characterized in that the flow of the auxiliary medium is generated to be directed away from the beam axis (4) of the energetic beam (3) and/or a surface (8) of the work piece (9) or the sample, thereby creating a suction in the area of interaction of the energetic beam (3) with the work piece (9) or the sample. The emission products produced in said area are laterally carried away from the area of interaction due to the suction effect. The inventive method and the corresponding nozzle allow for an effective near-surface removal of emission products while disturbing the interactive processes of the energetic radiation with the surface as little as possible.

Description

Verfahren sowie Düse zur Bearbeitung oder Analyse eines Werkstücks oder einer Probe mit einem energetischen StrahlProcess and nozzle for processing or analyzing a workpiece or a sample with an energetic beam
Technisches Anwendungsgebiet Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bearbeitung oder Analyse eines Werkstücks oder einer Probe mit zumindest einem energetischen Strahl, bei dem der energetische Strahl auf eine zu bearbeitende oder zu analysierende Stelle gerichtet und in der Umgebung der zu bearbeitenden oder zu analysierenden Stelle mit zumindest einer Düse eine gerichtete Strömung eines aus der Düse austretenden Hilfsmediums erzeugt wird. Die Erfindung betrifft weiterhin eine Düse zur Durchführung des Verfahrens mit einem Düsenkörper mit einer Durch- gangsbohrung für den Durchtritt des energetischenTECHNICAL FIELD OF APPLICATION The invention relates to a method for processing or analyzing a workpiece or a sample with at least one energetic beam, in which the energetic beam is directed at a location to be processed or analyzed and in the vicinity of the location to be processed or analyzed with at least one A directed flow of an auxiliary medium emerging from the nozzle is generated. The invention further relates to a nozzle for performing the method with a nozzle body with a through hole for the passage of the energetic
Strahls und ein oder mehreren Austrittsöffnungen für ein über den Düsenkörper zuführbares Hilfsmedium.Jet and one or more outlet openings for an auxiliary medium that can be supplied via the nozzle body.
Bei der Bearbeitung oder Analyse von Werkstück- Oberflächen mit einem energetischen Strahl, insbesondere aus einer Laser-, Plasma- oder Lichtbogenquelle, treten aufgrund der Wechselwirkung der energetischen Strahlung mit dem Werkstoff Emissionsprodukte, wie bspw. Dampf oder Bestandteile einer Schmelze, aus der Wechselwirkungszone aus. So tritt dieser Effekt bspw. aufgrund von Temperatur- oder Druckänderungen oder aufgrund von Phasenumwandlungen im Werkstoff beim Trennen, Schneiden, Abtragen, Bohren, Strukturieren, Fügen, Schweißen, Löten oder Umschmelzen auf. Auch bei anderen Bearbeitungs- oder Analyseverfahren durch lokale Veränderung eines oder mehrerer physikalischer oder chemischer Eigenschaften des Werkstoffes können derartige in der Regel unerwünschte Emissionen auftreten. Die Emissionen können einerseits die Bearbeitungs- oder Analysevorrichtung, bspw. werkstücknahe Komponenten zur Strahlerzeugung oder - formung, Optiken, Elektroden oder Düsen, verunreinigen oder beschädigen und andererseits oberhalb der Werkstückoberfläche mit der energetischen Strahlung derart wechselwirken, dass die beabsichtigte Wirkung der Strahlung auf das Werkstück, insbesondere durch Absorption, Streuung oder Brechung, gestört wird. Bei bekannten Verfahren zur Bearbeitung oder Analyse von Oberflächen mit energetischer Strahlung werden daher Maßnahmen ergriffen, um eine unkontrollierte Ausbreitung der hervorgerufenen Emissionen zu vermeiden.When processing or analyzing workpiece surfaces with an energetic beam, in particular from a laser, plasma or arc source, emission products, such as steam or components of a melt, emerge from the interaction zone due to the interaction of the energetic radiation with the material , This effect occurs, for example, due to temperature or pressure changes or due to phase changes in the material when cutting, cutting, removing, drilling, structuring, joining, welding, soldering or remelting. Also with other processing or analysis methods Local changes in one or more physical or chemical properties of the material can result in such undesirable emissions. On the one hand, the emissions can contaminate or damage the processing or analysis device, e.g. workpiece-related components for beam generation or shaping, optics, electrodes or nozzles, and on the other hand, they can interact with the energetic radiation above the workpiece surface in such a way that the intended effect of the radiation on the workpiece , particularly by absorption, scattering or refraction. In known methods for processing or analyzing surfaces with energetic radiation, measures are therefore taken to avoid an uncontrolled spread of the emissions caused.
Stand der Technik Es sind zahlreiche Verfahren und Vorrichtungen zur Materialbearbeitung mit energetischer Strahlung bekannt. So werden Laser-, Plasma- und Lichtbogenverfahren bspw. für das thermische Trennen, Fügen und Oberflächenveredeln eingesetzt. Der Bearbeitungsprozess wird bei diesen Verfahren häufig durch Zufuhr eines gasförmigen oder flüssigen Hilfsmediums unterstützt, das über ein oder mehrere Düsen zur Erzeugung einer gerichteten Strömung im Bereich der zu bearbeitenden Stelle zugeführt wird. Die Flüssigkeits- oder Gasströmung wird dabei entweder in Richtung der Wechsel- wirkungszone der energetischen Strahlung mit derPRIOR ART Numerous methods and devices for material processing with energetic radiation are known. For example, laser, plasma and arc processes are used for thermal cutting, joining and surface finishing. The machining process in these methods is often supported by supplying a gaseous or liquid auxiliary medium which is fed in via one or more nozzles to generate a directed flow in the region of the point to be machined. The liquid or gas flow is either in the direction of the interaction zone of the energetic radiation with the
Oberfläche und/oder in Richtung der Strahlachse der energetischen Strahlung erzeugt, um die Material- emissionen zu verringern oder aus dem Wechselwirkungs- bereich wegzuführen. Die Zufuhr des Hilfsmediums dient somit zum einen dem Schutz von Optiken oder Elektroden der Vorrichtung vor Verunreinigungen durch die Emissionen, zum anderen kann die Wechselwirkungszone durch Schutzgaszufuhr auch vor der Umgebungsluft abgeschirmt werden. Weiterhin ist es bekannt, die Werkstoffeigen- schaften sowie Plasma- oder Lichtbogeneigenschaften durch geeignete Wahl der Gasart des Hilfsmediums und der Strömungsbedingungen zu beeinflussen. Schließlich kann durch die Übertragung von Druck- und/oder Zugspannungskräften durch die Strömung des Hilfsmediums auch ein beabsichtigter Materialabtrag unterstützt werden. Die DE 198 02 305 AI offenbart einen Laserschweißkopf, der zwei Gasaustrittskanäle für ein der Schweißstelle zugeführtes Arbeitsgas und für ein Schutzgas zur weiträumigen Abschirmung der Schweißnaht während des Schweißvorganges aufweist. Das Arbeitsgas trifft in Form eines mittig austretenden zum Laserstrahl koaxialen ArbeitsgasStromes auf die Schweißstelle. Das Schutzgas wird über einen Ringkanal mit ringförmiger Austrittsöffnung ebenfalls auf das Werkstück gerichtet. Die Austrittsöffnung ist dabei so ausgebildet und angeordnet, dass ein ringförmig geschlossener und konkav gewölbter (glockenförmiger) Schutzgasström zur sicheren Abschirmung der Schweißnaht gegenüber der Atmosphäre entsteht. Die Druckschrift geht hierbei nicht auf die Problematik des Abtransportes von Emissionsprodukten ein. Ein derartiger Abtransport lässt sich durch die glockenförmig geschlossene Schutzgasströmung dieser Druckschrift auch nicht erreichen. Vielmehr werden in diesen Schutzgasstrom eintretende Emissionsprodukte wiederum auf das Werkstück gelenkt .Surface and / or in the direction of the beam axis of the energetic radiation to reduce the material emissions or from the interaction lead away area. The supply of the auxiliary medium thus serves on the one hand to protect the optics or electrodes of the device from contamination by the emissions, and on the other hand the interaction zone can also be shielded from the ambient air by supplying a protective gas. It is also known to influence the material properties and plasma or arc properties by suitable choice of the gas type of the auxiliary medium and the flow conditions. Finally, the transfer of compressive and / or tensile forces through the flow of the auxiliary medium can also support an intended removal of material. DE 198 02 305 AI discloses a laser welding head which has two gas outlet channels for a working gas fed to the welding point and for a protective gas for the extensive shielding of the weld seam during the welding process. The working gas strikes the welding point in the form of a centrally flowing working gas stream coaxial with the laser beam. The protective gas is also directed onto the workpiece via an annular channel with an annular outlet opening. The outlet opening is designed and arranged in such a way that an annularly closed and concavely curved (bell-shaped) protective gas flow is created to reliably shield the weld seam from the atmosphere. The publication does not address the issue of the removal of emission products. Such removal cannot be achieved by the bell-shaped closed protective gas flow in this document. Rather, this flow of inert gas incoming emission products in turn directed to the workpiece.
Aus S. Katayama et al . „Development of Tornado Nozzle for Reduction in Porosity during Laser Welding of Aluminium Alloy", Proc . ICALEO 2001, ist ein Verfahren zur Bearbeitung einer Werkstückoberfläche mit einem energetischen Strahl bekannt, bei dem das Schutzgas koaxial zur energetischen Strahlung auf die Werkstückoberfläche gerichtet und gleichzeitig mit einem Drall beaufschlagt wird. Durch diese Drall- Strömung wird in der Wechselwirkungszone ein Unterdruck zum Absaugen der Emissionen hervorgerufen, der diese jedoch nicht aus dem Strahlungsweg herausführt.From S. Katayama et al. "Development of Tornado Nozzle for Reduction in Porosity during Laser Welding of Aluminum Alloy", Proc. ICALEO 2001, a method for processing a workpiece surface with an energetic beam is known in which the shielding gas is directed coaxially with the energetic radiation onto the workpiece surface and simultaneously with This swirl flow creates a negative pressure in the interaction zone for sucking off the emissions, but this does not lead them out of the radiation path.
Bei einer in dieser Druckschrift weiterhin angeführten Technik wird ein drallfreier koaxialer Gasstrom erzeugt, der ebenfalls auf die Werkstückoberfläche gerichtet ist . Durch einen derartigen Gasstrom lässt sich bei Schutzgaszufuhr eine guteIn a technique also mentioned in this document, a swirl-free coaxial gas stream is generated, which is also directed towards the workpiece surface. Such a gas flow allows a good flow of inert gas
Abschirmung der Wechselwirkungszone von der Umgebungs- luft erreichen. Die auf das Werkstück gerichtete Strömung führt zur Kompression von Emissionsprodukten und ungewollten Störungen der Wechselwirkungszone, bspw. eines Schweißschmelzbades. Die Emissionsprodukte werden dabei nicht abtransportiert, sondern in Richtung des Werkstückes zurück transportiert und führen dort zu entsprechendem Niederschlag oder Anhaftungen. Aus M. Kern et al . , „Optimiertes Querj etkonzept zur effizienten Spritzerablenkung und gesicherten Schutzgaszufuhr beim Laserschweißen", Laser und Optoelektronik, Bd. 28, 1996, Ausgabe 8, Seiten 62 ff, ist ein Verfahren zur Oberflächenbearbeitung mit energetischer Strahlung bekannt, bei dem das Hilfsmedium über Querjets nahe der Werkstückoberfläche durch den energetischen Strahl hindurch strömt . Durch diese Querjets werden von der Werkstückoberfläche in Richtung der Komponenten der Vorrichtung sich ausbreitende Emissionen abgelenkt und aus dem Strahlbereich befördert. Um gleichmäßige Bearbeitungsergebnisse zu erzielen, müssen die Querjets jedoch bei einem Richtungswechsel der Bearbeitung ebenfalls umorientiert werden. Weiterhin besteht die Gefahr, dass durch die Querjets unerwünschte Umgebungsluft in die Wechsel- Wirkungszone gesaugt wird. Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Verfahren zur Bearbeitung oder Analyse eines Werkstücks oder einer Probe mit energetischer Strahlung sowie eine Düse zur Durchführung des Verfahrens anzugeben, die einen werkstücknahen Abtransport der Emissionsprodukte ohne Störung der Bearbeitungszone ermöglichen.Shield the interaction zone from the ambient air. The flow directed at the workpiece leads to the compression of emission products and unwanted disturbances in the interaction zone, for example a weld pool. The emission products are not transported away, but are transported back in the direction of the workpiece and there lead to corresponding precipitation or buildup. From M. Kern et al. , "Optimized query concept for efficient spatter deflection and secure shielding gas supply during laser welding", Laser and Optoelectronics, Vol. 28, 1996, Edition 8, pages 62 ff, a method for surface treatment with energetic radiation is known, in which the auxiliary medium flows through transverse jets near the workpiece surface through the energetic beam. These transverse jets deflect emissions that are propagating from the workpiece surface in the direction of the components of the device and convey them out of the beam area. In order to achieve uniform processing results, however, the cross jets must also be reoriented when the processing changes direction. There is also the danger that undesirable ambient air is sucked into the interaction zone by the cross jets. The object of the present invention is to provide a method for processing or analyzing a workpiece or a sample with energetic radiation and a nozzle for carrying out the method, which allow the emission products to be removed close to the workpiece without disturbing the processing zone.
Darstellung der Erfindung Die Aufgabe wird mit dem Verfahren sowie der Düse gemäß den Patentansprüchen 1 und 11 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen des Verfahrens sowie der Düse sind Gegenstand der Unteransprüche oder lassen sich der nachfolgenden Beschreibung sowie den Ausführungs- beispielen entnehmen.DESCRIPTION OF THE INVENTION The object is achieved with the method and the nozzle according to patent claims 1 and 11. Advantageous embodiments of the method and the nozzle are the subject of the subclaims or can be found in the following description and the exemplary embodiments.
Bei dem vorgeschlagenen Verfahren zur Bearbeitung oder Analyse eines Werkstücks oder einer Probe mit zumindest einem energetischen Strahl wird der energetische Strahl in bekannter Weise auf eine zu bearbeitende oder zu analysierende Stelle des Werkstücks oder der Probe gerichtet und in der Umgebung der zu bearbeitenden oder zu analysierenden Stelle mit zumindest einer Düse eine gerichtete Strömung eines aus der Düse austretenden Hilfsmediums erzeugt. Das Verfahren zeichnet sich dadurch aus, dass die Strömung des Hilfsmediums mit einer Hauptstrδmungskomponente (= Haupt- Strömungsrichtung bzw. dominante Strömungsrichtung) derart von einer Strahlachse der energetischen Strahlung und/oder von der Oberfläche des oder der zu bearbeitenden oder zu analysierenden Werkstücks oder Probe weg gerichtet erzeugt wird, dass ein Sog im Bereich einer Wechselwirkungszone des energetischenWith the proposed method for processing or analyzing a workpiece or a sample In at least one energetic jet, the energetic jet is directed in a known manner at a point on the workpiece or sample to be processed or analyzed, and a directed flow of an auxiliary medium emerging from the nozzle is generated in the vicinity of the point to be processed or analyzed with at least one nozzle , The method is characterized in that the flow of the auxiliary medium with a main flow component (= main flow direction or dominant flow direction) away from a beam axis of the energetic radiation and / or from the surface of the workpiece or sample to be processed or analyzed that a suction is generated in the area of an interaction zone of the energetic
Strahls mit dem Werkstück oder der Probe entsteht, der dort anfallende Emissionsprodukte seitlich aus der Wechselwirkungszone befördert. Die vorliegende Erfindung geht somit einen vollständig anderen Weg als die bekannten Verfahren des Standes der Technik, bei denen die Hauptströmungskomponente des Hilfsmediums immer entweder parallel zur Strahlachse der energetischen Strahlung in Richtung der Oberfläche oder auf diese Strahlachse hin gerichtet erzeugt wird. Beim vorliegenden Verfahren wird durch die von Strahlachse und/oder Oberfläche weg gerichtete HauptStrömungskomponente eine Wechselwirkung des eingesetzten Hilfsmediums mit der Wechselwirkungszone, d. h. der zu bearbeitenden oder zu analysierenden Stelle, oder dem energetischen Strahl selbst vermieden. Die vorliegend eingesetzte gerichtete Strömung erzeugt vielmehr einen Sog im Bereich der Wechselwirkungszone, der dort anfallende Emissionsprodukte seitlich aus der Wechsel- Wirkungszone befördert. Auf diese Weise werden die Emissionsprodukte nahe ihres Entstehungsortes aus dem Wirkbereich der Energiestrahlung abtransportiert, ohne die Wechselwirkungszone dabei störend zu beeinflussen. Weiterhin kann diese Anordnung dazu genutzt werden, die der Bearbeitungsstelle zugewandten Düsenteile durch den expandierenden Gas- oder Flüssigkeitsstrom und den schnellen Abtransport heißer Emissionsprodukte effektiv zu kühlen und vor Beschädigungen und Anhaftungen zu schützen. Im Gegensatz zur Technik der Querjets lässt sich die Strömung des Hilfsmediums auch rotationssymmetrisch um die Strahlachse erzeugen, so dass die Notwendigkeit einer Umorientierung bei einem Richtungs- Wechsel der Bearbeitung überflüssig wird.Beam with the workpiece or the sample arises, which transports emission products accumulating there laterally out of the interaction zone. The present invention thus goes a completely different way from the known methods of the prior art, in which the main flow component of the auxiliary medium is always generated either parallel to the beam axis of the energetic radiation in the direction of the surface or directed towards this beam axis. In the present method, the main flow component directed away from the beam axis and / or surface prevents the auxiliary medium used from interacting with the interaction zone, ie the point to be processed or analyzed, or the energetic beam itself. Rather, the directional flow used in the present case creates a suction in the area of the interaction zone, which emits emission products from the side of the interaction zone. Effective zone promoted. In this way, the emission products are transported away from the effective range of the energy radiation near their point of origin without disturbing the interaction zone. Furthermore, this arrangement can be used to effectively cool the nozzle parts facing the processing point by the expanding gas or liquid flow and the rapid removal of hot emission products and to protect them from damage and buildup. In contrast to the technology of the cross jets, the flow of the auxiliary medium can also be generated rotationally symmetrically about the jet axis, so that the need for reorientation when changing the direction of processing becomes superfluous.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung wird die Strömung des Hilfsmediums beim vorliegenden Verfahren mit der Hauptströmungskomponente in radialer Richtung zur Strahlachse und/oder parallel zur Werkstück- oder Probenoberfläche erzeugt. Diese beiden Alternativen stimmen in den Fällen überein, in denen die energetische Strahlung senkrecht auf das Werkstück bzw. die Probe gerichtet wird. Dies muss jedoch nicht bei allen Anwendungen der Fall sein.In an advantageous embodiment, the flow of the auxiliary medium in the present method is generated with the main flow component in a radial direction to the beam axis and / or parallel to the workpiece or sample surface. These two alternatives are the same in the cases in which the energetic radiation is directed perpendicularly onto the workpiece or the sample. However, this does not have to be the case for all applications.
Als Hilfsmedium können beim vorliegenden Verfahren bspw. Luft, inerte oder reaktionsträge Gase oder auch reaktive Gase oder Flüssigkeiten eingesetzt werden. Die Art des eingesetzten Mediums hängt von der gewünschten Zusatzwirkung dieses Mediums ab.Air, inert or inert gases or even reactive gases or liquids can be used as auxiliary medium in the present process. The type of medium used depends on the desired additional effect of this medium.
Die ein oder mehreren Düsen, mit denen die von der Strahlachse und/oder Oberfläche weg gerichtete Strömung des Hilfsmediums über der Oberfläche erzeugt wird, werden je nach gewünschter Sogwirkung und gewünschtem Sogort in geeignetem Abstand über der Werkstück- oder Probenoberfläche positioniert. Auch der Volumenstrom des über die ein oder mehreren Düsen geführten Hilfs- mediums kann je nach gewünschter Sogwirkung eingestellt werden. Auf diese Weise lässt sich das Verfahren flexibel an die jeweilige Anwendung anpassen. Die für die Durchführung des Verfahrens vorgeschlagene Düse umfasst einen Düsenkörper mit einer vorzugsweise zentralen Durchgangsbohrung für den Durchgang des energetischen Strahls sowie ein oder mehrere Austrittsöffnungen für das über den Düsenkörper zugeführte Hilfsmedium. Diese Austrittsöffnungen sind derart am Düsenkδrper angeordnet und ausgebildet, dass die gemäß dem vorliegenden Verfahren von der zentralen Längsachse der Durchgangsbohrung und/oder von einer auf einer Austrittsseite der Düse liegenden und senkrecht zur Längsachse der Durchgangsbohrung orientiertenThe one or more nozzles with which the flow is directed away from the jet axis and / or surface of the auxiliary medium is generated above the surface, depending on the desired suction effect and desired suction location at a suitable distance above the workpiece or sample surface. The volume flow of the auxiliary medium passed through the one or more nozzles can also be adjusted depending on the desired suction effect. In this way, the process can be flexibly adapted to the respective application. The nozzle proposed for carrying out the method comprises a nozzle body with a preferably central through-hole for the passage of the energetic jet and one or more outlet openings for the auxiliary medium supplied via the nozzle body. These outlet openings are arranged and formed on the nozzle body in such a way that, according to the present method, they are oriented from the central longitudinal axis of the through-hole and / or from one located on an outlet side of the nozzle and perpendicular to the longitudinal axis of the through-hole
Hilfsebene weg gerichtete Hauptströmungskomponente des Hilfsmediums erzielt wird, durch die ein Sog im Bereich der Wechselwirkungszone des energetischen Strahls mit einem vor der Düse angeordneten Werkstück entsteht, der dort anfallende Emissionsprodukte seitlich aus der Wechselwirkungszone befördert. In einer besonderen Ausgestaltung sind die ein oder mehreren Austritts- Öffnungen so angeordnet und ausgebildet, dass die Hauptströmungsrichtung radial von der Längsachse der Durchgangsbohrung weg gerichtet ist. Selbstverständlich umfasst der Düsenkörper einen oder mehrere Anschlüsse für die Zufuhr des Hilfsmediums, die über einen oder mehrere Kanäle mit den Austrittsöffnungen verbunden sind.Auxiliary plane directed main flow component of the auxiliary medium is achieved, by which a suction is created in the interaction zone of the energetic jet with a workpiece arranged in front of the nozzle, which transports emission products arising there laterally out of the interaction zone. In a special embodiment, the one or more outlet openings are arranged and designed such that the main flow direction is directed radially away from the longitudinal axis of the through hole. Of course, the nozzle body comprises one or more connections for the supply of the auxiliary medium, which via one or several channels are connected to the outlet openings.
Bei vektorieller Zerlegung der Hauptrömungs- komponente in eine Komponente senkrecht zur Werkstückoder Probenoberfläche und eine Komponente in radialer Richtung zur Strahlachse und/oder parallel zur Werkstück- oder Probenoberfläche ist die Komponente in radialer Richtung zur Strahlachse und/oder parallel zur Werkstück- oder Probenoberfläche bei einer bevorzugten Ausgestaltung des Verfahrens und der Düse größer als die Komponente senkrecht zur Werkstück- oder Probenoberfläche. Die ein oder mehreren Austrittsöffnungen für das Hilfsmedium sind vorzugsweise als Schlitze oder Bohrungen im werkstücknahen Teil der äußeren Düsenwand ausgebildet, so dass die Strömung des Hilfsmediums dominant radial abströmt und einen radialen rotations- symmetrischen oder unsymmetrischen Strömungsfächer, im Folgenden auch Radialj et genannt, bildet.With vectorial decomposition of the main flow component into a component perpendicular to the workpiece or sample surface and a component in the radial direction to the beam axis and / or parallel to the workpiece or sample surface, the component is in the radial direction to the beam axis and / or parallel to the workpiece or sample surface preferred embodiment of the method and the nozzle larger than the component perpendicular to the workpiece or sample surface. The one or more outlet openings for the auxiliary medium are preferably designed as slots or bores in the part of the outer nozzle wall near the workpiece, so that the flow of the auxiliary medium dominantly flows radially and forms a radial rotationally symmetrical or asymmetrical flow fan, hereinafter also called Radialj et.
Beim Einsatz der vorliegenden Düse müssen die Achsen von Energiestrahl und Durchgangsbohrung nicht in jedem Falle koaxial oder parallel verlaufen. Vielmehr lässt sich die Düse und somit die Durchgangsbohrung unabhängig von der Strahlachse des Energiestrahls positionieren und einstellen. Vorzugsweise weist die Düse auch einen Anschluss für die Zuführung eines weiteren Mediums über die Durchgangsbohrung auf. Bei dieser Ausgestaltung kann die vorzugsweise zentrale für den Strahlungsdurchtritt vorgesehene Durchgangsbohrung zusätzlich als Zufuhrkanal für ein gasförmiges oder flüssiges, inertes, reaktionsträges oder reaktives Medium, insbesondere zur Emissions- oder Bearbeitungsbeeinflussung, dienen. Weiterhin kann durch die Zufuhr eines derartigen zusätzlichen Mediums eine Kompensation des aus der Wechselwirkungszone abgesaugten Volumens erfolgen, um eine Ansaugung von Nebenluft zu vermeiden. Die Durchgangsbohrung ist hierbei an der dem Werkstück zugewandten Seite vorzugsweise mit einer umfänglichen Anschrägung oder Abrundung versehen, um Verluste bei der Stromungsumlenkung des ausströmenden zusätzlichen Mediums zu vermeiden. Auch weitere Teile der Düse, an denen eine Stromungsumlenkung stattfindet, sind zur Vermeidung von Totwassergebieten vorzugsweise geeignet abgerundet . Die Durchgangsbohrung kann auch zusätzlich zur werkstücknahen Austrittsöffnung weitere seitliche Öffnungen aufweisen. Die zentrale Mediumzufuhr über die Dürchgangsbohrung kann dabei so eingestellt werden, dass ein Ansaugen von Nebenluft durch die zusätzlichen Öffnungen vermieden wird. Bei einer Ausgestaltung der Durchgangsbohrung, bei der diese bis auf die werkstücknahe Austrittöffnung gasdicht abgeschlossen ist, wird die zentrale Medienzufuhr über die Durchgangsbohrung vorzugsweise so eingestellt, dass zumindest eine Unterdruckbildung in der Durchgangsbohrung vermieden wird.When using the present nozzle, the axes of the energy beam and through hole do not always have to be coaxial or parallel. Rather, the nozzle and thus the through hole can be positioned and adjusted independently of the beam axis of the energy beam. The nozzle preferably also has a connection for supplying a further medium via the through hole. In this embodiment, the preferably central through hole provided for the passage of radiation can additionally be used as a feed channel for a gaseous or liquid, inert, inert or reactive medium, in particular for influencing emissions or processing. Furthermore, the supply of such an additional medium can compensate for the volume sucked out of the interaction zone in order to avoid suction of secondary air. The through bore is preferably provided on the side facing the workpiece with a circumferential bevel or rounding in order to avoid losses in the flow deflection of the outflowing additional medium. Other parts of the nozzle, where a flow deflection takes place, are preferably suitably rounded to avoid dead water areas. The through hole can also have further lateral openings in addition to the outlet opening close to the workpiece. The central medium supply via the through hole can be set so that secondary air is not sucked in through the additional openings. In a configuration of the through hole in which it is sealed gas-tight except for the outlet opening close to the workpiece, the central media supply via the through hole is preferably set in such a way that at least negative pressure formation in the through hole is avoided.
Die Austrittsöffnungen für das Hilfsmedium sind bei der vorliegenden Düse vorzugsweise mit Führungs- lippen zur Beeinflussung der Strömungsrichtung undIn the present nozzle, the outlet openings for the auxiliary medium are preferably provided with guide lips for influencing the flow direction and
Strömungsgeometrie versehen. Die vom Werkstück bzw. der Probe weiter entfernte Führungslippe kann dabei weiter radial hinausragen als die dem Werkstück bzw. der Probe nähere Führungslippe oder umgekehrt. Die Strömungskonturen der Führungslippen können bei der vorliegenden Düse auch so ausgebildet sein, dass im Düsenkanal und/ oder außerhalb davon zwischen der von der Werkstückoder Probenoberfläche weiter entfernten Führungslippe und der Werkstück- bzw. Probenoberfläche eine Strömung mit einem konvergenten, divergenten oder aus diesen Eigenschaften zusammengesetzten, bspw. Laval-fδrmigen, Strömungslängsschnitt entsteht.Provide flow geometry. The guide lip further away from the workpiece or the sample can protrude radially further than that of the workpiece or the sample closer guide lip or vice versa. In the present nozzle, the flow contours of the guide lips can also be designed such that a flow with a convergent, divergent or composed of these properties is established in and / or outside the nozzle channel between the guide lip further away from the workpiece or sample surface and the workpiece or sample surface , for example Laval-shaped longitudinal flow section is created.
In einer besonderen Ausführungsform der vorliegenden Düse ist deren Durchgangsbohrung so ausgebildet, dass sie auf konventionelle, koaxiale Bearbeitungsdüsen aufgesteckt oder aufgeschoben werden kann. Die Innen- kontur der Durchgangsbohrung ist dabei im Wesentlichen an die Außenkontur der konventionellen Düse angepasst . Bei dieser Ausgestaltung lässt sich die vorliegende Düse als optional montierbares Zusatzmodul für konventionelle Vorrichtungen zur Bearbeitung oder Analyse von Oberflächen einsetzen.In a special embodiment of the present nozzle, its through hole is designed in such a way that it can be attached or pushed onto conventional, coaxial machining nozzles. The inner contour of the through hole is essentially adapted to the outer contour of the conventional nozzle. With this configuration, the nozzle in question can be used as an optionally mountable additional module for conventional devices for processing or analyzing surfaces.
Weiterhin kann die Düse auch zusätzlich einen Ringspalt für die Zufuhr eines weiteren Mediums aufweisen, wie dies in der DE 4402000 C2 näher erläutert ist. Bei einer aufsteck- oder aufschiebbaren Ausgestaltung der Düse, wie in Zusammenhang mit der vorangehenden Ausführungsform erläutert, kann dieser Ringspalt auch durch eine geeignete Innenkontur der vorliegenden Düse zwischen der vorliegenden und der konventionellen Düse gebildet werden.Furthermore, the nozzle can additionally have an annular gap for the supply of a further medium, as is explained in more detail in DE 4402000 C2. In the case of a plug-on or slide-on configuration of the nozzle, as explained in connection with the previous embodiment, this annular gap can also be formed by a suitable inner contour of the present nozzle between the present and the conventional nozzle.
Mit dem vorliegenden Verfahren und der zugehörigen Düse können gleichzeitig mehrere Effekte erzielt werden, die mit den bisher bekannten Verfahren oder den bei diesen Verfahren eingesetzten Düsen nicht oder nur zum Teil möglich sind. So lässt sich mit dem vorliegenden Verfahren und der zugehörigen Düse ein effektiverer Abtransport der Emissionsprodukte nahe an ihrem Entstehungsort realisieren. Die Emissionsprodukte werden dabei expandiert statt komprimiert, so dass ein Niederschlag sowie Anhaftungen auf der Werkstückoberfläche vermieden werden. Durch die Sogwirkung wird die Entgasung von Schweißkapillaren und Schmelzbädern in der Wechselwirkungszone gefördert, so dass die Porenbildung im Werkstoff vermindert wird. Durch Vermeidung von Druckkräften in der Wechselwirkungszone, die bei direkter Anströmung auftreten, wird der Bearbeitungsprozess nur minimal gestört . Das Verfahren lässt sich auch mit kostengünstigen Hilfsmedien betreiben, da eine indirekte Strδmungswirkung ausgenutzt wird und somit keine direkte Beaufschlagung der zentralen Bearbeitungsstelle mit dem Hilfsmedium erfolgt. Im Gegensatz zu bekannten Querjetkonzepten führt das vorliegende Radialjetkonzept nicht zum Absaugen von Prozess- oder Schutzgas aus der Wechsel- wirkungszone sondern zum Ansaugen von zentral über die Durchgangsbohrung zugeführten Medien in Richtung der Wechselwirkungszone.With the present method and the associated nozzle, several effects can be achieved simultaneously that are not or only partially possible with the previously known methods or the nozzles used in these methods. In this way, the present process and the associated nozzle enable the emission products to be removed more effectively close to where they originated. The emission products are expanded instead of compressed, so that precipitation and buildup on the workpiece surface are avoided. The suction effect promotes the degassing of welding capillaries and weld pools in the interaction zone, so that the pore formation in the material is reduced. By avoiding pressure forces in the interaction zone, which occur with direct inflow, the machining process is minimally disrupted. The method can also be operated with inexpensive auxiliary media, since an indirect flow effect is used and thus the auxiliary medium is not directly loaded on the central processing point. In contrast to known cross-jet concepts, the present radial jet concept does not lead to the extraction of process or protective gas from the interaction zone, but rather to the suction of media supplied centrally via the through-hole in the direction of the interaction zone.
Bei angepasster Gestaltung und Medienwahl lässt sich auch eine Schutzwirkung im Bereich der Wechsel- wirkungszone erreichen. Im Falle einer Strömung mit Strömungskomponenten auch in Richtung der Werkstückoder Probenoberfläche kann auch die Umgebung der Wechselwirkungszone vor Umgebungsluft geschützt werden. Kurze Beschreibung der Zeichnungen Das vorliegende Verfahren sowie die zugehörige Düse werden nachfolgend anhand von Ausführungs- beispielen in Verbindung mit den Zeichnungen nochmals kurz erläutert. Hierbei zeigen:With an appropriate design and choice of media, a protective effect can also be achieved in the area of the interaction zone. In the case of a flow with flow components also in the direction of the workpiece or sample surface, the area around the interaction zone can also be protected from ambient air. BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS The present method and the associated nozzle are briefly explained again below using exemplary embodiments in conjunction with the drawings. Here show:
Fig. 1 ein erstes Beispiel für eine Ausgestaltung der vorliegenden Düse; und Fig. 2 ein zweites Beispiel für eine Ausgestaltung der vorliegenden Düse.1 shows a first example of an embodiment of the present nozzle; and FIG. 2 shows a second example of an embodiment of the present nozzle.
Wege zur Ausführung der Erfindung Figur 1 zeigt ein Beispiel für einen Aufbau einer Düse zur Durchführung des vorliegenden Verfahrens, wobei in diesem und dem nachfolgenden Beispiel lediglich die für die Erfindung wesentliche Düsenspitze dargestellt ist. Der Düsenkörper 1 weist eine zentrale Durchgangsbohrung 2 für den Durchtritt des ener- getischen Strahls 3, bspw. des Strahls einer Laser-,WAYS OF IMPLEMENTING THE INVENTION FIG. 1 shows an example of a structure of a nozzle for carrying out the present method, only the nozzle tip essential for the invention being shown in this and the following example. The nozzle body 1 has a central through-hole 2 for the passage of the energy beam 3, for example the beam of a laser,
Plasma- oder Lichtbogenquelle, auf. Die Strahlachse 4 dieses energetischen Strahls 3 liegt im vorliegenden Beispiel auf der Längsachse 5 der zentralen Durchgangsbohrung 2. Diese Durchgangsbohrung 2 dient gleichzeitig einer zentralen Medienzufuhr 6, durch die bspw. Prozessgase in die Wechselwirkungszone 7 an der Werkstückoberfläche 8 des Werkstücks 9 transportiert werden können. Der Düsenkörper 1 weist im vorliegenden Beispiel an der dem Werkstück 9 zugewandten Düsenunterseite 10 einen umlaufenden Düsenaustrittsschlitz 11 auf, über den ein zugeführtes Hilfsmedium im vorliegenden Beispiel radial zur Strahlachse 4 bzw. Längsachse der Durchgangsbohrung 5 aus der Düse austritt . Der Düsenkörper hat einen entsprechenden Anschluss 12 für die Zufuhr dieses Hilfsmediums, das im Düsenkδrper über einen Kesselraum 13 zum Austrittsschlitz 11 strömt. Durch das radial von der Strahlachse 4 weg ausströmende Hilfsmedium wird ein Radialj et 14 mit einer zur Werkstückoberfläche parallelen dominanten Strömungs- komponente erzeugt. Durch diese Strömung werden aus der Wechselwirkungszone 7 Emissionsprodukte 15 abgesaugt, wie dies durch die Pfeile dargestellt ist. Diese Emissionsprodukte resultieren aus der Wechselwirkung des auf die Werkstückoberfläche 8 auftreffenden energetischen Strahls 3 mit dem Material der Werkstückoberfläche, insbesondere aus der dadurch hervorgerufenen schnellen Temperatur- und/oder Phasenänderung im Material. Durch den Radialj et 14 wird ein schneller Abtransport dieser Emissionsprodukte 15 erreicht, ohne die Wechselwirkungszone 7 nennenswert zu beeinflussen. Insbesondere kommt der Radialj et 14 nicht mit dieser Wechselwirkungszone 7 oder dem energetischen Strahl 3 in Kontakt. Die Strömungsführung wird im vorliegenden Beispiel zusätzlich durch Führungslippen 16 am Austrittsschlitz 11 unterstützt. Das durch die Sogwirkung abgesaugte Volumen wird durch das über die Durchgangsbohrung 2 zugeführte Medium ersetzt. Die Austrittsδffnung der Durchgangsbohrung ist hierbei, wie in der Figur ersichtlich, angeschrägt bzw. abgerundet, um die Ausströmung dieses Mediums nicht zu stören.Plasma or arc source. The beam axis 4 of this energetic beam 3 lies in the present example on the longitudinal axis 5 of the central through hole 2. This through hole 2 serves at the same time a central media feed 6, through which process gases can be transported, for example, into the interaction zone 7 on the workpiece surface 8 of the workpiece 9. In the present example, the nozzle body 1 has a circumferential nozzle outlet slot 11 on the nozzle bottom 10 facing the workpiece 9 which a supplied auxiliary medium in the present example exits the nozzle radially to the jet axis 4 or longitudinal axis of the through-bore 5. The nozzle body has a corresponding connection 12 for the supply of this auxiliary medium, which flows in the nozzle body via a boiler space 13 to the outlet slot 11. A radial j et 14 with a dominant flow component parallel to the workpiece surface is generated by the auxiliary medium flowing radially away from the beam axis 4. Due to this flow, emission products 15 are sucked out of the interaction zone 7, as shown by the arrows. These emission products result from the interaction of the energetic beam 3 impinging on the workpiece surface 8 with the material of the workpiece surface, in particular from the rapid temperature and / or phase change in the material caused thereby. Radialj et 14 achieves a rapid removal of these emission products 15 without significantly influencing the interaction zone 7. In particular, the Radialj et 14 does not come into contact with this interaction zone 7 or the energetic beam 3. The flow guidance is additionally supported in the present example by guide lips 16 on the outlet slot 11. The volume sucked off by the suction effect is replaced by the medium supplied through the through hole 2. As can be seen in the figure, the outlet opening of the through hole is chamfered or rounded in order not to disturb the outflow of this medium.
Ein weiteres Beispiel für eine mögliche Ausgestaltung einer Düse zur Durchführung des vorliegenden Verfahrens zeigt Figur 2. Der Austrittsschlitz 11 der Düse ist dabei über entsprechende Führungslippen 16 so ausgebildet, dass die Strömung des Hilfsmediums nicht nur von der Strahlachse 4 bzw. Längsachse 5 der Durch- gangsbohrung weg, sondern auch von der Werkstückoberfläche weg nach hinten gerichtet ist. Auch bei dieser Ausgestaltung werden Emissionsprodukte 15 durch diese Strömungsführung aus der Wechselwirkungszone 7 abgesaugt. Dies gilt auch für eine mögliche Ausgestaltung, bei der die Strömung durch entsprechende Gestaltung der Führungslippen parallel zur Strahlachse nach hinten gerichtet oder zur Strahlachse geneigt nach hinten gerichtet erzeugt wird. Die weiteren Komponenten der in Figur 2 dargestellten Düse entsprechen denen der Düse der Figur 1, so dass hier nicht mehr näher darauf eingegangen werden muss.Another example of a possible configuration of a nozzle for carrying out the present The method is shown in FIG. 2. The outlet slot 11 of the nozzle is designed via corresponding guide lips 16 such that the flow of the auxiliary medium is directed not only away from the jet axis 4 or longitudinal axis 5 of the through hole, but also away from the workpiece surface , In this embodiment too, emission products 15 are sucked out of the interaction zone 7 by this flow guide. This also applies to a possible embodiment in which the flow is generated by designing the guide lips parallel to the beam axis to the rear or inclined to the beam axis to the rear. The other components of the nozzle shown in FIG. 2 correspond to those of the nozzle of FIG. 1, so that it is no longer necessary to go into them here.
Eine gemäß Figur 1 ausgestaltete Düse wurde bereits erfolgreich und vorteilhaft beim Schweißen von Stahlwerkstoffen mit Nd: /YAG-LaserStrahlung derA nozzle designed according to FIG. 1 has already been successful and advantageous when welding steel materials with Nd: / YAG laser radiation
Leistung über 5 kW getestet. Hierbei wurden etwa 50 - 100 1/min Luft als Hilfsmedium eingesetzt. Die Düse wies hierbei eine Spaltweite des Düsenschlitzes 11 von einigen Zehntel Millimetern auf, der Abstand der Düsenunterseite zur Werkstückoberfläche betrug einige Millimeter. Beim Durchschweißen von 10 mm dickem Baustahl wurde im Vergleich mit dem Einsatz konventioneller Querjet-Düsen eine Steigerung der Schweißgeschwindigkeit um 50% bei verbesserter Nahtqualität erzielt. Die entstehende intensivePower tested over 5 kW. About 50-100 1 / min of air were used as the auxiliary medium. The nozzle had a gap width of the nozzle slot 11 of a few tenths of a millimeter, the distance from the underside of the nozzle to the workpiece surface was a few millimeters. When welding through 10 mm thick structural steel, the welding speed was increased by 50% compared to the use of conventional cross-jet nozzles with improved seam quality. The emerging intense
Dampffackel über der Wechselwirkungszone konnte mit dieser Düse wirkungsvoll unterdrückt werden, ohne den Schweißprozess zu stören. BezugszeichenlisteSteam torch above the interaction zone could be effectively suppressed with this nozzle without disrupting the welding process. LIST OF REFERENCE NUMBERS
1 Düsenkörper1 nozzle body
2 Durchgangsbohrung 3 energetischer Strahl2 through hole 3 energetic jet
4 Strahlachse4 beam axis
5 Längsachse der Durchgangsbohrung5 Longitudinal axis of the through hole
6 zentrale Medienzufuhr6 central media feed
7 Wechselwirkungszone 8 Werkstückoberfläche7 interaction zone 8 workpiece surface
9 Werkstück9 workpiece
10 Düsenunterseite10 bottom of the nozzle
11 Düsenaustrittsschlitz11 nozzle outlet slot
12 Anschluss zur Zufuhr des Hilfsmediums 13 Kesselraum der Düse12 Connection for supplying the auxiliary medium 13 Boiler chamber of the nozzle
14 Radialj et14 Radialj et
15 umgelenkte Emissionsprodukte15 redirected emission products
16 Führungslippen 16 guide lips

Claims

Patentansprüche claims
1. Verfahren zur Bearbeitung oder Analyse eines Werkstücks (9) oder einer Probe mit zumindest einem energetischen Strahl (3) , bei dem der energetische Strahl (3) auf eine zu bearbeitende oder zu analysierende Stelle gerichtet und in der Umgebung der zu bearbeitenden oder zu analysierenden Stelle mit zumindest einer Düse eine gerichtete Strömung eines aus der Düse austretenden Hilfsmediums erzeugt wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Strömung des Hilfsmediums mit einer Hauptströmungskomponente derart von einer Strahlachse (4) der energetischen Strahlung (3) und/oder von einer Oberfläche (8) des Werkstücks (9) oder der Probe weg gerichtet erzeugt wird, dass ein Sog im Bereich einer Wechselwirkungszone des energetischen Strahls (3) mit dem Werkstück (9) oder der Probe entsteht, der dort anfallende Emissionsprodukte seitlich aus der Wechsel- wirkungszone befördert.1. A method for processing or analyzing a workpiece (9) or a sample with at least one energetic beam (3), in which the energetic beam (3) is directed towards a point to be processed or analyzed and in the vicinity of the point to be processed or analyzing point with at least one nozzle a directed flow of an auxiliary medium emerging from the nozzle is generated, characterized in that the flow of the auxiliary medium with a main flow component in such a way from a beam axis (4) of the energetic radiation (3) and / or from a surface (8 ) of the workpiece (9) or the sample is generated in such a way that a suction is created in the area of an interaction zone of the energetic beam (3) with the workpiece (9) or the sample, which transports emission products accumulating there laterally out of the interaction zone.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Strömung des Hilfsmediums mit der Hauptströmungskomponente in radialer Richtung zur Strahlachse (4) und/oder in einer an der zu bearbeitenden oder zu analysierenden Stelle zur Oberfläche (8) parallelen Richtung erzeugt wird. 2. The method according to claim 1, characterized in that the flow of the auxiliary medium with the main flow component is generated in the radial direction to the beam axis (4) and / or in a direction parallel to the surface (8) at the point to be processed or analyzed.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2 , dadurch gekennzeichnet, dass die Strömung des Hilfsmediums rotationssymmetrisch zur Strahlachse (4) erzeugt wird.3. The method according to claim 1 or 2, characterized in that the flow of the auxiliary medium is generated rotationally symmetrical to the beam axis (4).
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass als Hilfsmedium Luft oder ein inertes oder reaktionsträges Gas- oder Gasgemisch eingesetzt wird.4. The method according to any one of claims 1 to 3, characterized in that air or an inert or inert gas or gas mixture is used as the auxiliary medium.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass als Hilfsmedium eine Flüssigkeit eingesetzt wird.5. The method according to any one of claims 1 to 3, characterized in that a liquid is used as the auxiliary medium.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass ein Abstand einer Düsenaustrittsöffnung zum Werkstück (9) oder der Probe und/oder ein Volumenstrom des Hilfsmediums in Abhängigkeit von einer gewünschten Sogwirkung an der zu bearbeitenden oder zu analysierenden Stelle eingestellt werden.6. The method according to any one of claims 1 to 5, characterized in that a distance of a nozzle outlet opening to the workpiece (9) or the sample and / or a volume flow of the auxiliary medium are set depending on a desired suction effect at the point to be processed or analyzed ,
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass ein weiteres flüssiges oder gasförmiges Medium im Bereich der zu bearbeitenden oder zu analysierenden Stelle auf das Werkstück (9) oder die Probe geleitet wird. 7. The method according to any one of claims 1 to 6, characterized in that a further liquid or gaseous medium in the region of the point to be processed or analyzed is passed onto the workpiece (9) or the sample.
8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass als weiteres Medium ein inertes oder reaktionsträges Medium oder ein reaktives, die Bearbeitung oder Analyse beeinflussendes Medium eingesetzt wird.8. The method according to claim 7, characterized in that an inert or inert medium or a reactive medium which influences the processing or analysis is used as the further medium.
9. Verfahren nach Anspruch 7 oder 8 , dadurch gekennzeichnet, dass ein Volumenstrom des weiteren Mediums so eingestellt wird, dass ein durch eine Sogwirkung der gerichteten Strömung des Hilfsmediums verursachtes Ansaugen von Nebenluft in Richtung der zu bearbeitenden oder zu analysierenden Stelle vermieden wird.9. The method according to claim 7 or 8, characterized in that a volume flow of the further medium is adjusted so that suction of secondary air caused by a suction effect of the directed flow of the auxiliary medium is avoided in the direction of the point to be processed or analyzed.
10. Verfahren nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass eine Düse mit einer Durchgangsbohrung (2) für den Durchtritt des energetischen Strahls (3) eingesetzt wird, bei der die Durchgangsbohrung (2) einen Anschluss für die Zufuhr des weiteren Mediums aufweist und bis auf eine werkstücknahe Austrittsöffnung gasdicht abgeschlossen ist, wobei ein Volumenstrom des weiteren Mediums durch die Durchgangsbohrung (2) so eingestellt wird, dass eine Unterdruckbildung in der Durchgangsbohrung (2) zumindest vermieden wird.10. The method according to claim 7 or 8, characterized in that a nozzle with a through hole (2) for the passage of the energetic beam (3) is used, in which the through hole (2) has a connection for the supply of the further medium and is sealed gas-tight except for an outlet opening close to the workpiece, a volume flow of the further medium through the through-hole (2) being set in such a way that vacuum formation in the through-hole (2) is at least avoided.
11. Düse zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 10 mit einem Düsenkδrper (1) mit einer Durchgangsbohrung (2) für den Durchtritt des energetischen Strahls (3) und ein oder mehreren Austrittsöffnungen (11) für ein über den Düsenkörper (1) zuführbares Hilfsmedium, dadurch gekennzeichnet, dass die ein oder mehreren Austrittsöffnungen (11) so ausgebildet und angeordnet sind, dass das Hilfsmedium mit einer HauptStrömungskomponente derart von einer Längsachse (5) der Durchgangs- bohrung (2) und/oder von einer auf einer Austrittsseite (10) der Düse liegenden und senkrecht zur Längsachse (5) der Durchgangsbohrung (2) orientierten Hilfsebeneebene weg gerichtet aus den Austrittsöffnungen (11) austritt, dass ein Sog im Bereich einer Wechselwirkungszone des energetischen Strahls (3) mit einem vor der Düse angeordneten Werkstück (9) entsteht, der dort anfallende Emissionsprodukte seitlich aus der Wechselwirkungszone befördert.11. Nozzle for performing the method according to one of claims 1 to 10 with a Düsenkδrper (1) with a through hole (2) for the passage of the energetic beam (3) and or A plurality of outlet openings (11) for an auxiliary medium which can be supplied via the nozzle body (1), characterized in that the one or more outlet openings (11) are designed and arranged in such a way that the auxiliary medium with a main flow component extends from a longitudinal axis (5) of the passage bore (2) and / or from an auxiliary plane lying on an outlet side (10) of the nozzle and oriented perpendicular to the longitudinal axis (5) of the through-bore (2), emerges from the outlet openings (11) such that suction in the region of an interaction zone of the energetic beam (3) with a workpiece (9) arranged in front of the nozzle, which transports emission products accumulating there laterally out of the interaction zone.
12. Düse nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die ein oder mehreren Austrittsöffnungen (11) so ausgebildet und angeordnet sind, dass das Hilfsmedium mit der HauptStrömungskomponente in radialer Richtung zur Längsachse (5) der Durch- gangsbohrung (2) aus den Austrittsöf nungen (11) austritt .12. Nozzle according to claim 11, characterized in that the one or more outlet openings (11) are designed and arranged such that the auxiliary medium with the main flow component in the radial direction to the longitudinal axis (5) of the through hole (2) from the outlet openings (11) emerges.
13. Düse nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass die ein oder mehreren Austrittsöffnungen (11) radialsymmetrisch um die Längsachse (5) der Durchgangsbohrung (2) angeordnet sind. 13. Nozzle according to claim 11 or 12, characterized in that the one or more outlet openings (11) are arranged radially symmetrically about the longitudinal axis (5) of the through hole (2).
14. Düse nach einem der Ansprüche 11 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die ein oder mehreren Austrittsöffnungen (11) im Bereich einer Austrittsseite (10) der energetischen Strahlung (3) in einer äußeren, der Durchgangsbohrung (2) abgewandten Düsenwand ausgebildet sind.14. Nozzle according to one of claims 11 to 13, characterized in that the one or more outlet openings (11) are formed in the region of an outlet side (10) of the energetic radiation (3) in an outer nozzle wall facing away from the through hole (2).
15. Düse nach einem der Ansprüche 11 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die ein oder mehreren Austrittsöffnungen (11) als ein oder mehrere Schlitze oder Bohrungen ausgebildet sind.15. Nozzle according to one of claims 11 to 14, characterized in that the one or more outlet openings (11) are designed as one or more slots or bores.
16. Düse nach einem der Ansprüche 11 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass die ein oder mehreren Austrittsöffnungen (11) mit Führungslippen (16) zur Beeinflussung der austretenden Strömung versehen sind.16. Nozzle according to one of claims 11 to 15, characterized in that the one or more outlet openings (11) are provided with guide lips (16) for influencing the emerging flow.
17. Düse nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass einer Bearbeitungsebene näher liegende Führungslippen (16) in radialer Richtung weiter hinausragen als von der Bearbeitungsebene weiter entfernt liegende Führungslippen (16) .17. Nozzle according to claim 16, characterized in that a processing plane closer guide lips (16) protrude further in the radial direction than from the processing plane further away guide lips (16).
18. Düse nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass von einer Bearbeitungsebene weiter entfernt liegende Führungslippen (16) in radialer Richtung weiter hinausragen als der Bearbeitungsebene näher liegende Führungslippen (16) .18. A nozzle according to claim 16, characterized in that from a processing plane further away guide lips (16) protrude further in the radial direction than closer to the processing plane lying guide lips (16).
19. Düse nach einem der Ansprüche 16 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass die Führungslippen (16) eine Kontur aufweisen, durch die innerhalb und/oder außerhalb des Düsenkörpers (1) eine Strömung mit einem divergenten, konvergenten oder aus beiden kombinierten Strömungslängsschnitt entsteht.19. Nozzle according to one of claims 16 to 18, characterized in that the guide lips (16) have a contour through which inside and / or outside of the nozzle body (1) a flow with a divergent, convergent or from both combined longitudinal flow section arises.
20. Düse nach einem der Ansprüche 11 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass die Durchgangsbohrung (2) seitliche Eintrittsöffnungen aufweist .20. Nozzle according to one of claims 11 to 19, characterized in that the through bore (2) has lateral inlet openings.
21. Düse nach einem der Ansprüche 11 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass die Durchgangsbohrung (2) einen Anschluss für die Zufuhr eines weiteren Mediums aufweist.21. Nozzle according to one of claims 11 to 20, characterized in that the through bore (2) has a connection for the supply of a further medium.
22. Düse nach einem der Ansprüche 11 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass die Durchgangsbohrung (2) einen Anschluss für die Zufuhr eines weiteren Mediums aufweist und bis auf eine werkstücknahe Austrittsoffnung gasdicht abgeschlossen ist. 22. Nozzle according to one of claims 11 to 19, characterized in that the through bore (2) has a connection for the supply of a further medium and is sealed gas-tight except for an outlet opening close to the workpiece.
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