激光加工頭和用于激光加工頭的環形噴嘴的制作方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種激光加工頭，其包括:用于將激光束聚焦在工件的加工區上的聚焦鏡組、與激光束軸線同軸地布置的環形噴嘴，所述環形噴嘴用于將輔助氣體引入到圍繞加工區的區域中。本發明也涉及一種用于激光加工頭的環形噴嘴，所述環形噴嘴用于將輔助氣體引入到圍繞工件的加工區的區域中。
【背景技術】
[0002]在激光焊接工件時，在工件的加工區中形成所謂的毛細管，在所述毛細管中局部地熔化待加工的工件。由于通過激光束持續地輸入高能量，從毛細管或圍繞毛細管的熔池中排出金屬蒸汽，所述金屬蒸汽以小的顆粒形式在圍繞加工區的區域中上升。由激光加工頭產生的激光束的一部分被金屬蒸汽顆粒吸收，因此所述金屬蒸汽顆粒被加熱并且由于其非常高的溫度而發射出熱輻射，也就是說，這導致形成所謂的金屬蒸汽火舌。
[0003]加工期間金屬蒸汽火舌的空間的形狀或延伸可能會隨著時間和位置極大改變。相應地在環境媒介中溫度發生改變并且隨之出現計算基準隨著時間和位置同樣極大改變，從而形成所謂的熱透鏡，所述熱透鏡導致激光束以高的時間動態偏轉。由此導致的輸入到工件中的時間上和位置上不均勻的能量典型地消極影響工件加工的質量:通過前述的相互影響例如導致焊接飛濺、以不均勻的焊縫上部焊瘤形式的焊縫波動或者通常導致質量降低的焊縫幾何形狀。
[0004]此外，金屬蒸汽火舌的形成(然而也包括焊接氣體、濃煙等的擴散)具有下述問題，上升的金屬蒸汽或包含在上升的焊接氣體中的顆粒可能會越來越多地沉積在激光加工頭上(例如在聚焦鏡組上)并且例如由于熱感應引起的聚焦位置偏移可能會導致妨礙激光加工頭的功能。特別明顯地形成了在激光加工期間產生金屬噴濺物的危險，所述金屬噴濺物不可控地從毛細管的熔化物朝著激光加工頭、特別是聚焦鏡組的方向噴出。
[0005]為了獲得改善的過程結果(例如改善的焊縫質量)，由DE 20 2004 017 854 Ul公知的是，減少激光束與金屬蒸汽火舌的相互影響。這通過以下方式實現，即通過至少一個氣體流將已聚焦的激光束的位于加工透鏡下方的區域保持盡可能不含由焊接氣體和熱的周圍空氣構成的混合氣，其方式是，氣體流在聚焦的激光束上取向并且穿過激光束。為了該目的，氣體流可能會傾斜朝向加工區取向和/或傾斜朝向工件上的加工區之前的區域取向。這個氣體流或這些氣體流借助于一個或多個氣體噴嘴、例如借助于與激光束同軸地布置的環形噴嘴產生。
[0006]為了保護激光加工頭或聚焦鏡組(以及前述的氣體噴嘴或同軸噴嘴)免受噴出的金屬噴濺物的影響，此外，由上述的DE 20 2004 017 854 Ul公知的是，使用相對強的、橫向于入射的激光束取向的和鄰近透鏡布置的橫向空氣流(英語為Crossjet (橫向氣簾))，在金屬噴濺物到達激光加工頭或聚焦鏡組并且可能損害它們之前，所述橫向空氣流抓住可能噴出的金屬噴濺物并且使之偏轉。
[0007]為了借助于橫向空氣流使已述的熱透鏡效應減小到最小程度，必須將所述橫向空氣流盡可能近地施加到工件上。因此，一方面產生干擾輪廓的問題，另一方面當使用的氣體噴嘴相對接近于工件的加工區地布置時，使用的氣體噴嘴可能會相對容易地由上升的金屬蒸汽(或金屬蒸汽火舌)或者由從熔化物中噴出的金屬噴濺物污染。從確定的污染程度起需要中斷激光運行用于清潔或更換氣體噴嘴，以便確保其工作方式并且防止使焊縫質量變壞。此外，金屬蒸汽可能圍繞橫向空氣流流動，因此，這可能會在橫向空氣流的上方再次導致通過金屬噴濺物的已述的污染。如果將橫向空氣流吹入熔池，那么可能會消極地影響焊縫質量。
[0008]此外，由US 2009/0134132 Al公知了一種同軸噴嘴，通過所述同軸噴嘴噴出快速的第一氣體流，所述第一氣體流在激光焊接期間產生工件上形成的毛細管的動態的氣壓，從而毛細管保持敞開并且穩定了熔池的流體壓力，以便阻止金屬噴濺物朝著激光加工頭的方向噴出。圍繞第一空氣流的慢速的第二空氣流用于阻止熔化物與周圍空氣的氧氣接觸。
【發明內容】
[0009]本發明的目的在于，改善開頭所述的激光加工頭，特別是減少用于限制金屬蒸汽火舌的氣體的消耗量。本發明的目的也在于，提高在使用開頭所述的環形噴嘴時的靈活性。
[0010]根據第一方面，該目的通過開頭所述種類的激光加工頭實現，所述激光加工頭的特征在于，環形噴嘴能沿著激光束軸線移動地支承在激光加工頭上并且能夠在激光加工頭上沿著激光束軸線布置在不同的位置中。環形噴嘴在移動時典型地與激光束軸線同軸地取向，也就是說，在激光加工頭的激光運行中，環形噴嘴的旋轉軸線與激光束軸線重合。
[0011]此外，通過將環形噴嘴相對于加工頭的可安置聚焦鏡組的殼體沿著激光束軸線安置在不同的位置上或者固定在殼體或殼體部段上的可能性，可以與相應的加工情況(例如工件和激光加工頭之間的不同的加工距離)的需要相應地調節用于排擠偏離激光束的光路的金屬蒸汽火舌所需的體積流量。環形噴嘴沿著激光束軸線的可移動性能夠以有利的方式選擇噴嘴環的位置，在所述位置中，用于排擠偏離激光束的光路的金屬蒸汽火舌所需的體積流量被減小到最小程度。環形噴嘴沿著激光束軸線的適當的位置可以對于預定的加工參數(至工件的加工距離或聚焦鏡組的焦距、進給速度、加工的工件的種類等)根據實驗地或者借助于流動模擬來確定，在所述適當的位置中，需要盡可能小的體積流量，以便有效地排擠金屬蒸汽火舌。相應的信息例如可以存儲在數據庫中，操作者或必要時激光加工機的控制裝置可以訪問所述數據庫，以便將環形噴嘴移動到適當位置中并且固定在那里。
[0012]此外，通過環形噴嘴的高度可調節性可以有針對性地并且對于特定的情況調節所述環形噴嘴的作用區域、即下述區域，在所述區域中從環形噴嘴中噴出的輔助氣體排擠在激光加工工件時產生的焊接氣體(或金屬蒸汽火舌)。因此，通過環形噴嘴的高度可調節性顯著地改善了激光加工頭的可使用性。特別是在不同的加工情況(改變的加工距離、焦距、進給速度等)中實現了更靈活地操縱激光加工頭。
[0013]在本發明的優選的實施方式中，環形噴嘴剛性地與用于輔助氣體的輸入裝置的管狀部段連接，所述部段沿著激光束軸線的方向延伸。通過輸入裝置的管狀部段與環形噴嘴剛性地連接，簡化了對激光加工頭的操縱、特別是對至聚焦鏡組或待加工的工件的不同的間距的調節。通過剛性的連接可以保持環形噴嘴與激光加工頭或激光束軸線同軸的取向。用于輔助氣體的輸入裝置可以例如通過適配器氣封地與環形噴嘴連接，所述輔助氣體通過管狀部段引導，所述適配器促使輔助氣體流從管狀部段以大約90°轉向，并且因此實現了通過環形噴嘴的側面的輸入口輸送輔助氣體。
[0014]前述的實施方式的一個進一步方案也是優選的，其中，管狀部段能移動地支承在激光加工頭上。通過管狀部段的能移動的支承可以實現環形噴嘴的特別簡單的和高效的可移動性，環形噴嘴與所述管狀部段剛性地連接。特別是能夠以有利的方式取消其他的支承機構、例如附加的引導裝置或這一類的裝置。取而代之，輸入裝置的用于運行環形噴嘴的部段以有利的方式構造為管狀的(剛性的