本發(fā)明涉及根據(jù)獨(dú)立權(quán)利要求的前序部分的用于借助于激光射束進(jìn)行表面加工的加工頭部和包括加工頭部的加工設(shè)備。

背景技術(shù)：

由現(xiàn)有技術(shù)已知，借助于激光堆焊方法將粉末施覆在結(jié)構(gòu)部件上。為此，粉末尤其借助于加工頭部運(yùn)送至結(jié)構(gòu)部件，其中，粉末被運(yùn)送至熔斑，所述熔斑之前借助于激光來(lái)熔化。激光通常引導(dǎo)通過(guò)加工頭部的激光通過(guò)通道并且以與加工頭部的排出側(cè)10mm至20mm的間距聚焦。此外，粉末通過(guò)至少一個(gè)粉末輸入通道運(yùn)送通過(guò)加工頭部。在此，加工頭部能夠具有一個(gè)或多個(gè)粉末輸入通道，其排放開口大多圍繞激光射束的排出開口布置在加工頭部的排出側(cè)上；備選地，粉末輸入通道能夠構(gòu)造為環(huán)間隙，所述環(huán)間隙圍繞激光通過(guò)通道布置。

在執(zhí)行激光堆焊方法期間會(huì)在一定情況下導(dǎo)致加工頭部的強(qiáng)烈的加熱，因?yàn)檩斎氲募す夤β实拇蠹s1/3至2/3被反射，其基本上碰到加工頭部上。反射的份額在此取決于所使用的基本上基于波長(zhǎng)的激光。例如得出如下結(jié)論，即在Nd：YAG激光、纖維激光、盤式激光或二極管激光的情況下通常大約功率的1/3被反射并且在CO₂激光的情況下功率的直至2/3被反射。

由文件US7,259,353已知用于在激光堆焊時(shí)冷卻加工頭部的設(shè)備。在此提出，圍繞加工頭部地以盡可能大的體積布置有冷卻外套，以便實(shí)現(xiàn)盡可能有效的冷卻。

然而之前已知的現(xiàn)有技術(shù)具有如下缺點(diǎn)，即冷卻功率不總是足夠。此外，大體積的冷卻外套顯著增大加工頭部，這在運(yùn)行中會(huì)是不利的。此外，之前已知的運(yùn)行頭部尤其由于消耗的制造方法或由于高的材料消耗而會(huì)過(guò)于成本高昂；這此外是不利的，因?yàn)檫\(yùn)行頭部必須相當(dāng)頻繁地來(lái)更換。另一缺點(diǎn)是在一定情況下加工頭部的面向待加工的結(jié)構(gòu)部件的頂部的不充分的冷卻。

在文件WO 95/20458 A1中描述用于借助于激光射束進(jìn)行表面加工的加工頭部，所述加工頭部包括主體和用于布置在主體處的套筒。主體和套筒一起形成加工頭部的冷卻通道。加工頭部此外還具有大量另外的結(jié)構(gòu)元件。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

因此,本發(fā)明的任務(wù)尤其是，避免已知的缺點(diǎn)、也就是說(shuō)尤其提供如下加工頭部，其能夠簡(jiǎn)單且成本有利地制造，其具有緊湊的結(jié)構(gòu)方式并且在運(yùn)行中保證高的冷卻功率。

所述任務(wù)通過(guò)根據(jù)獨(dú)立權(quán)利要求的加工頭部和加工設(shè)備解決。

從屬權(quán)利要求涉及本發(fā)明的優(yōu)選的實(shí)施方式。

本發(fā)明涉及用于借助于激光射束進(jìn)行表面加工的加工頭部。加工頭部包括帶有縱軸線的激光通過(guò)通道、至少一個(gè)粉末輸入通道和用于冷卻加工頭部的冷卻通道。加工頭部構(gòu)造成至少兩件式并且包括主體和套筒。套筒適用于布置在主體處。激光通過(guò)通道和粉末輸入通道構(gòu)造在主體中。主體至少部分地形成冷卻通道的第一側(cè)面壁。套筒至少部分地形成冷卻通道的第二側(cè)面壁。

這具有如下優(yōu)點(diǎn)，即用于形成冷卻通道的必要的凹口能夠在套筒布置在主體處之前安置，這使得制造簡(jiǎn)單并且成本有利。此外，通過(guò)將激光通過(guò)通道和粉末輸入通道布置在主體中實(shí)現(xiàn)，僅僅少的結(jié)構(gòu)元件對(duì)于加工頭部是必要的。此外，冷卻通道能夠無(wú)問題地如下來(lái)布置，使得能夠保證充分冷卻加工頭部和尤其加工頭部的頂部，因?yàn)橥ㄟ^(guò)冷卻通道的在制造過(guò)程中簡(jiǎn)單的構(gòu)造例如能夠制造構(gòu)造為迷宮（Labyrinth）的熱交換器。凹口能夠在此安置在主體和/或套筒中，其中，冷卻通道在套筒布置在主體處之后由套筒形成。在此，在運(yùn)行中，冷卻介質(zhì)如例如水運(yùn)送通過(guò)冷卻通道以用于導(dǎo)出熱量。

冷卻通道能夠在此利用切削的方法如例如銑削方法形成。備選地，主體和/或帶有冷卻通道的套筒能夠以成形的方法如例如壓鑄方法形成。

主體和套筒尤其在加工頭部中的冷卻通道的總長(zhǎng)度的至少50%的、優(yōu)選地至少75%的并且特別優(yōu)選地至少90%的區(qū)段中形成第一側(cè)面壁和第二側(cè)面壁。

加工頭部尤其僅僅具有唯一的激光通過(guò)通道。但也可行的是，所述加工頭部具有多個(gè)激光通過(guò)通道。

加工頭部的提及的主體尤其實(shí)施成一件式并且尤其由均勻的毛坯部件（例如由銅或銅合金制成的塊）制成。

加工頭部通常也稱為粉末噴嘴。主體通常稱為轂式主體（Nabenk?rper）或噴嘴主體。

優(yōu)選地，主體和套筒能夠松開地能夠連接。主體和套筒尤其能夠與彼此旋緊。

這具有如下優(yōu)點(diǎn)，即在需要時(shí)能夠更換兩個(gè)部件中的一個(gè)。因?yàn)樘淄渤尸F(xiàn)為外部的結(jié)構(gòu)部件，其在運(yùn)行中經(jīng)受較高的熱的負(fù)荷，故所述套筒可能更頻繁地被更換。因?yàn)樘淄泊蠖酁槌杀据^有利的部件，因此在運(yùn)行中的成本進(jìn)一步減小。此外能夠通過(guò)能夠松開的連接將套筒簡(jiǎn)單去除簡(jiǎn)單清潔以用于簡(jiǎn)單清潔冷卻通道。

優(yōu)選地，主體和套筒固定連接。主體和套筒尤其與彼此釬焊。

這具有如下優(yōu)點(diǎn)，即能夠?qū)崿F(xiàn)加工頭部的較緊湊的結(jié)構(gòu)方式，因?yàn)槔缒軌蚍艞壜菁y的布置。

優(yōu)選地，主體具有第一運(yùn)送通道和第二運(yùn)送通道以用于將冷卻介質(zhì)輸入至冷卻通道并且從冷卻通道導(dǎo)出冷卻介質(zhì)。

這具有如下優(yōu)點(diǎn)，即為了形成冷卻介質(zhì)輸入至冷卻通道和導(dǎo)出不需要另外的結(jié)構(gòu)部件。這實(shí)現(xiàn)加工頭部的特別簡(jiǎn)單的和由此成本有利的結(jié)構(gòu)。

優(yōu)選地，加工頭部由頭部、套筒和可選地密封件、尤其例如以O(shè)狀環(huán)的形式的僅僅一個(gè)密封件構(gòu)成。尤其能夠在加工頭部處布置有小部件，但其就此而言不配屬于加工頭部。

這具有如下優(yōu)點(diǎn)，即加工頭部?jī)H僅由非常少的結(jié)構(gòu)部件構(gòu)成并且由此是特別簡(jiǎn)單和成本有利的。

優(yōu)選地，冷卻通道構(gòu)造為冷卻蛇管或冷卻螺旋管。這具有在冷卻介質(zhì)的優(yōu)化的消耗的情況下能夠?qū)崿F(xiàn)高的冷卻功率的優(yōu)點(diǎn)。此外，在冷卻蛇管或冷卻螺旋管的情況下，引導(dǎo)冷卻介質(zhì)的區(qū)域能夠基本上在沒有銳角、銳邊以及突出的或折回的（rückspringende）臺(tái)階的情況下來(lái)構(gòu)造，從而能夠避免相應(yīng)的壓力損失。由此，冷卻功率進(jìn)一步提高。

優(yōu)選地，冷卻通道布置在主體中或在套筒中。換言之，冷卻通道僅僅布置在主體中或在套筒中；當(dāng)冷卻通道僅僅布置在主體中時(shí)，則套筒僅僅形成第二側(cè)面壁；當(dāng)冷卻通道僅僅布置在套筒中時(shí)，則主體僅僅形成第一側(cè)面壁。

冷卻通道僅僅布置在主體中具有如下優(yōu)點(diǎn)，即套筒能夠以小的壁厚度來(lái)構(gòu)造，以便實(shí)現(xiàn)緊湊的結(jié)構(gòu)方式。

冷卻通道僅僅布置在套筒中具有如下優(yōu)點(diǎn)，即冷卻還更有效地來(lái)設(shè)計(jì)，因?yàn)槔鋮s通道布置成靠近加工頭部的熱的外側(cè)面處。

優(yōu)選地，冷卻通道布置在主體中和在套筒中。這具有如下優(yōu)點(diǎn)，即冷卻通道能夠構(gòu)造有大的流動(dòng)橫截面以用于進(jìn)一步提高冷卻功率。

優(yōu)選地，密封件布置在面向激光射束的排出側(cè)的區(qū)域中以用于密封冷卻通道。密封件尤其構(gòu)造為密封環(huán)，所述密封環(huán)優(yōu)選地能夠置入到主體的凹槽中。

這具有如下優(yōu)點(diǎn)，即能夠保證在主體和套筒之間的良好的密封，從而使得冷卻介質(zhì)在運(yùn)行中不會(huì)排出并且能夠到達(dá)至待加工的結(jié)構(gòu)部件上。

當(dāng)然，能夠在套筒和主體之間在背離激光射束的排出側(cè)的側(cè)面上布置另一密封件、優(yōu)選地類似于上面的密封件。這具有如下優(yōu)點(diǎn)，即冷卻介質(zhì)在運(yùn)行中不會(huì)排出并且能夠到達(dá)至待加工的結(jié)構(gòu)部件上。

優(yōu)選地，主體和套筒在至少一個(gè)區(qū)段中朝向排出側(cè)逐漸收尾地來(lái)構(gòu)造。主體和套筒在至少一個(gè)區(qū)段中朝向排出側(cè)尤其錐狀逐漸收尾地來(lái)構(gòu)造。換言之，加工頭部在至少一個(gè)區(qū)段中朝向排出側(cè)尤其錐狀逐漸收尾地來(lái)構(gòu)造。

套筒和主體能夠例如如下構(gòu)造，使得套筒的和主體的與排出側(cè)背離的區(qū)段構(gòu)造成柱狀；套筒的和主體的面向排出側(cè)的區(qū)段能夠錐狀地逐漸收尾。在柱狀的區(qū)段中能夠布置有螺紋以用于將套筒能夠松開地固定在主體處。主體和套筒在此構(gòu)造有如下彼此匹配的形狀，使得套筒能夠根據(jù)本發(fā)明固定在主體處。

加工頭部構(gòu)造有尤其錐狀逐漸收尾的區(qū)段具有如下優(yōu)點(diǎn)，即加工頭部朝向結(jié)構(gòu)部件具有較小的橫截面并且因此能夠較簡(jiǎn)單地操縱。

優(yōu)選地，冷卻通道至少部分地并且優(yōu)選地完全布置在逐漸收尾的區(qū)段中。這具有如下優(yōu)點(diǎn)，即面向排出側(cè)的區(qū)段有效地得到冷卻，所述區(qū)段在運(yùn)行中大多最強(qiáng)烈地被加熱。

優(yōu)選地，冷卻通道的至少一個(gè)區(qū)段平行于垂直于縱軸線A的平面來(lái)布置。這具有如下優(yōu)點(diǎn)，即冷卻通道的區(qū)段圍繞主體基本上在一個(gè)軸向的位置處引導(dǎo)，由此能夠?qū)崿F(xiàn)帶有有效的冷卻的長(zhǎng)的冷卻通道。

優(yōu)選地，冷卻通道的至少一個(gè)第一區(qū)段和第二區(qū)段平行于縱軸線A地與彼此間隔開。這具有如下優(yōu)點(diǎn)，即能夠平行于縱軸線地實(shí)現(xiàn)加工頭部的有效的冷卻，因?yàn)槔鋮s通道沿著加工頭部來(lái)布置。

優(yōu)選地，冷卻通道具有第一運(yùn)送開口和第二運(yùn)送開口以用于輸入和/或?qū)С鰠s介質(zhì)。第一運(yùn)送開口和第二運(yùn)送開口平行于縱軸線A地與彼此間隔開。冷卻介質(zhì)例如能夠通過(guò)第一運(yùn)送開口運(yùn)送到冷卻通道中并且通過(guò)第二運(yùn)送開口從冷卻通道中運(yùn)送出來(lái)。當(dāng)然，冷卻介質(zhì)的運(yùn)送也能夠以相反的方向來(lái)進(jìn)行。

這具有如下優(yōu)點(diǎn)，即在冷卻介質(zhì)從加工頭部中運(yùn)送出來(lái)之前，所述冷卻介質(zhì)僅僅一次地用于冷卻加工頭部。當(dāng)然，用于冷卻介質(zhì)的循環(huán)運(yùn)行也是可行的，其中冷卻介質(zhì)在從冷卻通道中運(yùn)送出來(lái)之后主動(dòng)地和/或被動(dòng)地冷卻并且接下來(lái)又運(yùn)送到冷卻通道中，這有利地實(shí)現(xiàn)冷卻介質(zhì)的消耗的減少。

可能有利的是，冷卻介質(zhì)輸入到布置成更靠近于排出側(cè)的運(yùn)送開口中，因?yàn)榕懦鰝?cè)通常是最熱的。因?yàn)槔鋮s介質(zhì)在運(yùn)送期間通過(guò)冷卻通道來(lái)加熱，因此在冷卻介質(zhì)運(yùn)送通過(guò)冷卻通道開始時(shí)實(shí)現(xiàn)更有效的冷卻，這對(duì)于冷卻熱的、面向排出側(cè)的區(qū)域是有利的。

優(yōu)選地，第一運(yùn)送開口與第一運(yùn)送通道處于流動(dòng)連接并且第二運(yùn)送開口與第二運(yùn)送通道處于流動(dòng)連接。第一運(yùn)送通道和/或第二運(yùn)送通道至少在一區(qū)段中基本上以相對(duì)于縱軸線與粉末輸入通道相同的傾斜角度來(lái)布置。

這具有如下優(yōu)點(diǎn)，即加工頭部能夠緊湊地設(shè)計(jì)。

優(yōu)選地，冷卻通道布置在激光通過(guò)通道的和尤其至少一個(gè)粉末輸入通道的背離縱軸線A的側(cè)面上。換言之，冷卻通道處于外部地布置在加工頭部中并且圍繞激光通過(guò)通道以及尤其圍繞所述少一個(gè)粉末供給通道來(lái)引導(dǎo)。

這具有如下優(yōu)點(diǎn)，即加工頭部的外部的區(qū)域的冷卻能夠得到保證，所述區(qū)域大多經(jīng)受最高的熱的負(fù)荷。

優(yōu)選地，套筒和尤其主體基本上由帶有大于300W/（m×K）的熱傳導(dǎo)能力的材料制成。優(yōu)選地，所述材料具有大于340W/（m×K）的并且特別優(yōu)選地大于380W/（m×K）的熱傳導(dǎo)能力。所述材料例如能夠?yàn)殂~或也能夠?yàn)殂~合金。

這具有如下優(yōu)點(diǎn)，即除了借助于冷卻介質(zhì)進(jìn)行冷卻之外還能夠?qū)崃客ㄟ^(guò)材料挑選來(lái)良好地導(dǎo)出、例如通過(guò)熱量的傳導(dǎo)導(dǎo)出至冷卻介質(zhì)。

本發(fā)明的另一方面涉及用于借助于激光射束進(jìn)行表面加工的加工設(shè)備。加工設(shè)備包括如上面描述的那樣的加工頭部。

附圖說(shuō)明

本發(fā)明的另外的特征和優(yōu)點(diǎn)在下面按照實(shí)施例更詳細(xì)地闡釋以用于更好的理解，而本發(fā)明不應(yīng)當(dāng)受限于實(shí)施例。其中：

圖1以側(cè)視圖示出根據(jù)本發(fā)明的加工頭部的示意性的圖示；

圖2示出根據(jù)圖1的帶有套筒的加工頭部的前視圖；

圖3示出根據(jù)圖2的沒有套筒的加工頭部的前視圖；

圖4示出帶有根據(jù)圖1的加工頭部的加工設(shè)備的截取部分的示意性的圖示。

具體實(shí)施方式

在圖1中以示意性的圖示以側(cè)視圖示出根據(jù)本發(fā)明的加工頭部1。加工頭部1構(gòu)造成兩件式并且包括主體5以及能夠松開地固定在主體5處的套筒6。當(dāng)然，套筒6也能夠固定地與主體5連接、例如通過(guò)釬焊。

加工頭部1具有排出側(cè)10，其中布置有用于激光射束的排出開口18。此外，在排出側(cè)10上布置有粉末通道3的排放開口20以用于將粉末運(yùn)送至待加工的結(jié)構(gòu)部件；排放開口和粉末通道3成虛線地僅僅為了圖解來(lái)示出，因?yàn)榉勰┩ǖ阑趪@縱軸線A的旋轉(zhuǎn)與例如第一運(yùn)送通道13處于不同的剖面平面中。

加工頭部1在一區(qū)段中朝向排出側(cè)10錐狀逐漸收尾地構(gòu)造。

主體5在背離排出側(cè)10的側(cè)面上具有在此沒有示出的螺紋，套筒6借助于所述螺紋能夠與主體5旋緊；為此，套筒6在內(nèi)側(cè)具有在此沒有示出的互補(bǔ)的螺紋。

在主體的錐狀逐漸收尾的區(qū)段中布置有構(gòu)造為冷卻蛇管的冷卻通道4；所述冷卻通道4能夠例如利用銑刀銑削到主體5中。備選于構(gòu)造為冷卻蛇管，冷卻通道4當(dāng)然也能夠構(gòu)造為冷卻螺旋管。

冷卻通道4的第一區(qū)段22平行于垂直于縱軸線A的平面布置。此外，冷卻通道4的第一區(qū)段22和第二區(qū)段23平行于縱軸線地與彼此間隔開。

冷卻通道4具有第一運(yùn)送開口11和第二運(yùn)送開口12以用于輸入和/或?qū)С隼鋮s介質(zhì)。

主體5具有凹槽19以用于容納用于形成密封件9的密封環(huán)。為了形成另一密封，能夠在需要時(shí)設(shè)置有另一凹槽以用于容納在布置在背離排出側(cè)10的側(cè)面上的螺紋的區(qū)域中的另一密封環(huán)。

加工頭部1具有帶有縱軸線A的激光通過(guò)通道2。在運(yùn)行中，激光在背離排出側(cè)10的側(cè)面上引導(dǎo)到激光通過(guò)通道2中，接著激光射束沿著縱軸線A傳播并且通過(guò)排出開口18離開加工頭部1。

冷卻通道4具有第一側(cè)面壁7，所述第一側(cè)面壁由主體5形成。第二側(cè)面壁8由套筒6形成。冷卻介質(zhì)能夠因此沿著冷卻通道4基本上平行于側(cè)面壁7和8地進(jìn)行運(yùn)送。

主體5具有第一運(yùn)送開口11和第二運(yùn)送開口12以用于輸入和/或?qū)С隼鋮s介質(zhì)。第一運(yùn)送開口11與第一運(yùn)送通道13流動(dòng)連接。第二運(yùn)送開口12與第二運(yùn)送通道14流動(dòng)連接。借助于運(yùn)送通道能夠?qū)⒗鋮s介質(zhì)運(yùn)送至冷卻通道4。

第一運(yùn)送開口11和第二運(yùn)送開口12平行于縱軸線A地與彼此間隔開。

冷卻通道4布置在激光通過(guò)通道2的和粉末輸入通道3的背離縱軸線A的側(cè)面上。

帶有排放開口20的粉末輸入通道3（成虛線地示出）相對(duì)于縱軸線A如下來(lái)傾斜，使得粉末射束以與排出開口18約12mm的間距D與縱軸線A相交。在此沒有示出的激光此時(shí)如下來(lái)聚焦，使得熔斑以間距D能夠借助于激光在結(jié)構(gòu)部件上產(chǎn)生。

粉末輸入通道3、第一運(yùn)送通道13和第二運(yùn)送通道14在一區(qū)段中基本上以相對(duì)于縱軸線A相同的傾斜角度B來(lái)布置。

在圖2和3中示出根據(jù)圖1的加工頭部1的前視圖。圖2示出帶有套筒6的加工頭部1。圖3示出沒有套筒的加工頭部1，因此可見冷卻通道4。

在所有的圖中相同的附圖標(biāo)記意味著相同的特征并且僅僅在需要時(shí)重新解釋。

在圖4中以示意性的圖示示出帶有根據(jù)圖1的加工頭部1的加工設(shè)備15的截取部分。

加工設(shè)備15包括用于加工頭部1的容納套筒17。激光射束16引導(dǎo)通過(guò)容納套筒17并且接下來(lái)通過(guò)加工頭部1。

激光射束16通過(guò)排出開口18從加工設(shè)備15中排出并且在此如下來(lái)聚焦，使得熔點(diǎn)以間距D能夠在在此沒有示出的結(jié)構(gòu)部件上產(chǎn)生，此后粉末如上面描述的那樣運(yùn)送到所述結(jié)構(gòu)部件上。

在運(yùn)行中，加工設(shè)備15利用在此沒有示出的定位設(shè)備引導(dǎo)到結(jié)構(gòu)部件之上，由此形成所謂的燒焊焊道。