DE112015000412T5

DE112015000412T5 - Vorrichtung für die Laserbearbeitung verborgener Oberflächen

Info

Publication number: DE112015000412T5
Application number: DE112015000412.2T
Authority: DE
Inventors: Gerald J. Bruck; Ahmed Kamel
Original assignee: Siemens Energy Inc
Current assignee: Siemens Energy Inc
Priority date: 2014-01-15
Filing date: 2015-01-14
Publication date: 2016-10-13
Also published as: US20150196973A1; WO2015108916A1

Abstract

Ein Laseremitter (36) emittiert ein Laserstrahl (37) durch eine Optik (38), die den Strahl fokussiert, und eine Strahlablenkeinrichtung (40) lenkt den Strahl um. Eine längliche Sonde (30) empfängt den Strahl an einem proximalen Ende (50) und besitzt einen abgesetzten Spiegel (24), der den Strahl zu einer verborgenen Oberfläche (32) reflektiert, die durch das Abtasten des Strahls bearbeitet werden soll. Ein programmierbarer Controller (54) steuert die Fokussierung und die Ablenkung des Strahls, um den Brennpunkt und den Einfallspunkt (39) in drei Dimensionen zu bewegen, was bewirkt, dass der Punkt die verborgene Oberfläche überquert. Die Sonde kann optional Parallelverschiebungs- (42) und Drehaktuatoren (44) und einen Drehaktuator (58) für den abgesetzten Spiegel, durch den Controller gesteuert, besitzen. Die Sonde kann L-förmig sein (30A, 30B), um eine dazwischenliegende Struktur (27) zu erreichen. Ein Autofokusmechanismus (67) kann vorgesehen sein, um den Strahl während des Scannens zu fokussieren oder Fokussierprofile vor dem Scannen zu verifizieren.

Description

ERFINDUNGSGEBIET
Die Erfindung betrifft die Laserbehandlung verborgener Oberflächen für Strukturier-, Schweiß- und andere Schmelz- oder Ablationsprozesse und insbesondere zum Strukturieren von Wärmeschutzschichten für Verformungstoleranz auf inneren Oberflächen mit begrenztem Zugang.
ALLGEMEINER STAND DER TECHNIK
Die Fähigkeit zum präzisen Anwenden eines intensiven Energiestrahls hat zu vielen kommerziellen Verwendungen für Industrielaser geführt. Dreidimensionale Laserscanoptiken mit einer Nennleistung bis zu etwa 10 kW an konstanter Leistung werden für das schnelle Punktschweißen bei der Herstellung von Kraftfahrzeugteilen eingesetzt. Das Laserstrukturieren von Oberflächen erfolgt, um die Verformungstoleranz bei Wärmeschutzschichten auf Hochtemperaturkomponenten von Gasturbinenmotoren zu verbessern. Das US-Patent 4,694,136 beschreibt eine Lasersonde mit einem abgesetzten Spiegel für das Laserschweißen von Muffen innerhalb von Dampfgeneratorrohren in einem Atomkraftwerk. Die Sonde dreht sich um ihre Achse, die im Wesentlichen mit der Rohr- und Muffenachse übereinstimmt. Der Sondenkopf hält einen festen Abstand des abgesetzten Spiegels von der inneren Oberfläche der Muffe, die geschweißt wird, aufrecht. Somit ist der Fokus einfach auf die innere Oberfläche fixiert, während der Laserfleck einen kreisförmigen oder schraubenförmigen Schweißweg beschreibt. Diese Vorrichtung und dieser Prozess sind jedoch auf innere Oberflächen mit Zylindersymmetrie wie etwa das Innere von zylindrischen Rohren beschränkt.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Die Erfindung wird in der folgenden Beschreibung angesichts der Zeichnungen erläutert, die Folgendes zeigen:
1 ist eine schematische Ansicht einer Vorrichtung gemäß Aspekten der Erfindung für das Laserscannen verborgener Oberflächen.
2 ist eine Schnittansicht entlang Linie 2-2 von 1, die eine Kontur der verborgenen Oberfläche zeigt, die bearbeitet werden soll.
3 ist eine Ansicht einer Strahlablenkung entlang Linie 3-3 von 1.
4 zeigt eine verborgene Oberfläche mit Laserscanlinienmerkmalen wie etwa Gräben.
5 zeigt eine Sondenausführungsform mit einem drehbar betätigten abgesetzten Spiegel.
6 zeigt eine Ausführungsform mit einer L-förmigen Sonde und zwei abgesetzten Spiegeln.
7 zeigt einen Autofokusmechanismus.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Die Erfinder der vorliegenden Erfindung haben festgestellt, dass Komponentengeometrien manchmal den Zugang zu einigen Komponentenoberflächen für aktuelles Lasergerät blockieren. Konturierte Oberflächen bringen auch Probleme mit sich für Strukturiergerät, um den Laserfokus auf der komplexen Oberfläche zu halten. Den Erfindern der vorliegenden Erfindung ist keinerlei Vorrichtung zum Lenken eines kontinuierlich fokussierten abtastenden Laserstrahls auf eine innere oder verborgene Oberfläche einer nichtzylindrischen Komponente bekannt.
1 veranschaulicht eine Vorrichtung 20 zum Strukturieren von Gräben in einer Wärmeschutzschicht 22 auf einer verborgenen Oberfläche oder für eine andere abgetastete Laserbearbeitung davon. Eine „verborgene Oberfläche“ ist hier eine innere Oberfläche eines Objekts oder eine andere Oberfläche eines Objekts, zu der ein Zugang mit direkter Sichtverbindung beschränkt ist. Ein abgesetzter Spiegel 24 wird in ein Innenvolumen 26 oder jenseits eines dazwischenliegenden Abschnitts 27 einer Komponente 28 mit Hilfe einer Sonde 30 wie etwa eines Rohrs oder eines Roboterarms eingefügt. Die Komponente besitzt eine (wie etwa durch Laserstrukturieren) zu verarbeitende verborgene Oberfläche 32, die für eine Standardlaseroptik unzugänglich ist. Die Oberfläche 32 ist möglicherweise nicht flach (2) und ist möglicherweise nicht zylindrisch um eine optische Achse 34 der Sonde. Aus diesem Grund wird eine kontinuierliche Fokusverstellung während des Abtastens benötigt. Ein Laseremitter 36 generiert einen Laserstrahl 37 mit einer Strahlmittellinie 35. Die Fokussieroptik 38 bündelt den Strahl verstellbar auf einen gewünschten Brennpunkt, was einen Einfallspunkt 39 des Strahls auf der verborgenen Oberfläche bewirkt. Der Punkt 39 kann sich an dem Brennpunkt selbst oder vor oder hinter dem Brennpunkt befinden, je nach dem gewünschten Effekt. Ein Strahlumlenker 40 steuert die Strahlrichtung, beispielsweise durch mit einem Galvanometer angetriebene Spiegel und/oder durch andere Laserabtastmechanismen. Beispielsweise können zwei Galvanometerspiegel auf jeweiligen orthogonalen Drehachsen den Punkt 39 über zwei Dimensionen der verborgenen Oberfläche abtasten.
Die dritte Dimension kann durch eine Fokussieroptik 38 bereitgestellt werden, die den Abstand des Brennpunkts verstellt, um eine gewünschte Position und Größe des Punkts 39 zu erzeugen. Ein Roboteraxialaktuator 42 der Sonde kann für zusätzliche Steuerung der Punktposition und des Strahleinfallswinkels sorgen. Ein Roboterdrehaktuator 44 kann vorgesehen sein, um die Sonde 30 um ihre Achse 34 herum zu positionieren. Einer oder beide dieser Aktuatoren 42, 44 können optional verwendet werden, um die Sonde während des Abtastens als ein zusätzliches bewegliches Element der Strahlablenkung parallel zu verschieben und/oder zu drehen. Bei den Aktuatoren 42 und 44 kann es sich um eine beliebige Art von Positions- und Bewegungsaktuatoren wie etwa Schrittmotoren, Servomotoren und Hydraulikkolben handeln. Die Sonde 30 kann an ihrem proximalen Ende durch ein lasertransparentes Fenster 50 verschlossen sein. Ein Spülgas 46 kann in die Sonde gepumpt werden und kann sie über die Strahlaustrittsöffnung 48 verlassen, um Verunreinigungen aus der Sonde herauszuhalten. Alternativ kann die Strahlaustrittsöffnung 48 durch ein lasertransparentes Fenster 52 verschlossen sein. Bei einer derartigen Ausführungsform kann das Spülgas 46 einen abgesetzten Gasauslass 47 verlassen, um Rauch aus dem Arbeitsbereich zu spülen.
2 ist eine Schnittansicht entlang der Linie 2-2 von 1, die eine Kontur der zu verarbeitenden Oberfläche 32 zeigt. Die Gestalt der Oberfläche 32 kann in einem programmierbaren Controller 54 durch dreidimensionale Oberflächengeometrieparameter definiert werden, die durch eine Logik in dem Controller interpretiert werden, um die Vorrichtungselemente 36, 38, 40, 42, 44 zu steuern. Die Geometrieparameter können von einem CAD/CAM-System 56 in den Controller importiert werden.
3 ist eine Ansicht einer Strahlumlenkung bei Betrachtung entlang der Linie 3-3 von 1, die einen abgesetzten Spiegel 24 zeigt, der breit genug ist, um einen Bereich von Abtastwinkeln des Strahls 37 zu reflektieren. Beispielsweise kann der abgesetzte Spiegel 24 hinsichtlich Breite und/oder Länge ausreichend dimensioniert sein, um mindestens drei Strahlbreiten W zu berücksichtigen. Dies funktioniert, wo es ausreichend großen Zugang in die Komponente 28 gibt, um einen derartigen Spiegel einzulassen. Alternativ oder zusätzlich kann der benötigte Abtastbereich durch Drehen, Parallelverschieben und Fokussieren der Sonde 30 auf koordinierte Weise unter Verwendung eines kleineren abgesetzten Spiegels bereitgestellt werden.
4 zeigt eine verborgene Oberfläche 32 mit Laserabtastlinien 33, die Merkmale wie etwa Gräben in der Oberfläche und/oder Schweißstelle bilden oder anderweitig die Oberfläche mit Wärme behandeln. Die Merkmale wie etwa Gräben können parallel oder kreuzschraffiert sein oder können Arrays von unverbundenen Vertiefungen oder beliebige andere Oberflächenmerkmale des Entfernens oder Erhitzens bilden, beispielsweise durch das Rastern des Laserstrahls hergestellt.
5 zeigt eine Ausführungsform unter Verwendung eines abgesetzten Spiegels mit einem Drehaktuator 58 wie etwa einem Galvanometer, der elektrisch mit dem Strahlumlenker 40 oder dem Controller verbunden sein kann, um als Teil des oder in Koordination mit dem Strahlumlenker 40 zu fungieren.
6 zeigt eine Ausführungsform mit einer L-förmigen Sonde mit einem längeren Arm 30A und einem kürzeren Arm 30B. Ein erster abgesetzter Spiegel 24 im längeren Arm und ein zweiter abgesetzter Spiegel 60 im kürzeren Arm arbeiten zusammen, um einen Strahl bereitzustellen, der sich näher zu normal an einer Arbeitsoberfläche 32 hinter einer dazwischenliegenden Struktur 27 befindet. Die Sonde 30A, 30B kann entweder als ein hohler oder skelettaler Gelenk-Roboterarm verkörpert sein, bei dem der kürzere Arm oder das kürzere Rohr 30B sich steuerbar am längeren Arm oder am längeren Rohr 30A dreht. Bei einer derartigen Ausführungsform kann der erste abgesetzte Spiegel 24 drehbar betätigt werden, wie in 5 gezeigt, und gesteuert werden, um die Ausrichtung des Strahls 37 zwischen den Spiegeln 24 und 60 über einen Bereich von Gelenkdrehwinkeln aufrechtzuerhalten. Alternativ können ein oder beide der Spiegel 24, 60 individuell oder zusammen mit oder getrennt von einer Bewegung der Sonde bewegt werden, um eine gewünschte Bewegung des Einfallspunkts 39 zu bewerkstelligen.
Kombinationen der beschriebenen Strahlablenkungsoptionen können verwendet werden, um eine gewünschte Flexibilität, Reichweite und dreidimensionale Abtaststeuerung des Strahlpunkts 39 für eine gegebene Anwendung zu erzielen. Die Sondenarme 30A und 30B können für zusätzliche Flexibilität auch ausziehbar sein. Die Fokussieroptik 38 würde in Verbindung mit einer derartigen Ausziehfunktion koordiniert sein, um die gewünschte Fokusbedingung auf der Prozessoberfläche aufrechtzuerhalten.
7 veranschaulicht einen Autofokusmechanismus 67, der allgemein von einer als „Phasendetektion“ genannten Art ist, wie in Kameras verwendet. Die Fokussieroptik 38 kann eine größere Öffnung 68 bereitstellen, als für die Breite W des Laserstrahls 37 benötigt wird, was neben dem Strahl für den ersten und zweiten Autofokusspiegel 70, 72 Platz lässt, um Bilder des Laserpunkts 39 zu jeweiligen ladungsgekoppelten Einrichtungen (CCD) 74, 76 umzulenken. Die Autofokusspiegel 70, 72 müssen in dieser Konfiguration keine Reflexspiegel sein. Sie können stationär sein, weil der Arbeitsstrahl 37 zwischen ihnen durchtreten kann. Für die Autofokusfunktion wird nur eine einzelne Reihe jeder CCD benötigt. Es können jedoch zweidimensionale CCD-Arrays vorgesehen werden, wie gezeigt, um als Kamera für die Bildrückkopplung an ein Bedienerdisplay 78 zum visuellen Prüfen der Arbeit zu wirken. Alternativ kann ein nichtgezeigter Reflexspiegel ein zentrales Bild zu diesem Zweck zu einer anderen CCD umleiten. Die Autofokus-CCD-Arrays 74, 76 liefern Intensitätsprofile an eine Autofokusfunktion des Controllers, der Intensitätsspitzen des Bilds des Punkts 39, wie sie durch entgegengesetzte Seiten der optischen Öffnung gesehen werden, vergleicht. Die Autofokusfunktion kann die beiden Bilder vergleichen, um zu bestimmen, wie weit und in welcher Richtung der Brennpunkt von der Arbeitsfläche 32 abweicht, unter Verwendung bekannter Phasendetektionsautofokusverfahren. Der Controller kann somit den Fokus in Echtzeit verstellen, um eine gewünschte Punktgröße zu erzeugen, die den Konturen der Oberfläche 32 folgt. Alternativ kann ein leistungsschwacher vorläufiger Abtastdurchgang entlang jeder Laserabtastlinie über der Arbeitsoberfläche 32 durchgeführt werden, um Fokussierungsprofile herzustellen, die während der Hochleistungsbearbeitung nachgefahren werden sollen. Ein leistungsarmer Strahl kann bereitgestellt werden durch teilweises Blockieren des Arbeitslaserstrahls 37 mit einem Strahlreduzierer oder durch vorübergehendes Einführen eines leistungsarmen Strahls in den Strahlweg 35 über einen nichtgezeigten Reflexspiegel oder andere bekannte Mittel. Eine derartige vorläufige Bearbeitung kann die durch das CAD/CAM-System an den Controller gelieferten Fokusparameter verifizieren und perfektionieren, bevor die Laserverarbeitung beginnt.
Zusätzlich zu dem Strukturieren könnten durch die vorliegende Vorrichtung andere Operationen wie etwa Schneiden, Schweißen, Transformationshärtung, Glasieren, Plattieren, Wärmebehandlung, Sintern und andere Prozesse durchgeführt werden. Für Prozesse, die Gasunterstützung erfordern, kann Gas durch die Sonde 30 mit Gasspülen dort hindurch bereitgestellt werden, wie beschrieben wird. Zu Prozessen, die das Hinzufügen von Material erfordern, kann ein Material im Voraus auf der Komponentenoberfläche platziert oder durch eine separate Einrichtung wie etwa einem Pulver- oder Drahtförderer zugeführt werden. Es können Laser mit verschiedenen Wellenlängen und Leistungsprofilen verwendet werden. Für das Schweißen, Plattieren und Härten können CO₂- oder YAG- oder Ytterbiumfaserlaser mit konstanter Leistung verwendet werden, als Beispiel. Gewisse Strukturierungsoperationen können gütegeschaltete und gepulste Laser verwenden.
Wenngleich verschiedene Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung hier gezeigt und beschrieben worden sind, ist es offensichtlich, dass solche Ausführungsformen lediglich beispielhaft vorgelegt werden. Zahlreiche Variationen, Änderungen und Substitutionen können vorgenommen werden, ohne von der vorliegenden Erfindung abzuweichen. Dementsprechend soll die Erfindung nur durch den Gedanken und den Schutzbereich der beigefügten Ansprüche beschränkt sein.

Claims

Vorrichtung für die Laserbearbeitung einer verborgenen Oberfläche, umfassend: einen Laseremitter, der einen Laserstrahl emittiert; eine Fokussieroptik, die den Strahl fokussiert; eine Strahlablenkeinrichtung, die den Strahl unter Programmsteuerung umlenkt; eine Sonde, die den Strahl an einem proximalen Ende davon empfängt; einen Spiegel an einem distalen Ende der Sonde, der den Strahl zu einer verborgenen Oberfläche reflektiert; und einen Controller, der das Fokussieren und Umlenken des Strahls steuert, um einen Einfallspunkt des Strahls in drei Dimensionen zu bewegen, wodurch bewirkt wird, dass der Einfallspunkt die verborgene Oberfläche in einem programmierten Abtastmuster überquert.
Vorrichtung nach Anspruch 1, weiterhin umfassend einen Aktuator, der die Sonde unter Programmsteuerung des Controllers bewegt.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Sonde ein Rohr mit einem lasertransparenten Fenster am proximalen Ende und einer Strahlaustrittsöffnung am distalen Ende umfasst und weiterhin umfassend ein an das Rohr gelieferte Spülgas, das die Austrittsöffnung verlässt.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Sonde ein Rohr mit einem lasertransparenten Fenster umfasst, das das proximale Ende verschließt, einer Strahlaustrittsöffnung am distalen Ende, einem zweiten lasertransparenten Fenster, das die Strahlaustrittsöffnung verschließt, einem an das Rohr gelieferten Spülgas und einem Auslass für das Spülgas in dem Rohr, zu einem Arbeitsbereich der verborgenen Oberfläche gerichtet.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Strahlablenkeinrichtung eine Richtung des Laserstrahls steuert, um den Einfallspunkt über zwei Dimensionen der verborgenen Oberfläche zu bewegen, und die Fokussieroptik bewegt den Einfallspunkt über eine dritte Dimension davon.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Strahlablenkeinrichtung einen Aktuator an dem abgesetzten Spiegel umfasst, der den abgesetzten Spiegel unter der Steuerung des Controllers dreht, wobei die Strahlablenkeinrichtung eine Richtung des Laserstrahls steuert, um den Einfallspunkt über zwei Dimensionen der verborgenen Oberfläche zu bewegen, und die Fokussieroptik den Punkt in einer dritten Dimension davon bewegt.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Sonde L-förmig ist, umfassend einen ersten längeren Arm und einen zweiten kürzeren Arm, wobei sich der abgesetzte Spiegel am distalen Ende des längeren Arms befindet und ein zweiter abgesetzter Spiegel an einem distalen Ende des kürzeren Arms.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Sonde ein L-förmiges Rohr umfasst, umfassend ein erstes relativ längeres Rohr und ein zweites relativ kürzeres Rohr, wobei sich der abgesetzte Spiegel an einem distalen Ende des längeren Rohrs befindet, weiterhin umfassend einen zweiten abgesetzten Spiegel an einem distalen Ende des kürzeren Rohrs.
Vorrichtung nach Anspruch 8, weiterhin umfassend ein Spülgas, das dem längeren Rohr zugeführt wird und die Sonde an einem Gasauslass verlässt, das zu einem Arbeitsbereich der verborgenen Oberfläche gerichtet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei der abgesetzte Spiegel eine Breite umfasst, die mindestens drei Breiten des Laserstrahls beim Einfall davon mit dem abgesetzten Spiegel aufnimmt.
Vorrichtung nach Anspruch 1, weiterhin umfassend einen Autofokusmechanismus in der Fokussieroptik, der eine bestimmte Brennweite des Laserstrahls relativ zu der verborgenen Oberfläche während des Überquerens des Einfallspunkts aufrechterhält.
Vorrichtung nach Anspruch 1, weiterhin umfassend einen Autofokusmechanismus in der Fokussieroptik, der ein Fokussierprofil für den Controller liefert, dem nachzufahren ist, um den Einfallspunkt entlang einer Abtastlinie auf der verborgenen Oberfläche zu bewegen.
Vorrichtung nach Anspruch 12, weiterhin umfassend ein Kameraelement im Autofokusmechanismus, das ein Bild der Abtastlinie an ein Bedienerdisplay liefert.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei das Überqueren des Einfallspunkts Zugentlastungsgräben in eine Wärmeschutzschicht der verborgenen Oberfläche strukturiert.
Vorrichtung für die Laserverarbeitung einer verborgenen Oberfläche, umfassend: einen Laseremitter, der einen Laserstrahl emittiert; eine optische Fokussiereinrichtung, die den Strahl auf einen gegebenen Brennpunkt fokussiert; eine Strahlablenkeinrichtung, die den Strahl unter Programmsteuerung umlenkt; eine längliche Sonde, die den Strahl an einem proximalen Ende davon empfängt und den Strahl durch einen abgesetzten Spiegel am distalen Ende der Sonde reflektiert; und einen programmierbaren Controller, der die Fokussiereinrichtung und die Strahlablenkeinrichtung steuert, um den Brennpunkt durch dreidimensionalen Raum zu bewegen, was bewirkt, dass ein Einfallspunkt des Strahls die verborgene Oberfläche entlang einer Reihe von Abtastlinien überquert, die jeweilige Gräben für die Zugentlastung in der verborgenen Oberfläche erzeugen.
Vorrichtung für die Laserverarbeitung einer verborgenen Oberfläche, umfassend: einen Laseremitter, der einen Laserstrahl emittiert; eine optische Fokussiereinrichtung, die den Strahl auf einen gegebenen Brennpunkt fokussiert; eine Strahlablenkeinrichtung, die den Strahl seitlich unter Programmsteuerung bewegt; eine längliche Sonde, die den Strahl an einem proximalen Ende empfängt und den Strahl durch einen ersten abgesetzten Spiegel am distalen Ende der Sonde reflektiert; und einen programmierbaren Controller, der die Fokussiereinrichtung und die Strahlablenkeinrichtung steuert, um den Brennpunkt durch dreidimensionalen Raum zu bewegen, was bewirkt, dass ein Einfallspunkt des Strahls die verborgene Oberfläche für die Laserbearbeitung davon überquert.