WO2017178580A1 - Vorrichtung zur bearbeitung einer oberfläche eines werkstücks mit einem laserstrahl und verfahren zum betrieb der vorrichtung - Google Patents

Vorrichtung zur bearbeitung einer oberfläche eines werkstücks mit einem laserstrahl und verfahren zum betrieb der vorrichtung Download PDF

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Definitions

  • Device for processing a surface of a workpiece with a laser beam and method for operating the device
  • the invention relates to a device for processing a surface of a workpiece with a laser beam with a laser system for providing the laser beam and with a plasma nozzle, which is adapted to generate an atmospheric plasma jet, wherein the plasma nozzle has a nozzle opening, from the in operation in the plasma nozzle produced plasma jet emerges.
  • the invention further relates to a method for operating the device.
  • the object of the present invention is a device for processing a surface of a workpiece with a
  • Laser beam and a method of their operation to provide a process-reliable and reliable processing of surfaces can be achieved.
  • This object is achieved in a device for processing a surface of a workpiece with a laser beam with a laser system for providing the laser beam and with a plasma nozzle, which is adapted to generate an atmospheric plasma jet, wherein the plasma nozzle has a nozzle opening from the in operation in the Plasma jet generated plasma jet emerges,
  • the laser system and the plasma nozzle are arranged and set to each other so that the laser beam exits during operation together with the plasma jet from the nozzle opening of the plasma nozzle.
  • the processing of a workpiece surface with a laser beam and the simultaneous application of a plasma jet can be performed reliably by using a combined device instead of two separate devices for the laser beam and for the plasma jet, from the nozzle orifice of which the laser beam and the Exit plasma jet together.
  • the device is used to machine a surface of a workpiece with a laser beam.
  • it may , , in particular, to clean the surface, for example of organic contaminants.
  • Such impurities can be removed well with a laser beam, but easily return to the surface.
  • the plasma jet the organic impurities removed by the laser beam can be decomposed or oxidized, so that renewed contamination of the surface is prevented.
  • the device comprises a laser system for providing the laser beam.
  • the laser system can be used to provide the laser beam with which the surface of a workpiece can be processed.
  • the laser system may comprise a laser source, in particular a solid state laser such as a fiber laser.
  • the laser system may also include an optical fiber with which a laser beam from an external laser source can be guided into the laser system.
  • the laser system further preferably has an optical system in order to direct the laser beam onto the surface to be processed.
  • the optics may, in particular, be a mirror optic in order to align the beam direction of the laser beam.
  • the apparatus further includes a plasma nozzle configured to generate an atmospheric plasma jet.
  • a plasma jet is understood to mean a directed gas jet which is at least partially ionized.
  • An atmospheric plasma jet is understood to mean a plasma jet operating at atmospheric pressure, i. wherein the plasma jet is directed into an environment having substantially atmospheric pressure.
  • the plasma nozzle has a nozzle opening, from the in operation in the
  • Plasma jet generated plasma jet emerges.
  • the position of the nozzle opening specifies the beam direction of the plasma jet.
  • the plasma jet can be directed to a specific location on the surface of a workpiece.
  • the laser system and the plasma nozzle are arranged to each other and set up that the laser beam in operation together with the plasma jet from the
  • Nozzle opening of the plasma nozzle emerges.
  • the laser system is arranged and set up in particular such that the laser beam provided by the laser system is activated during operation by the laser system
  • Plasma nozzle and out of the nozzle opening of the plasma nozzle are
  • the above object is further achieved according to the invention at least partially by a method for operating the device described above or an embodiment thereof, wherein the plasma nozzle with an atmospheric plasma jet is generated so that it emerges from the nozzle opening of the plasma nozzle and in the Laser system, a laser beam is provided so that the laser beam coincides with the plasma jet from the nozzle opening of the
  • Plasma nozzle emerges.
  • a location on the surface to be machined of the workpiece can be applied simultaneously with the laser beam and the plasma jet, so that with the plasma jet from the workpiece surface ablated material, in particular an impurity, through the plasma jet decomposes or
  • the apparatus and the method described above are preferably used for cleaning a surface of a workpiece.
  • the plasma jet emerging from the nozzle opening and the laser beam emerging from the nozzle opening are directed onto a surface of a workpiece to be treated. In this way, the surface of the workpiece can be processed with the laser beam and the
  • Plasma jet may decompose or transform the material ablated with the laser beam.
  • the plasma nozzle has a tubular housing and the laser beam passes through the tubular housing of the plasma nozzle during operation.
  • the laser system and the laser beam pass through the tubular housing of the plasma nozzle during operation.
  • Plasma nozzle arranged and arranged to each other so that the laser beam runs in operation through the tubular housing of the plasma nozzle.
  • the laser system is preferably arranged on the side of the plasma nozzle opposite the nozzle opening of the plasma nozzle.
  • the current through the housing laser beam is shielded in this way on its way to the nozzle opening of the environment, so that the reliability is increased.
  • the plasma nozzle is adapted to an atmospheric plasma jet by means of an arc-like discharge in a
  • the arc-like discharge can be generated by applying a high-frequency high voltage between electrodes.
  • the atmospheric pressure a high-frequency high voltage between electrodes.
  • N2 nitrogen
  • N2 / H2 nitrogen-hydrogen mixture
  • Ar argon
  • Ar / N2 argon-nitrogen mixture
  • - - or oxygen (O2) can be used.
  • processing surface are avoided, preferably reducing forming gas is used, which actively counteracts oxidation.
  • Forming gas is slightly reducing in itself. In the plasma jet, however, this reducing effect is significantly enhanced.
  • Ar or Ar / N 2 can also be used, whereby oxygen can be kept away from the treated area.
  • O 2 oxygen can be used as the working gas, since good decomposition (oxidation) of the material eroded by the laser beam from the surface is achieved in this manner.
  • a high-frequency high voltage is typically a voltage of 1
  • - 100 kV in particular 1 - 50 kV, preferably 10 - 50 kV, at a frequency of 1 - 300 kHz, in particular 1 - 100 kHz, preferably 10 - 100 kHz, more preferably 10
  • a plasma jet generated in this way has a comparatively low temperature, so that damage to the workpiece can be prevented.
  • the plasma nozzle has one within the
  • a high-frequency high voltage can be applied between the inner electrode and the housing in order to generate an arc-like discharge in a working gas flowing through the plasma nozzle, so that a plasma jet is formed.
  • Plasma nozzles with such an inner electrode allow the generation of a stable discharge and thus a stable plasma jet.
  • the plasma nozzle has one within the
  • housing disposed inner electrode with an inner channel and the laser beam runs in operation through the inner channel to the nozzle opening.
  • the laser system and the plasma nozzle are arranged and arranged relative to one another in such a way that, during operation, the laser beam passes through the inner channel and through the nozzle opening. It has been recognized that a laser beam advantageously by a
  • Plasma nozzle with internal electrode can be guided by the inner electrode is provided with an inner channel, so that the laser beam can be passed through the inner electrode.
  • the inner channel of the inner electrode is in particular aligned with the nozzle opening of the plasma nozzle.
  • the laser system is preferably arranged on the side of the plasma nozzle opposite the nozzle opening of the plasma nozzle.
  • the laser system is adapted to continuously vary the beam direction of the laser beam so that the position of the laser beam changes continuously in the cross section of the nozzle opening.
  • the direction of the laser beam is continuously varied so that the position of the laser beam in the cross section of the nozzle opening changes continuously. In this way, the surface treated by the laser beam on the surface of the workpiece can be increased.
  • the position of the laser beam in the cross section of the nozzle opening is understood to be the position in the plane of the nozzle opening at which the laser beam passes through the nozzle opening and thus through this plane.
  • the laser system can have a mirror optic with a movable mirror, by means of which the beam direction of the laser beam can be varied.
  • the laser system preferably varies the beam direction of the laser beam cyclically, for example, such that the position of the laser beam in the cross section of the nozzle opening reciprocates on a line or moves on a circle. , -
  • the variation of the beam direction of the laser beam by the laser system has the advantage that the surface treated by the laser beam can be increased on the surface of the workpiece, even without the alignment of the laser beam
  • the variation of the jet direction is preferably adapted to the size of the nozzle opening. In this way, the entire width of the nozzle opening can be utilized and the largest possible area on the workpiece surface can be processed with the laser beam.
  • the nozzle opening may be circular, oval or slot-shaped.
  • the beam direction of the laser beam can be varied in particular in such a way that the position of the laser beam in the
  • a slot-shaped nozzle opening also has the advantage that higher plasma temperatures can be achieved than with round nozzle openings. In this way, the plasma leads to a better and especially faster decomposition or
  • the device is designed such that it can be connected to a robot arm, in particular a multi-axis robot arm. In this way can be processed with the device automatically a surface of a workpiece.
  • Embodiment thereof wherein the device is mounted on the robot arm, preferably mounted.
  • the device or the arrangement comprises a control device for controlling the device or the arrangement, which is set up, the device according to the previously described
  • the device is guided relative to the surface of a workpiece to be machined such that the laser beam and the plasma beam on the workpiece surface describe a predetermined track. If the beam direction of the laser beam is varied by the laser system, the greatest variation of the radiation direction preferably takes place transversely to the direction of the track. In this way, along the track a broadest possible strip on the
  • the robot arm is set up to guide the device relative to the surface of a workpiece to be machined in such a way that the laser beam and the plasma jet on the workpiece surface have a predetermined track
  • a control device can be provided which controls the robot arm and possibly also the device which can be mounted or mounted on the robot arm.
  • the apparatus described above, the arrangement described above or the method described above, and the respective embodiments described in each case can advantageously be used for laser welding or for laser soldering. Accordingly, the object mentioned at least partially by the use of the device described above, the - - solved before arrangement or the method described above for laser welding or laser soldering.
  • a solder or filler in particular in powder form, can be guided at least partially through the plasma nozzle so that it emerges from the nozzle opening of the plasma nozzle together with the plasma jet and the laser beam.
  • a solder e.g. Lotzinn
  • the plasma nozzle can be set up for this purpose.
  • solder or the welding filler Due to the interaction of the solder or welding additive with the plasma jet, the solder or the welding filler is brought into the region of the joint or joint seam in a targeted manner.
  • Plasma jet already be melted, causing the solder or the
  • the laser beam can be corroded material from a
  • the corrosion removal is carried out under a reducing
  • Atmosphere to avoid re-oxidation of the workpiece, in particular due to the high temperatures by the laser beam. This can be achieved in a process-reliable manner, in particular, by using a working gas which has a reducing effect or which is used to generate the plasma jet
  • Plasma jet has a reducing effect.
  • a mixture of hydrogen and nitrogen (H2 / N2 mixture) can be used as working gas.
  • Such a mixture has a slight reducing effect under normal conditions.
  • the excitation in the plasma jet however, a strong reducing effect is achieved, so that a re-oxidation of a machined workpiece with the laser can be avoided.
  • FIG. 1 shows an embodiment of the device according to the invention and of the method according to the invention
  • FIG. 2 shows a section of the device from FIG. 1 on an enlarged scale
  • Fig. 3a-c three examples of nozzle openings and trajectories of the position of
  • FIG. 4 shows an embodiment of the inventive arrangement
  • Fig. 5 shows an embodiment of the inventive use of
  • FIG. 1 shows an embodiment of the device according to the invention and the method according to the invention in a schematic representation.
  • the device 2 for processing a surface 4 of a workpiece 6 with a laser beam 8 has a housing 10 into which a laser system 12 for providing the laser beam 8 is integrated and to which a plasma nozzle 14 for generating an atmospheric plasma beam 16 is connected.
  • FIG. 2 shows the region of the plasma nozzle 14 of the device 2 from FIG. 1 in an enlarged view.
  • the plasma nozzle 14 has a tubular housing 18 in the form of a metal nozzle tube, which is screwed to the housing 10 of the device 2.
  • the nozzle tube 18 has at its one end a conical taper 20, on which a
  • replaceable nozzle head 22 is mounted, the outlet of which forms a nozzle opening 24, from which the plasma jet 16 emerges during operation.
  • a working gas supply line 26 of the housing 10 is connected to a working gas supply line 26 of the housing 10.
  • the working gas supply line 26 is in turn connected via a connected to the housing 10 hose package 28 with a pressurized working gas source (not shown) with variable flow rate.
  • a working gas 30 is introduced from the working gas source through the hose assembly 28 and the working gas supply line 26 into the nozzle tube 18.
  • a swirl device 32 is further provided with a ring of obliquely engaged in the circumferential direction holes 34 through which the introduced during operation in the nozzle tube 18 working gas 30 is twisted.
  • the downstream, part of the nozzle tube 18 is therefore traversed by the working gas 30 in the form of a vortex 36, whose core extends on the longitudinal axis of the nozzle tube 18.
  • an inner electrode 38 is further centrally located, which extends in the nozzle tube 18 coaxially in the direction of the nozzle opening 24.
  • the inner electrode 38 is electrically connected to the swirl device 32.
  • the swirl device 32 is electrically insulated from the nozzle tube 18 by a ceramic tube 40.
  • a high-frequency high voltage is applied to the inner electrode 38, which is generated by a transformer 44.
  • the nozzle tube 18 is grounded via a grounding line 46, which may also be passed through the hose assembly 28. The applied voltage generates a high-frequency discharge in the form of an arc 48 between the inner electrode 38 and the nozzle tube 18.
  • Substantially constant voltage values used In the present case, however, it is a high-frequency discharge in the form of an arc, ie a high-frequency arc-like discharge. Due to the swirling flow of the working gas, this arc 48 is channeled in the vortex core in the region of the axis of the nozzle tube 18, so that it branches only in the region of the taper 20 to the wall of the nozzle tube 18.
  • Arc 48 in intimate contact and is thereby partially transferred to the plasma state, so that an atmospheric plasma jet 16 exits through the nozzle opening 24 from the plasma nozzle 14.
  • the integrated into the housing 10 of the device 2 laser system 12 has a
  • Laser source 62 for example, a fiber laser, which generates the laser beam 8 in operation.
  • the laser source 62 is supplied with electrical energy via a supply line 64.
  • the device 2 can also have, for example, an optical waveguide which is connected to an external laser source.
  • the laser system 12 further has a mirror optics 66 with which the laser beam 8 generated by the laser source 62 can be deflected.
  • the laser system 12 and the plasma nozzle 14 are arranged and arranged to one another such that the laser beam 8 emerges from the nozzle opening 24 of the plasma nozzle 14 in operation together with the plasma jet 16.
  • the inner electrode 38 of the plasma nozzle 14 has an inner channel 68, whose longitudinal axis - - Is aligned with the nozzle opening 24.
  • a coupling tube 70 is connected, which extends the inner channel 68 into the housing 10 to the laser system 12.
  • the mirror optics 66 of the laser system 12 is arranged so that the laser beam 8 generated by the laser source 62 is guided into the coupling tube 70, through the inner channel 68 of the inner electrode 38 and the nozzle tube 18 extends to the nozzle opening 24 and so together with the plasma jet 16 from the nozzle opening 24 emerges.
  • the laser beam 8 and the plasma jet 16 arrive in operation together and at the same location 72 on the surface 4 of the workpiece 6
  • Workpiece surface 4 is processed by the incident laser beam 8 at the point 72 by 8 material such as a.
  • 8 material such as a.
  • Contaminant 74 is vaporized at the surface 4.
  • the material 76 vaporized by the laser beam 8 is decomposed or converted by the plasma jet 16, so that it can not re-deposit on the surface 4. In this way, particularly organic contamination can be removed from a surface, since the ablated by the laser beam organic material through the
  • Plasma jet is decomposed and oxidized.
  • the device 2 can also be used for corrosion removal, in which material corroded with the laser beam 8, such as, for example, rust, is removed from a workpiece surface 4.
  • material corroded with the laser beam 8 such as, for example, rust
  • the plasma jet 16 the corroded material is decomposed or converted so that it does not re-deposit on the surface 4.
  • Forming gas is preferably used as the working gas 30, which has a strong reducing effect as a plasma jet 16 to prevent temperatures by the laser beam 8.
  • While the plasma jet has a diameter of typically several
  • the laser beam 8 typically has a diameter of less than 1 mm, in particular less than 200 ⁇ , and therefore a corresponding For this reason, the laser beam 8 is preferably pivoted continuously in order to be able to process a larger area of the surface 4 independently of a relative movement between the plasma nozzle 14 and the surface 4.
  • the laser system 12 is adapted to continuously vary the beam direction of the laser beam 8 so that the position of the laser beam 8 in the cross section of the nozzle opening 24 changes continuously.
  • the laser system 12 has a mirror 78, which can be pivoted via a corresponding control (not shown). By pivoting the mirror 78, the beam direction of the laser beam 8 can be varied, so that the laser beam 8 can be guided at different angles in the coupling tube 70.
  • the coupling tube 70, the inner channel 68 and the nozzle opening 24 are dimensioned so that the laser beam 8 can reach the nozzle opening 24 even at the different angles and can emerge from it through the plasma nozzle 14.
  • the plasma nozzle has a diameter of at least in one direction
  • the diameter is preferably in the range of 3 to 6 mm.
  • the slot length i. the nozzle diameter in the slot direction, preferably up to 30 mm.
  • FIGS. 3a-c Three examples of nozzle openings 24, 24 'and trajectories 80, 80' of the position of the laser beam 8 in the cross section of the nozzle openings 24, 24 'are shown in FIGS. 3a-c.
  • the figures each show the cross section of the nozzle openings, the position of the laser beam in the nozzle opening cross section (black dot) and the trajectory of the laser beam position in the nozzle opening cross section through the
  • Fig. 3a shows first a circular nozzle opening 24, for example, a
  • Diameter of 5 mm may have.
  • the mirror 78 is driven so that it continuously reciprocates in one direction, so that accordingly , , the position of the laser beam 8 in the nozzle opening cross section on a straight trajectory 80 back and forth. Thereby, the surface 4 can be processed without movement of the plasma nozzle 14 on a linear area.
  • the movement of the plasma nozzle 14 is preferably carried out transversely to the greatest extent of the trajectory 80 (indicated by the arrow 82). In this way, as broad a strip 84 on the surface 4 of the workpiece 6 is processed during the movement of the plasma nozzle 14.
  • Fig. 3b shows an alternative slot-shaped nozzle opening 24 'with an approximately 5 mm long slot.
  • the trajectory 80 of the position of the laser beam 8 is aligned as shown in Fig. 3a linear and according to the slot direction.
  • Fig. 3c again shows the round nozzle opening 24 with a diameter of 5 mm.
  • the mirror 78 thus becomes bidirectional
  • a circular trajectory, as in FIG. 3 c, has the advantage that the same stripe width results irrespective of the direction of movement of the plasma nozzle 14.
  • a line-shaped trajectory as in FIGS. 3a and 3b has the advantage that the control of the mirror 78 is simplified and the strip width is adjusted by adjusting the angle between the axis of the trajectory 80 and the
  • Movement direction 82 varies steplessly.
  • the device 2 described above allows process-reliable machining of workpiece surfaces.
  • the laser beam 8 and the plasma jet 16 emerge together from the nozzle opening 24, it is ensured that the laser beam 8 and plasma jet 16 are at the same location on the surface to be treated - - hit.
  • Laser beam 8 and the plasma beam 16 to each other can therefore be omitted.
  • FIG. 4 shows an arrangement 100 with such a presently 6-axis robot arm 102 and the device 2 mounted on the robot arm 102.
  • the device 2 may comprise mounting means such as tapped holes for mounting to the robot arm 102. With the robot arm 102, the device 2 can now be moved to any position and aligned as desired, for example, to run a complicated surface to be treated of a workpiece.
  • the arrangement 100 also comprises a control device 104 in the form of a computer, with which the movements of the robot arm 102 and preferably also the operation of the
  • Device 2 can be controlled.
  • Fig. 5 shows an embodiment of the use of the device or the method.
  • the device 2 from FIG. 1 can be used in particular for laser soldering or laser welding.
  • the laser beam 8 melts a solder, with which two workpieces 112, 114 to be joined are wetted and, after solidification of the solder, connected by the soldering seam 116 produced thereby.
  • the surfaces of the workpieces 112, 114 are hereby processed insofar as they are connected by the soldering seam 116 with each other.
  • the solder is preferably guided at least partially through the plasma nozzle 14.
  • Plasma nozzle 14 and thereby be introduced into the plasma jet 16.
  • the solder - - Is then melted by the plasma jet 16 and passes through the flow of the plasma jet 16 targeted to the joint at the soldering seam 116th
  • the device 2 can also be used for laser welding, in which case a welding additive can be introduced through the feed 118 into the plasma nozzle 14.
  • the arrangement 100 can also be used for laser soldering or laser welding.
  • soldering or welding connections can be computer-controlled at different points of a workpiece.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung (2) zur Bearbeitung einer Oberfläche (4) eines Werkstücks (6) mit einem Laserstrahl (8), mit einem Lasersystem (12) zur Bereitstellung des Laserstrahls (8) und mit einer Plasmadüse (14), die zur Erzeugung eines atmosphärischen Plasmastrahls (16) eingerichtet ist, wobei die Plasmadüse (14) eine Düsenöffnung (24, 24') aufweist, aus der im Betrieb ein in der Plasmadüse (24, 24') erzeugter Plasmastrahl (8) austritt, wobei das Lasersystem (12) und die Plasmadüse (14) so zueinander angeordnet und eingerichtet sind, dass der Laserstrahl (8) im Betrieb zusammen mit dem Plasmastrahl (16) aus der Düsenöffnung (24, 24') der Plasmadüse (14) austritt. Die Erfindung betrifft weiterhin eine Anordnung (100) mit einer solchen Vorrichtung sowie ein Verfahren zum Betrieb dieser Vorrichtung (2).

Description

Vorrichtung zur Bearbeitung einer Oberfläche eines Werkstücks mit einem Laserstrahl und Verfahren zum Betrieb der Vorrichtung
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Bearbeitung einer Oberfläche eines Werkstücks mit einem Laserstrahl mit einem Lasersystem zur Bereitstellung des Laserstrahls und mit einer Plasmadüse, die zur Erzeugung eines atmosphärischen Plasmastrahls eingerichtet ist, wobei die Plasmadüse eine Düsenöffnung aufweist, aus der im Betrieb ein in der Plasmadüse erzeugter Plasmastrahl austritt. Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zum Betrieb der Vorrichtung.
Aus dem Stand der Technik ist es bekannt, Oberflächen eines Werkstücks mit einem Laserstrahl zu bearbeiten, beispielsweise um das Werkstück zu reinigen, indem Verunreinigungen von der Werkstückoberfläche abgetragen werden, oder um das Werkstück formgebend zu bearbeiten, indem Werkstückmaterial selbst abgetragen wird.
Bei der Reinigung einer Werkstückoberfläche mit einem Laserstrahl kommt es häufig vor, dass sich ein Teil der mit dem Laserstrahl abgetragenen Verunreinigungen wieder auf der Werkstückoberfläche niederschlägt und diese so neu verunreinigt. Auch beim Abtrag des Werkstückmaterials bei der formgebenden Bearbeitung mit Laserstrahl kann sich das abgetragene Werkstückmaterial teilweise wieder auf der Werkstückoberfläche niederschlagen und so zu einer unregelmäßigen Oberfläche um die bearbeitete Stelle führen.
Um dieses Problem zu überwinden, wurde vorgeschlagen, zusätzlich zum Laserstrahl auch einen Plasmastrahl auf die zu bearbeitende Stelle auf der Werkstückoberfläche zu richten. Durch den Plasmastrahl kann das vom Laserstrahl abgetragene Material zersetzt oder umgewandelt werden, so dass es sich nicht mehr auf der Werkstückoberfläche niederschlägt. Allerdings ist es bislang nicht gelungen, dieses Verfahren prozesssicher auf den industriellen Betrieb zu übertragen. Insbesondere stellte sich die Ausrichtung des Plasmastrahls auf die mit dem Laserstrahl bearbeitete Stelle auf der Werkstückoberfläche als schwierig heraus.
Vor diesem Hintergrund liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zu Grunde eine Vorrichtung zur Bearbeitung einer Oberfläche eines Werkstücks mit einem
Laserstrahl sowie ein Verfahren zu deren Betrieb zur Verfügung zu stellen, mit der eine prozesssichere und zuverlässige Bearbeitung von Oberflächen erreicht werden kann.
Diese Aufgabe wird bei einer Vorrichtung zur Bearbeitung einer Oberfläche eines Werkstücks mit einem Laserstrahl mit einem Lasersystem zur Bereitstellung des Laserstrahl und mit einer Plasmadüse, die zur Erzeugung eines atmosphärischen Plasmastrahls eingerichtet ist, wobei die Plasmadüse eine Düsenöffnung aufweist, aus der im Betrieb ein in der Plasmadüse erzeugter Plasmastrahl austritt,
erfindungsgemäß zumindest teilweise dadurch gelöst, dass das Lasersystem und die Plasmadüse so zueinander angeordnet und eingerichtet sind, dass der Laserstrahl im Betrieb zusammen mit dem Plasmastrahl aus der Düsenöffnung der Plasmadüse austritt.
Es wurde erkannt, dass sich die Bearbeitung einer Werkstückoberfläche mit einem Laserstrahl und die gleichzeitige Beaufschlagung mit einem Plasmastrahl dadurch prozesssicher durchführen lässt, dass anstelle zweier separater Geräte für den Laserstrahl und für den Plasmastrahl eine kombinierte Vorrichtung verwendet wird, aus deren Düsenöffnung der Laserstrahl und der Plasmastrahl gemeinsam austreten. Auf diese Weise werden der Laserstrahl und der Plasmastrahl zudem immer auf dieselbe Stelle auf der zu behandelnden Werkstückoberfläche gerichtet. Die Vorrichtung dient zur Bearbeitung einer Oberfläche eines Werkstücks mit einem Laserstrahl. Bei der Bearbeitung einer Oberfläche eines Werkstücks kann es sich . . insbesondere um die Reinigung der Oberfläche handeln, beispielsweise von organischen Verunreinigungen. Derartige Verunreinigungen lassen sich gut mit einem Laserstrahl abtragen, gelangen jedoch leicht wieder auf die Oberfläche zurück. Mit dem Plasmastrahl können die durch den Laserstrahl abgetragenen organischen Verunreinigungen zersetzt bzw. oxidiert werden, so dass eine erneute Verunreinigung der Oberfläche verhindert wird.
Die Vorrichtung umfasst ein Lasersystem zur Bereitstellung des Laserstrahls. Mit dem Lasersystem kann also der Laserstrahl bereitgestellt werden, mit dem die Oberfläche eines Werkstücks bearbeitet werden kann. Das Lasersystem kann eine Laserquelle umfassen, insbesondere einen Festkörperlaser wie zum Beispiel einen Faserlaser. Das Lasersystem kann auch einen Lichtleiter aufweisen, mit dem ein Laserstrahl von einer externen Laserquelle in das Lasersystem geführt werden kann. Vorzugsweise wird ein gepulster Laserstrahl bzw. eine Laserquelle zur Erzeugung eines gepulsten
Laserstrahls verwendet. Das Lasersystem weist weiterhin vorzugsweise eine Optik auf, um den Laserstrahl auf die zu bearbeitende Oberfläche zu richten. Bei der Optik kann es sich insbesondere um eine Spiegeloptik handeln, um die Strahlrichtung des Laserstrahls auszurichten. Die Vorrichtung umfasst weiterhin eine Plasmadüse, die zur Erzeugung eines atmosphärischen Plasmastrahls eingerichtet ist. Unter einem Plasmastrahl wird vorliegend ein gerichteter Gasstrahl verstanden, der zumindest teilweise ionisiert ist. Unter einem atmosphärischen Plasmastrahl wird ein Plasmastrahl verstanden, der unter Atmosphärendruck betrieben wird, d.h. bei dem der Plasmastrahl in eine Umgebung gerichtet ist, die im Wesentlichen Atmosphärendruck aufweist.
Die Plasmadüse weist eine Düsenöffnung auf, aus der im Betrieb ein in der
Plasmadüse erzeugter Plasmastrahl austritt. Durch die Position der Düsenöffnung wird die Strahlrichtung des Plasmastrahls vorgegeben. Durch Ausrichtung der Düsenöffnung kann der Plasmastrahl so auf eine bestimmte Stelle auf der Oberfläche eines Werkstücks gerichtet werden. . .
Das Lasersystem und die Plasmadüse sind so zueinander angeordnet und eingerichtet, dass der Laserstrahl im Betrieb zusammen mit dem Plasmastrahl aus der
Düsenöffnung der Plasmadüse austritt. Zu diesem Zweck ist die Plasmadüse
insbesondere so ausgestaltet, dass ein vom Lasersystem bereitgestellter Laserstrahl durch die Plasmadüse und aus der Düsenöffnung der Plasmadüse geführt werden kann. Weiterhin ist das Lasersystem insbesondere so angeordnet und eingerichtet, dass der vom Lasersystem bereitgestellte Laserstrahl im Betrieb durch die
Plasmadüse und aus der Düsenöffnung der Plasmadüse hinaus verläuft.
Die oben genannte Aufgabe wird erfindungsgemäß weiterhin zumindest teilweise gelöst durch ein Verfahren zum Betrieb der zuvor beschriebenen Vorrichtung bzw. einer Ausführungsform davon, bei dem mit der Plasmadüse ein atmosphärischer Plasmastrahl erzeugt wird, so dass dieser aus der Düsenöffnung der Plasmadüse austritt und bei dem mit dem Lasersystem ein Laserstrahl bereitgestellt wird, so dass der Laserstrahl zeitgleich mit dem Plasmastrahl aus der Düsenöffnung der
Plasmadüse austritt.
Durch das gleichzeitige Austreten des Laserstrahls und des Plasmastrahls aus der Düsenöffnung kann eine Stelle auf der zu bearbeitenden Oberfläche des Werkstücks gleichzeitig mit dem Laserstrahl und dem Plasmastrahl beaufschlagt werden, so dass mit dem Plasmastrahl von der Werkstückoberfläche abgetragenes Material, insbesondere eine Verunreinigung, durch den Plasmastrahl zersetzt bzw.
umgewandelt, insbesondere oxidiert werden kann.
Die zuvor beschriebene Vorrichtung und das zuvor beschriebene Verfahren dienen vorzugsweise zur Reinigung einer Oberfläche eines Werkstücks.
Im Folgenden werden verschiedene Ausführungsformen der Vorrichtung und des Verfahrens beschrieben, wobei die einzelnen Ausführungsformen jeweils sowohl für - - die Vorrichtung, als auch für das Verfahren anwendbar sind und zudem untereinander kombiniert werden können.
Bei einer ersten Ausführungsform des Verfahrens werden der aus der Düsenöffnung austretende Plasmastrahl und der aus der Düsenöffnung austretende Laserstrahl auf eine zu behandelnde Oberfläche eines Werkstücks gerichtet. Auf diese Weise kann die Oberfläche des Werkstücks mit dem Laserstrahl bearbeitet werden und der
Plasmastrahl kann das mit dem Laserstrahl abgetragene Material zersetzen oder umwandeln.
Bei einer weiteren Ausführungsform weist die Plasmadüse ein rohrförmiges Gehäuse auf und der Laserstrahl verläuft im Betrieb durch das rohrförmige Gehäuse der Plasmadüse. Zu diesem Zweck sind insbesondere das Lasersystem und die
Plasmadüse so zu einander angeordnet und eingerichtet, dass der Laserstrahl im Betrieb durch das rohrförmige Gehäuse der Plasmadüse verläuft. Vorzugsweise ist das Lasersytem auf der der Düsenöffnung der Plasmadüse gegenüberliegenden Seite der Plasmadüse angeordnet. Der durch das Gehäuse laufende Laserstrahl ist auf diese Weise auf seinem Weg zur Düsenöffnung von der Umgebung abgeschirmt, so dass die Betriebssicherheit erhöht wird.
Bei einer weiteren Ausführungsform ist die Plasmadüse dazu eingerichtet, einen atmosphärischen Plasmastrahl mittels einer bogenartigen Entladung in einem
Arbeitsgas zu erzeugen, wobei die bogenartige Entladung durch Anlegen einer hochfrequenten Hochspannung zwischen Elektroden erzeugbar ist. Bei einer entsprechenden Ausführungsform des Verfahrens wird der atmosphärische
Plasmastrahl mittels einer bogenartigen Entladung in einem Arbeitsgas erzeugt, wobei die bogenartige Entladung durch Anlegen einer hochfrequenten Hochspannung zwischen Elektroden erzeugt wird. Als Arbeitsgas kann beispielsweise Stickstoff (N2), eine Stickstoff-Wasserstoff- Mischung (N2/H2; Formiergas), Argon (Ar), eine Argon-Stickstoff-Mischung (Ar/N2) - - oder auch Sauerstoff (O2) verwendet werden. Soll eine Oxidation der zu
bearbeitenden Oberfläche vermieden werden, wird vorzugsweise reduzierendes Formiergas eingesetzt, das einer Oxidation aktiv entgegen wirkt. Formiergas ist an sich leicht reduzierend. Im Plasmastrahl wird diese reduzierende Wirkung jedoch deutlich verstärkt. Alternativ kann auch Ar bzw. Ar/N2 verwendet werden, wodurch Sauerstoff von der behandelten Stelle ferngehalten werden kann. Wenn eine Oxidation der zu behandelnden Oberfläche tolerierbar ist, wird bevorzugt O2 als Arbeitsgas verwendet, da auf diese Weise eine gute Zersetzung bzw. Umwandlung (Oxidation) des mit dem Laserstrahl von der Oberfläche abgetragenen Materials erreicht wird.
Unter einer hochfrequenten Hochspannung wird typischerweise eine Spannung von 1
- 100 kV, insbesondere 1 - 50 kV, vorzugsweise 10 - 50 kV, bei einer Frequenz von 1 - 300 kHz, insbesondere 1 - 100 kHz, vorzugsweise 10 - 100 kHz, weiter bevorzugt 10
- 50 kHz verstanden. Auf diese Weise kann ein reaktiver Plasmastrahl erzeugt werden, der sich gut fokussieren lässt und sich damit gut zur Zersetzung oder
Umwandlung von durch den Laserstrahl von einer Werkstückoberfläche
abgetragenem Material eignet. Zudem weist ein derart erzeugter Plasmastrahl eine verhältnismäßig geringe Temperatur auf, so dass eine Beschädigung des Werkstücks verhindert werden kann.
Bei einer weiteren Ausführungsform weist die Plasmadüse eine innerhalb des
Gehäuses angeordnete Innenelektrode auf. Zwischen der Innenelektrode und dem Gehäuse ist insbesondere eine hochfrequente Hochspannung anlegbar, um eine bogenartige Entladung in einem durch die Plasmadüse strömenden Arbeitsgas zu erzeugen, so dass sich ein Plasmastrahl ausbildet. Plasmadüsen mit einer solchen Innenelektrode ermöglichen die Erzeugung einer stabilen Entladung und demnach eines stabilen Plasmastrahls.
Bei einer weiteren Ausführungsform weist die Plasmadüse eine innerhalb des
Gehäuses angeordnete Innenelektrode mit einem Innenkanal auf und der Laserstrahl verläuft im Betrieb durch den Innenkanal zur Düsenöffnung. Zu diesem Zweck sind insbesondere das Lasersystem und die Plasmadüse so zu einander angeordnet und eingerichtet, dass der Laserstrahl im Betrieb durch den Innenkanal und durch die Düsenöffnung verläuft. Es wurde erkannt, dass sich ein Laserstrahl in vorteilhafter Weise durch eine
Plasmadüse mit Innenelektrode führen lässt, indem die Innenelektrode mit einem Innenkanal versehen wird, so dass der Laserstrahl durch die Innenelektrode hindurch geleitet werden kann. Der Innenkanal der Innenelektrode ist insbesondere auf die Düsenöffnung der Plasmadüse ausgerichtet. Das Lasersytem ist vorzugsweise auf der der Düsenöffnung der Plasmadüse gegenüberliegenden Seite der Plasmadüse angeordnet.
Bei einer weiteren Ausführungsform ist das Lasersystem dazu eingerichtet, die Strahlrichtung des Laserstrahls kontinuierlich so zu variieren, dass sich die Position des Laserstrahls im Querschnitt der Düsenöffnung kontinuierlich verändert. Bei einer entsprechenden Ausführungsform des Verfahrens wird die Richtung des Laserstrahls kontinuierlich so variiert, dass sich die Position des Laserstrahls im Querschnitt der Düsenöffnung kontinuierlich verändert. Auf diese Weise kann die vom Laserstrahl behandelte Fläche auf der Oberfläche des Werkstücks erhöht werden.
Unter der Position des Laserstrahls im Querschnitt der Düsenöffnung wird die Position in der Ebene der Düsenöffnung verstanden, an der der Laserstrahl durch die Düsenöffnung und damit durch diese Ebene hindurchtritt. Unter einer
kontinuierlichen Variation wird verstanden, dass die Strahlrichtung des Laserstrahls fortlaufend geändert wird. Das Lasersystem kann beispielsweise eine Spiegeloptik mit einem beweglichen Spiegel aufweisen, durch den die Strahlrichtung des Laserstrahls variiert werden kann.
Das Lasersystem variiert die Strahlrichtung des Laserstrahls vorzugsweise zyklisch, beispielsweise derart, dass sich die Position des Laserstrahls im Querschnitt der Düsenöffnung auf einer Linie hin- und herbewegt oder auf einem Kreis bewegt. . -
Die Variation der Strahlrichtung des Laserstrahls durch das Lasersystem hat den Vorteil, dass die von dem Laserstrahl behandelte Fläche auf der Oberfläche des Werkstücks erhöht werden kann, und zwar bereits ohne die Ausrichtung der
Plasmadüse zum Werkstück ändern zu müssen.
Die Variation der Strahlrichtung ist vorzugsweise an die Größe der Düsenöffnung angepasst. Auf diese Weise kann die gesamte Breite der Düsenöffnung ausgenutzt und eine möglichst große Fläche auf der Werkstückoberfläche mit dem Laserstrahl bearbeitet werden.
Die Düsenöffnung kann kreisförmig, oval oder auch schlitzförmig ausgebildet sein. Bei einer schlitzförmigen Düsenöffnung kann die Strahlrichtung des Laserstrahls insbesondere so variiert werden, dass sich die Position des Laserstrahls im
Querschnitt der Düsenöffnung über die Länge des Schlitzes hin- und herbewegt. Eine schlitzförmige Düsenöffnung hat zudem den Vorteil, dass höhere Plasmatemperaturen erreicht werden können als bei runden Düsenöffnungen. Auf diese Weise führt das Plasma zu einer besseren und insbesondere schnelleren Zersetzung bzw.
Umwandlung des mit dem Laserstrahl von der zu behandelnden Oberfläche abgetragenen Materials.
Bei einer weiteren Ausführungsform ist die Vorrichtung derart ausgestaltet, dass sie an einen Roboterarm, insbesondere einen mehrachsigen Roboterarm angeschlossen werden kann. Auf diese Weise lässt sich mit der Vorrichtung automatisiert eine Oberfläche eines Werkstücks bearbeiten. Die Integration der Plasmadüse und des Lasersystems in eine Vorrichtung und die prozesssichere gleichzeitige
Beaufschlagbarkeit einer Stelle auf einer Werkstückoberfläche mit dem Laserstrahl und dem Plasmastrahl ermöglicht einen robusten Betrieb und damit auch die
Integration auf einen Roboterarm, ohne dass es erforderlich ist, die Ausrichtung der Plasmadüse und des Laserstrahls zueinander aufwendig zu regeln. - -
Entsprechend wird die oben genannte Aufgabe erfindungsgemäß weiterhin gelöst durch eine Anordnung zur Bearbeitung einer Oberfläche eines Werkstücks mit einem Roboterarm und mit der zuvor beschriebenen Vorrichtung bzw. einer
Ausführungsform davon, wobei die Vorrichtung an dem Roboterarm montierbar, vorzugsweise montiert ist.
Bei einer weiteren Ausführungsform umfasst die Vorrichtung oder die Anordnung eine Steuerungseinrichtung zur Steuerung der Vorrichtung bzw. der Anordnung, die dazu eingerichtet ist, die Vorrichtung entsprechend dem zuvor beschriebenen
Verfahren oder einer der beschriebenen Ausführungsformen davon zu steuern.
Bei einer Ausführungsform des Verfahrens wird die Vorrichtung derart relativ über die zu bearbeitende Oberfläche eines Werkstücks geführt, dass der Laserstrahl und der Plasmastrahl auf der Werkstückoberfläche eine vorgegebene Spur beschreiben. Wird die Strahlrichtung des Laserstrahls durch das Lasersystem variiert, so erfolgt die größte Variation der Strahlungsrichtung vorzugsweise quer zur Richtung der Spur. Auf diese Weise kann entlang der Spur ein möglichst breiter Streifen auf der
Werkstückoberfläche bearbeitet werden. Bei einer entsprechenden Ausführungsform der Anordnung ist der Roboterarm dazu eingerichtet, die Vorrichtung derart relativ über die zu bearbeitende Oberfläche eines Werkstücks zu führen, dass der Laserstrahl und der Plasmastrahl auf der Werkstückoberfläche eine vorgegebene Spur
beschreiben. Beispielsweise kann eine Steuerungseinrichtung vorgesehen sein, die den Roboterarm und ggf. auch die an dem Roboterarm montierbare bzw. montierte Vorrichtung entsprechend steuert.
Die zuvor beschriebene Vorrichtung, die zuvor beschriebene Anordnung bzw. das zuvor beschriebene Verfahren sowie die jeweils beschriebenen Ausführungsformen davon können in vorteilhafter Weise zum Laserschweißen oder zum Laserlöten eingesetzt werden. Entsprechend wird die eingangs genannte Aufgabe zumindest teilweise auch durch die Verwendung der zuvor beschriebenen Vorrichtung, der - - zuvor beschriebenen Anordnung oder des zuvor beschriebenen Verfahrens zum Laserschweißen oder zum Laserlöten gelöst.
Beim Laserlöten oder Laserschweißen können Verunreinigungen an der Oberfläche der zu fügenden Werkstücke [insbesondere organische Kontaminationen) den Lötbzw. Schweißprozess behindern und das Löt- bzw. Schweißergebnis verschlechtern. Beispielsweise können Verunreinigungen auf den Werkstücken zur Bildung von Lunkern in der Schweißverbindung führen, die diese schwächen. Dadurch, dass beim Betrieb der zuvor beschriebenen Vorrichtung ein Laserstrahl und ein Plasmastrahl gemeinsam prozesssicher auf das zu bearbeitende (vorliegend zu fügende) Werkstück auftreffen, können von der Werkstückoberfläche abgelöste, insbesondere organische Verunreinigungen durch den Plasmastrahl in der Gasphase zersetzt werden, so dass diese sich nicht mehr auf das Werkstück oder in das Lot- bzw. Schweißbad absetzen können. Auf diese Weise wird die Umgebung um das vom Laserstrahl erzeugte Lot- bzw. Schweißbad durch den Plasmastrahl gereinigt, so dass möglichst fehlerfreie Löt- bzw. Schweißnähte hergestellt werden können. Damit sind die Vorrichtung bzw. das Verfahren besonders zum Laserlöten bzw. Laserschweißen geeignet.
In einer Ausführungsform des Verfahrens kann ein Lot oder Schweißzusatz, insbesondere in Pulverform, zumindest teilweise durch die Plasmadüse geführt werden, so dass dieser zusammen mit dem Plasmastrahl und dem Laserstrahl aus der Düsenöffnung der Plasmadüse austritt. Beispielsweise kann ein Lot, z.B. Lotzinn, als Pulver in den Kopf der Plasmadüse eingeleitet werden. Insbesondere kann die Plasmadüse hierfür eingerichtet sein.
Durch die Wechselwirkung des Lots bzw. Schweißzusatzes mit dem Plasmastrahl wird das Lot bzw. der Schweißzusatz gezielt in den Bereich der Fügestelle bzw. Fügenaht gebracht werden. Insbesondere kann das Lot bzw. der Schweißzusatz durch den - -
Plasmastrahl schon angeschmolzen werden, wodurch sich das Lot bzw. der
Schweißzusatz besser in das Lot- bzw. Schweißbad einbringen lassen.
Die zuvor beschriebene Vorrichtung, die zuvor beschriebene Anordnung bzw. das zuvor beschriebene Verfahren sowie die jeweils beschriebenen Ausführungsformen davon können weiterhin in vorteilhafter Weise zur Korrosionsentfernung eingesetzt werden. Entsprechend wird die eingangs genannte Aufgabe zumindest teilweise auch durch die Verwendung der zuvor beschriebenen Vorrichtung, der zuvor
beschriebenen Anordnung oder des zuvor beschriebenen Verfahrens zur
Korrosionsentfernung gelöst.
Durch den Laserstrahl lässt sich korrodiertes Material von einer
Werkstückoberfläche, wie zum Beispiel Rost von der Oberfläche eines Eisen- oder Stahlwerkstücks, abtragen. Durch den Plasmastrahl, der mit dem Laserstrahl aus der Düsenöffnung austritt, kann das abgetragene Material zerkleinert oder chemisch umgewandelt werden, so dass es sich nicht wieder auf der Werkstückoberfläche abscheidet.
Vorzugsweise erfolgt die Korrosionsentfernung unter einer reduzierenden
Atmosphäre, um eine erneute Oxidation des Werkstücks, insbesondere aufgrund der hohen Temperaturen durch den Laserstrahl, zu vermeiden. Dies kann prozesssicher insbesondere dadurch erreicht werden, dass zur Erzeugung des Plasmastrahls ein Arbeitsgas eingesetzt wird, das eine reduzierende Wirkung hat oder das als
Plasmastrahl eine reduzierende Wirkung hat. Insbesondere kann als Arbeitsgas eine Mischung aus Wasserstoff und Stickstoff (H2/N2-Mischung) verwendet werden. Eine solche Mischung hat unter normalen Bedingungen eine leicht reduzierende Wirkung. Durch die Anregung im Plasmastrahl wird jedoch eine stark reduzierende Wirkung erreicht, so dass eine erneute Oxidation eines mit dem Laser bearbeiteten Werkstücks vermieden werden kann. - -
Weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen, wobei auf die beigefügte Zeichnung Bezug genommen wird. In der Zeichnung zeigen
Fig. 1 ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung und des erfindungsgemäßen Verfahrens, Fig. 2 einen Ausschnitt der Vorrichtung aus Fig. 1 in vergrößerter Darstellung,
Fig. 3a-c drei Beispiele für Düsenöffnungen und Trajektorien der Position des
Laserstrahl im Querschnitt der Düsenöffnungen, Fig. 4 ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Anordnung und
Fig. 5 ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Verwendung der
Vorrichtung bzw. des Verfahrens. Fig. 1 zeigt ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung und des erfindungsgemäßen Verfahrens in schematischer Darstellung.
Die Vorrichtung 2 zur Bearbeitung einer Oberfläche 4 eines Werkstücks 6 mit einem Laserstrahl 8 weist ein Gehäuse 10 auf, in das ein Lasersystem 12 zur Bereitstellung des Laserstrahls 8 integriert ist und an das eine Plasmadüse 14 zur Erzeugung eines atmosphärischen Plasmastrahls 16 angeschlossen ist.
Im Folgenden werden zunächst der Aufbau und die Betriebsweise der Plasmadüse 14 anhand der Fig. 2 beschrieben, die den Bereich der Plasmadüse 14 der Vorrichtung 2 aus Fig. 1 in vergrößerter Darstellung zeigt. - -
Die Plasmadüse 14 weist ein rohrförmiges Gehäuse 18 in Form eines Düsenrohrs aus Metall auf, das am Gehäuse 10 der Vorrichtung 2 angeschraubt ist. Das Düsenrohr 18 weist an seinem einen Ende eine konische Verjüngung 20 auf, an dem ein
auswechselbarer Düsenkopf 22 montiert ist, dessen Auslass eine Düsenöffnung 24 bildet, aus der im Betrieb der Plasmastrahl 16 austritt.
An dem der Düsenöffnung 24 entgegen gesetzten Ende ist das Düsenrohr 18 an eine Arbeitsgaszuleitung 26 des Gehäuses 10 angeschlossen. Die Arbeitsgaszuleitung 26 ist wiederum über ein an dem Gehäuse 10 angeschlossenes Schlauchpaket 28 mit einer unter Druck stehenden Arbeitsgasquelle (nicht gezeigt) mit variablem Durchsatz verbunden. Im Betrieb wird ein Arbeitsgas 30 von der Arbeitsgasquelle durch das Schlauchpaket 28 und die Arbeitsgaszuleitung 26 in das Düsenrohr 18 eingeleitet.
Im Düsenrohr 18 ist weiterhin eine Dralleinrichtung 32 mit einem Kranz von schräg in Umfangsrichtung angestellten Bohrungen 34 vorgesehen, durch die das im Betrieb in das Düsenrohr 18 eingeleitete Arbeitsgas 30 verdrallt wird.
Der stromabwärtige, Teil des Düsenrohres 18 wird deshalb von dem Arbeitsgas 30 in Form eines Wirbels 36 durchströmt, dessen Kern auf der Längsachse des Düsenrohrs 18 verläuft.
Im Düsenrohr 18 ist weiterhin mittig eine Innenelektrode 38 angeordnet, die sich im Düsenrohr 18 koaxial in Richtung der Düsenöffnung 24 erstreckt. Die Innenelektrode 38 ist elektrisch mit der Dralleinrichtung 32 verbunden. Die Dralleinrichtung 32 ist durch ein Keramikrohr 40 elektrisch gegen das Düsenrohr 18 isoliert. Über eine durch das Schlauchpaket 28 geführte Hochfrequenzleitung 42 wird an die Innenelektrode 38 eine hochfrequente Hochspannung angelegt, die von einem Transformator 44 erzeugt wird. Das Düsenrohr 18 ist über eine Erdungsleitung 46 geerdet, die ebenfalls durch das Schlauchpaket 28 geführt sein kann. Durch die angelegte Spannung wird eine Hochfrequenzentladung in Form eines Lichtbogens 48 zwischen der Innenelektrode 38 und dem Düsenrohr 18 erzeugt. - -
Die Begriffe„Lichtbogen",„Bogenentladung" bzw.„bogenartige Entladung" werden vorliegend als phänomenologische Beschreibungen der Entladung verwendet, da die Entladung in Form eines Lichtbogens auftritt. Der Begriff„Lichtbogen" wird anderweitig auch als Entladungsform bei Gleichspannungsentladungen mit im
Wesentlichen konstanten Spannungswerten verwendet. Vorliegend handelt es sich jedoch um eine Hochfrequenzentladung in Form eines Lichtbogens, also um eine hochfrequente bogenartige Entladung. Aufgrund der drallförmigen Strömung des Arbeitsgases wird dieser Lichtbogen 48 im Wirbelkern im Bereich der Achse des Düsenrohrs 18 kanalisiert, so dass er sich erst im Bereich der Verjüngung 20 zur Wand des Düsenrohrs 18 verzweigt.
Das Arbeitsgas 30, das im Bereich des Wirbelkerns und damit in unmittelbarer Nähe des Lichtbogens 48 mit hoher Strömungsgeschwindigkeit rotiert, kommt mit dem
Lichtbogen 48 in innige Berührung und wird dadurch zum Teil in den Plasmazustand überführt, so dass ein atmosphärischer Plasmastrahl 16 durch die Düsenöffnung 24 aus der Plasmadüse 14 austritt. Das in das Gehäuse 10 der Vorrichtung 2 integrierte Lasersystem 12 weist eine
Laserquelle 62 auf, beispielsweise einen Faserlaser, die im Betrieb den Laserstrahl 8 erzeugt. Die Laserquelle 62 wird über eine Versorgungsleitung 64 mit elektrischer Energie versorgt. Alternativ zur Laserquelle 62 kann die Vorrichtung 2 beispielsweise auch einen Lichtleiter aufweisen, der an eine externe Laserquelle angeschlossen ist. Das Lasersystem 12 weist weiterhin eine Spiegeloptik 66 auf, mit der der von der Laserquelle 62 erzeugte Laserstrahl 8 umgelenkt werden kann.
Das Lasersystem 12 und die Plasmadüse 14 sind so zueinander angeordnet und eingerichtet, dass der Laserstrahl 8 im Betrieb zusammen mit dem Plasmastrahl 16 aus der Düsenöffnung 24 der Plasmadüse 14 austritt. Zu diesem Zweck weist die Innenelektrode 38 der Plasmadüse 14 einen Innenkanal 68 auf, dessen Längsachse - - mit der Düsenöffnung 24 fluchtet. An die Innenelektrode 38 ist ein Kopplungsrohr 70 angeschlossen, das den Innenkanal 68 in das Gehäuse 10 bis zum Lasersystem 12 verlängert. Die Spiegeloptik 66 des Lasersystems 12 ist so angeordnet, dass der von der Laserquelle 62 erzeugte Laserstrahl 8 in das Kopplungsrohr 70 geführt wird, durch den Innenkanal 68 der Innenelektrode 38 und das Düsenrohr 18 bis zur Düsenöffnung 24 verläuft und so gemeinsam mit dem Plasmastrahl 16 aus der Düsenöffnung 24 austritt.
Dadurch gelangen der Laserstrahl 8 und der Plasmastrahl 16 im Betrieb gemeinsam und an derselben Stelle 72 auf die Oberfläche 4 des Werkstücks 6. Die
Werkstückoberfläche 4 wird durch den auftreffenden Laserstrahl 8 an der Stelle 72 bearbeitet, indem durch den Laserstrahl 8 Material wie zum Beispiel eine
Verunreinigung 74 an der Oberfläche 4 verdampft wird. Das vom Laserstrahl 8 verdampften Material 76 wird durch den Plasmastrahl 16 zersetzt oder umgewandelt, so dass es sich nicht wieder auf der Oberfläche 4 niederschlagen kann. Auf diese Weise können besonders organische Verunreinigung von einer Oberfläche entfernt werden, da das vom Laserstrahl abgetragene organische Material durch den
Plasmastrahl zersetzt und oxidiert wird. Weiterhin kann die Vorrichtung 2 auch zur Korrosionsentfernung eingesetzt werden, bei der mit dem Laserstrahl 8 korrodiertes Material wie zum Beispiel Rost von einer Werkstückoberfläche 4 abgetragen wird. Durch den Plasmastrahl 16 wird das korrodierte Material zersetzt oder umgewandelt, so dass es sich nicht wieder auf die Oberfläche 4 niederschlägt. Um eine Oxidation der Oberfläche bei den hohen
Temperaturen durch den Laserstrahl 8 zu verhindern wird vorzugsweise Formiergas als Arbeitsgas 30 eingesetzt, das als Plasmastrahl 16 eine stark reduzierende Wirkung hat.
Während der Plasmastrahl einen Durchmesser von typischerweise mehreren
Millimetern aufweist, hat der Laserstrahl 8 typischerweise einen Durchmesser von weniger als 1 mm, insbesondere weniger als 200 μπι, und daher eine entsprechend - - kleine Spotgröße auf der zu bearbeitenden Oberfläche 4. Aus diesem Grund wird der Laserstrahl 8 vorzugsweise kontinuierlich verschwenkt, um bereits unabhängig von einer Relativbewegung zwischen der Plasmadüse 14 und der Oberfläche 4 einen größeren Bereich der Oberfläche 4 bearbeiten zu können.
Zu diesem Zweck ist das Lasersystem 12 dazu eingerichtet, die Strahlrichtung des Laserstrahls 8 kontinuierlich so zu variieren, dass sich die Position des Laserstrahls 8 im Querschnitt der Düsenöffnung 24 kontinuierlich verändert. Hierzu weist das Lasersystem 12 einen Spiegel 78 auf, der über eine entsprechende Steuerung (nicht dargestellt) verschwenkt werden kann. Durch das Verschwenken des Spiegels 78 kann die Strahlrichtung des Laserstrahls 8 variiert werden, so dass der Laserstrahl 8 unter verschiedenen Winkeln in das Kopplungsrohr 70 geführt werden kann. Das Kopplungsrohr 70, der Innenkanal 68 und die Düsenöffnung 24 sind so dimensioniert, dass der Laserstrahl 8 auch unter den verschiedenen Winkeln zur Düsenöffnung 24 gelangen und durch diese aus der Plasmadüse 14 heraustreten kann. Vorzugsweise weist die Plasmadüse zumindest in einer Richtung einen Durchmesser von
mindestens 3 mm auf. Bei einer runden Düsenöffnung liegt der Durchmesser vorzugsweise im Bereich von 3 bis 6 mm. Bei einer schlitzförmigen Düse beträgt die Schlitzlänge, d.h. der Düsendurchmesser in Schlitzrichtung, vorzugsweise bis zu 30 mm.
In den Fig. 3a-c sind drei Beispiele für Düsenöffnungen 24, 24' und Trajektorien 80, 80' der Position des Laserstrahls 8 im Querschnitt der Düsenöffnungen 24, 24' dargestellt. Die Figuren zeigen jeweils den Querschnitt der Düsenöffnungen, die Position des Laserstrahls im Düsenöffnungsquerschnitt (schwarzer Punkt) sowie die Trajektorie der Laserstrahlposition im Düsenöffnungsquerschnitt durch die
Bewegung des Spiegels 78 (gestrichelte Pfeile).
Fig. 3a zeigt zunächst eine runde Düsenöffnung 24, die zum Beispiel einen
Durchmesser von 5 mm aufweisen kann. Der Spiegel 78 wird derart angesteuert, dass er sich kontinuierlich in einer Richtung hin- und herbewegt, so dass sich entsprechend . . die Position des Laserstrahls 8 im Düsenöffnungsquerschnitt auf einer geraden Trajektorie 80 hin- und herbewegt. Dadurch kann die Oberfläche 4 ohne Bewegung der Plasmadüse 14 auf einem linienförmigen Bereich bearbeitet werden. Um einen größeren Oberflächenbereich auf der Oberfläche 4 zu bearbeiten, können die Vorrichtung 2 bzw. die Plasmadüse 14 einerseits und die Oberfläche 4
andererseits relativ zueinander bewegt werden. Die Bewegung der Plasmadüse 14 erfolgt vorzugsweise quer zur größten Erstreckung der Trajektorie 80 (angedeutet durch den Pfeil 82). Auf diese Weise wird bei der Bewegung der Plasmadüse 14 ein möglichst breiter Streifen 84 auf der Oberfläche 4 des Werkstücks 6 bearbeitet.
Fig. 3b zeigt eine alternative schlitzförmige Düsenöffnung 24' mit einem etwa 5 mm langen Schlitz. Die Trajektorie 80 der Position des Laserstrahls 8 ist wie in Fig. 3a linienförmig und entsprechend der Schlitzrichtung ausgerichtet.
Fig. 3c zeigt wieder die runde Düsenöffnung 24 mit einem Durchmesser von 5 mm. Bei diesem Ausführungsbeispiel wird der Spiegel 78 derart in zwei Richtungen
verschwenkt, dass sich die Position des Laserstrahls 8 auf einem Kreis bewegt, sich also eine kreisförmige Trajektorie 80' ergibt.
Eine kreisförmige Trajektorie wie in Fig. 3c hat den Vorteil, dass sich unabhängig von der Bewegungsrichtung der Plasmadüse 14 dieselbe Streifenbreite ergibt.
Demgegenüber hat eine linienförmige Trajektorie wie in Fig. 3a und 3b den Vorteil, dass die Steuerung des Spiegels 78 vereinfacht wird und sich die Streifenbreite durch Einstellung des Winkels zwischen der Achse der Trajektorie 80 und der
Bewegungsrichtung 82 stufenlos variieren lässt.
Die zuvor beschriebene Vorrichtung 2 erlaubt eine prozesssichere Bearbeitung von Werkstückoberflächen. Dadurch dass der Laserstrahl 8 und der Plasmastrahl 16 gemeinsam aus der Düsenöffnung 24 heraustreten, ist gewährleistet, dass Laserstrahl 8 und Plasmastrahl 16 an derselben Stelle auf die zu behandelnde Oberfläche - - auftreffen. Eine aufwändige und fortlaufende Steuerung zur Ausrichtung des
Laserstrahls 8 und des Plasmastrahls 16 zueinander kann daher entfallen.
Dies ermöglicht es, die Vorrichtung zur Behandlung kompliziert geformter
Oberflächen einzusetzen oder zur Behandlung verschiedener Oberflächenpositionen, die ein Verschwenken der Vorrichtung 2 erforderlich machen. Eine solche
Oberflächenbehandlung lässt sich vorteilhaft mit einem mehrachsigen Roboterarm durchführen. Fig. 4 zeigt eine Anordnung 100 mit einem solchen, vorliegend 6-achsigen Roboterarm 102 und der Vorrichtung 2, die an dem Roboterarm 102 montiert ist. Zu diesem Zweck kann die Vorrichtung 2 Montagemittel wie zum Beispiel Gewindebohrungen zur Montage an den Roboterarm 102 aufweisen. Mit dem Roboterarm 102 kann die Vorrichtung 2 nun in beliebige Positionen bewegt und beliebig ausgerichtet werden, um zum Beispiel eine komplizierte zu behandelnde Oberfläche eines Werkstücks abzufahren. Zu diesem Zweck umfasst die Anordnung 100 noch eine Steuerungseinrichtung 104 in Form eines Computers, mit dem die Bewegungen des Roboterarms 102 und vorzugsweise auch der Betrieb der
Vorrichtung 2 gesteuert werden können.
Fig. 5 zeigt ein Ausführungsbeispiel der Verwendung der Vorrichtung bzw. des Verfahrens. Die Vorrichtung 2 aus Fig. 1 kann insbesondere zum Laserlöten bzw. Laserschweißen eingesetzt werden. Beim Laserlöten schmilzt der Laserstrahl 8 ein Lot auf, mit dem zwei zu fügende Werkstücke 112, 114 benetzt und nach Erstarren des Lots durch die dadurch erzeugte Lötnaht 116 verbunden werden. Die Oberflächen der Werkstücke 112, 114 werden hierbei insofern bearbeitet, als dass sie durch die Lötnaht 116 miteinander verbunden werden. Das Lot wird vorzugsweise zumindest teilweise durch die Plasmadüse 14 geführt. Insbesondere kann z.B. pulverförmiges Lötzinn 120 durch eine im Düsenkopf 22 vorgesehene Zuführung 118 in die
Plasmadüse 14 und dadurch in den Plasmastrahl 16 eingebracht werden. Das Lötzinn - - wird dann durch den Plasmastrahl 16 angeschmolzen und gelangt durch die Strömung des Plasmastrahls 16 gezielt zur Fügestelle an der Lötnaht 116.
In entsprechender Weise kann die Vorrichtung 2 auch zum Laserschweißen eingesetzt werden, wobei in diesem Fall ein Schweißzusatz durch die Zuführung 118 in die Plasmadüse 14 eingebracht werden kann.
Für das Laserlöten bzw. Laserschweißen kann insbesondere auch die Anordnung 100 verwendet werden. Auf diese Weise lassen sich Löt- bzw. Schweißverbindungen computergesteuert an verschiedenen Stellen eines Werkstücks herstellen.

Claims

P a t e n t a n s p r ü c h e
Vorrichtung (2) zur Bearbeitung einer Oberfläche (4) eines Werkstücks (6) mit einem Laserstrahl (8),
mit einem Lasersystem (12) zur Bereitstellung des Laserstrahls (8) und mit einer Plasmadüse (14), die zur Erzeugung eines atmosphärischen
Plasmastrahls (16) eingerichtet ist, wobei die Plasmadüse (14) eine
Düsenöffnung (24, 24') aufweist, aus der im Betrieb ein in der Plasmadüse (24, 24') erzeugter Plasmastrahl (8) austritt,
dadurch gekennzeichnet,
dass das Lasersystem (12) und die Plasmadüse (14) so zueinander angeordnet und eingerichtet sind, dass der Laserstrahl (8) im Betrieb zusammen mit dem Plasmastrahl (16) aus der Düsenöffnung (24, 24') der Plasmadüse (14) austritt.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, dass die Plasmadüse (14) ein rohrförmiges Gehäuse (18) aufweist und der Laserstrahl (8) im Betrieb durch das rohrförmige Gehäuse (18) der Plasmadüse (14) verläuft.
Vorrichtung nach Anspruch 2,
dadurch gekennzeichnet, dass die Plasmadüse (14) eine innerhalb des Gehäuses (18) angeordnete Innenelektrode (38) mit einem Innenkanal (68) aufweist und der Laserstrahl (8) im Betrieb durch den Innenkanal (68) zur Düsenöffnung (24, 24') verläuft. 4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
dadurch gekennzeichnet, dass das Lasersystem (12) dazu eingerichtet ist, die Strahlrichtung des Laserstrahls (8) kontinuierlich so zu variier™ A P> Position des Laserstrahl (8) im Querschnitt der Düsenöffnung (24, 24') kontinuierlich verändert.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4,
dadurch gekennzeichnet, dass die Plasmadüse (14) dazu eingerichtet ist, einen atmosphärischen Plasmastrahl (8) mittels einer bogenartigen Entladung in einem Arbeitsgas zu erzeugen, wobei die bogenartige Entladung durch Anlegen einer hochfrequenten Hochspannung zwischen Elektroden erzeugbar ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5,
dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung (2) derart ausgestaltet ist, dass sie an einen Roboterarm (102), insbesondere einen mehrachsigen Roboterarm angeschlossen werden kann.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6,
dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung (2) eine Steuerungseinrichtung (104) zur Steuerung der Vorrichtung (2) umfasst, die dazu eingerichtet ist, die Vorrichtung (2) entsprechend einem Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 11 zu steuern.
Anordnung (100) zur Bearbeitung einer Oberfläche (4) eines Werkstücks (6) mit einem Laserstrahl (8),
mit einem Roboterarm (102) und
mit einer Vorrichtung (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei die
Vorrichtung (2) an dem Roboterarm (102) montierbar, vorzugsweise montiert ist.
Verfahren zum Betrieb einer Vorrichtung (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 7 bzw. einer Anordnung (100) nach Anspruch 8,
bei dem mit der Plasmadüse (14) ein atmosphärischer Plasmastrahl (16) erzeugt wird, so dass dieser aus der Düsenöffnung (24, 24') der Plasmadüse (14) austritt, bei dem mit dem Lasersystem (12) ein Laserstrahl (8) bereitgestellt wird, so dass der Laserstrahl (8) zeitgleich mit dem Plasmastrahl (16) aus der Düsenöffnung (24, 24') der Plasmadüse (14) austritt.
Verfahren nach Anspruch 9,
dadurch gekennzeichnet, dass der aus der Düsenöffnung austretende
Plasmastrahl (16) und der aus der Düsenöffnung (24, 24') austretende
Laserstrahl (8) auf eine zu behandelnde Oberfläche (4) eines Werkstücks (6) gerichtet werden.
Verfahren nach Anspruch 9 oder 10,
dadurch gekennzeichnet, dass die Richtung des Laserstrahls (8) kontinuierlich variiert wird, dass sich die Position des Laserstrahls (8) im Querschnitt der Düsenöffnung (24, 24') kontinuierlich verändert.
Verwendung einer Vorrichtung (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, einer Anordnung (100) nach Anspruch 8 oder eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 9 bis 11 zum Laserschweißen, zum Laserlöten oder zur
Korrosionsentfernung.
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