用于借助激光束加工工件表面的设备以及设备的运行方法转让专利
申请号 : CN201780023341.2
文献号 : CN109070276B
文献日 : 2021-10-12
发明人 : 克里斯蒂安·布斯克
申请人 : 等离子体处理有限公司
摘要 :
权利要求 :
1.用于借助激光束(8)加工工件(6)的表面(4)的设备(2),‑具有用于提供所述激光束(8)的激光系统(12),并且‑具有构造用于产生大气压的等离子体束(16)的等离子体喷嘴(14),其中,所述等离子体喷嘴(14)具有喷嘴开口(24,24′),在运行中,在所述等离子体喷嘴(14)中产生的等离子体束(16)由所述喷嘴开口射出,‑其中,所述激光系统(12)和所述等离子体喷嘴(14)彼此放置和构造得使激光束(8)在运行中与等离子体束(16)一同从所述等离子体喷嘴(14)的喷嘴开口(24,24′)中射出‑其中,所述等离子体喷嘴(14)具有管状的壳体(18),并且在运行中,所述激光束(8)延伸通过所述等离子体喷嘴(14)的管状的壳体(18)其特征在于,
‑所述等离子体喷嘴(14)具有布置在所述壳体(18)内部的、带有内部通道(68)的内电极(38),并且在运行中,所述激光束(8)经过所述内部通道(68)向所述喷嘴开口(24,24′)延伸,并且
‑所述激光系统(12)设置用于连续地、周期性地改变所述激光束(8)的照射方向,使得所述激光束(8)在所述喷嘴开口(24,24′)的横截面内的位置连续地改变,并且‑所述等离子体喷嘴(14)设置用于借助在工作气体内的弧形放电产生大气压的所述等离子体束(16),其中,所述弧形放电能够通过在电极之间施加高频高压产生。
2.根据权利要求1所述的设备,
其特征在于,所述设备(2)设计得使所述设备能够连接到机械臂(102)上。
3.根据权利要求2所述的设备,
其特征在于,所述设备(2)设计得使所述设备能够连接到多轴的机械臂上。
4.根据权利要求1所述的设备,
其特征在于,所述设备(2)具有用于控制所述设备(2)的控制装置(104)。
5.用于借助激光束(8)加工工件(6)的表面(4)的机构(100),所述机构‑具有机械臂(102),并且
‑具有根据权利要求1至4中任一项所述的设备(2),其中,所述设备(2)能够安装在所述机械臂(102)上。
6.根据权利要求5所述的机构(100),其特征在于,所述设备(2)安装在所述机械臂(102)上。
7.用于运行根据权利要求1至4中任一项所述的设备(2)或者根据权利要求5或6所述的机构(100)的方法,
‑其中,借助等离子体喷嘴(14)借助在工作气体内的弧形放电产生大气压的等离子体束(16),从而使所述等离子体束从所述等离子体喷嘴(14)的喷嘴开口(24,24′)中射出,其中,所述弧形放电通过在电极之间施加高频高压产生,‑其中,借助激光系统(12)提供激光束(8),从而使激光束(8)与所述等离子体束(16)同时从所述等离子体喷嘴(14)的喷嘴开口(24,24′)射出,‑其中,连续地、周期性地改变所述激光束(8)的方向,从而使所述激光束(8)在所述喷嘴开口(24,24′)的横截面内的位置连续变化。
8.根据权利要求7所述的方法,
其特征在于,从所述喷嘴开口射出的所述等离子体束(16)以及从所述喷嘴开口(24,
24′)射出的所述激光束(8)指向所述工件(6)待处理的表面(4)上。
9.根据权利要求7或8所述的方法,其特征在于,上述方法用于借助所述设备(2)的控制装置(104)控制所述设备(2)。
10.根据权利要求1至4中任一项所述的设备(2)、根据权利要求5或6所述的机构(100)或者根据权利要求7至9中任一项所述的方法在激光熔焊、激光钎焊或者去除腐蚀中的应用。
说明书 :
用于借助激光束加工工件表面的设备以及设备的运行方法
技术领域
具有在运行中射出在等离子体喷嘴中产生的等离子体束的喷嘴开口。本发明还涉及一种用
于运行设备的方法。
背景技术
工件材料时,去除的工件材料可能部分地再次沉积到工件表面上并因此导致加工位置周围
不规则的表面。
件表面上。但是,至今未实现此方法在工业运营中过程安全的实施。尤其将等离子体束对准
工件表面上借助激光束加工的位置处显示为困难的。
发明内容
喷嘴开口,在运行中,在等离子体喷嘴中产生的等离子体束由此喷嘴开口射出,根据本发
明,上述目的至少部分地由此实现,即,激光系统和等离子体喷嘴彼此放置并构造得使激光
束在运行时与等离子体束一同从等离子体喷嘴的喷嘴开口射出。
工件表面的加工的同时施加等离子体束。由此方式,激光束和等离子体束还总是指向待处
理的工件表面上的同一位置。
上。借助等离子体束能够分解或氧化通过激光束剥离的有机杂质,从而防止对表面重新的
污染。
器。激光系统也可具有光导体,借助此光导体能够将激光束从外部的激光源引入激光系统
中。优选使用脉冲激光束或者用于产生脉冲激光束的激光源。此外,激光系统优选还具有光
学装置,从而使激光束对准待加工的表面。光学装置可尤其涉及光学镜,从而校准激光束的
照射方向。
的等离子体束,也就是说,其中,等离子体束指向基本上具有大气压力的环境中。
口的方向能够使等离子体束指向工件表面上特定的位置。
供的激光束能够引导经过等离子体喷嘴并且从等离子体喷嘴的喷嘴开口中导出。此外,激
光系统尤其布置并构造得使由激光系统提供的激光束在运行中延伸经过等离子体喷嘴并
由等离子体喷嘴的喷嘴开口中射出。
喷嘴的喷嘴开口中射出,并且其中,借助激光系统提供激光束,从而使激光束与等离子体束
同时从等离子体喷嘴的喷嘴开口射出。
助激光束从工件表面上剥离的材料、尤其杂质。
束能够分解或转化借助激光束剥离的材料。
使激光束在运行时延伸经过等离子体喷嘴的此管状的壳体。激光系统优选布置在等离子体
喷嘴的与等离子体喷嘴的喷嘴开口相对的一侧上。由此方式,延伸经过壳体的激光束在其
到喷嘴开口的路径中与环境隔离,从而提高运行可靠性。
相应的实施形式中,借助在工作气体中的弧形放电产生大气压等离子体束,其中,弧形放电
通过在电极之间施加高频高压产生。
化具有有效反作用的还原性氮氢混合气。氮氢混合气本身具有轻微的还原性。但是,在等离
子体束中,此还原作用被显著地增强。替代地,也可使用Ar或Ar/N2,由此能够使氧远离待处
理的表面。如果能够接受对待处理表面的氧化,则优选将O2用作工作气体,因为由此方式实
现对借助激光束从表面去除的材料良好的分解或转化(氧化)。
焦并因此良好地适用于分解或转化通过激光束从工件表面上去除的材料的反应性等离子
体束。此外,如此产生的等离子体束具有相对低的温度,从而能够防止对工件的损伤。
而形成等离子体束。具有此种内电极的等离子体喷嘴实现了稳定放电的产生并因此实现了
稳定等离子体束的产生。
嘴尤其彼此布置并构造得使激光束在运行中经过内部通道并经过喷嘴开口延伸。
子体喷嘴的喷嘴开口。激光系统优选设置在等离子体喷嘴的与等离子体喷嘴的喷嘴开口相
对的一侧上。
束的方向,使得激光束在喷嘴开口的横截面中的位置连续地改变。由此方式能够提高激光
束在工件表面上处理的面积。
的照射方向。激光系统例如可具有带有可移动的镜面的光学镜,通过此镜面能够改变激光
束的照射方向。
回移动。此外,狭槽状的喷嘴开口具有的优点在于,相比于圆形喷嘴开口能够达到更高的等
离子体温度。由此方式,等离子体实现对借助激光束从待处理的表面上剥离的材料更佳的、
尤其更快的分解或转化。
并且过程安全地为工件表面上的一个位置同时施加激光束和等离子体束实现了耐用的运
行并因此也实现了在机械臂上的集成,而无须复杂地调节等离子体喷嘴和激光束彼此的指
向。
方向,那么,照射方向的最大变化则优选横向于此路线的方向进行。由此方式,能够沿着此
路线加工工件表面上尽可能宽的条形区域。在机构的一种相应的实施形式中,机械臂设置
用于相对于待加工的工件表面在其上引导设备,使得激光束和等离子体束在工件表面上划
过预先设定的路线。例如,可设置控制装置,其相应地控制机械臂以及可能存在的能够安装
到或安装在机械臂上的设备。
述方法在激光熔焊或激光钎焊中的应用实现。
弱化此焊接连接的缩孔。
机的杂质,从而能够使其不再沉积在工件上或者在钎焊熔池或熔焊熔池中。由此方式,由激
光束产生的钎焊熔池或熔焊熔池周围的环境通过等离子体束得到了净化,从而能够制造尽
可能无暇的钎焊焊缝或者熔焊焊缝。因此,设备或方法尤其适用于激光钎焊或激光熔焊。
中射出。例如,钎焊焊剂、例如焊锡能够作为粉末引入等离子体喷嘴的头部。等离子体喷嘴
可尤其为此构建。
此焊剂或熔焊填料能够更好地引入钎焊熔池或熔焊熔池中。
在去除腐蚀中的应用来解决。
而使其不再次沉积到工件表面上。
具有还原作用的工作气体用于产生等离子体束。作为工作气体可尤其使用氢气和氮气组成
的混合物(H2/N2混合物)。此种混合物在正常条件下具有轻微的还原作用。但是通过在等离
子体束中的激发实现强烈的还原作用,从而能够避免借助激光处理过的工件重新氧化。
附图说明
具体实施方式
体喷嘴14。
此收缩部上,此喷头的排放口构成了喷嘴开口24,在运行中从此喷嘴开口输出等离子体束
16。
(未示出)相连。在运行中,工作气体30从工作气体源通过供应管28和工作气体输入管道26
引入喷嘴管18中。
电绝缘。通过引导穿过供应管28的高频导线42为内电极38接通由变压器44产生的高频高
压。喷嘴管18通过同样能够引导穿过供应管28的地线46接地。通过接通的电压在内电极38
与喷嘴管18之间产生呈弧光48形式的高频放电。
电形式。但是在此涉及呈弧光形式的高频放电,即涉及高频弧状放电。
大气压等离子体束16。
有连接外部激光源的光导体。此外,激光系统12还具有光学镜66,借助此光学镜能够折射由
激光源62产生的激光束8。
电极38具有内部通道68,此内部通道的纵轴与喷嘴开口24对中心。在内电极38上连接将内
部通道68在壳体10内延长至激光系统12的连接管70。激光系统12的光学镜66放置得使由激
光源62产生的激光束8导入连接管70中,通过内电极38的内部通道68和喷嘴管18延伸至喷
嘴开口24并因此与等离子体束16一同从喷嘴开口24中输出。
光束8加工了工件表面4。由激光束8蒸发的材料76通过等离子体束16分解或者转化,从而其
不能够再次沉积到表面4上。由此方式能够从表面上去除尤其有机的杂质,因为由激光束去
除的有机材料通过等离子体束分解或者氧化。
积到表面4上。为了防止通过激光束8造成的高温条件下的表面氧化,优选使用作为等离子
体束16具有强烈的还原作用的氮氢混合气作为工作气体30。
与等离子体喷嘴14和表面4之间的相对运动无关地加工表面4的更大的区域。
示出)偏转的反射镜78。通过反射镜78的偏转能够改变激光束8的照射方向,从而使激光束8
能够以不同的角度传入连接管70中。连接管70、内部通道68和喷嘴开口24设计得使激光束8
也能够以不同的角度到达喷嘴开口24并且通过喷嘴开口从等离子体喷嘴14中射出。等离子
体喷嘴优选至少沿着一个方向具有至少3mm的直径。在喷嘴开口为圆形的情况下,直径优选
在3至6mm的范围内。在喷嘴为狭槽状的情况下,狭槽长度、即沿着狭槽方向的喷嘴直径优选
小于等于30mm。
开口横截面中的位置(黑点)以及通过反射镜78的移动引起的在喷嘴开口横截面内的激光
束位置的轨迹(虚线箭头)。
上来回移动。由此,能够在不移动等离子体喷嘴14的条件下在直线形的区域上加工表面4。
示)。由此方式,在等离子体喷嘴14移动时加工工件6的表面4上的尽可能宽的条形区域84。
镜78的控制并且通过调整轨迹80的轴线与移动方向82之间的角度能够无级地改变条形宽
度。
置。因此能够省却对激光束8和等离子体束16的复杂且不断的控制。
104,借助此控制装置能够控制机械臂102的移动,并优选也能控制设备2的运行。
112,114,并且使其在焊料凝固之后通过由此产生的焊缝116相连。在此,加工工件112,114
的表面,直至使其通过焊缝116彼此相连。焊料优选至少部分地通过等离子体喷嘴14传送。
尤其可以使例如粉末状的焊锡120通过设置在喷头22中的供给处118引入等离子体喷嘴14
中并由此引入等离子体束16中。焊锡之后通过等离子体束16熔化并通过等离子体束16的流
动有针对性地到达焊缝116上的接合位置。