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与流程

本发明涉及一种用于借助激光束加工工件表面的设备，其具有用于提供激光束的激光系统，并且具有设置用于产生大气压等离子体束的等离子体喷嘴，其中，等离子体喷嘴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

由现有技术已知借助激光束加工工件表面，从而例如通过从工件表面去除杂质而清洁工件，或者通过去除工件材料本身而对工件进行赋形加工。

在借助激光束清洁工件表面时经常出现，借助激光束去除的杂质的一部分再次沉积到工件表面上并因此重新污染工件表面。在借助激光束进行赋形加工的情况下，在去除工件材料时，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。

为了克服此问题提出，除了激光束以外，也使用等离子体束对准工件表面上待加工的位置。通过等离子体束能够分解或转化由激光束去除的材料，从而使其不再沉积到工件表面上。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。

技术实现要素：

在此背景下，本发明的目的在于，提供一种借助激光束加工工件表面的设备以及一种用于此设备的运行方法，借助其能够实现对表面过程安全且可靠的加工。

在一种用于借助激光束加工工件表面的设备方面，其具有用于提供激光束的激光系统，并且具有设置用于产生大气压等离子体束的等离子体喷嘴，其中，等离子体喷嘴具有喷嘴开口，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。

已知，通过替代两个单独的工具，而为激光束和等离子体束使用一个组合的设备，激光束和等离子体束共同由此设备的喷嘴开口射出，能够过程可靠地在借助激光束执行对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。

此设备用于借助激光束加工工件表面。工件表面的加工可尤其涉及对表面的清洁，例如清洁有机的杂质。此种杂质能够很好地借助激光束剥离，但是容易再次回到表面上。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。

此设备具有用于提供激光束的激光系统。借助此激光系统能够提供激光束，借助此激光束能够加工工件表面。激光系统可具有激光源，尤其例如为纤维激光器的固体激光器。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。

此外，设备还包含构造用于产生大气压等离子体束的等离子体喷嘴。等离子体束在此理解为至少部分电离的定向的气体射流。大气压等离子体束理解为在大气压力下使用的等离子体束，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。

等离子体喷嘴具有喷嘴开口，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。通过喷嘴开口的位置预先设定等离子体束的喷射方向。通过校准喷嘴开口的方向能够使等离子体束指向工件表面上特定的位置。

激光系统和等离子体喷嘴彼此布置和构造得使激光束在运行中与等离子体束一同从等离子体喷嘴的喷嘴开口射出。为此目的，等离子体喷嘴尤其设计得使由激光系统提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。

上述目的根据本发明还至少部分地通过一种用于运行前述设备或设备的一种实施形式的方法实现，其中，借助等离子体喷嘴产生大气压等离子体束，从而使其从等离子体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。

通过激光束和等离子体束同时从喷嘴开口射出，能够为工件待加工的表面上的一个位置同时施加激光束和等离子体束，从而能够通过等离子体束分解或转化、尤其氧化借助激光束从工件表面上剥离的材料、尤其杂质。

前述设备以及前述方法尤其用于清洁工件表面。

下面说明设备和方法的不同实施形式，其中，各个实施形式都既可用于设备、也可用于方法，并且还能够彼此结合。

在此方法的第一实施形式中，从喷嘴开口射出的等离子体束以及从喷嘴开口射出的激光束指向工件待处理的表面。由此方式能够借助激光束加工工件表面，并且等离子体束能够分解或转化借助激光束剥离的材料。

在另一实施形式中，等离子体喷嘴具有管状的壳体，激光束在运行中延伸经过等离子体喷嘴的此管状的壳体。为此目的，激光系统和等离子体喷嘴尤其彼此布置和构造得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。

在另一实施形式中，等离子体喷嘴设置用于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，弧形放电能够通过在电极之间施加高频高压产生。在此方法的一种相应的实施形式中，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。

作为工作气体可例如使用氮气(n2)、氮气氢气混合物(n2/h2；氮氢混合气)、氩气(ar)、氩氮混合物(ar/n2)或者氧气(o2)。如果需要避免待加工表面的氧化，则优选使用对氧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)。

高频高压典型地理解为频率为1-300khz、尤其1-100khz、优选10-100khz、进一步优选10-50khz的1-100kv、尤其1-50kv、优选10-50kv的电压。由此方式能够产生可以良好聚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。

在另一实施形式中，等离子体喷嘴具有布置在壳体内部的内电极。在内电极和壳体之间尤其可以施加高频高压，从而在流经等离子体喷嘴的工作气体中产生弧形放电，从而形成等离子体束。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。

在另一实施形式中，等离子体喷嘴具有布置在壳体内部的、具有内部通道的内电极，并且激光束在运行中经过内部通道向喷嘴开口延伸。为此目的，激光系统和等离子体喷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。

已知，通过为内电极设置内部通道，从而使激光束能够引导穿过内电极，能够使激光束以有利的方式通过具有内电极的等离子体喷嘴引导。内电极的内部通道尤其对准等离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。

在另一实施形式中，激光系统设置用于连续地改变激光束的照射方向，从而连续地改变激光束在喷嘴开口的横截面中的位置。在相应的方法实施形式中，连续地改变激光束的方向，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。

激光束在喷嘴开口的横截面中的位置理解为在喷嘴开口的平面中的一个位置，在此位置处，激光束经过喷嘴开口并因此穿过此平面。连续地改变理解为，不断地改变激光束的照射方向。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。

激光系统优选周期性地改变激光束的照射方向，例如使激光束在喷嘴开口的横截面中的位置在一条直线上往返移动或者在一个圆周上移动。

通过激光系统改变激光束的照射方向的优势在于，能够提高激光束在工件表面上处理的面积，而不必改变等离子体喷嘴对准工件的指向。

照射方向的改变优选匹配于喷嘴开口的大小。由此方式，能够利用喷嘴开口的整个宽度并且借助激光束加工工件表面上尽可能大的面积。

喷嘴开口可以构造为圆形的、椭圆形的或者狭槽状的。当喷嘴开口为狭槽状时，可尤其改变激光束的照射方向，使得激光束在喷嘴开口的横截面中的位置在狭槽的长度上来回移动。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。

在另一实施形式中，设备设计得使其能够连接到机械臂、尤其多轴机械臂上。由此方式，借助设备能够自动化地加工工件表面。等离子体喷嘴和激光系统集成在一个设备中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。

相应地，前述目的还根据本发明通过一种用于加工工件表面的、具有机械臂以及前述设备或其实施形式的机构实现，其中，设备能够安装到、优选安装在机械臂上。

在另一实施形式中，设备或者机构包含用于控制设备或机构的控制装置，此控制装置设置用于根据前述方法或方法的其中一种前述实施形式控制此设备。

在方法的一种实施形式中，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。如果通过激光系统改变激光束的照射方向，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。

前述设备、前述机构或前述方法以及其各自的实施形式能够以有利的方式应用于激光熔焊或激光钎焊。相应地，开头所述的目的至少部分地也通过前述设备、前述机构或前述方法在激光熔焊或激光钎焊中的应用实现。

激光钎焊或激光熔焊时，待接合工件的表面上的杂质(尤其有机污染物)会妨碍钎焊或熔焊的过程并恶化钎焊或熔焊的结果。例如，工件上的杂质可能导致形成焊接连接内弱化此焊接连接的缩孔。

通过在前述设备的运行中使激光束和等离子体束共同过程可靠地出现在待加工(在此为待接合)的工件上，能够通过气态的等离子体束分解从工件表面上脱离的、尤其有机的杂质，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。

在方法的一种实施形式中，尤其呈粉末状的钎焊焊剂或熔焊填料能够至少部分地通过等离子体喷嘴引导，从而使其与等离子体束和激光束一同从等离子体喷嘴的喷嘴开口中射出。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。

通过焊剂或熔焊填料与等离子体束的相互作用使得焊料或熔焊填料有针对性地浸入接合位置或接合缝的区域中。尤其焊剂或熔焊填料可以已经通过等离子体束熔化，由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。

前述设备、前述机构或前述方法以及前述其各自的实施形式还能够以有利的方式用于去除腐蚀。相应地，开头所述的目的也至少部分地通过前述设备、前述机构或前述方法在去除腐蚀中的应用来解决。

通过激光束能够将腐蚀的材料从工件表面剥离，例如将锈从铁件或钢件表面剥离。通过与激光束一同从喷嘴开口射出的等离子体束能够粉碎或化学转化剥离的材料，从而使其不再次沉积到工件表面上。

去除腐蚀优选在还原性的环境下进行，从而避免尤其由于激光束引起的高温造成工件重新氧化。这可尤其由此过程可靠地实现，即，将具有还原作用的或者作为等离子体束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

本发明的其他特征和优点由下文中对实施例的说明中给出，其中参考了附图。

在附图中

图1示出了根据本发明的设备和根据本发明的方法的实施例，

图2以放大图示出了图1中的设备的剖视图，

图3a-c示出了喷嘴开口以及激光束在喷嘴开口的横截面中的位置的轨迹的三个示例，

图4示出了根据本法明的机构的实施例并且

图5示出了设备或方法根据本发明的应用的实施例。

具体实施方式

图1以示意图示出了根据本发明的设备和根据本发明的方法的实施例。

用于借助激光束8加工工件6的表面4的设备2具有壳体10，在此壳体中集成有用于提供激光束8的激光系统12，并且在此壳体上连接用于产生大气压等离子体束16的等离子体喷嘴14。

下文中，首先根据图2说明等离子体喷嘴14的构造以及运行方式，图2以放大图示出了图1中的设备2的等离子体喷嘴14的区域。

等离子体喷嘴14具有呈由金属制成的喷嘴管形式的管状的壳体18，此壳体旋紧在设备2的壳体10上。喷嘴管18在其一个末端具有锥状的收缩部20，能够更换的喷头22安装在此收缩部上，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。

在与喷嘴开口24相反的末端上，喷嘴管18连接到壳体10的工作气体输入管道26上。工作气体输入管道26又通过连接到壳体10上的供应管28与流量可变的加压工作气体源(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。

此外，在喷嘴管18中还设置具有沿着圆周方向倾斜的多个孔34构成的孔环的旋流装置32，通过这些孔使在运行中引入喷嘴管18中的工作气体30旋流。

因此，呈涡流36形式的工作气体30流经喷嘴管18的气流下游的部分，此涡流的中心在喷嘴管18的纵轴上延伸。

此外，在喷嘴管18中还居中地放置在喷嘴管18中沿着喷嘴开口24的方向同轴延伸的内电极38。内电极38与旋流装置32电气连接。旋流装置32通过陶瓷管40相对于喷嘴管18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。

概念“弧光”、“电弧放电”或者“弧状放电”在此用作对放电的现象描述，因为放电以弧光的形式出现。另外，概念“弧光”也用作具有基本恒定电压值的直流电压放电时的放电形式。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。

由于工作气体的涡流状的气流，此弧光48在位于喷嘴管18的轴的区域中的涡流中心内引导，从而弧光在收缩部20的区域中才向着喷嘴管18的壁分支。

在涡流中心的区域中并因此紧邻弧光48以高流速旋转的工作气体30与弧光48形成紧密接触并且由此部分地转化为等离子态，从而通过喷嘴开口24从等离子体喷嘴14输出大气压等离子体束16。

集成在设备2的壳体10中的激光系统12具有在运行中产生激光束8的激光源62，例如纤维激光器。激光源62通过供电导线64得到电能供给。替代激光源62，设备2也可例如具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。

激光系统12和等离子体喷嘴14如此彼此放置并安装，使得激光束8在运行中与等离子体束16共同从等离子体喷嘴14的喷嘴开口24中输出。为此目的，等离子体喷嘴14的内电极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。

由此，在运行中，激光束8和等离子体束16共同地并且在同一位置72处到达工件6的表面4。通过借助激光束8使表面4上例如为杂质74的材料蒸发，借助施加在位置72处的激光束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。

此外，设备2也可以用于去除腐蚀，其中，借助激光束8从工件表面4去除例如为锈的受到腐蚀的材料。通过等离子体束16分解或者转化受到腐蚀的材料，从而使其不再次沉积到表面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。

等离子体束的直径典型为几毫米，而激光束8典型的直径小于1mm，尤其小于200μm，并因此在待加工的表面上4具有小尺寸的焦点。因此，激光束8优选连续地偏转，从而能够与等离子体喷嘴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。

为此，激光系统12设置用于连续地改变激光束8的照射方向，从而使激光束8在喷嘴开口24的横截面内的位置连续改变。为此，激光系统12具有能够借助相应的控制装置(未示出)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。

在图3a-c中示出了喷嘴开口24,24′以及激光束8在喷嘴开口24,24′的横截面中的位置的轨迹80,80′的三个实施例。这些附图分别示出了喷嘴开口的横截面，激光束在喷嘴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)。

图3a首先示出了直径可例如为5mm的圆形喷嘴开口24。控制反射镜78，使其连续地沿着一个方向来回移动，从而激光束8在喷嘴开口横截面内的位置相应地在直线的轨迹80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。

为了加工表面4上更大的表面区域，设备2或者说等离子体喷嘴14与表面4能够相对于彼此移动。等离子体喷嘴14的移动优选横向于轨迹80的最大长度进行(通过箭头82表示)。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。

图3b示出了具有约5mm长的狭槽的替代的槽状喷嘴开口24′。与图3a中的类似，激光束8的位置轨迹80为直线形的并且与狭槽方向一致。

图3c再次示出了直径为5mm的圆形喷嘴开口24。在此实施例中，反射镜78沿着两个方向偏转，使得激光束8的位置在一个圆周上移动，从而得到圆形的轨迹80′。

如图3c中所示的圆形轨迹的优点在于，无论等离子体喷嘴14的移动方向如何，都得出同样的条形宽度。与此不同，如图3a和3b中所示的直线型轨迹的优点在于，简化了反射镜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。

前述设备2实现了对工件表面过程可靠的加工。通过使激光束8和等离子体束16共同从喷嘴开口24中输出，保证了激光束8和等离子体束16出现在在待处理表面上的同一位置。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。

这实现了，将设备用于处理形状复杂的表面或者用于处理需要设备2进行偏转才能处理的不同的表面位置。此种表面处理能够有利地借助多轴机械臂进行。

图4示出了具有此种、在此为6轴的机械臂102以及安装在此机械臂102上的设备2的机构100。为此目的，设备2可具有例如为螺纹孔的、用于安装在机械臂102上的安装手段。

在此，借助机械臂102能够将设备2移动到任意位置并且指向任意方向，从而例如在工件的待处理的复杂表面上移动。为此目的，机构100还具有呈计算机形式的控制装置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。

图5示出了设备或方法的应用的实施例。图1中的设备2能够尤其用于激光钎焊或激光熔焊。在激光钎焊的情况下，激光束8熔化焊料，借助此焊料润湿待接合的两个工件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。

设备2也能够以相应的方式用于激光熔焊，其中，在此情况下，通过供给处118能够向等离子体喷嘴14中引入熔焊填料。

尤其也可将机构100用于激光钎焊或激光熔焊。由此方式，能够借助计算机控制在工件的不同位置处建立钎焊或熔焊连接。