DE102016106960A1 - Device for processing a surface of a workpiece with a laser beam and method for operating the device - Google Patents

Device for processing a surface of a workpiece with a laser beam and method for operating the device Download PDF

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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).The invention relates to a device (2) for processing a surface (4) of a workpiece (6) with a laser beam (8), with a laser system (12) for providing the laser beam (8) and with a plasma nozzle (14) The plasma nozzle (14) has a nozzle opening (24, 24 ') from which, in operation, a plasma jet (8) generated in the plasma nozzle (24, 24') emerges, the laser system (12) and the plasma nozzle (14) are arranged and arranged to one another such that the laser beam (8) in operation together with the plasma jet (16) from the nozzle opening (24, 24 ') of the plasma nozzle (14) emerges. The invention further relates to an arrangement (100) with such a device and to a method for operating this device (2).

Description

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.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.

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.From the prior art, it is known to machine surfaces of a workpiece with a laser beam, for example, to clean the workpiece by removing contaminants from the workpiece surface, or to shape the workpiece by removing workpiece material itself.

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.When cleaning a workpiece surface with a laser beam, it often happens that a portion of the ablated with the laser beam impurities again reflected on the workpiece surface and this newly contaminated. Even when removing the workpiece material in the shaping processing with laser beam, the abraded workpiece material may partially re-impact on the workpiece surface and thus lead to an irregular surface around the processed area.

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.In order to overcome this problem, it has been proposed to direct, in addition to the laser beam, a plasma jet to the point to be processed on the workpiece surface. Due to the plasma jet, the material removed by the laser beam can be decomposed or converted so that it no longer deposits on the workpiece surface. However, it has not yet been possible to reliably transfer this process to industrial operation. In particular, the alignment of the plasma jet with the laser beam processed point on the workpiece surface turned out to be difficult.

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.Against this background, the object of the present invention is to provide a device for processing a surface of a workpiece with a laser beam, as well as a method for its operation, with which process-reliable and reliable processing of surfaces can be achieved.

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.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 leakage, according to the invention at least partially solved in that the laser system and the plasma nozzle are arranged and arranged to each other so that the laser beam exits during operation together with the plasma jet from the nozzle opening of the plasma nozzle.

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.It has been recognized that 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. In this way, the laser beam and the plasma jet are also always directed to the same location on the workpiece surface to be treated.

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.The device is used to machine a surface of a workpiece with a laser beam. The processing of a surface of a workpiece may in particular be the cleaning of the surface, for example organic contaminants. Such impurities can be removed well with a laser beam, but easily return to the surface. With 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.

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.The device comprises a laser system for providing the laser beam. Thus, 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. Preferably, a pulsed laser beam or a laser source is used to generate a pulsed laser beam. 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.

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.The apparatus further includes a plasma nozzle configured to generate an atmospheric plasma jet. In the present case, 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 which is below atmospheric pressure is operated, ie, in which the plasma jet is directed into an environment having substantially atmospheric pressure.

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.The plasma nozzle has a nozzle opening from which emerges a plasma jet generated in the plasma nozzle during operation. The position of the nozzle opening specifies the beam direction of the plasma jet. By aligning the nozzle opening, the plasma jet can be directed to a specific location on the surface of a workpiece.

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.The laser system and the plasma nozzle are arranged and arranged to one another such that the laser beam emerges from the nozzle opening of the plasma nozzle together with the plasma jet during operation. For this purpose, the plasma nozzle is in particular designed such that a laser beam provided by the laser system can be guided through the plasma nozzle and out of the nozzle opening of the plasma nozzle. Furthermore, the laser system is in particular arranged and set up such that the laser beam provided by the laser system, during operation, extends through the plasma nozzle and out of the nozzle opening of the plasma nozzle.

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.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 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 emerges simultaneously with the plasma jet from the nozzle opening of the plasma nozzle.

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.By the simultaneous exit of the laser beam and the plasma jet from the nozzle opening, a location on the surface to be machined of the workpiece can be acted upon simultaneously with the laser beam and the plasma jet, so that with the plasma jet from the workpiece surface removed material, in particular an impurity, through the plasma jet decomposed or converted, in particular can be oxidized.

Die zuvor beschriebene Vorrichtung und das zuvor beschriebene Verfahren dienen vorzugsweise zur Reinigung einer Oberfläche eines Werkstücks.The apparatus and the method described above are preferably used for cleaning a surface of a workpiece.

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.In the following, various embodiments of the device and of the method are described, wherein the individual embodiments are applicable to both the device and the method and can also be combined with each other.

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 geachtet. 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.In a first embodiment of the method, the plasma jet emerging from the nozzle opening and the laser beam emerging from the nozzle opening are paid attention to 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 can decompose or convert the eroded material with the laser beam.

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.In a further embodiment, the plasma nozzle has a tubular housing and the laser beam passes through the tubular housing of the plasma nozzle during operation. For this purpose, in particular, the laser system and the plasma nozzle are arranged and arranged to one another such that the laser beam passes through the tubular housing of the plasma nozzle during operation. 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.

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.In a further embodiment, the plasma nozzle is adapted to generate an atmospheric plasma jet by means of an arc-like discharge in a working gas, wherein the arc-like discharge can be generated by applying a high-frequency high voltage between electrodes. In a corresponding embodiment of the method, the atmospheric plasma jet is generated by means of an arc-like discharge in a working gas, wherein the arc-like discharge is generated by applying a high-frequency high voltage between electrodes.

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. 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.As a working gas, for example, nitrogen (N 2 ), a nitrogen-hydrogen mixture (N 2 / H 2 , Formiergas), argon (Ar), an argon-nitrogen mixture (Ar / N 2 ) or oxygen (O 2 ) be used. If an oxidation of the surface to be processed is to be avoided, it is preferable to use reducing forming gas which actively counteracts oxidation. Alternatively, Ar or Ar / N 2 can also be used, whereby oxygen can be kept away from the treated area. If oxidation of the surface to be treated is tolerable, O 2 is preferably used as the working gas, since in this way a good decomposition or conversion (oxidation) of the material removed by the laser beam from the surface is achieved.

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.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 - 50 kHz understood. In this way, a reactive plasma jet can be produced which can be focused well and is thus well suited for the decomposition or conversion of material removed by the laser beam from a workpiece surface. In addition, a plasma jet generated in this way has a comparatively low temperature, so that damage to the workpiece can be prevented.

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.In a further embodiment, the plasma nozzle has an inner electrode arranged inside the housing. In particular, 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.

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.In a further embodiment, the plasma nozzle has an inner electrode arranged inside the housing with an inner channel and, during operation, the laser beam runs through the inner channel to the nozzle opening. For this purpose, in particular, the laser system and the plasma nozzle are arranged and arranged to one another such that the laser beam runs in operation through the inner channel and through the nozzle opening.

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.It has been recognized that a laser beam can advantageously be passed through a plasma nozzle with an inner electrode by providing the inner electrode with an inner channel, so that the laser beam can be conducted 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.

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.In a further embodiment, 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. In a corresponding embodiment of the method, 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.

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.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. A continuous variation is understood to mean that the beam direction of the laser beam is continuously changed. By way of example, 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.

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.The laser system preferably varies the beam direction of the laser beam cyclically, for example in such a way that the position of the laser beam in the cross section of the nozzle opening reciprocates on a line or moves on a circle.

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.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 on the surface of the workpiece can be increased, without having to change the orientation of the plasma nozzle to the workpiece.

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.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.

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.The nozzle opening may be circular, oval or slot-shaped. In the case of a slot-shaped nozzle opening, the beam direction of the laser beam can in particular be varied so that the position of the laser beam reciprocates in the cross section of the nozzle opening over the length of the slot. 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 in particular faster decomposition or conversion of the material removed by the laser beam from the surface to be treated.

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.In a further embodiment, 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. The integration of the plasma nozzle and the laser system into a device and the process-reliable simultaneous impactability of a location on a workpiece surface with the laser beam and the plasma jet enables a robust operation and thus the integration on a robot arm, without it being necessary, the alignment of the plasma nozzle and of the laser beam to each other consuming to regulate.

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.Accordingly, the above object according to the invention is further solved by a Arrangement for processing a surface of a workpiece with a robot arm and with the device described above or an embodiment thereof, wherein the device is mounted on the robot arm, preferably mounted.

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.In a further embodiment, the device or the arrangement comprises a control device for controlling the device or the arrangement, which is set up to control the device according to the previously described method or one of the described embodiments thereof.

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.In one embodiment of the method, 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, the widest possible strip on the workpiece surface can be processed along the track. In a corresponding embodiment of the arrangement, 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 beam on the workpiece surface describe a predetermined track. For example, 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.

Weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen, wobei auf die beigefügte Zeichnung Bezug genommen wird.Further features and advantages of the present invention will become apparent from the following description of embodiments, reference being made to the accompanying drawings.

In der Zeichnung zeigenIn the drawing show

1 ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung und des erfindungsgemäßen Verfahrens, 1 An embodiment of the device according to the invention and of the method according to the invention,

2 einen Ausschnitt der Vorrichtung aus 1 in vergrößerter Darstellung, 2 a section of the device 1 in an enlarged view,

3a–c drei Beispiele für Düsenöffnungen und Trajektorien der Position des Laserstrahl im Querschnitt der Düsenöffnungen und 3a C shows three examples of nozzle openings and trajectories of the position of the laser beam in the cross section of the nozzle openings and

4 ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Anordnung. 4 an embodiment of the inventive arrangement.

1 zeigt ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung und des erfindungsgemäßen Verfahrens in schematischer Darstellung. 1 shows an embodiment of the device according to the invention and the method according to the invention in a schematic representation.

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.The device 2 for editing a surface 4 a workpiece 6 with a laser beam 8th has a housing 10 into which a laser system 12 for providing the laser beam 8th is integrated and connected to the one plasma nozzle 14 for generating an atmospheric plasma jet 16 connected.

Im Folgenden werden zunächst der Aufbau und die Betriebsweise der Plasmadüse 14 anhand der 2 beschrieben, die den Bereich der Plasmadüse 14 der Vorrichtung 2 aus 1 in vergrößerter Darstellung zeigt.In the following, first, the structure and operation of the plasma nozzle 14 based on 2 described the area of the plasma nozzle 14 the device 2 out 1 in an enlarged view shows.

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.The plasma nozzle 14 has a tubular housing 18 in the form of a metal nozzle tube located on the housing 10 the device 2 screwed on. The nozzle tube 18 has a conical rejuvenation at one end 20 on, on which a replaceable nozzle head 22 is mounted, whose outlet is a nozzle opening 24 forms, from the plasma jet during operation 16 exit.

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.At the nozzle opening 24 opposite end is the nozzle tube 18 to a working gas supply line 26 of the housing 10 connected. The working gas supply 26 is again via a on the housing 10 connected hose package 28 connected to a pressurized working gas source (not shown) with variable flow rate. In operation, a working gas 30 from the working gas source through the hose package 28 and the working gas supply 26 into the nozzle tube 18 initiated.

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.In the nozzle tube 18 is still a twisting device 32 with a wreath of obliquely set in the circumferential direction holes 34 provided by the in operation in the nozzle tube 18 initiated working gas 30 is twisted.

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.The downstream, part of the nozzle tube 18 is therefore from the working gas 30 in the form of a vortex 36 flows through, the core on the longitudinal axis of the nozzle tube 18 runs.

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.In the nozzle tube 18 is still centrally an internal electrode 38 arranged in the nozzle tube 18 coaxial in the direction of the nozzle opening 24 extends. The inner electrode 38 is electric with the twisting device 32 connected. The swirl device 32 is through a ceramic tube 40 electrically against the nozzle tube 18 isolated. About one through the hose package 28 guided high-frequency line 42 gets to the inner electrode 38 a high frequency high voltage applied by a transformer 44 is produced. The nozzle tube 18 is via a grounding line 46 grounded, which also through the hose package 28 can be guided. Due to the applied voltage, a high-frequency discharge is in shape an arc 48 between the inner electrode 38 and the nozzle tube 18 generated.

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.The terms "arc", "arc discharge" and "arc discharge" are used herein as phenomenological descriptions of the discharge, since the discharge occurs in the form of an arc. The term "arc" is otherwise used as a discharge form in DC discharges with substantially constant voltage values. In the present case, however, it is a high-frequency discharge in the form of an arc, ie a high-frequency arc-like discharge.

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.Due to the swirling flow of the working gas this arc 48 in the vortex core in the region of the axis of the nozzle tube 18 canalized so that it is only in the area of rejuvenation 20 to the wall of the nozzle tube 18 branched.

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.The working gas 30 , in the area of the vortex core and thus in the immediate vicinity of the arc 48 rotated at high flow rate, comes with the arc 48 in intimate contact and is thereby partly transferred to the plasma state, so that an atmospheric plasma jet 16 through the nozzle opening 24 from the plasma nozzle 14 exit.

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.That in the case 10 the device 2 integrated laser system 12 has a laser source 62 on, for example, a fiber laser, the laser beam in operation 8th generated. The laser source 62 is via a supply line 64 supplied with electrical energy. Alternative to the laser source 62 can the device 2 for example, also have a light guide which is connected to an external laser source. The laser system 12 also has a mirror optics 66 on, with that of the laser source 62 generated laser beam 8th can be redirected.

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.The laser system 12 and the plasma nozzle 14 are arranged to each other and set up that the laser beam 8th in operation together with the plasma jet 16 from the nozzle opening 24 the plasma nozzle 14 exit. For this purpose, the inner electrode 38 the plasma nozzle 14 an inner channel 68 on, whose longitudinal axis with the nozzle opening 24 flees. To the inner electrode 38 is a coupling tube 70 connected to the inner channel 68 in the case 10 to the laser system 12 extended. The mirror optics 66 of the laser system 12 is arranged so that that of the laser source 62 generated laser beam 8th in the coupling tube 70 is guided, through the inner channel 68 the inner electrode 38 and the nozzle tube 18 to the nozzle opening 24 runs and so together with the plasma jet 16 from the nozzle opening 24 exit.

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.This will get the laser beam 8th and the plasma jet 16 in operation together and in the same place 72 on the surface 4 of the workpiece 6 , The workpiece surface 4 is caused by the incident laser beam 8th at the point 72 edited by the laser beam 8th Material such as an impurity 74 on the surface 4 is evaporated. The laser beam 8th evaporated material 76 is through the plasma jet 16 decomposed or transformed so that it does not reappear on the surface 4 can knock down. In this way, particularly organic contaminants can be removed from a surface because the organic material removed by the laser beam is decomposed and oxidized by the plasma jet.

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 μm, 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.While the plasma jet has a diameter of typically several millimeters, the laser beam has 8th typically a diameter of less than 1 mm, in particular less than 200 μm, and therefore a correspondingly small spot size on the surface to be processed 4 , Because of this, the laser beam becomes 8th preferably continuously pivoted to already independent of a relative movement between the plasma nozzle 14 and the surface 4 a larger area of the surface 4 to edit.

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.For this purpose, the laser system 12 adapted to the beam direction of the laser beam 8th continuously vary so that the position of the laser beam 8th in the cross section of the nozzle opening 24 changed continuously. For this purpose, the laser system 12 a mirror 78 on, which can be pivoted via a corresponding control (not shown). By pivoting the mirror 78 can the beam direction of the laser beam 8th be varied so that the laser beam 8th at different angles in the coupling tube 70 can be performed. The coupling pipe 70 , the inside channel 68 and the nozzle opening 24 are sized so that the laser beam 8th even at the different angles to the nozzle opening 24 get through and out of the plasma nozzle 14 can emerge. Preferably, the plasma nozzle at least in one direction has a diameter of at least 3 mm. With a round nozzle opening, the diameter is preferably in the range of 3 to 6 mm. For a slot-shaped nozzle, the slot length, ie the nozzle diameter in the slot direction, is preferably up to 30 mm.

In den 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).In the 3a -C are three examples of nozzle openings 24 . 24 ' and trajectories 80 . 80 ' the position of the laser beam 8th in the cross section of the nozzle openings 24 . 24 ' shown. 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 movement of the mirror 78 (dashed arrows).

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. 3a shows first a round nozzle opening 24 , which may for example have a diameter of 5 mm. The mirror 78 is driven so that it continuously reciprocates in one direction, so that correspondingly the position of the laser beam 8th in the nozzle opening cross section on a straight trajectory 80 moved back and forth. This allows the surface 4 without movement of the plasma nozzle 14 be edited on a linear area.

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.To get a larger surface area on the surface 4 to edit, the device can 2 or the plasma nozzle 14 on the one hand and the surface 4 on the other hand are moved relative to each other. The movement of the plasma nozzle 14 is preferably transverse to the largest extension of the trajectory 80 (indicated by the arrow 82 ). In this way, when moving the plasma nozzle 14 a broadest possible strip 84 on the surface 4 of the workpiece 6 processed.

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 3a linienförmig und entsprechend der Schlitzrichtung ausgerichtet. 3b shows an alternative slot-shaped nozzle opening 24 ' with a slot about 5 mm long. The trajectory 80 the position of the laser beam 8th is like in 3a line-shaped and aligned according to the slot direction.

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. 3c shows again the round nozzle opening 24 with a diameter of 5 mm. In this embodiment, the mirror 78 pivoted in two directions so that the position of the laser beam 8th moving on a circle, so is a circular trajectory 80 ' results.

Eine kreisförmige Trajektorie wie in 3c hat den Vorteil, dass sich unabhängig von der Bewegungsrichtung der Plasmadüse 14 dieselbe Streifenbreite ergibt. Demgegenüber hat eine linienförmige Trajektorie wie in 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.A circular trajectory as in 3c has the advantage of being independent of the direction of movement of the plasma nozzle 14 same strip width results. In contrast, has a linear trajectory as in 3a and 3b the advantage that the control of the mirror 78 is simplified and the strip width by adjusting the angle between the axis of the trajectory 80 and the direction of movement 82 infinitely variable.

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.The device described above 2 allows process-reliable machining of workpiece surfaces. Because of the laser beam 8th and the plasma jet 16 together from the nozzle opening 24 emerge, it is guaranteed that laser beam 8th and plasma jet 16 impinge on the surface to be treated in the same place. An elaborate and continuous control to align the laser beam 8th and the plasma jet 16 therefore each other can be omitted.

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.This makes it possible to use the device for the treatment of intricately shaped surfaces or for the treatment of various surface positions, the pivoting of the device 2 make necessary. Such a surface treatment can be carried out advantageously with a multi-axis robotic arm.

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. 4 shows an arrangement 100 with such, in this case 6-axis robot arm 102 and the device 2 on the robot arm 102 is mounted. For this purpose, the device 2 Mounting means such as tapped holes for mounting on the robot arm 102 exhibit.

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.With the robot arm 102 can the device 2 now be moved to any position and aligned arbitrarily, for example, to run a complicated surface to be treated of a workpiece. For this purpose, the arrangement includes 100 another 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.

Claims (11)

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.Contraption ( 2 ) for processing a surface ( 4 ) of a workpiece ( 6 ) with a laser beam ( 8th ), - with a laser system ( 12 ) for providing the laser beam ( 8th ) and - with a plasma nozzle ( 14 ) used to generate an atmospheric plasma jet ( 16 ), wherein the plasma nozzle ( 14 ) a nozzle opening ( 24 . 24 ' ), from the in operation in the plasma nozzle ( 24 . 24 ' ) generated plasma jet ( 8th ), characterized in that - the laser system ( 12 ) and the plasma nozzle ( 14 ) are arranged and arranged to one another such that the laser beam ( 8th ) in operation together with the plasma jet ( 16 ) from the nozzle opening ( 24 . 24 ' ) of the plasma nozzle ( 14 ) exit. 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.Apparatus according to claim 1, characterized in that the plasma nozzle ( 14 ) a tubular housing ( 18 ) and the laser beam ( 8th ) in operation through the tubular housing ( 18 ) of the plasma nozzle ( 14 ) runs. 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.Apparatus according to claim 2, characterized in that the plasma nozzle ( 14 ) one within the housing ( 18 ) arranged inside electrode ( 38 ) with an inner channel ( 68 ) and the laser beam ( 8th ) in operation through the inner channel ( 68 ) to the nozzle opening ( 24 . 24 ' ) runs. 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 variieren, dass sich die Position des Laserstrahl (8) im Querschnitt der Düsenöffnung (24, 24') kontinuierlich verändert.Device according to one of claims 1 to 3, characterized in that the laser system ( 12 ) is adapted to the beam direction of Laser beam ( 8th ) continuously vary so that the position of the laser beam ( 8th ) in the cross section of the nozzle opening ( 24 . 24 ' ) changed continuously. 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.Device according to one of claims 1 to 4, characterized in that the plasma nozzle ( 14 ) is adapted to produce an atmospheric plasma jet ( 8th ) by means of an arc-like discharge in a working gas, wherein the arc-like discharge can be generated by applying a high-frequency high voltage between electrodes. 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.Device according to one of claims 1 to 5, characterized in that the device ( 2 ) is configured such that it is connected to a robot arm ( 102 ), in particular a multi-axis robotic arm can be connected. 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.Device according to one of claims 1 to 6, characterized in that the device ( 2 ) a control device ( 104 ) for controlling the device ( 2 ), which is adapted to operate the device ( 2 ) according to a method according to any one of claims 9 to 11. 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.Arrangement ( 100 ) for processing a surface ( 4 ) of a workpiece ( 6 ) with a laser beam ( 8th ), - with a robot arm ( 102 ) and - with a device ( 2 ) according to one of claims 1 to 7, wherein the device ( 2 ) on the robot arm ( 102 ) mountable, preferably mounted. 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.Method for operating a device ( 2 ) according to one of claims 1 to 7 or an arrangement ( 100 ) according to claim 8, - in which with the plasma nozzle ( 14 ) an atmospheric plasma jet ( 16 ) is generated, so that this from the nozzle opening ( 24 . 24 ' ) of the plasma nozzle ( 14 ), - in which with the laser system ( 12 ) a laser beam ( 8th ) is provided so that the laser beam ( 8th ) at the same time as the plasma jet ( 16 ) from the nozzle opening ( 24 . 24 ' ) of the plasma nozzle ( 14 ) exit. 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.Method according to claim 9, characterized in that the plasma jet emerging from the nozzle opening ( 16 ) and from the nozzle opening ( 24 . 24 ' ) emerging laser beam ( 8th ) on a surface to be treated ( 4 ) of a workpiece ( 6 ). Verfahren nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Richtung des Laserstrahls (8) kontinuierlich so variiert wird, dass sich die Position des Laserstrahls (8) im Querschnitt der Düsenöffnung (24, 24') kontinuierlich verändert.Method according to claim 9 or 10, characterized in that the direction of the laser beam ( 8th ) is continuously varied so that the position of the laser beam ( 8th ) in the cross section of the nozzle opening ( 24 . 24 ' ) changed continuously.
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