WO2013117754A1 - Vorrichtung zur laserbearbeitung einer oberfläche eines werkstücks oder zur nachbehandlung einer beschichtung auf der aussenseite oder der innenseite eines werkstücks - Google Patents

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WO2013117754A1
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outside
coating
tube
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Paul Alexander Harten
Peter Bruns
Vitalij Lissotschenko
Thomas Mitra
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Limo Patentverwaltung Gmbh & Co. Kg
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    • C23C4/00—Coating by spraying the coating material in the molten state, e.g. by flame, plasma or electric discharge
    • C23C4/12—Coating by spraying the coating material in the molten state, e.g. by flame, plasma or electric discharge characterised by the method of spraying
    • C23C4/129—Flame spraying
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    • C23C4/12—Coating by spraying the coating material in the molten state, e.g. by flame, plasma or electric discharge characterised by the method of spraying
    • C23C4/134—Plasma spraying
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    • B23K2103/50—Inorganic material, e.g. metals, not provided for in B23K2103/02 – B23K2103/26

Definitions

  • the present invention relates to an apparatus for processing a surface of a workpiece or for the post-treatment of a coating on the outside or the inside of a
  • Workpiece in particular a metal workpiece, preferably a tube.
  • the invention further relates to a method for
  • the invention further relates to a method for coating the outside or the inside of a workpiece.
  • the workpiece may in particular consist of metal or comprise metal. Furthermore, it may in particular have a cylindrical shape and be, for example, a pipe or a rod.
  • the coatings which can be processed with the aid of the invention may comprise, for example, at least one layer which is in contact with the
  • Such coatings are often intended to serve as anti-corrosion or wear-resistant coatings.
  • the coatings must be thermally post-processed in order to convert the applied powdered materials into a solid one
  • the aftertreatment of a coating arranged in the interior of a pipe proves to be particularly complicated.
  • the problem underlying the present invention is the provision of a device of the type mentioned, which can effectively treat a, in particular arranged in the interior of a pipe, coating or can effectively work a surface of a workpiece. Furthermore, methods for processing a surface of a workpiece or for the post-treatment of a coating on the outside or inside of a
  • the device is movable through the workpiece or outside the workpiece
  • Process head an optical fiber for supplying laser light to the process head or means for generating laser light in the
  • Process head and optical means in the process head includes, which can act on the inside or the outside of the workpiece with the laser light.
  • a surface of a workpiece can be processed effectively or the coating can be effectively reworked, with it being possible in particular for a coating, smelting or melting of coating constituents to be carried out on or into the surface of the underlying workpiece.
  • coatings are workable, but also uncoated metal surfaces.
  • a device according to the invention allows, in a similar manner such as coatings also post-process polished and / or ground metal surfaces which have been pretreated by other methods, for example mechanical machining
  • the last-mentioned forms (annealing, sintering, hardening) and the smoothening of a molten surface can be used in the same way for the laser after-treatment of coatings.
  • the process header may look like one from another
  • the optical means comprise a component which is designed in such a way that the laser light in the component is deflected by internal reflection and / or refraction, so that it is applied to the outside to be treated or treated
  • Such a component can be much easier to adjust and manufacture than, for example, a mirrored component on the outer sides of the laser light is reflected to the pipe inner walls.
  • optical means such as
  • annular intensity distribution can be determined by the movement of the
  • optical means a
  • Homogenizer agents include, for example, a
  • the laser light can be optimally shaped and homogenized for the annular intensity distribution.
  • the method claimed in this application is characterized in particular in that it achieves a uniformly distributed heat-affected zone, and that it
  • Transitionless means for the workpiece that no thermal stresses occur along the surface or along the coating on the workpiece during the laser treatment, which cracks in the surface
  • the optical means may be designed such that the
  • Intensity distribution of the laser light at the front, in which the intensity distribution moves, has a different edge shape, as on the back.
  • Intensity distribution at the front must be optimized for material not yet irradiated and the flank form of the intensity distribution at the back must be optimized for already irradiated material.
  • the angle of incidence is not exactly 90 °. This has the advantage that no back reflections can get into the laser light source or the laser light sources.
  • FIG. 1 shows a schematic sectional view through a tube with a partially depicted first embodiment of a device according to the invention
  • Fig. 2 is a schematic sectional view of a second
  • Fig. 3 is a schematic sectional view of a third
  • Fig. 5 is a schematic sectional view corresponding to Fig.4 of the fourth embodiment with a wider laser beam
  • Fig. 6 is a schematic sectional view of a fifth
  • Embodiment of a component of the optical means of a device according to the invention with an exemplary laser beam is a perspective view of a homogenizer means a schematic representation (l (z) / z) of a first intensity distribution of the laser light on the workpiece. a schematic representation (l (z) / z) of a second intensity distribution of the laser light on the workpiece; a schematic representation (L (z) / z) of a third intensity distribution of the laser light on the workpiece; a schematic sectional view through a pipe with a partially mapped second embodiment of a device according to the invention; a schematic view of an optical structure of the device of FIG. 12; a schematic representation (l (z) / z) of a fourth intensity distribution of the laser light on the workpiece; an exemplary illustration of a linear
  • a coating has been applied in a tube 1 on the inside thereof, which consists for example of powdered material.
  • this may be a coating applied by means of high-speed flame spraying.
  • this can be a coating applied by means of high-speed flame spraying.
  • Coating Al 2 0 3 include.
  • the coating can be a few 100 ⁇ m thick.
  • the coating on the inside of the tube 1 should be aftertreated. This can be done in particular by the fact that the coating with the same
  • the coating can be partially melted and the individual powdery components of the layer can be firmly joined together.
  • the finished coatings may, for example, be an anti-corrosion layer or a wear-resistant layer.
  • the tube 1 may in particular consist of metal or comprise metal.
  • the device according to the invention comprises a laser light source 16 and a process head 2, which is movable in the interior of the tube 1, in particular in the axial direction.
  • the laser light source 16 is shown only schematically and in particular not true to scale with an optical fiber 5 connected thereto, which is also not shown to scale.
  • Laser light is to be understood in the present application not only visible light, but any type of laser radiation, such as IR radiation or UV radiation.
  • the process head 2 has in the illustrated embodiment to on its outside guide rollers 3, which on the
  • the process head 2 is with a guide tube 4, through which the laser light from an external laser light source can be supplied to the process head 2 via an optical fiber 5.
  • a guide tube 4 through which the laser light from an external laser light source can be supplied to the process head 2 via an optical fiber 5.
  • Process head 2 may be provided a laser light source.
  • the guide tube 4 can also be used to guide the guide tube 4
  • At least one line for process gases to be passed for example, if the post-treatment of the coating to be carried out to be carried out under a protective gas atmosphere.
  • nozzles 6, in particular annular nozzles 6 for the exit of the process gas can be seen.
  • optical means 7 are arranged, which form the emerging from the end 8 of the optical fiber 5 laser light and can deflect to the inside of the tube 1.
  • the optical means comprise a cone-shaped component 9 which is particularly reflective on the outside and which can divert the laser light outwards onto the inner sides of the tube 1 such that an annular intensity distribution of the laser light arises there.
  • This annular intensity distribution can be moved along the inside of the tube 1 in the axial direction by the movement of the process head 2, so that the application of laser light can thereby be effected very effectively.
  • Intensity distribution in the axial direction can be selected according to the application. It is thus either possible to move the process head 2 to the right in FIG. 1 or to the left in FIG.
  • a criterion for the direction of movement can be, for example, whether the coating on the inside of the tube 1 before the irradiation is resistant enough to come in contact with the guide rollers 3, for example.
  • FIGS. 2 to 7 show further rotationally symmetrical components 9 which are not mirrored on their outside.
  • FIGS. 2 to 4 and FIGS. 6 and 7 each show only a part of the laser light 10, which is incident off-center and is therefore deflected only to one side.
  • the incident laser light 10 enters the component 9 through a planar surface 11 oriented perpendicularly to the laser light 10, experiences a total internal reflection on a further surface 12 and passes through a further surface 13 out. Due to the rotational symmetry of the component 9, this results in an annular intensity distribution of the
  • the laser light 10 is deflected overall by an angle of approximately 75 °.
  • the laser light 10 is deflected in total by an angle of about 90 °.
  • the laser light passes without internal reflection by a Surface 13 of the component 9 from.
  • the laser light 10 experiences a total internal reflection on a further surface 12 and exits through a surface 13.
  • the laser light 10 is deflected overall by an angle of approximately 55 °.
  • the laser light 10 is deflected in total by an angle of about 90 °.
  • the optical means 7 may further at least one
  • Homogenizer 14 include, which may consist of a lens array with concentric or coaxially arranged lenses 15 in the case of a desired annular intensity distribution (see an embodiment in Fig. 8). Such a thing
  • Homogenizer means 14 may be designed so that it emits an angular distribution of the laser radiation with an M-profile.
  • a comparable lens array is in WO 2012/095422 A2
  • FIGS. 9 to 11 are possible examples
  • the axial direction z is applied to the right, so that the representations show the profile of the laser radiation in the transverse direction of the ring.
  • the arrow 20 indicates the direction of advance of the intensity distribution on the inside of the tube 1.
  • the dashed line 21 indicates an exemplary Gaussian profile. From such a profile, the intensity distribution 17 deviates through a region 22 which is the rear edge of the distribution increases, so that after the maximum intensity 23, a phase longer reheating is achieved.
  • the dashed line 21 again indicates an exemplary Gaussian profile. From such a profile gives way to the
  • Intensity maximum 23 a phase of preheating is achieved.
  • the intensity distribution 19 shown in FIG. 11 is a
  • Circumferential direction to be moved over the inside of the tube.
  • FIGS. 12 and 13 shows the optical structure in which the
  • Optic means 7 a collimating lens 25, preferably
  • uniaxial two-stage homogenizer 26 a mirror 27 and a Fourier lens 28 include.
  • a line-shaped angular distribution of the laser light 10 is generated by the optical means 7, wherein the longitudinal direction of the line extends in the radial direction of the tube 1. Furthermore, the mirror 27, which is inclined at an angle of, for example, 45 ° to the axial direction of the tube 1, the line-shaped intensity distribution of the laser light 10 on the
  • the mirror 27 can be rotated together with the homogenizer 26 and possibly also with the other optical means 7 about the axial direction.
  • Fig. 12 illustrates this spiral movement schematically, wherein for clarity, the spiral has been stretched, so that between the individual
  • irradiated areas 29 unirradiated areas 30 can be seen.
  • This structure is for illustrative purposes only. In practice, of course, a gapless or preferably overlapping action on the inside of the tube 1 with the laser light 10 is provided.
  • Fig. 14 shows an example of a possible intensity distribution 31 of the laser light 10 on the inside of the tube 1 as a function of z.
  • the axial direction z is applied to the right, so that the representations show the profile of the laser radiation in the longitudinal direction of the linear intensity distribution.
  • the arrow 20 again indicates the direction of advance of the intensity distribution 31 on the inside of the tube 1.
  • Fig. 14 illustrates that even in the linear
  • Intensity distribution 31 the flank 32, the unprocessed material irradiated and the edge 33, the illuminated material already irradiated can be designed differently. However, the design can be adapted in detail to the thermal properties of the sample and the rotational speed of the line.
  • Fig. 15 shows once again the line-shaped intensity distribution 31 in plan view. It is schematically indicated that the extension of the beam cross-section in the z-direction (from left to right in FIG. 15) is significantly greater than in the direction perpendicular thereto (from top to bottom in FIG. 15), that of the circumferential direction of the tube 1 equivalent.
  • outsides of workpieces can be aftertreated with the device according to the invention.
  • a cylindrical workpiece which may be a pipe but also a rod, a
  • This "outer laser ring” can then be moved in the axial direction along the cylindrical workpiece.
  • the laser radiation used in the processing of the surface or the aftertreatment of the coating may have a wavelength between 192 nm and 10700 nm. Furthermore, in the processing of the surface or the aftertreatment of
  • Coating used laser radiation have a power between 300 W and 300 kW. Furthermore, in the processing of the Surface or the aftertreatment of the coating laser radiation used have an intensity between 6 kW / cm 2 and 1000 kW / cm 2 .
  • the laser radiation used in the processing of the surface or the aftertreatment of the coating may have an extension of the line focus in the long axis between 1 mm and 6000 mm. Furthermore, the laser radiation used in the processing of the surface or the aftertreatment of the coating can have an extension of the line focus in the short axis between 50 ⁇ m and 5 mm.
  • the relative speed between the workpiece surface and the laser beam can be between 1 mm / s and 1000 mm / s.
  • the intensity distribution of the laser light at the front side in which the intensity distribution moves in the axial direction of the tube 1, has a different flank shape than at the rear side.
  • the flank shape of the intensity distribution at the front can be optimized for not yet irradiated material and the flank shape of the intensity distribution can be optimized at the back for already irradiated material.

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Abstract

Vorrichtung zur Bearbeitung einer Oberfläche eines Werkstücks oder zur Nachbehandlung einer Beschichtung auf der Außenseite oder der Innenseite eines Werkstücks, insbesondere eines Metallwerkstücks, vorzugsweise eines Rohres, umfassend einen durch das Werkstück oder außerhalb des Werkstücks bewegbaren Prozesskopf (2), eine Lichtleitfaser (5) Mittel zur Zuführung von Laserlicht (10) zu dem Prozesskopf (2) oder Mittel zur Erzeugung von Laserlicht in dem Prozesskopf (2), sowie in dem Prozesskopf (2) angeordnete Optikmittel (7), die die Innenseite oder die Außenseite des Werkstücks mit dem Laserlicht (10) beaufschlagen können.

Description

VORRICHTUNG ZUR LASERBEARBEITUNG EINER OBERFLÄCHE EINES WERKSTÜCKS ODER ZUR NACHBEHANDLUNG EINER BESCHICHTUNG AUF DER AUSSENSEITE ODER DER INNENSEITE EINES WERKSTÜCKS
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Bearbeitung einer Oberfläche eines Werkstücks oder zur Nachbehandlung einer Beschichtung auf der Außenseite oder der Innenseite eines
Werkstücks, insbesondere eines Metallwerkstücks, vorzugsweise eines Rohres. Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zur
Bearbeitung einer Oberfläche eines Werkstücks oder zur
Nachbehandlung einer Beschichtung auf der Außenseite oder der Innenseite eines Werkstücks, insbesondere mit einer Vorrichtung der vorgenannten Art. Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zur Beschichtung der Außenseite oder der Innenseite eines Werkstücks.
Das Werkstück kann insbesondere aus Metall bestehen oder Metall umfassen. Weiterhin kann es insbesondere eine zylindrische Form aufweisen und beispielsweise ein Rohr oder ein Stab sein. Die mit Hilfe der Erfindung bearbeitbaren Beschichtungen können dabei beispielsweise mindestens eine Schicht umfassen, die mit dem
Hochgeschwindigkeits-Flammspritzen oder dem Plasmaspritzen hergestellt wurde oder die eine durch Spritzen, durch Benetzung oder durch Bestreichung aufgebrachte Schicht ist.
Derartige Beschichtungen sollen häufig als Anti-Korrosions- oder Verschleißschutzschichten dienen. Die Beschichtungen müssen in der Regel thermisch nachbearbeitet werden, um eine Umwandlung der aufgebrachten pulverförmigen Materialien in eine feste
zusammenhängende Schicht zu erzielen. Die Nachbehandlung einer im Inneren eines Rohres angeordneten Beschichtung erweist sich dabei als besonders aufwendig. Das der vorliegenden Erfindung zugrundeliegende Problem ist die Schaffung einer Vorrichtung der eingangs genannten Art, die eine, insbesondere im Inneren eines Rohres angeordnete, Beschichtung effektiv nachbehandeln kann oder eine Oberfläche eines Werkstücks effektiv bearbeiten kann. Weiterhin sollen Verfahren zur Bearbeitung einer Oberfläche eines Werkstücks oder zur Nachbehandlung einer Beschichtung auf der Außenseite oder der Innenseite eines
Werkstücks sowie zur Beschichtung der Außenseite oder der
Innenseite eines Werkstücks angegeben werden.
Dies wird erfindungsgemäß durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie durch die Verfahren mit den Merkmalen der Ansprüche 16 und 18 gelöst. Die Unteransprüche betreffen
bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung.
Gemäß Anspruch 1 ist vorgesehen, dass die Vorrichtung einen durch das Werkstück oder außerhalb des Werkstücks bewegbaren
Prozesskopf, eine Lichtleitfaser zur Zuführung von Laserlicht zu dem Prozesskopf oder Mittel zur Erzeugung von Laserlicht in dem
Prozesskopf sowie Optikmittel in dem Prozesskopf umfasst, die die Innenseite oder die Außenseite des Werkstücks mit dem Laserlicht beaufschlagen können. Durch die Beaufschlagung mit Laserstrahlung lässt sich eine Oberfläche eines Werkstücks effektiv bearbeiten oder die Beschichtung effektiv nachbearbeiten, wobei sich insbesondere ein An-, Auf- oder Einschmelzen von Beschichtungsbestandteilen an, auf oder in die Oberfläche des darunter liegenden Werkstückes realisieren lässt.
Mit Hilfe einer erfindungsgemäßen Vorrichtung oder eines
erfindungsgemäßen Verfahrens sind nicht nur Beschichtungen bearbeitbar, sondern auch unbeschichtete Metalloberflächen. Eine erfindungsgemäße Vorrichtung erlaubt es, in ähnlicher Art und Weise wie Beschichtungen auch polierte und/oder geschliffene Metalloberflächen nachzubearbeiten, die mit anderen Verfahren vorbehandelt wurden, beispielsweise mechanische spanende
Bearbeitung, chemische Reinigung/Ätzen durch Eintauchen in
/Bestreichen des Werkstückes mit eine/r Lösung, mechanisches Schleifen/Polieren mit mechanischen Schleif- und/oder
Polierwerkzeugen.
Bei der Bearbeitung von Metalloberflächen können diese
aufgeschmolzen oder gezielt bis unterhalb des Schmelzpunktes erhitzt werden. Im Fall des Aufschmelzens glättet die an der
Schmelzoberfläche wirkende Oberflächenspannung die Oberfläche mit erreichbaren Rauhigkeitswerten Ra < 0,5 μηπ. Bei einer Erhitzung unterhalb des Schmelzpunktes findet eine gezielte Strukturänderung innerhalb der Wärmeeinflusszone an der Oberfläche des Werkstückes statt. Solche Strukturänderungen sind bekannt in verschiedenen Ausprägungen, beispielsweise als Annealing, Sintern oder Härten.
Die letztgenannten Ausprägungen (Annealing, Sintern, Härten) sowie das Glätten einer aufgeschmolzenen Oberfläche sind in gleicher Weise für die Lasernachbehandlung von Beschichtungen einsetzbar.
Beispielsweise kann der Prozesskopf wie ein aus anderen
Technikbereichen bekannter Molch durch das Innere des
insbesondere als Rohres ausgebildeten Werkstücks in axialer
Richtung bewegt werden.
Es besteht die Möglichkeit, dass die Optikmittel ein Bauteil umfassen, das derart gestaltet ist, dass das Laserlicht in dem Bauteil durch innere Reflexion und/oder Brechung abgelenkt wird, so dass es auf die zu bearbeitende oder nachzubehandelnde Außenseite oder
Innenseite des Werkstücks gelangt. Ein derartiges Bauteil lässt sich deutlich einfacher justieren und fertigen als beispielsweise ein verspiegeltes Bauteil an dessen Außenseiten das Laserlicht zu den Rohrinnenwänden reflektiert wird.
Es kann dabei vorgesehen sein, dass die Optikmittel derart
ausgebildet sind, dass sie eine ringförmige Intensitätsverteilung des Laserlichts auf der Innenseite oder der Außenseite des beispielsweise als Rohr aufgebildeten Werkstücks erzeugen können. Diese
ringförmige Intensitätsverteilung kann durch die Bewegung des
Prozesskopfes in axialer Richtung an der Innenseite oder der
Außenseite des Rohres entlang bewegt werden, so dass dadurch die Beaufschlagung der Beschichtung mit Laserlicht sehr schnell durchgeführt werden kann.
Es kann vorgesehen sein, dass die Optikmittel ein
Homogenisatormittel umfassen, das beispielsweise ein
rotationssymmetrisches Bauteil ist und insbesondere ein Linsenarray mit konzentrisch oder koaxial angeordneten Linsen aufweist. Durch ein derartiges Bauteil kann das Laserlicht optimal für die ringförmige Intensitätsverteilung geformt und homogenisiert werden.
Im Unterschied zu den etablierten und bekannten Laserverfahren (kleiner Spot, Bewegung des Laserspots zur flächigen Bearbeitung durch bewegliche Spiegel) zeichnet sich das in dieser Anmeldung beanspruchte Verfahren insbesondere dadurch aus, dass es eine gleichmäßig verteilte Wärmeeinflusszone erzielt, und dass es
"übergangslos" ist. Übergangslos bedeutet für das Werkstück, dass entlang der Oberfläche beziehungsweise entlang der Beschichtung auf dem Werkstück während der Laserbehandlung keine thermischen Spannungen entstehen, welche Risse in der Oberfläche
beziehungsweise der Beschichtung erzeugen. Zudem werden die beispielsweise aus dem klassischen Auftragsschweißen bekannten Materialerhöhungen oder "Raupen" durch die Erfindung vermieden. Dieser Unterschied der Erfindung zu klassischen Laserverfahren rührt daher, dass das Werkstück von einer erfindungsgemäßen Vorrichtung gleichmäßig flächig mit Laserstrahlung überstrichen wird, wodurch Randeffekte minimiert werden. Große Temperaturunterschiede auf kleinem Raum gibt es bei einer erfindungsgemäßen Vorrichtung an der Werkstückoberfläche nur in Richtung des Vorschubs, während bei der klassischen Laserbehandlung mit kleinem Spot in allen
Richtungen entlang der Oberfläche große Temperaturunterschiede zu verzeichnen sind, die zu Spannungen führen.
Die Optikmittel können derart gestaltet sein, dass die
Intensitätsverteilung des Laserlichts an der Vorderseite, in die sich die Intensitätsverteilung bewegt, eine andere Flankenform aufweist, als an der Rückseite. Dabei kann die Flankenform der
Intensitätsverteilung an der Vorderseite für noch nicht bestrahltes Material optimiert sein und die Flankenform der Intensitätsverteilung an der Rückseite für bereits bestrahltes Material optimiert sein.
Es kann vorgesehen sein, dass bei der Bestrahlung des Werkstücks der Auftreffwinkel nicht exakt 90° beträgt. Dies hat den Vorteil, dass keine Rückreflexe in die Laserlichtquelle oder die Laserlichtquellen gelangen können.
Weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden deutlich anhand der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter
Ausführungsbeispiele unter Bezugnahme auf die beiliegende
Abbildung. Darin zeigt
Fig. 1 eine schematische Schnittansicht durch ein Rohr mit einer teilweise abgebildeten ersten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung;
Fig. 2 eine schematische Schnittansicht einer zweiten
Ausführungsform eines Bauteils der Optikmittel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung mit einem beispielhaften Laserstrahl;
Fig. 3 eine schematische Schnittansicht einer dritten
Ausführungsform eines Bauteils der Optikmittel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung mit einem beispielhaften Laserstrahl;
Fig.4 eine schematische Schnittansicht einer vierten
Ausführungsform eines Bauteils der Optikmittel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung mit einem beispielhaften Laserstrahl;
Fig. 5 eine Fig.4 entsprechende schematische Schnittansicht der vierten Ausführungsform mit einem breiteren Laserstrahl;
Fig. 6 eine schematische Schnittansicht einer fünften
Ausführungsform eines Bauteils der Optikmittel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung mit einem beispielhaften Laserstrahl; eine schematische Schnittansicht einer sechsten
Ausführungsform eines Bauteils der Optikmittel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung mit einem beispielhaften Laserstrahl eine perspektivische Ansicht eines Homogenisatormittels eine schematische Darstellung (l(z) / z) einer ersten Intensitätsverteilung des Laserlichts auf dem Werkstück; eine schematische Darstellung (l(z) / z) einer zweiten Intensitätsverteilung des Laserlichts auf dem Werkstück; eine schematische Darstellung (l(z) / z) einer dritten Intensitätsverteilung des Laserlichts auf dem Werkstück; eine schematische Schnittansicht durch ein Rohr mit einer teilweise abgebildeten zweiten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung; eine schematische Ansicht eines optischen Aufbaus der Vorrichtung gemäß Fig. 12; eine schematische Darstellung (l(z) / z) einer vierten Intensitätsverteilung des Laserlichts auf dem Werkstück; eine beispielhafte Darstellung einer linienförmigen
Intensitätsverteilung.
In den Zeichnungen sind gleiche oder funktional gleiche Teile mit gleichen Bezugszeichen versehen. Bei der Ausführungsform gemäß Fig. 1 ist in einem Rohr 1 auf dessen Innenseite eine Beschichtung aufgebracht worden, die beispielsweise aus pulverförmigem Material besteht. Insbesondere kann es sich dabei um eine vermittels Hochgeschwindigkeits-Flammspritzen aufgebrachte Beschichtung handeln. Insbesondere kann diese
Beschichtung Al203 umfassen. Beispielsweise kann die Beschichtung einige 100 μηπ dick sein.
Durch die erfindungsgemäße Vorrichtung soll die Beschichtung auf der Innenseite des Rohres 1 nachbehandelt werden. Dies kann insbesondere dadurch geschehen, dass die Beschichtung mit
Laserstrahlung beaufschlagt wird. Dadurch kann die Beschichtung teilweise aufgeschmolzen werden und die einzelnen pulverförmigen Bestandteile der Schicht können fest miteinander verbunden werden.
Bei den fertigen Beschichtungen kann es sich beispielsweise um eine Anti-Korrosions- oder um eine Verschleißschutzschicht handeln. Das Rohr 1 kann insbesondere aus Metall bestehen oder Metall umfassen.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung umfasst eine Laserlichtquelle 16 und einen Prozesskopf 2, der in dem Inneren des Rohres 1 bewegbar, insbesondere in axialer Richtung bewegbar ist. Die Laserlichtquelle 16 ist nur schematisch und insbesondere nicht maßstabsgetreu mit einer daran angeschlossenen Lichtleitfaser 5 abgebildet, die ebenfalls nicht maßstabsgetreu dargestellt ist. Unter Laserlicht soll in der vorliegenden Anmeldung nicht nur sichtbares Licht, sondern jegliche Art von Laserstrahlung verstanden werden, wie beispielsweise auch IR-Strahlung oder UV-Strahlung.
Der Prozesskopf 2 weist in dem abgebildeten Ausführungsbeispiel dazu auf seiner Außenseite Führungsrollen 3 auf, die an der
Innenseite des Rohres 1 anliegen können. Der Prozesskopf 2 ist mit einem Führungsrohr 4 verbunden, durch das über eine Lichtleitfaser 5 das Laserlicht von einer externen Laserlichtquelle dem Prozesskopf 2 zugeführt werden kann. Alternativ kann auch in oder an dem
Prozesskopf 2 eine Laserlichtquelle vorgesehen sein.
Das Führungsrohr 4 kann auch dazu verwendet werden, den
Prozesskopf 2 durch das Rohr 1 zu bewegen, insbesondere den Prozesskopf 2 in das Rohr 1 hineinzuschieben und aus dem Rohr 1 herauszuziehen. Durch das Führungsrohr 4 kann weiterhin
mindestens eine Leitung für Prozessgase hindurchgeführt werden, wenn beispielsweise die durchzuführende Nachbehandlung der Beschichtung unter einer Schutzgasatmosphäre durchgeführt werden soll. Aus Fig. 1 sind Düsen 6, insbesondere ringförmige Düsen 6 für den Austritt des Prozessgases ersichtlich.
In dem Prozesskopf 2 sind Optikmittel 7 angeordnet, die das aus dem Ende 8 der Lichtleitfaser 5 austretende Laserlicht formen und auf die Innenseite des Rohres 1 ablenken können. Beispielsweise umfassen die Optikmittel ein, insbesondere an der Außenseite verspiegeltes, konusförmiges Bauteil 9, das das Laserlicht so nach außen auf die Innenseiten des Rohres 1 ablenken kann, dass dort eine ringförmige Intensitätsverteilung des Laserlichts entsteht. Diese ringförmige Intensitätsverteilung kann durch die Bewegung des Prozesskopfes 2 in axialer Richtung an der Innenseite des Rohres 1 entlang bewegt werden, so dass dadurch die Beaufschlagung der Beschichtung mit Laserlicht sehr effektiv erfolgen kann.
Die Bewegungsrichtung des Prozesskopfes 2 und damit der
Intensitätsverteilung in axialer Richtung kann der Anwendung entsprechend gewählt werden. Es ist also entweder möglich, den Prozesskopf 2 nach rechts in Fig. 1 oder nach links in Fig. 1 zu bewegen. Ein Kriterium für die Bewegungsrichtung kann beispielsweise sein, ob die Beschichtung auf der Innenseite des Rohres 1 vor der Bestrahlung beständig genug ist, um beispielsweise mit den Führungsrollen 3 in Berührung zu kommen.
In den Fig. 2 bis Fig. 7 sind weitere rotationssymmetrische Bauteile 9 abgebildet, die nicht an ihrer Außenseite verspiegelt sind. Dabei zeigen die Fig. 2 bis Fig.4 und die Fig. 6 und Fig.7 jeweils nur einen Teil des Laserlichts 10, der außermittig einfällt und daher nur zu einer Seite abgelenkt wird. Fig. 5 dagegen zeigt den Einfall eines breiten, zur optischen Achse beziehungsweise zur Symmetrieachse des
Bauteils 9 symmetrischen Laserlichts 10, das entsprechend
kreisförmig radial nach außen abgelenkt wird. In Fig. 5 ist dies daran zu erkennen, dass sowohl nach unten, als auch nach oben ein Teil des Laserlichts 10 abgelenkt wird.
Bei den Ausführungsbeispielen gemäß den Fig. 2 bis Fig. 5 tritt das einfallende Laserlicht 10 durch eine senkrecht zum Laserlicht 10 ausgerichtete plane Fläche 11 in das Bauteil 9 ein, erfährt an einer weiteren Fläche 12 eine totale innere Reflexion und tritt durch eine weitere Fläche 13 aus. Aufgrund der Rotationssymmetrie des Bauteils 9 entsteht dadurch eine ringförmige Intensitätsverteilung des
Laserlichts 10 auf der Innenseite des Rohres 1.
Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 2 wird das Laserlicht 10 insgesamt um einen Winkel von etwa 75 ° abgelenkt. Bei den
Ausführungsbeispielen gemäß Fig. 3 bis Fig. 5 wird das Laserlicht 10 insgesamt um einen Winkel von etwa 90° abgelenkt.
Bei den Ausführungsformen gemäß Fig. 6 und Fig. 7 tritt das
Laserlicht 10 in eine plane, zur Einfallsrichtung des Laserlichts 10 geneigte Fläche 11 in das Bauteil 9 ein. Bei der Ausführungsform gemäß Fig. 6 tritt das Laserlicht ohne innere Reflexion durch eine Fläche 13 aus dem Bauteil 9 aus. Bei der Ausführungsform gemäß Fig. 7 erfährt das Laserlicht 10 an einer weiteren Fläche 12 eine totale innere Reflexion und tritt durch eine Fläche 13 aus.
Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 6 wird das Laserlicht 10 insgesamt um einen Winkel von etwa 55 ° abgelenkt. Bei dem
Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 7 wird das Laserlicht 10 insgesamt um einen Winkel von etwa 90° abgelenkt.
Die Optikmittel 7 können weiterhin mindestens ein
Homogenisatormittel 14 umfassen, das im Falle einer angestrebten ringförmigen Intensitätsverteilung aus einem Linsenarray mit konzentrisch oder koaxial angeordneten Linsen 15 bestehen kann (siehe dazu ein Ausführungsbeispiel in Fig. 8). Ein derartiges
Homogenisatormittel 14 kann so gestaltet sein, dass aus ihm eine Winkelverteilung der Laserstrahlung mit einem M-Profil austritt. Ein vergleichbares Linsenarray ist in der WO 2012/095422 A2
beschrieben.
In den Fig. 9 bis Fig. 11 sind beispielhaft mögliche
Intensitätsverteilungen 17, 18, 19 des Laserlichts 10 auf der
Innenseite des Rohres 1 dargestellt. Dabei ist jeweils nach rechts die axiale Richtung z aufgetragen, so dass die Darstellungen das Profil der Laserstrahlung in Querrichtung des Ringes zeigen. Mit dem Pfeil 20 ist jeweils die Vorschubrichtung der Intensitätsverteilung auf der Innenseite des Rohres 1 bezeichnet.
Mit der in Fig. 9 dargestellten Intensitätsverteilung 17 kann ein kontrolliertes Nachheizen der Beschichtung erreicht werden. Mit der gestrichelten Linie 21 ist ein beispielhaftes Gaußprofil angedeutet. Von einem derartigen Profil weicht die Intensitätsverteilung 17 durch einen Bereich 22 ab, der die rückwärtige Flanke der Verteilung erhöht, so dadurch nach dem Intensitätsmaximum 23 eine Phase längeren Nachheizens erzielt wird.
Mit der in Fig. 10 dargestellten Intensitätsverteilung 18 kann ein kontrolliertes Vorheizen der Beschichtung erreicht werden. Mit der gestrichelten Linie 21 ist wiederum ein beispielhaftes Gaußprofil angedeutet. Von einem derartigen Profil weicht die
Intensitätsverteilung 18 durch einen Bereich 24 ab, der die
vorderseitige Flanke der Verteilung erhöht, so dadurch vor dem
Intensitätsmaximum 23 eine Phase längeren Vorheizens erzielt wird.
Die in Fig. 11 dargestellte Intensitätsverteilung 19 ist eine
beispielhafte Kombination der Intensitätsverteilungen 17, 18. Mit der in Fig. 11 dargestellten Intensitätsverteilung 19 kann daher sowohl ein kontrolliertes Vorheizen, als auch ein kontrolliertes Nachheizen der Beschichtung erreicht werden.
Es besteht durchaus die Möglichkeit, andere Optikmittel vorzusehen, die eine linienförmige oder eine punktförmige Intensitätsverteilung des Laserlichts auf der Innenseite des Rohres 1 erzeugen können. In diesem Fall kann dann die linienförmige oder eine punktförmige Intensitätsverteilung des Laserlichts durch eine Rotationsbewegung des Prozesskopfes 2 oder der Optikmittel oder des Rohres 1 im
Umfangsrichtung über die Innenseite des Rohres bewegt werden.
Ein Beispiel für derartige Ausführungsformen ist in Fig. 12 und Fig. 13 dargestellt. Fig. 13 zeigt den optischen Aufbau, bei dem die
Optikmittel 7 eine Kollimationslinse 25, einen vorzugsweise
einachsigen zweistufigen Homogenisierer 26, einen Spiegel 27 und eine Fourierlinse 28 umfassen.
Es kann dabei vorgesehen sein, dass von den Optikmitteln 7 eine linienförmige Winkelverteilung des Laserlichts 10 erzeugt wird, wobei sich die Längsrichtung der Linie in radialer Richtung des Rohres 1 erstreckt. Weiterhin kann der Spiegel 27, der unter einem Winkel von beispielsweise 45° zur axialen Richtung des Rohres 1 geneigt ist, die linienförmige Intensitätsverteilung des Laserlichts 10 auf die
Innenseite des schematisch angedeuteten Rohres 1 aufbringen.
Hierbei kann der Spiegel 27 zusammen mit dem Homogenisierer 26 und gegebenenfalls auch mit den übrigen Optikmitteln 7 um die axiale Richtung gedreht werden.
Durch den Spiegel 27 wird eine sich in axialer Richtung Z
erstreckende linienförmige Intensitätsverteilung auf die Innenseite des Rohres 1 aufgebracht, die durch die Drehung des Spiegels oder der Optikmittel 7 und den Vorschub des Prozesskopfes 2 spiralförmig über die Innenseite des Rohres 1 bewegt wird. Fig. 12 verdeutlicht diese spiralförmige Bewegung schematisch, wobei zur Verdeutlichung die Spirale gedehnt wurde, so dass zwischen den einzelnen
bestrahlten Bereichen 29 nicht bestrahlte Bereiche 30 erkennbar werden. Diese Struktur dient lediglich der Veranschaulichung. In der Praxis ist natürlich eine lückenlose oder vorzugsweise überlappende Beaufschlagung der Innenseite des Rohres 1 mit dem Laserlicht 10 vorgesehen.
Fig. 14 zeigt beispielhaft eine mögliche Intensitätsverteilung 31 des Laserlichts 10 auf der Innenseite des Rohres 1 in Abhängigkeit von z. Dabei ist jeweils nach rechts die axiale Richtung z aufgetragen, so dass die Darstellungen das Profil der Laserstrahlung in Längsrichtung der linienförmigen Intensitätsverteilung zeigen. Mit dem Pfeil 20 ist wiederum die Vorschubrichtung der Intensitätsverteilung 31 auf der Innenseite des Rohres 1 bezeichnet.
Fig. 14 verdeutlicht, dass auch bei der linienförmigen
Intensitätsverteilung 31 die Flanke 32, die unbearbeitetes Material bestrahlt und die Flanke 33, die schon bestrahltes Material beleuchtet, unterschiedlich gestaltet sein können. Die Gestaltung kann im Einzelnen aber an die thermischen Eigenschaften der Probe und die Rotationsgeschwindigkeit der Linie angepasst werden.
Fig. 15 zeigt noch einmal die linienförmige Intensitätsverteilung 31 in der Draufsicht. Es ist schematisch angedeutet, dass die Ausdehnung des Strahlquerschnitts in z-Richtung (von links nach rechts in Fig. 15) deutlich größer ist als in der dazu senkrechten Richtung (von oben nach unten in Fig. 15), die der Umfangsrichtung des Rohres 1 entspricht.
Es besteht durchaus die Möglichkeit, die erfindungsgemäße
Vorrichtung zur Nachbehandlung von Beschichtungen auf der
Innenseite von nicht rohrförmigen Werkstücken zu verwenden.
Weiterhin können auch die Außenseiten von Werkstücken mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung nachbehandelt werden.
Beispielsweise kann dabei auf der Außenseite eines zylindrischen Werkstücks, das ein Rohr aber auch ein Stab sein kann, eine
umlaufende ringförmige Intensitätsverteilung der Laserstrahlung erzeugt werden. Dieser„äußere Laser-Ring" kann dann in axialer Richtung längs des zylindrischen Werkstücks bewegt werden.
Beispiele für bevorzugte Realisierungsformen zu bearbeitender
Oberflächen sind polierte und/oder geschliffene Metalloberflächen.
Die bei der Bearbeitung der Oberfläche oder der Nachbehandlung der Beschichtung verwendete Laserstrahlung kann eine Wellenlänge zwischen 192 nm und 10700 nm aufweisen. Weiterhin kann die bei der Bearbeitung der Oberfläche oder der Nachbehandlung der
Beschichtung verwendete Laserstrahlung eine Leistung zwischen 300 W und 300 kW aufweisen. Weiterhin kann die bei der Bearbeitung der Oberfläche oder der Nachbehandlung der Beschichtung verwendete Laserstrahlung eine Intensität zwischen 6 kW/cm2 und 1000 kW/cm2 aufweisen.
Weiterhin kann die bei der Bearbeitung der Oberfläche oder der Nachbehandlung der Beschichtung verwendete Laserstrahlung eine Ausdehnung des Linienfokus in der langen Achse zwischen 1 mm und 6000 mm aufweisen. Weiterhin kann die bei der Bearbeitung der Oberfläche oder der Nachbehandlung der Beschichtung verwendete Laserstrahlung eine Ausdehnung des Linienfokus in der kurzen Achse zwischen 50 μηπ und 5 mm aufweisen.
Die Relativgeschwindigkeit zwischen der Werkstückoberfläche und dem Laserstrahl kann zwischen 1 mm/s und 1000 mm/s betragen.
Es besteht generell die Möglichkeit, dass die Intensitätsverteilung des Laserlichts an der Vorderseite, in die sich die Intensitätsverteilung in axialer Richtung des Rohres 1 bewegt, eine andere Flankenform aufweist, als an der Rückseite. Dabei kann die Flankenform der Intensitätsverteilung an der Vorderseite für noch nicht bestrahltes Material optimiert sein und die Flankenform der Intensitätsverteilung an der Rückseite für bereits bestrahltes Material optimiert sein.

Claims

Patentansprüche:
1. Vorrichtung zur Bearbeitung einer Oberfläche eines Werkstücks oder zur Nachbehandlung einer Beschichtung auf der
Außenseite oder der Innenseite eines Werkstücks, insbesondere eines Metallwerkstücks, vorzugsweise eines Rohres, umfassend einen durch das Werkstück oder außerhalb des Werkstücks bewegbaren Prozesskopf (2), eine Lichtleitfaser (5) zur Zuführung von Laserlicht (10) zu dem Prozesskopf (2) oder Mittel zur Erzeugung von Laserlicht in dem Prozesskopf (2), in dem Prozesskopf (2) angeordnete Optikmittel (7), die die Innenseite oder die Außenseite des Werkstücks mit dem Laserlicht (10) beaufschlagen können.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Optikmittel (7) ein Bauteil (9) umfassen, das derart gestaltet ist, dass das Laserlicht (10) in dem Bauteil (9) durch innere
Reflexion und/oder Brechung abgelenkt wird, so dass es auf die zu bearbeitende oder nachzubehandelnde Außenseite oder Innenseite des Werkstücks gelangt.
3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Bauteil (9) ein rotationssymmetrisches Bauteil ist.
4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch
gekennzeichnet, dass die Optikmittel (7) derart ausgebildet sind, dass sie eine ringförmige Intensitätsverteilung des
Laserlichts (10) auf der Innenseite des insbesondere als Rohr (1) ausgebildeten Werkstücks oder der Außenseite des insbesondere zylinderförmigen Werkstücks erzeugen können.
5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch
gekennzeichnet, dass die Optikmittel (7) ein
Homogenisatormittel umfassen.
6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Homogenisatormittel (14) ein rotationssymmetrisches Bauteil ist und insbesondere ein Linsenarray mit konzentrisch oder koaxial angeordneten Linsen (15) aufweist.
7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch
gekennzeichnet, dass die Optikmittel (7) derart ausgebildet sind, dass sie eine linienförmige Intensitätsverteilung (31) des Laserlichts (10) auf der Innenseite oder der Außenseite des Werkstücks erzeugen können, wobei sich die linienförmige Intensitätsverteilung (31) insbesondere in axialer Richtung (z) des insbesondere zylinderförmigen Werkstücks erstrecken und spiralförmig über die Innenseite des insbesondere als Rohr (1) ausgebildeten Werkstücks bewegt werden kann.
8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch
gekennzeichnet, dass die Optikmittel (7) derart gestaltet sind, dass die Intensitätsverteilung des Laserlichts (10) an der Vorderseite, in die sich die Intensitätsverteilung bewegt, eine andere Flankenform aufweist, als an der Rückseite.
9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch
gekennzeichnet, dass der Prozesskopf (2) in axialer Richtung durch das Rohr (1) oder außerhalb des zylinderförmigen
Werkstücks bewegt werden kann.
10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Prozesskopf (2) Mittel zur Abgabe von Prozessgas, insbesondere mindestens eine Düse (6), aufweist.
11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch
gekennzeichnet, dass die Vorrichtung mindestens eine
Laserlichtquelle (16) zur Erzeugung von Laserlicht (10) umfasst, wobei das von der Laserlichtquelle (16) ausgehende Laserlicht (10) insbesondere über die Lichtleitfaser (5) dem Prozesskopf (2) zugeführt werden kann.
12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch
gekennzeichnet, dass die Vorrichtung ein Führungsrohr (4) umfasst, das mit dem Prozesskopf (2) verbunden ist, wobei das Führungsrohr (4) dazu dienen kann, den Prozesskopf (2) relativ zu dem Werkstück zu bewegen.
13. Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtleitfaser (5) sich durch das Führungsrohr (4) erstreckt.
14. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch
gekennzeichnet, dass der Prozesskopf (2) auf seiner
Außenseite Führungsmittel, insbesondere Führungsrollen (3), aufweist, die an der Innenseite des Rohres 1 anliegen können.
15. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch
gekennzeichnet, dass die Beschichtung eine thermisch
aufgespritzte Beschichtung ist, insbesondere eine durch
Hochgeschwindigkeits-Flammspritzen oder Plasmaspritzen aufgebrachte Beschichtung, oder dass die Beschichtung eine durch Spritzen, durch Benetzung und durch Bestreichung aufgebrachte Beschichtung ist.
16. Verfahren zur Bearbeitung einer Oberfläche eines Werkstücks oder zur Nachbehandlung einer Beschichtung auf der
Außenseite oder der Innenseite eines Werkstücks, insbesondere eines Metallwerkstücks, vorzugsweise eines Rohres,
insbesondere mit einer Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 15, gekennzeichnet durch folgende Verfahrensschritte:
Ein Prozesskopf (2) wird, vorzugsweise in axialer Richtung, durch das Werkstück oder außerhalb des Werkstücks bewegt;
Laserlicht (10) wird erzeugt und von dem Prozesskopf (2) auf die Innenseite oder die Außenseite des Werkstücks zur Bearbeitung einer Oberfläche des Werkstücks oder zur Nachbehandlung der Beschichtung aufgebracht.
17. Verfahren nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass eine ringförmige Intensitätsverteilung des Laserlichts (10) auf der Innenseite des insbesondere als Rohr (1) ausgebildeten Werkstücks oder auf der Außenseite des insbesondere
zylinderförmigen Werkstücks erzeugt wird.
18. Verfahren zur Beschichtung der Außenseite oder der Innenseite eines Werkstücks, insbesondere eines Metallwerkstücks, vorzugsweise eines Rohres, gekennzeichnet durch folgende Verfahrensschritte:
Auf die Innenseite oder die Außenseite des Werkstücks wird eine Beschichtung aufgebracht, insbesondere durch H och geschwindigkeits- Flamm spritzen ; die Beschichtung wird durch ein Verfahren nach einem der Ansprüche 16 oder 17 nachbehandelt.
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