WO2013164076A1 - Verfahren zum laserunterstützten plasmaschneiden oder plasmaschweissen und vorrichtung dafür - Google Patents

Verfahren zum laserunterstützten plasmaschneiden oder plasmaschweissen und vorrichtung dafür Download PDF

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WO2013164076A1
WO2013164076A1 PCT/EP2013/001230 EP2013001230W WO2013164076A1 WO 2013164076 A1 WO2013164076 A1 WO 2013164076A1 EP 2013001230 W EP2013001230 W EP 2013001230W WO 2013164076 A1 WO2013164076 A1 WO 2013164076A1
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plasma
laser radiation
plasma jet
laser
workpiece
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Andreas Popp
Tim Hesse
Tobias Kaiser
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Trumpf Werkzeugmaschinen Gmbh + Co. Kg
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
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    • B23K26/02—Positioning or observing the workpiece, e.g. with respect to the point of impact; Aligning, aiming or focusing the laser beam
    • B23K26/06—Shaping the laser beam, e.g. by masks or multi-focusing
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    • B23K26/348—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring in combination with welding or cutting covered by groups B23K5/00 - B23K25/00, e.g. in combination with resistance welding in combination with arc heating, e.g. TIG [tungsten inert gas], MIG [metal inert gas] or plasma welding
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
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    • B23K28/00—Welding or cutting not covered by any of the preceding groups, e.g. electrolytic welding
    • B23K28/02—Combined welding or cutting procedures or apparatus

Definitions

  • the present invention relates to a method and a device for the laser assisted plasma cutting or plasma welding and apparatus therefor
  • an arc burns between a cathode and an anode. By impact ionization, this produces a hot plasma or a plasma jet of a plasma gas with a temperature of more than 20,000 K.
  • the cathode is typically arranged in a machining head, while the electrically conductive workpiece to be machined is the anode forms.
  • Plasma jet corresponds as well as in the center axis adjacent
  • the burst rate of the charged particles in the plasma particularly high.
  • the high burst rate leads to a high
  • Plasma cutting process targeted or controlled to bring pulsation.
  • it is also proposed there to put the plasma gas and / or a secondary gas through specially shaped nozzles of the machining head in a rotating flow.
  • WO2000064618A2 it is known in plasma welding a
  • Plasma jet and a laser beam to superimpose to ignite the plasma jet and to guide along the laser beam direction.
  • the laser beam is used in the
  • Plasmagas to stimulate molecules to vibrate and thus to specify a beam path for the plasma jet.
  • Arc device may be formed as a ring electrode and the laser beam may extend within the central opening of the ring electrode.
  • one or more laser beams can be guided from the outside to the plasma jet immediately adjacent to the processing point and this cutting to the processing point.
  • a device for hybrid welding in which at least one focused (alternatively optionally defocused) laser beam is slid onto the workpiece to be machined and an electric arc between an electrode and the workpiece is generated, wherein the axis of the arc concentric to Laser radiation is aligned.
  • the laser beam and the arc substantially strike the same location on the workpiece
  • the object of the present invention is to provide a method and a method
  • This object is achieved by a method for laser-assisted
  • Plasma cutting or plasma welding of a typical plate-shaped workpiece comprising the steps of: generating a plasma jet extending between an electrode and a processing point on the workpiece, wherein the plasma jet has a center region (radially) inside with respect to its center axis extending in the direction of propagation and a (radially ) has outer substantially annular edge region; and supplying laser radiation, in particular collimated laser radiation or of
  • Plasma beam wherein the supplied laser radiation is parallel to the center axis of the plasma jet.
  • An essential aspect of the invention is not to coaxially illuminate the entire plasma torch or the entire plasma jet by the laser radiation, but to concentrate the intensity of the supplied laser radiation on the edge region of the plasma jet, so that only a negligible proportion of the intensity of the laser radiation Central area is supplied.
  • collimated laser radiation or laser radiation with a long Rayleigh length is used in order to ensure that the laser radiation (in the
  • the laser radiation is applied to the plasma jet at its end remote from the workpiece (i.e., in the region of the electrode) so as to achieve a uniform beam guidance over the entire length of the plasma jet.
  • This is particularly favorable in plasma cutting, since above all thick sheets (10 mm - 180 mm) are processed there and a cutting edge with the smallest possible edge slope is to be achieved, so that the supplied laser radiation should pass as parallel to the center axis when passing through the workpiece.
  • collimated laser radiation may be used, but it is also possible to use slightly focused or defocused laser radiation having a Rayleigh length that is so large that the
  • the Rayleigh length of the laser radiation used should be at least as large as the thickness of the machined workpiece.
  • the inventors have recognized that the laser radiation supplied to the central region of the plasma jet has no or very little influence on its energetic state due to the already high impact rate. In the radially outer
  • Edge region of the plasma jet which has a lower plasma density, the laser radiation, however, can be targeted and used effectively.
  • the laser radiation thus acts exactly on the area of the plasma jet, which diminished for the
  • Laser radiation typically leads in the edge region of the plasma jet by the opto-galvanic effect to increased ionization of the plasma gas, whereby the temperature, density and electrical conductivity in the irradiated
  • Plasma area increased. This stabilizes and constricts the plasma jet specifically in the edge region and makes it possible to guide the plasma jet over its entire length.
  • a wavelength of the laser radiation is chosen such that a plasma gas used for generating the plasma jet is excited by the laser radiation (electronically).
  • the wavelength of the laser used or the laser radiation should be selected so that an electronic excitation takes place in the plasma gas, which leads to the optogalvansichen effect. Since argon is a commonly used plasma gas, for example, with the help of a
  • Diode laser with a wavelength of 800 nm - 900 nm argon ions are excited.
  • Solid state lasers can be generated. It is understood that when using plasma gases other than argon, the wavelength of the laser radiation should be suitably adjusted.
  • the laser radiation supplied to the plasma jet has a power of less than 1000 watts, preferably of less than 500 watts.
  • the Laser beam or the laser radiation typically does not have enough energy or power to contribute itself to the workpiece machining, but serves exclusively to stimulate the opto-galvanic effect in the edge region of the plasma.
  • the laser power required to stabilize the plasma jet is dependent on the length of the plasma torch or the plasma jet and thus on the
  • Laser wavelength off A few hundred watts of laser power are typically sufficient for stabilization.
  • the laser power supplied to the plasma jet may be between about 100 W and about 500 W.
  • the plasma jet is generated by means of a rod-shaped electrode, typically a pointed electrode.
  • the laser radiation can be deflected in at least one laterally offset to the center axis in a direction parallel to the center axis of the plasma jet.
  • the amount of lateral displacement of the deflection to the central axis of the rod-shaped electrode, which corresponds to the center axis of the plasma jet, more specifically the distance between the center axis and the point at which the laser radiation impinges on the deflection at a 90 ° deflection corresponds to typical manner the (average) radius of the substantially annular edge region of the
  • the deflection can, for example, as a deflection mirror or possibly as be formed mirrored portion of an electrode holder and may have a flat or possibly a curved, eg frusto-conical mirror surface. It goes without saying that a 90 ° deflection of the laser radiation does not necessarily have to take place at the deflection device, but that, if appropriate, a larger or a smaller deflection angle can also be used in order to align the laser radiation parallel to the center axis.
  • the laser radiation is supplied to the plasma jet through a gas supply space of a gas nozzle for applying a plasma gas to the workpiece.
  • the laser radiation in the typically annular gas supply space runs parallel to the center axis of the gas nozzle, which generally corresponds to the center axis of the electrode, so that it is possible to dispense with a deflection device in the region of the gas nozzle of the plasma processing head, possibly an interference contour for the flow of the plasma gas to the workpiece forms.
  • the laser radiation supplied to the plasma jet has an annular, rotationally symmetric or non-rotationally symmetrical
  • the action of the laser radiation can take place annularly in the entire edge region of the plasma jet.
  • a non-rotationally symmetrical intensity distribution of the laser radiation is possible.
  • the intensity distribution of the laser radiation can be formed, for example, during cutting so that the laser radiation acts only on the cut front and on the side of the good part, since the cut quality on the side of the residual grid, which is typically disposed of as waste, is irrelevant.
  • a further aspect of the invention relates to a device for laser-assisted plasma cutting and / or plasma welding of a workpiece, comprising: a plasma generating device configured to generate a plasma jet extending between an electrode of the plasma generating device and a processing point on the workpiece, wherein the plasma jet with respect to its (radially) inner central region extending in the propagation direction and having a (radially) outer, substantially annular edge region, and a beam supply device for supplying (collimated) laser radiation (or radiation of high Rayleigh length) into the Edge region of the plasma jet, wherein the laser radiation supplied to the edge region is parallel to the center axis.
  • a plasma generating device configured to generate a plasma jet extending between an electrode of the plasma generating device and a processing point on the workpiece, wherein the plasma jet with respect to its (radially) inner central region extending in the propagation direction and having a (radially) outer, substantially annular edge region
  • a beam supply device for supplying (collimated) laser radiation (or
  • the apparatus may optionally be used for plasma cutting or plasma welding, depending on how the parameters for generating the plasma or the pressure of the gases used are selected.
  • the device comprises at least one laser source for generating laser radiation.
  • the laser source may be, for example, a diode laser or a solid-state laser.
  • the spectral properties (central wavelength and line width) as well as the quality of the generated wavefront are of particular importance, since optimal colimimation corresponds to a planar wavefront and thus enables particularly good stabilization and constriction of the plasma jet.
  • the laser source is designed to generate laser radiation at a wavelength which is suitable for exciting the plasma gas used to generate the plasma jet.
  • the spectral transitions of plasma gases can be taken from databases, for example under
  • the plasma gas used is often argon or argon-hydrogen mixtures, but other gases, such as nitrogen, oxygen or hydrogen and their mixtures as plasma gases can also be used be used, even air is possible in rare cases.
  • the power of the laser for generating the laser radiation should not exceed 1 kW, typically not more than 500 W.
  • the laser power required to stabilize or constrict the plasma jet is comparatively small and less than the laser power that would be required to effect a cutting or welding operation on the workpiece.
  • the maximum power of the laser source stated above assumes that there is only a single laser source whose laser power is substantially equal lossless is supplied to the edge region of the plasma jet. Is more than one laser source for supplying laser radiation in the edge region of the
  • the electrode is rod-shaped, typically with a tapered end at which the field strength upon application of a voltage between the electrode and the to be machined
  • Plasma processing head with respect to an annular electrode greatly simplified design. It is understood, however, that the inventive
  • Device may optionally also have an annular electrode.
  • the device has at least one laterally to
  • Deflection device (s) can, for example, as by the electrode
  • the deflection device is formed on a cooled holder of the electrode.
  • the holder may have one or more cooling channels for cooling with the aid of a cooling fluid, for example water.
  • the deflection device can be formed on an eg frustoconical portion of the holder, which merges into the electrode or on which the electrode is attached.
  • the typically metallic holder may optionally be provided in the beam deflection with a reflective coating.
  • the deflection to perform on the holder is cheaper than the deflection at the electrode itself, since it is not usually cooled directly and has a very high temperature, which can lead to an expansion of the metallic material of the electrode as well as to local deformations that for a Targeted deflection of laser radiation in the edge region of the plasma jet is unfavorable.
  • the beam supply device is designed to supply the laser radiation to the plasma jet through a gas supply space of a gas nozzle for applying a plasma gas to the workpiece, so that a deflection of the laser radiation in the region of the electrode can be dispensed with.
  • the beam feeding device is for
  • the beam delivery device in this case typically has one or more optical elements on which or on which a typically divergent, possibly also convergent, laser beam is collimated (approximately).
  • the annular intensity distribution is rotationally symmetric in the simplest case, but it is also possible to generate a high radiation intensity only in one or more limited angular ranges. It is understood that the (average) radius of the annular intensity distribution substantially corresponds to the (average) radius of the annular edge region of the plasma jet.
  • Intensity distribution can be generated by a centrally arranged circular aperture, but it is more favorable if the annular intensity distribution can be generated substantially without loss of intensity.
  • the beam delivery device has an axicon which has at least one conical lens surface in order to generate a ring-shaped, typically collimated, beam from a typically divergent laser beam
  • the beam delivery device has a diffractive optical element.
  • a diffractive optical element With the aid of a diffractive optical element, diffraction orders of the laser radiation can be used in order to form a distribution of a typically divergent intensity distribution impinging on the diffractive optical element into an almost arbitrarily shaped exit side
  • a diffractive optical element can thus be used to form an annular, rotationally symmetric or not To generate rotationally symmetric intensity distribution.
  • the latter can be used, for example, to produce a stabilization of the plasma jet in plasma cutting only on one side of the cutting front, on which a good part is formed, in which a high cut quality of the cutting edge is required.
  • the beam feed device has a plurality of optical fibers arranged annularly around the center axis, which are typically aligned parallel to the center axis and to which a respective microlens for collimation of emerging laser radiation is associated.
  • the latter is necessary since the laser end emerging on a workpiece facing the fiber end of a respective (glass) fiber usually exits divergent and therefore (approximately) must be collimated.
  • the microlenses can be arranged at a predetermined distance from the respective fiber end or a respective fiber end can be provided with a microlens by melting it so that the fiber end itself acts as a microlens (also referred to as "lensed silica fiber").
  • Fig. 1a, b are schematic representations of a plasma jet for
  • Fig. 2 is a schematic representation of an embodiment of an apparatus for laser-assisted plasma cutting or welding with a Beam delivery device with an axicon for generating a laser beam with an annular intensity distribution, a beam shaping device with a collimating lens and a circular aperture for generating an annular
  • Fig. 5a, b is a plurality of annular around the center axis of an electrode
  • optical fibers in a side view and a plan view
  • Fig. 6a, b one of the optical fibers of Fig. 5a, b with one of a fiber end
  • FIG. 7 shows a further embodiment of a device for laser-assisted
  • Fig. 8 shows a single deflection mirror for deflecting laser radiation in the
  • Fig. 9 shows an electrode with a liquid-cooled holder, as
  • Deflection device for laser radiation is used, which is supplied to the holder side.
  • Fig. 1a shows a plasma jet 1, which serves between a serving as a cathode
  • the plasma jet 1 has a central, radially inner region 4, in the center of which a central axis M, which represents the shortest connecting line between the tip electrode 2 and the workpiece 3, and which corresponds to the center axis of the rod-shaped electrode 2.
  • the collision rate of charged (ionized) particles 5 of a plasma gas, argon in the present example is particularly high.
  • the high burst rate results in a high temperature and high electrical conductivity of the plasma in the central region 4, which is severely constricted and stable in shape, ie, the plasma is typically substantially in thermodynamic equilibrium.
  • the collision rate decreases, as a result of which a radially outer (substantially annular) edge region 6 of the plasma jet 1 surrounding the substantially circular central region 4 has a lower collision rate and correspondingly lower temperature, density, and electrical conductivity having.
  • the plasma jet 1 is widened in the edge region 6 and instabilities occur there, which can lead to an irregular and thus poor cutting result during plasma cutting and during plasma welding to a broadening of the weld seam.
  • Fig. 1b shows the plasma jet 1 of Fig. 1a, in which in addition to the radially outer edge region 6 parallel to the center axis M of the plasma jet 1 (i.e.
  • the laser radiation 7 supplied to the edge region 6 leads to a stabilization and in particular to a constriction of the plasma jet 1 in the edge region 6, as can be clearly recognized by a comparison of FIGS. 1 a and 1 b.
  • the laser radiation 7 is supplied only to the edge region 6, but not to the central region 4, since laser radiation 7 fed into the central region 4 would have only a negligible influence on the stability of the plasma due to the high impact rate.
  • the laser radiation 7 thus acts precisely on the edge region 6 of the plasma jet 1, which is responsible for the reduced cutting quality and the low welding depth.
  • Fig. 2 shows an example of a device 10 which is designed to be a
  • the device 10 comprises a plasma generating device 11, which has a Power supply 12 to generate between the tip electrode 2, which serves as a cathode, and the metallic plate-shaped workpiece 3, which serves as an anode, a voltage or an electric field.
  • the electrical connection of the workpiece 3 with the power supply 12 is effected for example by a laterally attached to the workpiece 3 contact terminal 3.
  • a pointed electrode 2 as the cathode required for the generation of the plasma jet 1 voltages are comparatively low
  • the field strength in the Electrode tip is particularly high.
  • Another part of the plasma generating device 11 is a gas supply for supplying a plasma gas 14 to a gas nozzle 15. More specifically, the plasma gas 14 is provided in the gas nozzle 15 annular
  • Gas supply chamber 16 supplied.
  • the gas nozzle 15 forms part of a plasma processing head (not shown) to which the plasma gas 14 is supplied via feed channels not described in detail.
  • the gas supply furthermore has a gas reservoir 17, in which the plasma gas 14, for example a mixture of argon and hydrogen, and process gases are stored.
  • the gas reservoir 17 communicates with a device 18 for pressure adjustment for the plasma gas 14, in which, if appropriate, a mixture with other gases can also take place.
  • the plasma gas 14 supplied to the gas nozzle 15 exits the gas nozzle 15 at a nozzle opening facing the workpiece 3.
  • the plasma torch is ignited (ignition phase).
  • the plamagas is ionized, whereby between the electrode 2 and the workpiece 3, the plasma jet 1 is formed, which consists of positive and negative ions, electrons and excited and neutral atoms and molecules.
  • a plurality of support webs 19 are provided as spacers on a workpiece support 20 (workpiece table). The gas mixture during the ignition and the
  • Cutting phase can differ in its composition and in the volume flow.
  • workpiece 3 is typically a relative movement between the
  • Relative movement typically occurs at the workpiece level, i. in the X and / or Y direction of an XYZ coordinate system.
  • the gas nozzle 15 can be moved with the plasma processing head, the workpiece 3 relative to the workpiece support 20 and / or the workpiece support 20 itself by means of conventional displacement units not described in detail here.
  • a diode laser is used with a
  • Wavelength ⁇ in the range between about 800 to 1000 nm as the laser source 21.
  • the wavelength ⁇ of the laser radiation 7 is in this case matched to the plasma gas 14 that the ions 5 (see Fig. 1a) of the plasma gas 14, in the present case the
  • Argon ions electronically excited (opto-galvanic effect).
  • other plasma gases can also be used, for example nitrogen, oxygen or hydrogen, wherein the wavelength ⁇ of the laser source 21 to the respective
  • Plasma gase can be adjusted and preferably between about 200 nm and 1000 nm. If desired, mixtures of a plurality of gases may also be used as the plasma gas 14, wherein the electronic excitation or ionization of a single constituent of the plasma gas 14 may possibly be sufficient to effect the desired constriction and stabilization of the plasma jet 1.
  • Plasma beam 1 typically has low laser powers, so that a maximum power of the laser source 21 of approximately 1000 W, typically between approximately 100 W and approximately 500 W, is sufficient if it is assumed that the available laser power of the laser source 21 (FIG. almost) is completely supplied to the edge region 6 of the plasma jet 1.
  • a beam feed device 22 which is part of the Machining head can be.
  • this has an axicon 23 with a conical lens surface 23a in order to be divergent
  • Intensity distribution of the emerging from the laser source 21 laser radiation 7 to generate an annular intensity distribution and to collimate the laser radiation 7.
  • the axicon 23 is in this case at a position in the divergent beam path of
  • Laser radiation 7 is arranged, in which the (average) diameter of the generated by the axicon 23 annular intensity distribution substantially to
  • Plasma beam 1 corresponds so that the laser radiation 7 collimated on the axicon 23 can be supplied directly (i.e., without additional optical elements) to the edge region 6 of the plasma jet 1 through the gas supply chamber 16 of the gas nozzle 15. Since the thickness d of workpieces 3 in plasma cutting is generally between about 10 mm and 180 mm, a low edge slope and a good contour accuracy of the cut edges formed during plasma cutting is particularly important. This can be obtained with the aid of the collimated laser radiation 7, which has a uniform beam shape along the plasma jet 1.
  • FIG. 3 Another possibility for generating collimated laser radiation 7 with an annular, rotationally symmetrical intensity distribution is shown in FIG. 3, in which the axicon 23 of the feed device 22 of FIG
  • Collimating lens 24 and a downstream in the beam path circular aperture 25 has been replaced, which is the radially inner region of
  • Intensity distribution of the laser radiation 7 hides, so that a total of an annular intensity distribution is formed.
  • a corresponding diaphragm effect may in particular also have the gas nozzle 15 or optionally the upper end of the pointed electrode 2, so that the provision of an additional diaphragm, as shown in FIG. 3, may possibly be completely dispensed with.
  • Rotational symmetry is generated is shown in the in Fig. 4 Beam delivery device 22, a diffractive optical element 26 is provided, which - depending on the design - allows the divergent intensity distribution of the laser source 21 either in an annular intensity distribution with a
  • Such a non-rotationally symmetric intensity distribution may e.g. be beneficial when the apparatus 10 is used for plasma cutting along a cutting front on the workpiece 3, at one cutting edge is a good part, while the other cutting edge belongs to a skeleton, which is disposed of after the cutting process or after several other cutting operations. In this case, a high cut quality is only on the side of the cutting front
  • Element 26 (unlike that shown in FIG. 4) produces a non-rotationally symmetric annular intensity distribution at which a high intensity
  • the diffractive optical element 26 can optionally be exchanged for other diffractive optical elements by means of a changing device (not shown).
  • the gas nozzle 15 for applying the plasma gas 14 to the workpiece 3 can be annularly surrounded by a further gas nozzle 27 which has a further annular feed space 28 for a (not shown) hull gas (oxygen , Nitrogen or gas mixtures of nitrogen and oxygen.
  • a feeding device 22 which also allows a supply of parallel to the center axis M of the rod-shaped electrode 2 aligned laser radiation 7 through the annular feed space 16 of the gas nozzle 15 is shown in Fig. 5a, b.
  • the feed device 22 in this case has a plurality of optical fibers 29 (fiber bundles) which are distributed in an annular arrangement about the center axis M of the electrode 2, in particular in the plan view of FIG Fig. 5b can be seen.
  • a distance A between the center axis M of the electrode 2 and a respective optical fiber substantially corresponds to the (average) radius of the annular edge region 6 of the plasma jet 1.
  • microlenses 30 can be used, either from respective fiber end
  • a respective beam-forming or collimating element 23, 24, 26, 29 integrated can also be a lateral supply of laser radiation 7 in the field of
  • Nozzle opening of the gas nozzle 15 take place, as will be described in more detail below with reference to a further embodiment of the device 10, which is shown in Fig. 7.
  • laser radiation 7 is guided substantially parallel to the workpiece 3 laterally into the exit-side region of the gas nozzle 15, specifically into the region of the pointed end of the rod-shaped electrode 2.
  • two plane deflection mirrors 31 a, Mounted 31b which deflect the laser radiation 7 by 90 ° and these in the direction of the center axis M the edge region 6 of the plasma jet 1 out.
  • the laser radiation 7 is generated in the example shown in FIG.
  • the laser radiation 7 by two different laser sources 21a, 2b, but it is understood that the laser radiation 7 can be generated only by one or more laser sources and split, for example by means of a beam splitter, so that the respective partial beams are fed to one of the deflection mirrors 31a, 3b.
  • the point at which the laser radiation impinges on the respective deflection mirror 31 a, 31 b, is positioned so that the laser radiation 7 in the annular
  • Edge region 6 of the plasma jet 1 (but not in the central region 4) deflected becomes. It is understood that more than two deflecting mirrors can also be provided in the region of the electrode 2 in order to supply laser radiation 7 to the edge region 4 of the plasma jet 1, which can be arranged at regular angular intervals relative to one another, for example in the circumferential direction.
  • one or more surrounding conical mirror surfaces in the region of the electrode 2 can be provided instead of a plurality of planar deflection mirrors, in order to radiate in the radial direction
  • Gas nozzle 15 are attached.
  • the wall of the gas nozzle 15 may be provided with a transparent material (for example glass or the like).
  • a transparent material for example glass or the like.
  • several, e.g. four, distributed in the circumferential direction around the electrode 2 supply spaces are provided, between which the deflecting mirrors are arranged.
  • the laser radiation 7 of the laser sources 21a, 21b can collide with the deflection mirrors 31a, 31b (by means of optical elements not shown in FIG. 7).
  • the deflecting mirrors 31a, 31b or their mirror surfaces may have a curvature in order to typically collimate divergently upon the incident laser radiation 7 during the deflection.
  • possibly only a single laterally offset to the electrode 2 deflecting mirror 31a may be provided in the apparatus 10 to supply the laser radiation 7 in a circumferentially relatively small portion of the edge region 6 of the plasma jet 1.
  • the cutting edge of the cutting front which faces the good part and in which a high quality of cut is to be obtained.
  • FIG. 9 A further possibility for the lateral supply of laser radiation 7 to the edge region 6 of the plasma jet 1 is shown in FIG. 9, in which a mirrored, tapered portion of a holder 32 for the rod-shaped electrode 2 serves as a deflection device 34.
  • a mirrored, tapered portion of a holder 32 for the rod-shaped electrode 2 serves as a deflection device 34.
  • a mirror image for example, a
  • a cooling passage 33 is inserted to move the holder 32 or the rod-shaped electrode 2 by means of a cooling liquid (not shown), e.g. with water, to cool.
  • a cooling liquid e.g. with water
  • Feed speeds can be achieved by a narrower kerf.
  • plasma welding using the devices 10 can be deeper, thinner
  • Processing quality improvement can also be achieved if incompletely collimated laser radiation having a large Rayleigh length is used instead of collimated laser radiation (as described above).

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Optics & Photonics (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Plasma & Fusion (AREA)
  • Laser Beam Processing (AREA)
  • Plasma Technology (AREA)

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum laserunterstützten Plasmaschneiden oder Plasmaschweißen eines Werkstücks (3), umfassend die Schritte: Erzeugen eines Plasmastrahls (1), der sich zwischen einer Elektrode (2) und einer Bearbeitungsstelle an dem Werkstück (3) erstreckt, wobei der Plasmastrahl (1) einen bezüglich seiner in Ausbreitungsrichtung (Z) verlaufenden Mittenachse (M) innen liegenden Zentralbereich (4) sowie einen außen liegenden Randbereich (6) aufweist, sowie Zuführen von Laserstrahlung (7) in den Randbereich (6) des Plasmastrahls (1), wobei die dem Randbereich (6) zugeführte Laserstrahlung (7) parallel zur Mittenachse (M) verläuft. Die Erfindung betrifft auch eine zugehörige Vorrichtung (10), die zum laserunterstützten Plasmaschneiden und/oder Plasmaschweißen ausgebildet ist.

Description

Verfahren zum laserunterstützten Plasmaschneiden oder Plasmaschweißen und Vorrichtung dafür Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum
laserunterstützten Plasmaschneiden bzw. Plasmaschweißen.
Beim Plasmaschneiden oder -schweißen brennt zwischen einer Kathode und einer Anode ein Lichtbogen. Durch Stoßionisation entsteht hierbei ein heißes Plasma bzw. ein Plasmastrahl eines Plasmagases mit einer Temperatur von mehr als 20 000 K. Beim Plasmaschneiden oder -schweißen von metallischen Werkstücken ist die Kathode typischer Weise in einem Bearbeitungskopf angeordnet, während das zu bearbeitende elektrisch leitende Werkstück die Anode bildet.
BESTÄTIGUNGSKOPIE Durch die üblicherweise eingesetzte spitze Form der Kathode und die sich dadurch ergebende Dichteverteilung der elektrischen Feldlinien ist auf der kürzesten
Verbindungslinie zwischen Kathode und Anode, welche der Mittenachse des
Plasmastrahls entspricht, sowie in dem an die Mittenachse angrenzenden
Zentralbereich der Plasmafackel bzw. des Plasmastrahls die Stoßrate der geladenen Teilchen im Plasma besonders hoch. Die hohe Stoßrate führt zu einer hohen
Temperatur und hohen elektrischen Leitfähigkeit des Plasmas. Dieser Zentralbereich der Plasmafackel ist aufgrund der gesteigerten Leitfähigkeit stark eingeschnürt und in seiner Form stabil. Mit zunehmender radialer Entfernung vom Zentralbereich wird die Stoßrate der geladenen Teilchen deutlich geringer und die Temperatur, Dichte und elektrische Leitfähigkeit der Plasmafackel nehmen ab. Dies führt zu Fluktuationen und zu einer Aufweitung des Plasmastrahls. Diese Instabilität und Aufweitung des Randbereichs des Plasmastrahls erzeugt ein unregelmäßiges und damit schlechtes Schnittergebnis beim Plasmaschneiden. Beim Plasmaschweißen wird die
Schweißnaht verbreitert, sodass eine geringere Tiefe erreicht werden kann und ein größerer Wärmeverzug entsteht.
Um einen Plasmastrahl zu führen, einzuschnüren und zu stabilisieren, sind
verschiedene Ansätze bekannt:
Aus der DE102009006132B4 ist es bekannt, durch eine gezielte Abkühlung des Plasmastrahls mit Hilfe einer wassergekühlten Düse dem Plasma am
Kathodenfußpunkt Energie zu entziehen. Durch das Zuführen und/oder Abführen von Kühlflüssigkeit im rechten Winkel zur Längsachse des Plasmabrennerkopfes wird dort ein deutlich längerer Kontakt der Kühlflüssigkeit mit der Düse erzeugt. Hierdurch schnürt sich der Plasmastrahl am Kathodenfußpunkt ein.
Aus der DE102010005617A1 ist es bekannt, einen durch den Plasmabrenner fließenden Strom zumindest während eines zeitlichen Teilabschnitts des
Plasmaschneidvorgangs gezielt bzw. gesteuert zum Pulsieren zu bringen. Unter anderem wird dort auch vorgeschlagen, das Plasmagas und/oder ein Sekundärgas durch speziell geformte Düsen des Bearbeitungskopfs in eine rotierende Strömung zu versetzen. Aus der WO2000064618A2 ist es bekannt, beim Plasmaschweißen einen
Plasmastrahl und einen Laserstrahl zu überlagern, um den Plasmastrahl zu zünden und entlang der Laserstrahlrichtung zu führen. Der Laserstrahl dient dazu, im
Plasmagas enthaltene Moleküle zu Vibrationen anzuregen und so einen Strahlweg für den Plasmastrahl vorzugeben.
Aus der WO2011029462A1 sind eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Bearbeiten von Werkstücken mit einer Lichtbogeneinrichtung und einer Lasereinrichtung bekannt geworden, bei denen ein Laserstrahl innerhalb des Plasmagasstrahls geführt ist, wobei der Laserstrahl in dem Plasmagasstrahl einen Kanal zur Erhöhung der Leitfähigkeit des Plasmagasstrahls ausbildet. Die Elektrode der
Lichtbogeneinrichtung kann als Ringelektrode ausgebildet sein und der Laserstrahl kann innerhalb der zentralen Öffnung der Ringelektrode verlaufen. Alternativ kann einer oder es können mehrere Laserstrahlen von außen an den Plasmagasstrahl unmittelbar vor der Bearbeitungsstelle angrenzend und diesen schneidend zur Bearbeitungsstelle geführt sein.
Aus der DE19944469A1 ist eine Vorrichtung zum Hybridschweißen bekannt, bei welcher zumindest ein fokussierter (alternativ ggf. auch defokussierter) Laserstrahl auf das zu bearbeitende Werkstück gleitet wird und ein elektrischer Lichtbogen zwischen einer Elektrode und dem Werkstück erzeugt wird, wobei die Achse des Lichtbogens konzentrisch zur Laserstrahlung ausgerichtet ist. Der Laserstrahl und der Lichtbogen treffen im Wesentlichen auf dieselbe Stelle am Werkstück
(Bearbeitungsstelle) auf und beeinflussen oder unterstützen sich gegenseitig.
Aufgabe der Erfindung
Der vorliegenden Erfindung stellt sich die Aufgabe, ein Verfahren und eine
Vorrichtung zum laserunterstützten Plasmaschneiden oder -schweißen
bereitzustellen, welche eine verbesserte Stabilisierung und Führung des
Plasmastrahls ermöglichen. Gegenstand der Erfindung
Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren zum laserunterstützten
Plasmaschneiden oder Plasmaschweißen eines typischer Weise plattenförmigen Werkstücks, umfassend die Schritte: Erzeugen eines Plasmastrahls, der sich zwischen einer Elektrode und einer Bearbeitungsstelle an dem Werkstück erstreckt, wobei der Plasmastrahl einen bezüglich seiner in Ausbreitungsrichtung verlaufenden Mittenachse (radial) innen liegenden Zentralbereich sowie einen (radial) außen liegenden im Wesentlichen ringförmigen Randbereich aufweist; sowie Zuführen von Laserstrahlung, insbesondere von kollimierter Laserstrahlung oder von
Laserstrahlung mit einer langen Rayleighlänge, in den Randbereich des
Plasmastrahls, wobei die zugeführte Laserstrahlung parallel zur Mittenachse des Plasmastrahls verläuft. Ein wesentlicher Aspekt der Erfindung ist es, durch die Laserstrahlung nicht die gesamte Plasmafackel bzw. den gesamten Plasmagasstrahl koaxial zu beleuchten, sondern die Intensität der zugeführten Laserstrahlung auf den Randbereich des Plasmastrahls zu konzentrieren, so dass nur ein vernachlässigbar kleiner Anteil der Intensität der Laserstrahlung dem Zentral bereich zugeführt wird. Hierbei wird typischer Weise kollimierte Laserstrahlung oder Laserstrahlung mit einer langen Rayleighlänge eingesetzt, um zu erreichen, dass die Laserstrahlung (im
Wesentlichen) parallel zur Mittenachse des Plasmastrahls ausgerichtet ist und entlang des Plasmastrahls eine gleichbleibende Strahlform aufweist. Typischer Weise wird die Laserstrahlung dem Plasmastrahl an dessen dem Werkstück abgewandten Ende (d.h. im Bereich der Elektrode) zugeführt, um auf diese Weise über die gesamte Länge des Plasmastrahls eine gleichbleibende Strahlführung zu erreichen. Dies ist insbesondere beim Plasmaschneiden günstig, da dort vor allem dicke Bleche (10 mm - 180 mm) bearbeitetet werden und eine Schnittkante mit möglichst geringer Kantenschräge erzielt werden soll, so dass die zugeführte Laserstrahlung beim Durchtritt durch das Werkstück möglichst parallel zur Mittenachse verlaufen sollte. Um dies zu erreichen kann kollimierte Laserstrahlung verwendet werden, es aber auch möglich, geringfügig fokussierte bzw. defokussierte Laserstrahlung zu verwenden, die eine Rayleigh-Länge aufweist, die so groß ist, dass die
Laserstrahlung beim Durchtritt durch das Werkstück (annähernd) parallel zur Mittenachse verläuft. Um dies zu gewährleisten sollte die Rayleigh-Länge der verwendeten Laserstrahlung mindestens so groß sein wie die Dicke des bearbeiteten Werkstücks. Die Erfinder haben erkannt, dass dem Zentralbereich des Plasmastrahls zugeführte Laserstrahlung aufgrund der ohnehin hohen Stoßrate keinen oder nur sehr wenig Einfluss auf dessen energetischen Zustand hat. Im radial außen liegenden
Randbereich des Plasmastrahls, der eine geringere Plasmadichte aufweist, kann die Laserstrahlung dagegen gezielt und effektiv eingesetzt werden. Die Laserstrahlung wirkt somit genau auf den Bereich des Plasmastrahls, der für die verminderte
Schnittqualität bzw. Schweißtiefe verantwortlich ist. Die Einwirkung der
Laserstrahlung führt typischer Weise im Randbereich des Plasmastrahls durch den optogalvanischen Effekt zu einer erhöhten Ionisation des Plasmagases, wodurch sich die Temperatur, Dichte und die elektrische Leitfähigkeit im bestrahlten
Plasmabereich erhöht. Dies stabilisiert und schnürt den Plasmastrahl gezielt in dem Randbereich ein und ermöglicht es, den Plasmastrahl über seine gesamte Länge zu führen.
Bei einer Variante des Verfahrens wird eine Wellenlänge der Laserstrahlung derart gewählt, dass ein zum Erzeugen des Plasmastrahls genutztes Plasmagas von der Laserstrahlung (elektronisch) angeregt wird. Die Wellenlänge des eingesetzten Lasers bzw. der Laserstrahlung sollte so gewählt sein, dass im Plasmagas eine elektronische Anregung erfolgt, welche zum optogalvansichen Effekt führt . Da Argon ein häufig verwendetes Plasmagas ist, können beispielsweise mit Hilfe eines
Diodenlasers mit einer Wellenlänge von 800 nm - 900 nm Argon-Ionen angeregt werden. Alternativ ist es auch möglich, Argon-Atome direkt zu ionisieren bzw.
anzuregen. Dazu werden kurze Wellenlängen von 200 nm - 500 nm benötigt, die beispielsweise durch frequenzverdoppelte oder frequenzverdreifachte
Festkörperlaser erzeugt werden können. Es versteht sich, dass bei der Verwendung von anderen Plasmagasen als Argon die Wellenlänge der Laserstrahlung geeignet angepasst werden sollte.
Bei einer Variante weist die dem Plasmastrahl zugeführte Laserstrahlung eine Leistung von weniger als 1000 Watt, bevorzugt von weniger als 500 Watt auf. Der Laserstrahl bzw. die Laserstrahlung weist typischer Weise nicht genug Energie bzw. Leistung auf, um selbst zur Werkstückbearbeitung beizutragen, sondern dient ausschließlich dazu, den optogalvanischen Effekt im Randbereich des Plasmas anzuregen. Die zur Stabilisierung des Plasmastrahls benötigte Laserleistung ist von der Länge der Plasmafackel bzw. des Plasmastrahls und damit von der zu
schneidenden bzw. zu schweißenden Werkstück- bzw. Blechdicke abhängig. Des Weiteren hängt die Leistung aufgrund des Bouguer-Lambert-Beer'schen
Absorptionsgesetzes von der lonendichte und dem Wirkungsquerschnitt des jeweils elektrisch anzuregenden Ions bzw. Moleküls des Plasmagases bei der
Laserwellenlänge ab. Einige hundert Watt Laserleistung sind für die Stabilisierung typischer Weise ausreichend. Beispielsweise kann die dem Plasmastrahl zugeführte Laserleistung zwischen ca. 100 W und ca. 500 W liegen.
Bei einer vorteilhaften Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens erfolgt das Erzeugen des Plasmastrahls mit Hilfe einer stabförmigen Elektrode, typischer Weise einer Spitzelektrode. Durch die Verwendung einer solchen Elektrode kann die
Anregung des optogalvanischen Effekts im Randbereich des Plasmastrahls ohne einen komplexen Bearbeitungskopf mit koaxialer Führung des Laserstrahls innerhalb der Ringkathode erfolgen. Eine Spitzelektrode kann zudem aufgrund ihrer Geometrie eine hohe Feldstärke bei geringerer elektrischer Spannung erzeugen als eine
Koaxial-Kathode, was energetisch von großem Vorteil ist.
Für die Zuführung der Laserstrahlung zu dem Plasmastrahl kann insbesondere bei der Verwendung einer stabförmigen Elektrode die Laserstrahlung an mindestens einer seitlich zur Mittenachse versetzten Umlenkeinrichtung in einer Richtung parallel zur Mittenachse des Plasmastrahls umgelenkt werden. Der Betrag des seitlichen Versatzes der Umlenkeinrichtung zur Mittenachse der stabförmigen Elektrode, welche der Mittenachse des Plasmastrahls entspricht, genauer gesagt der Abstand zwischen der Mittenachse und der Stelle, an welcher die Laserstrahlung bei einer 90°-Umlenkung auf die Umlenkeinrichtung auftrifft, entspricht hierbei typischer Weise dem (mittleren) Radius des im Wesentlichen ringförmigen Randbereichs des
Plasmastrahls.
Die Umlenkeinrichtung kann beispielsweise als Umlenkspiegel oder ggf. als verspiegelter Teilbereich einer Elektroden-Halterung ausgebildet sein und kann eine plane oder ggf. eine gekrümmte, z.B. kegelstumpfartige Spiegelfläche aufweisen. Es versteht sich, dass an der Umlenkeinrichtung nicht zwingend eine 90°-Umlenkung der Laserstrahlung erfolgen muss, sondern dass ggf. auch ein größerer oder ein kleinerer Umlenk-Winkel verwendet werden kann, um die Laserstrahlung parallel zur Mittenachse auszurichten.
Bei einer weiteren Variante wird die Laserstrahlung dem Plasmastrahl durch einen Gaszuführungsraum einer Gasdüse zum Aufbringen eines Plasmagases auf das Werkstück zugeführt. Bei dieser Variante verläuft die Laserstrahlung in dem typischer Weise ringförmigen Gaszuführungsraum parallel zur Mittenachse der Gasdüse, welche in der Regel der Mittenachse der Elektrode entspricht, so dass auf eine Umlenkeinrichtung im Bereich der Gasdüse des Plasma-Bearbeitungskopfs verzichtet werden kann, die ggf. eine Störkontur für den Fluss des Plasmagases zum Werkstück bildet.
Bei einer weiteren Variante weist die dem Plasmastrahl zugeführte Laserstrahlung eine ringförmige, rotationssymmetrische oder nicht rotationsymmetrische
Intensitätsverteilung auf. Die Einwirkung der Laserstrahlung kann im einfachsten Fall ringförmig im gesamten Randbereich des Plasmastrahls erfolgen. Alternativ ist auch eine nicht-rotationssymmetrische Intensitätsverteilung der Laserstrahlung möglich. Die Intensitätsverteilung der Laserstrahlung kann beispielsweise beim Schneiden so ausgebildet werden, dass die Laserstrahlung nur an der Schnittfront sowie auf der Seite des Gutteils wirkt, da die Schnittqualität auf der Seite des Restgitters, welches typischer Weise als Abfall entsorgt wird, ohne Bedeutung ist.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum laserunterstützten Plasmaschneiden und/oder Plasmaschweißen eines Werkstücks, umfassend: eine Plasmaerzeugungseinrichtung, welche ausgebildet ist, einen Plasmastrahl zu erzeugen, der sich zwischen einer Elektrode der Plasmaerzeugungseinrichtung und einer Bearbeitungsstelle an dem Werkstück erstreckt, wobei der Plasmastrahl einen bezüglich seiner in Ausbreitungsrichtung verlaufenden (radial) innen liegenden Zentralbereich sowie einen (radial) außen liegenden, im Wesentlichen ringförmigen Randbereich aufweist, sowie eine Strahlzuführungseinrichtung zur Zuführung von (kollimierter) Laserstrahlung (oder Strahlung mit hoher Rayleighlänge) in den Randbereich des Plasmastrahls, wobei die dem Randbereich zugeführte Laserstrahlung parallel zur Mittenachse verläuft. Bei der erfindungsgemäßen
Vorrichtung wird entsprechend dem erfindungsgemäßen Verfahren die dem
Randbereich zugeführte Laserstrahlung genutzt, um den Plasmastrahl zu
stabilisieren und das Schneid- oder Schweißergebnis zu verbessern. Die Vorrichtung kann wahlweise zum Plasmaschneiden oder zum Plasmaschweißen verwendet werden, je nachdem, wie die Parameter zur Erzeugung des Plasmas bzw. der Druck der verwendeten Gase gewählt werden. Bei einer Ausführungsform umfasst die Vorrichtung mindestens eine Laserquelle zur Erzeugung von Laserstrahlung. Bei der Laserquelle kann es sich beispielsweise um einen Diodenlaser oder um einen Festkörperlaser handeln. Bei der Wahl einer geeigneten Laserquelle kommt es insbesondere auf die spektralen Eigenschaften (Zentralwellenlänge und Linienbreite) aber auch auf die Qualität der erzeugten Wellenfront an, da eine optimale Koliimation einer ebenen Wellenfront entspricht und damit eine besonders gute Stabilisierung und Einschnürung des Plasmastrahls ermöglicht.
Bei einer Weiterbildung ist die Laserquelle ausgebildet, Laserstrahlung bei einer Wellenlänge zu erzeugen, die zur Anregung des zur Erzeugung des Plasmastrahls genutzten Plasmagases geeignet ist. Die spektralen Übergänge von Plasmagasen können Datenbanken entnommen werden, beispielsweise der unter
„www.nist.gov/pml/data/asd.cfm" abrufbaren Datenbank. Als Plasmagas werden häufig Argon bzw. Argon-Wasserstoff-Gemische verwendet, es können aber auch andere Gase, z.B. Stickstoff, Sauerstoff oder Wasserstoff und deren Gemische als Plasmagase genutzt werden, auch Luft ist in seltenen Fällen möglich.
Die Leistung des Lasers zur Erzeugung der Laserstrahlung sollte nicht mehr als 1 kW, typischer Weise nicht mehr als 500 W betragen. Die für die Stabilisierung bzw. das Einschnüren des Plasmastrahls erforderliche Laserleistung ist vergleichsweise klein und liegt unter der Laserleistung, die erforderlich wäre, um eine schneidende oder schweißende Bearbeitung an dem Werkstück zu bewirken. Bei der oben angegebenen maximalen Leistung der Laserquelle wird davon ausgegangen, dass nur eine einzige Laserquelle vorhanden ist, deren Laserleistung im Wesentlichen verlustfrei dem Randbereich des Plasmastrahls zugeführt wird. Wird mehr als eine Laserquelle zur Zuführung von Laserstrahlung in den Randbereich des
Plasmastrahls verwendet, kann die maximale Laserleistung einer jeweiligen
Laserquelle entsprechend reduziert werden.
Bei einer weiteren Ausführungsform ist die Elektrode stabförmig ausgebildet, typischer Weise mit einem spitz zulaufenden Ende, an dem die Feldstärke beim Anlegen einer Spannung zwischen der Elektrode und dem zu bearbeitenden
Werkstück besonders hoch ist. Wie weiter oben dargestellt wurde, ermöglicht die Verwendung einer stabförmigen Elektrode die Verwendung eines
Plasmabearbeitungskopfs mit gegenüber einer ringförmigen Elektrode stark vereinfachter Bauform. Es versteht sich aber, dass die erfindungsgemäße
Vorrichtung ggf. auch eine ringförmige Elektrode aufweisen kann. Bei einer Ausführungsform weist die Vorrichtung mindestens eine seitlich zur
Mittenachse versetzte Umlenkeinrichtung auf, um die Laserstrahlung in eine
Richtung parallel zur Mittenachse des Plasmastrahls umzulenken. Die
Umlenkeinrichtung(en) kann/können beispielsweise als von der Elektrode
beabstandeter Umlenkspiegel ausgebildet sein.
In einer vorteilhaften Weiterbildung ist die Umlenkeinrichtung an einem gekühlten Halter der Elektrode gebildet. Der Halter kann zur Kühlung mit Hilfe eines Kühifluids, beispielsweise Wasser, einen oder mehrere Kühlkanäle aufweisen. Die
Umlenkeinrichtung kann insbesondere an einem z.B. kegelstumpfartigen Abschnitt des Halters gebildet sein, der in die Elektrode übergeht bzw. an dem die Elektrode angebracht ist. Zur Erhöhung der Reflektivität kann der typischer Weise metallische Halter ggf. im Bereich der Strahlumlenkung mit einer reflektierenden Beschichtung versehen werden. Die Umlenkung am Halter vorzunehmen ist günstiger als die Umlenkung an der Elektrode selbst, da diese in der Regel nicht direkt gekühlt wird und eine sehr hohe Temperatur aufweist, was zu einer Ausdehnung des metallischen Materials der Elektrode sowie zu lokalen Deformationen führen kann, die für eine gezielte Umlenkung von Laserstrahlung in den Randbereich des Plasmastrahls ungünstig ist. Bei einer weiteren Ausführungsform ist die Strahlzuführungseinrichtung ausgebildet, die Laserstrahlung dem Plasmastrahl durch einen Gaszuführungsraum einer Gasdüse zum Aufbringen eines Plasmagases auf das Werkstück zuzuführen, so dass auf eine Umlenkung der Laserstrahlung im Bereich der Elektrode verzichtet werden kann.
Bei einer weiteren Ausführungsform ist die Strahlzuführungseinrichtung zur
Erzeugung von Laserstrahlung, insbesondere von kollimierter Laserstrahlung bzw. von Laserstrahlung mit einer großen Rayleighlänge, mit einer ringförmigen, rotationssymmetrischen oder nicht rotationssymmetrischen Intensitätsverteilung ausgebildet. Die Strahlzuführungseinrichtung weist in diesem Fall typischer Weise eines oder mehrere optische Elemente auf, an dem bzw. an denen ein typischer Weise divergenter, ggf. auch konvergenter Laserstrahl (annährend) kollimiert wird. Die ringförmige Intensitätsverteilung ist im einfachsten Fall rotationssymmetrisch, es ist aber auch möglich, nur in einem oder mehreren begrenzten Winkelbereichen eine hohe Strahlungsintensität zu erzeugen. Es versteht sich, dass der (mittlere) Radius der ringförmigen Intensitätsverteilung im Wesentlichen dem (mittleren) Radius des ringförmigen Randbereichs des Plasmastrahls entspricht. Die ringförmige
Intensitätsverteilung kann durch eine zentral angeordnete kreisförmige Blende erzeugt werden, günstiger ist es aber, wenn die ringförmige Intensitätsverteilung im Wesentlichen ohne Intensitätsverlust erzeugt werden kann.
Bei einer Weiterbildung weist die Strahlzuführungseinrichtung ein Axicon auf, welches mindestens eine kegelartige Linsenfläche aufweist, um aus einem typischer Weise divergenten Laserstrahl eine ringförmige, in der Regel kollimierte
Intensitätsverteilung zu erzeugen, ohne dass hierbei ein nennenswerter
Intensitätsverlust der Laserstrahlung auftritt.
Bei einer weiteren Weiterbildung weist die Strahlzuführungseinrichtung ein diffraktives optisches Element auf. Mit Hilfe eines diffraktiven optischen Elements können Beugungsordnungen der Laserstrahlung genutzt werden, um eine Formung einer auf das diffraktive optische Element auftreffenden, typischer Weise divergenten Intensitätsverteilung in eine nahezu beliebig geformte austrittsseitige
Intensitätsverteilung vorzunehmen. Ein diffraktives optisches Element kann somit genutzt werden, um eine ringförmige, rotationssymmetrische oder nicht rotationssymmetrische Intensitätsverteilung zu erzeugen. Letztere kann beispielsweise genutzt werden, um eine Stabilisierung des Plasmastrahls beim Plasmaschneiden nur auf einer Seite der Schneidfront zu erzeugen, an der ein Gutteil gebildet wird, bei dem eine hohe Schnittqualität der Schneidkante erforderlich ist.
Bei einer weiteren Ausführungsform weist die Strahlzuführungseinrichtung eine Mehrzahl von ringförmig um die Mittenachse angeordneten Lichtleitfasern auf, die typischer Weise parallel zur Mittenachse ausgerichtet sind und denen jeweils eine Mikrolinse zur Kollimation von austretender Laserstrahlung zugeordnet ist. Letzteres ist erforderlich, da die an einem dem Werkstück zugewandten Faserende einer jeweiligen (Glas-)faser austretende Laserstrahlung in der Regel divergent austritt und daher (annähernd) kollimiert werden muss. Die Mikrolinsen können in einem vorgegebenen Abstand vom jeweiligen Faserende angeordnet werden oder es kann ein jeweiliges Faserende mit einer Mikrolinse versehen werden, indem dieses aufgeschmolzen wird, so dass das Faserende selbst als Mikrolinse wirkt (auch als „lensed silica fiber" bezeichnet).
Weitere Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und der Zeichnung. Ebenso können die vorstehend genannten und die noch weiter aufgeführten Merkmale je für sich oder zu mehreren in beliebigen Kombinationen Verwendung finden. Die gezeigten und beschriebenen Ausführungsformen sind nicht als abschließende Aufzählung zu verstehen, sondern haben vielmehr beispielhaften Charakter für die Schilderung der Erfindung.
Es zeigen:
Fig. 1a,b schematische Darstellungen eines Plasmastrahls zur
Werkstückbearbeitung ohne Stabilisierung (Fig. 1a) sowie mit einer Stabilisierung und Einschnürung durch kollimierte, in einem Randbereich des Plasmastrahls verlaufende Laserstrahlung (Fig. 1b),
Fig. 2 eine schematische Darstellung einer Ausführungsform einer Vorrichtung zum laserunterstützten Plasmaschneiden bzw. -schweißen mit einer Strahlzuführungseinrichtung mit einem Axicon zur Erzeugung eines Laserstrahls mit einer ringförmigen Intensitätsverteilung, eine Strahlformungseinrichtung mit einer Kollimationslinse und einer kreisförmigen Blende zur Erzeugung einer ringförmigen
Intensitätsverteilung,
Fig. 4 eine weitere Strahlformungseinrichtung mit einem diffraktiven optischen
Element zur Erzeugung einer ringförmigen Intensitätsverteilung,
Fig. 5a, b eine Mehrzahl von ringförmig um die Mittenachse einer Elektrode
angeordneten Lichtleitfasern in einer Seitenansicht sowie einer Draufsicht,
Fig. 6a, b eine der Lichtleitfasern von Fig. 5a, b mit einer von einem Faserende
beabstandeten Mikrolinse (Fig. 6a) bzw. einer an einem Faserende gebildeten Mikrolinse (Fig. 6b),
Fig. 7 eine weitere Ausführungsform einer Vorrichtung zum laserunterstützten
Plasmaschneiden bzw. -schweißen mit zwei Umlenkspiegeln zur Umlenkung von seitlich zugeführter Laserstrahlung in die
Ausbreitungsrichtung des Plasmastrahls,
Fig. 8 einen einzelnen Umlenkspiegel zur Umlenkung von Laserstrahlung in die
Ausbreitungsrichtung des Plasmastrahls, sowie
Fig. 9 eine Elektrode mit einem flüssigkeitsgekühlten Halter, der als
Umlenkeinrichtung für Laserstrahlung dient, die dem Halter seitlich zugeführt wird. Fig. 1a zeigt einen Plasmastrahl 1 , der zwischen einer als Kathode dienenden
Spitzelektrode 2 und einem als Anode dienenden metallischen Werkstück 3 (Blech) verläuft und der dazu dient, das Werkstück 3 in Abhängigkeit vom Anwendungsfall schneidend oder schweißend zu bearbeiten. Der Plasmastrahl 1 weist einen zentralen, radial innen liegenden Bereich 4 auf, in dessen Zentrum eine Mittenachse M verläuft, welche die kürzeste Verbindungslinie zwischen der Spitzelektrode 2 und dem Werkstück 3 darstellt und welche der Mittenachse der stabförmigen Elektrode 2 entspricht. In dem Zentralbereich 4 des Plasmastrahls 1 ist die Stoßrate von geladenen (ionisierten) Teilchen 5 eines Plasmagases, im vorliegenden Beispiel Argon, besonders hoch. Die hohe Stoßrate führt zu einer hohen Temperatur und einer hohen elektrischen Leitfähigkeit des Plasmas in dem Zentralbereich 4, der stark eingeschnürt und in seiner Form stabil ist, d.h. das Plasma ist typischer Weise in Wesentlichen im thermodynamischen Gleichgewicht. Mit zunehmendem radialen Abstand von der Mittenachse M nimmt die Stoßrate ab, wodurch ein den im Wesentlichen kreisförmigen Zentralbereich 4 umgebender, radial außen liegender (im Wesentlichen ringförmiger) Randbereich 6 des Plasmastrahls 1 eine geringere Stoßrate und dementsprechend eine geringere Temperatur, Dichte, und elektrische Leitfähigkeit aufweist. Dies führt dazu, dass der Plasmastrahl 1 in dem Randbereich 6 aufgeweitet wird und dort Instabilitäten auftreten, die zu einem unregelmäßigen und damit schlechten Schneidergebnis beim Plasmaschneiden und beim Plasmaschweißen zu einer Verbreiterung der Schweißnaht führen können.
Fig. 1b zeigt den Plasmastrahl 1 von Fig. 1a, bei dem zusätzlich in den radial außen liegenden Randbereich 6 parallel zur Mittenachse M des Plasmastrahls 1 (d.h.
senkrecht zum Werkstück 3) verlaufende, kollimierte Laserstrahlung 7 zugeführt wird. Die dem Randbereich 6 zugeführte Laserstrahlung 7 führt zu einer Stabilisierung und insbesondere zu einer Einschnürung des Plasmastrahls 1 in dem Randbereich 6, wie durch einen Vergleich von Fig. 1a und Fig. 1 b deutlich erkennbar ist. Wie in Fig. 1 b gezeigt ist, wird die Laserstrahlung 7 lediglich dem Randbereich 6, nicht aber dem Zentralbereich 4 zugeführt, da in den Zentralbereich 4 zugeführte Laserstrahlung 7 aufgrund der hohen Stoßrate nur einen vernachlässigbar kleinen Einfluss auf die Stabilität des Plasmas haben würde. Die Laserstrahlung 7 wirkt somit genau auf den Randbereich 6 des Plasmastrahls 1 , der für die verminderte Schnittqualität bzw. die geringe Schweißtiefe verantwortlich ist.
Fig. 2 zeigt ein Beispiel einer Vorrichtung 10, die ausgebildet ist, um ein
laserunterstütztes Plasmaschneiden und/oder Plasmaschweißen durchzuführen. Die Vorrichtung 10 umfasst eine Plasmaerzeugungseinrichtung 11 , welche eine Stromversorgung 12 aufweist, um zwischen der Spitzelektrode 2, welche als Kathode dient, und dem metallischen plattenförmigen Werkstück 3, welches als Anode dient, eine Spannung bzw. ein elektrisches Feld zu erzeugen. Die elektrische Verbindung des Werkstücks 3 mit der Stromversorgung 12 erfolgt zum Beispiel durch eine seitlich am Werkstück 3 angebrachte Kontaktklemme 3. Bei der Verwendung einer Spitzelektrode 2 als Kathode sind die für die Erzeugung des Plasmastrahls 1 erforderlichen Spannungen vergleichsweise niedrig, das die Feldstärke im Bereich der Elektrodenspitze besonders hoch ist. Einen weiteren Teil der Plasmaerzeugungseinrichtung 11 stellt eine Gaszuführung zur Zuführung eines Plasmagases 14 zu einer Gasdüse 15 dar. Genauer gesagt wird das Plasmagas 14 einem in der Gasdüse 15 vorgesehenen ringförmigen
Gaszuführungsraum 16 zugeführt. Die Gasdüse 15 bildet einen Teil eines (nicht gezeigten) Plasmabearbeitungskopfs, dem das Plasmagas 14 über nicht im Detail beschriebene Zuführungskanäle zugeführt wird. Die Gaszuführung weist weiterhin ein Gasreservoir 17 auf, in dem das Plasmagas 14, beispielsweise eine Mischung aus Argon und Wasserstoff, sowie Prozessgase bevorratet sind. Das Gasreservoir 17 steht mit einer Einrichtung 18 zur Druckanpassung für das Plasmagas 14 in Verbindung, in der ggf. auch eine Mischung mit weiteren Gasen erfolgen kann.
Das der Gasdüse 15 zugeführte Plasmagas 14 tritt an einer dem Werkstück 3 zugewandten Düsenöffnung aus der Gasdüse 15 aus. Durch Anlegen einer
Hochspannung wird die Plasmafackel gezündet (Zündphase). Das Plamagas wird ionisiert, wodurch zwischen der Elektrode 2 und dem Werkstück 3 der Plasmastrahl 1 gebildet wird, der aus positiven und negativen Ionen, Elektronen sowie angeregten und neutralen Atomen und Molekülen besteht. Um das beim Plasmaschneiden (Schneidphase) an einem (nicht gezeigten) Schnittspalt durch das Werkstück 3 hindurch tretende Plasma- und Prozessgas 14 ungehindert austreiben zu können, sind an einer Werkstückauflage 20 (Werkstücktisch) mehrere Auflagestege 19 als Abstandshalter vorgesehen. Das Gasgemisch während der Zünd- und der
Schneidphase kann sich in seiner Zusammensetzung und im Volumenstrom unterscheiden. Bei der Bearbeitung des auf der Werkstückauflage 20 aufliegenden Werkstücks 3 erfolgt typischer Weise eine Relativbewegung zwischen dem
Werkstück 3 und der Gasdüse 5 bzw. dem (nicht gezeigten) Plasmabearbeitungskopf, an dem die Gasdüse 15 angebracht ist. Die
Relativbewegung erfolgt typischer Weise in der Werkstückebene, d.h. in X- und/oder in Y-Richtung eines XYZ-Koordinatensystems. Zur Erzeugung der Relativbewegung kann/können die Gasdüse 15 mit dem Plasmabearbeitungskopf, das Werkstück 3 relativ zur Werkstückauflage 20 und/oder die Werkstückauflage 20 selbst mittels herkömmlicher, hier nicht näher beschriebener Verschiebeeinheiten bewegt werden.
Bei der in Fig. 2 gezeigten Vorrichtung 10 dient ein Diodenlaser mit einer
Wellenlänge λ im Bereich zwischen ca. 800 bis 1000 nm als Laserquelle 21. Die Wellenlänge λ der Laserstrahlung 7 ist hierbei so auf das Plasmagas 14 abgestimmt, dass die Ionen 5 (vgl. Fig. 1a) des Plasmagases 14, im vorliegenden Fall die
Argonionen, elektronisch angeregt werden (optogalvanischer Effekt). Alternativ oder zusätzlich ist es auch möglich, direkt Gas-Atome in dem Plasmagas 14 zu ionisieren, wozu bei Argon als Plasmagas 14 typischer Weise kurze Wellenlängen im Bereich zwischen ca. 200 nm und 500 nm erforderlich sind, die beispielsweise durch frequenzverdoppelte oder frequenzverdreifachte Festkörperlaser erzeugt werden können. Es versteht sich, dass zusätzlich oder alternativ zu Argon auch andere Plasmagase verwendet werden können, beispielsweise Stickstoff, Sauerstoff oder Wasserstoff, wobei die Wellenlänge λ der Laserquelle 21 an die jeweiligen
Plasmagase angepasst werden kann und vorzugsweise zwischen ca. 200 nm und 1000 nm liegt. Auch können ggf. Gemische aus mehreren Gasen als Plasmagas 14 verwendet werden, wobei die elektronische Anregung oder Ionisation eines einzigen Bestandteils des Plasmagases 14 ggf. ausreichend sein kann, um die gewünschte Einschnürung und Stabilisierung des Plasmastrahls 1 zu bewirken.
Zur Erzeugung des optogalvanischen Effekts in dem Randbereich 6 des
Plasmastrahls 1 sind typischer Weise geringe Laserleistungen ausreichend, so dass eine maximale Leistung der Laserquelle 21 von ca. 1000 W, typischer Weise zwischen ca. 100 W und ca. 500 W genügt, wenn davon ausgegangen wird, dass die verfügbare Laserleistung der Laserquelle 21 (nahezu) vollständig dem Randbereich 6 des Plasmastrahls 1 zugeführt wird.
Für die Zuführung der Laserstrahlung 7 der Laserquelle 21 zum Plasmastrahl 1 weist die Vorrichtung 10 eine Strahlzuführungseinrichtung 22 auf, die Bestandteil des Bearbeitungskopfes sein kann. Diese weist bei dem in Fig. 2 gezeigten Beispiel ein Axicon 23 mit einer konischen Linsenfläche 23a auf, um aus der divergenten
Intensitätsverteilung der aus der Laserquelle 21 austretenden Laserstrahlung 7 eine ringförmige Intensitätsverteilung zu erzeugen sowie die Laserstrahlung 7 zu kollimieren.
Das Axicon 23 ist hierbei an einer Stelle im divergenten Strahlengang der
Laserstrahlung 7 angeordnet, bei welcher der (mittlere) Durchmesser der von dem Axicon 23 erzeugten ringförmigen Intensitätsverteilung im Wesentlichen dem
(mittleren) Durchmesser des im Wesentlichen ringförmigen Randbereichs 6 des
Plasmastrahls 1 entspricht, so dass die an dem Axicon 23 kollimierte Laserstrahlung 7 durch den Gaszuführungsraum 16 der Gasdüse 15 hindurch direkt (d.h. ohne zusätzliche optische Elemente) dem Randbereich 6 des Plasmastrahls 1 zugeführt werden kann. Da die Dicke d von Werkstücken 3 beim Plasmaschneiden in der Regel zwischen ca. 10 mm und 180 mm liegt, ist eine geringe Kantenschräge sowie eine gute Konturgenauigkeit der beim Plasmaschneiden gebildeten Schnittkanten besonders wichtig. Diese kann mit Hilfe der kollimierten Laserstrahlung 7 erhalten werden, welche entlang des Plasmastrahls 1 eine gleichbleibende Strahlform aufweist.
Eine weitere Möglichkeit zur Erzeugung von kollimierter Laserstrahlung 7 mit einer ringförmigen, rotationssymmetrischen Intensitätsverteilung ist in Fig. 3 dargestellt, in der das Axicon 23 der Zuführungseinrichtung 22 von Fig. 2 durch eine
Kollimationslinse 24 sowie eine im Strahlengang nachgeordnete kreisförmige Blende 25 ersetzt wurde, welcher den radial innen liegenden Bereich der
Intensitätsverteilung der Laserstrahlung 7 ausblendet, so dass insgesamt eine ringförmige Intensitätsverteilung entsteht. Eine entsprechende Blendenwirkung kann insbesondere auch die Gasdüse 15 oder ggf. das obere Ende des Spitzelektrode 2 haben, so dass auf das Vorsehen einer zusätzlichen Blende, wie dies in Fig. 3 gezeigt ist, ggf. vollständig verzichtet werden kann.
Während bei den in Fig. 2 und in Fig. 3 gezeigten Strahlzuführungseinrichtungen 22 kollimierte Laserstrahlung mit einer ringförmigen Intensitätsverteilung und
Rotationssymmetrie erzeugt wird, ist bei der in Fig. 4 gezeigten Strahlzuführungseinrichtung 22 ein diffraktives optisches Element 26 vorgesehen, welches es - je nach Auslegung - ermöglicht, die divergente Intensitätsverteilung der Laserquelle 21 entweder in eine ringförmige Intensitätsverteilung mit einer
Rotationssymmetrie um die Mittenachse M oder - falls gewünscht - in eine nicht- rotationssymmetrische Intensitätsverteilung umzuformen.
Eine solche nicht-rotationssymmetrische Intensitätsverteilung kann z.B. günstig sein, wenn die Vorrichtung 10 zum Plasmaschneiden entlang einer Schneidfront an dem Werkstück 3 verwendet wird, an deren einer Schnittkante sich ein Gutteil befindet, während die andere Schnittkante zu einem Restgitter gehört, welches nach dem Schneidvorgang bzw. nach mehreren weiteren Schneidvorgängen entsorgt wird. In diesem Fall ist eine hohe Schnittqualität nur an der Seite der Schneidfront
erforderlich, an der die Schnittkante des Gutteils verläuft, da die Schnittqualität auf der Seite des Restgitters unerheblich ist. Daher kann das diffraktive optische
Element 26 (anders als in Fig. 4 dargestellt) eine nicht-rotationssymmetrische ringförmige Intensitätsverteilung erzeugen, bei der eine hohe Intensität
beispielsweise auf diejenige Hälfte eines Kreisrings beschränkt ist, entlang derer die Schnittkante des Gutteils verläuft. Zur Realisierung von Intensitätsverteilungen mit unterschiedlicher Geometrie kann das diffraktive optische Element 26 gegebenenfalls mittels einer (nicht gezeigten) Wechseleinrichtung gegen andere diffraktive optische Elemente ausgetauscht werden. Wie in Fig. 4 ebenfalls erkennbar ist, kann die Gasdüse 15 zum Aufbringen des Plasmagases 14 auf das Werkstück 3 von einer weiteren Gasdüse 27 ringförmig umgeben sein, die einen weiteren ringförmigen Zuführungsraum 28 für ein (nicht gezeigtes) Hüll- bzw. Wirbelgas (Sauerstoff, Stickstoff oder Gasgemische aus Stickstoff und Sauerstoff aufweist.
Eine Zuführungseinrichtung 22, welche ebenfalls eine Zuführung von parallel zur Mittenachse M der stabförmigen Elektrode 2 ausgerichteter Laserstrahlung 7 durch den ringförmigen Zuführungsraum 16 der Gasdüse 15 ermöglicht, ist in Fig. 5a, b gezeigt. Die Zuführungseinrichtung 22 weist in diesem Fall eine Mehrzahl von Lichtleitfasern 29 (Faserbündel) auf, die in einer ringförmigen Anordnung um die Mittenachse M der Elektrode 2 verteilt sind, wie insbesondere in der Draufsicht von Fig. 5b erkennbar ist. Ein Abstand A zwischen der Mittenachse M der Elektrode 2 und einer jeweiligen Lichtleitfaser entspricht hierbei im Wesentlichen dem (mittleren) Radius des ringförmigen Randbereichs 6 des Plasmastrahls 1. Zur Kollimation der divergent aus den Lichtleitfasern 29 austretenden Laserstrahlung 7 können Mikrolinsen 30 dienen, die entweder vom jeweiligen Faserende
beabstandet angeordnet sind (vgl. Fig. 6a) oder die an einem umgeschmolzenen Faserende einer jeweiligen Lichtleitfaser 29 (so genannte„lensed silica fiber") gebildet sind, vgl. Fig. 6b.
Zusätzlich oder alternativ zur oben beschriebenen Vorgehensweise, bei welcher die Laserstrahlung 7 durch den Gaszuführungsraum 16 der Gasdüse 15 eines (nicht gezeigten) Plasma-Bearbeitungskopfs erfolgt, in den typischer Weise auch ein jeweiliges strahlformendes bzw. kollimierendes Element 23, 24, 26, 29 integriert ist, kann auch eine seitliche Zuführung von Laserstrahlung 7 in den Bereich der
Düsenöffnung der Gasdüse 15 erfolgen, wie nachfolgend anhand eines weiteren Ausführungsbeispiels der Vorrichtung 10 näher beschrieben wird, welche in Fig. 7 dargestellt ist. Bei der Vorrichtung 10 von Fig. 7 wird Laserstrahlung 7 im Wesentlichen parallel zum Werkstück 3 seitlich in den austrittsseitigen Bereich der Gasdüse 15 geführt, und zwar in den Bereich des spitzen Endes der stabförmigen Elektrode 2. Dort sind im vorliegenden Beispiel zwei plane Umlenkspiegel 31a, 31b angebracht, welche die Laserstrahlung 7 um 90° umlenken und diese in Richtung der Mittenachse M dem Randbereich 6 des Plasmastrahls 1 zuführen. Die Laserstrahlung 7 wird bei dem in Fig. 7 gezeigten Beispiel von zwei unterschiedlichen Laserquellen 21a, 2 b erzeugt, es versteht sich aber, dass die Laserstrahlung 7 nur von einer oder von mehreren Laserquellen erzeugt und beispielsweise mittels eines Strahlteilers aufgeteilt werden kann, so dass die jeweiligen Teilstrahlen einem der Umlenkspiegel 31a, 3 b zugeführt werden.
Die Stelle, an welcher die Laserstrahlung auf den jeweiligen Umlenkspiegel 31 a, 31 b auftrifft, ist so positioniert, dass die Laserstrahlung 7 in den ringförmigen
Randbereich 6 des Plasmastrahls 1 (nicht aber in den Zentralbereich 4) umgelenkt wird. Es versteht sich, dass auch mehr als zwei Umlenkspiegel im Bereich der Elektrode 2 vorgesehen werden können, um Laserstrahlung 7 dem Randbereich 4 des Plasmastrahls 1 zuzuführen, wobei diese beispielsweise in Umfangsrichtung in regelmäßigen Winkelabständen zueinander angeordnet werden können.
Gegebenenfalls kann bzw. können an Stelle von mehreren planen Umlenkspiegeln auch eine oder mehrere rund umlaufende konische Spiegelflächen im Bereich der Elektrode 2 vorgesehen werden, um in radialer Richtung eingestrahlte
Laserstrahlung 7 in dem Randbereich 4 des Plasmastrahls 1 umzulenken. Da der Plasmastrahl 1 erst ab der Spitze der Elektrode 2 brennt, können die
Umlenkspiegel 31a, 31b anders als in Fig. 7 gezeigt auch weiter oben in der
Gasdüse 15 angebracht werden. Zur seitlichen Zuführung der Laserstrahlung 7 kann hierbei die Wand der Gasdüse 15 mit einem transparenten Material (z.B. Glas oder dergleichen) versehen sein. Um zu vermeiden, dass die Umlenkspiegel 31 a, 31 b eine Störkontur für den Fluss des Plasmagases bilden, können an der Gasdüse 15 an Stelle eines ringförmigen Zuführungsraums ggf. auch mehrere, z.B. vier, in Umfangsrichtung um die Elektrode 2 verteilte Zuführungsräume vorgesehen werden, zwischen denen die Umlenkspiegel angeordnet sind. Die Laserstrahlung 7 der Laserquellen 21a, 21 b kann (mittels in Fig. 7 nicht gezeigter optischer Elemente) kollimiert auf die Umlenkspiegel 31a, 31b auftreffen. Alternativ oder zusätzlich können die Umlenkspiegel 31a, 31 b bzw. deren Spiegelflächen eine Krümmung aufweisen, um typischer Weise divergent auf diese auftreffende Laserstrahlung 7 beim Umlenken zu kollimieren. Wie in Fig. 8 gezeigt ist, kann ggf. auch lediglich ein einziger seitlich zur Elektrode 2 versetzter Umlenkspiegel 31a in der Vorrichtung 10 vorgesehen werden, um die Laserstrahlung 7 einem in Umfangsrichtung vergleichsweise kleinen Abschnitt des Randbereichs 6 des Plasmastrahls 1 zuzuführen. Typischer Weise befindet sich in diesem Fall in dem Abschnitt des Randbereichs 6 des Plasmastrahls 1 , in dem die Laserstrahlung 7 zugeführt wird, diejenige Schnittkante der Schneidfront, die dem Gutteil zugewandt ist und bei der eine hohe Schnittqualität erhalten werden soll.
Eine weitere Möglichkeit zur seitlichen Zuführung von Laserstrahlung 7 zu dem Randbereich 6 des Plasmastrahls 1 ist in Fig. 9 dargestellt, bei der ein verspiegelter, konisch zulaufender Abschnitt eines Halters 32 für die stabförmige Elektrode 2 als Umlenkeinrichtung 34 dient. Als Verspiegelung kann beispielsweise eine
dielektrische oder eine metallische Beschichtung, z.B. aus Aluminium, dienen. In dem Elektroden-Halter 32 ist ein Kühlkanal 33 eingebracht, um den Halter 32 bzw. die stabförmige Elektrode 2 mit Hilfe einer (nicht gezeigten) Kühlflüssigkeit, z.B. mit Wasser, zu kühlen. Das Vorsehen der Umlenkeinrichtung 34 für die Laserstrahlung 7 in einem gekühlten Bereich ist günstig, da die Elektrode 2 selbst typischer Weise auf sehr hohe Temperaturen aufgeheizt wird, so dass es zu einer Ausdehnung und ggf. Verformung des Materials der Elektrode 2 kommen kann, die eine gezielte
Umlenkung von kollimierter Laserstrahlung 7 bzw. eine Kollimation der
Laserstrahlung 7 bei der Umlenkung in den Randbereich 4 erschweren.
Mit Hilfe der oben beschriebenen Vorrichtungen 10 kann mit Hilfe der in den
Randbereich 6 des Plasmastrahls 1 eingestrahlten kollimierten Laserstrahlung 7, die sich typischer Weise entlang des gesamten Plasmastrahls 1 von der Elektrode 2 bis zum Werkstück 3 erstreckt und eine gleichbleibende Strahlform aufweist, eine gleichbleibende Strahlführung des Plasmastrahls 1 und somit eine Stabilisierung bzw. Einschnürung des Plasmastrahls 1 erreicht werden. Auf diese Weise kann beim Plasmaschneiden eine Verbesserung der Schnittqualität im Hinblick auf
Kantenschräge und Konturgenauigkeit und eine Steigerung der möglichen
Vorschubgeschwindigkeiten durch einen engeren Schnittspalt erreicht werden. Beim Plasmaschweißen mit Hilfe der Vorrichtungen 10 lassen sich tiefere, dünnere
Schweißnähte sowie eine geringere Wärmeeinflusszone erreichen. Eine
Verbesserung der Bearbeitungsqualität lässt sich auch erreichen, wenn an Stelle von kollimierter Laserstrahlung (wie oben beschrieben) nicht vollständig kollimierte Laserstrahlung verwendet wird, die eine große Rayleighlänge aufweist, d.h.
Laserstrahlung, die möglichst parallel bzw. annähernd parallel zur Mittenachse verläuft.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zum laserunterstützten Plasmaschneiden oder Plasmaschweißen eines Werkstücks (3), umfassend die Schritte:
Erzeugen eines Plasmastrahls (1), der sich zwischen einer Elektrode (2) und einer Bearbeitungsstelle (3a) an dem Werkstück (3) erstreckt, wobei der
Plasmastrahl (1 ) einen bezüglich seiner in Ausbreitungsrichtung (Z) verlaufenden Mittenachse (M) innen liegenden Zentralbereich (4) sowie einen außen liegenden Randbereich (6) aufweist, sowie
Zuführen von Laserstrahlung (7) in den Randbereich (6) des Plasmastrahls (1), wobei die zugeführte Laserstrahlung (7) parallel zur Mittenachse (M) verläuft.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , bei dem eine Wellenlänge (λ) der zugeführten
Laserstrahlung (7) derart gewählt wird, dass ein zum Erzeugen des Plasmastrahls (1 ) genutztes Plasmagas (14) von der Laserstrahlung (7) angeregt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei dem die dem Plasmastrahl (1 ) zugeführte Laserstrahlung (7) eine Leistung von weniger als 1000 Watt, bevorzugt von weniger als 500 Watt aufweist.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Erzeugung des Plasmastrahls (1) mit Hilfe einer stabförmigen Elektrode (2) erfolgt.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die
Laserstrahlung (7) an mindestens einer seitlich zur Mittenachse (M) versetzten Umlenkeinrichtung (31 a, 31b, 34) in eine Richtung (Z) parallel zur Mittenachse (M) des Plasmastrahls (1) umgelenkt wird.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die
Laserstrahlung (7) dem Plasmastrahl (1 ) durch einen Gaszuführungsraum (16) einer Gasdüse (15) zum Aufbringen eines Plasmagases (14) auf das Werkstück (3) zugeführt wird.
7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die dem
Plasmastrahl (1 ) zugeführte Laserstrahlung (7) eine ringförmige,
rotationssymmetrische oder nicht rotationsymmetrische Intensitätsverteilung aufweist.
8. Vorrichtung (10) zum laserunterstützten Plasmaschneiden und/oder
Plasmaschweißen eines Werkstücks (3), umfassend:
eine Plasmaerzeugungseinrichtung (11 ), welche ausgebildet ist, einen
Plasmastrahl (1 ) zu erzeugen, der sich zwischen einer Elektrode (2) der
Plasmaerzeugungseinrichtung (11 ) und einer Bearbeitungsstelle (3a) an dem Werkstück (3) erstreckt, wobei der Plasmastrahl (1 ) einen bezüglich seiner in Ausbreitungsrichtung (Z) verlaufenden Mittenachse (M) innen liegenden
Zentralbereich (4) sowie einen außen liegenden Randbereich (6) aufweist, sowie eine Strahlzuführungseinrichtung (22) zur Zuführung von Laserstrahlung (7) in den Randbereich (6) des Plasmastrahls (1 ), wobei die zugeführte Laserstrahlung (7) parallel zur Mittenachse (M) des Plasmastrahls (1 ) verläuft.
9. Vorrichtung nach Anspruch 8, weiter umfassend: mindestens eine Laserquelle (21 , 21a, 21 b) zur Erzeugung der Laserstrahlung (7).
10. Vorrichtung nach Anspruch 9, bei welcher die Laserquelle (21 , 21 a, 21 b)
ausgebildet ist, Laserstrahlung (7) bei einer Wellenlänge (λ) zu erzeugen, die zur Anregung von in einem Gasspeicher (17) der Vorrichtung (10) befindlichem, zur Erzeugung des Plasmastrahls (1 ) genutzten Plasmagases (14) geeignet ist. 1. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 10, bei welcher die Elektrode (2) stabförmig ausgebildet ist.
12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 11 , welche mindestens einer seitlich zur Mittenachse (M) versetzte Umlenkeinrichtung (31a, 31b, 34) aufweist, um die Laserstrahlung (7) in eine Richtung (Z) parallel zur Mittenachse (M) des
Plasmastrahls (1 ) umzulenken.
13. Vorrichtung nach Anspruch 12, bei welcher die Umlenkeinrichtung (34) an einem gekühlten Halter (32) der Elektrode (2) gebildet ist.
14. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 13, bei welcher die
Strahlzuführungseinrichtung (22) ausgebildet ist, die Laserstrahlung (7) dem Plasmastrahl (2) durch einen Gaszuführungsraum (16) einer Gasdüse (15) zum Aufbringen eines Plasmagases (14) auf das Werkstück (3) zuzuführen.
15. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 14, bei welcher die
Strahlzuführungseinrichtung (22) zur Erzeugung von Laserstrahlung (7) mit einer ringförmigen, rotationssymmetrischen oder nicht rotationssymmetrischen
Intensitätsverteilung ausgebildet ist.
16. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 15, bei welcher die
Strahlzuführungseinrichtung (22) ein Axicon (23) aufweist.
17. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 16, bei welcher die
Strahlzuführungseinrichtung (22) ein diffraktives optisches Element (26) aufweist.
18. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 17, bei welcher die
Strahlzuführungseinrichtung (22) eine Mehrzahl von ringförmig um die
Mittenachse (M) angeordneten Lichtleitfasern (29) aufweist, denen jeweils eine Mikrolinse (30) zur Kollimation von austretender Laserstrahlung (7) zugeordnet ist.
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