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EP2812147A1 - Device for the laser processing of a surface of a workpiece or for the post-treatment of a coating on the outside or the inside of a workpiece - Google Patents

Device for the laser processing of a surface of a workpiece or for the post-treatment of a coating on the outside or the inside of a workpiece

Info

Publication number
EP2812147A1
EP2812147A1 EP13704583.7A EP13704583A EP2812147A1 EP 2812147 A1 EP2812147 A1 EP 2812147A1 EP 13704583 A EP13704583 A EP 13704583A EP 2812147 A1 EP2812147 A1 EP 2812147A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
workpiece
laser light
outside
coating
tube
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP13704583.7A
Other languages
German (de)
French (fr)
Inventor
Paul Alexander Harten
Peter Bruns
Vitalij Lissotschenko
Thomas Mitra
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Limo GmbH
Original Assignee
Limo Patentverwaltung GmbH and Co KG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Priority claimed from DE201210002487 external-priority patent/DE102012002487A1/en
Application filed by Limo Patentverwaltung GmbH and Co KG filed Critical Limo Patentverwaltung GmbH and Co KG
Publication of EP2812147A1 publication Critical patent/EP2812147A1/en
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C23COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23CCOATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C4/00Coating by spraying the coating material in the molten state, e.g. by flame, plasma or electric discharge
    • C23C4/12Coating by spraying the coating material in the molten state, e.g. by flame, plasma or electric discharge characterised by the method of spraying
    • C23C4/129Flame spraying
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C23COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23CCOATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C4/00Coating by spraying the coating material in the molten state, e.g. by flame, plasma or electric discharge
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    • B23K2101/34Coated articles, e.g. plated or painted; Surface treated articles
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    • B23K2103/00Materials to be soldered, welded or cut
    • B23K2103/50Inorganic 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

The invention relates to a device for the processing of 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 pipe, comprising a process head (2) that can be moved through the workpiece or outside of the workpiece, an optical fiber (5), means for feeding laser light (10) to the process head (2) or means for producing laser light in the process head (2), and optical means (7) arranged in the process head, which can apply the laser light (10) to the inside or the outside of the workpiece.

Description

VORRICHTUNG ZUR LASERBEARBEITUNG EINER OBERFLÄCHE EINES WERKSTÜCKS ODER ZUR NACHBEHANDLUNG EINER BESCHICHTUNG AUF DER AUSSENSEITE ODER DER INNENSEITE EINES WERKSTÜCKS DEVICE FOR LASER-PROCESSING A SURFACE OF A WORKPIECE OR FOR TREATING A COATING ON THE OUTSIDE OR THE INSIDE OF A WORKPIECE
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Bearbeitung einer Oberfläche eines Werkstücks oder zur Nachbehandlung einer Beschichtung auf der Außenseite oder der Innenseite eines 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
Werkstücks, insbesondere eines Metallwerkstücks, vorzugsweise eines Rohres. Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zur  Workpiece, in particular a metal workpiece, preferably a tube. The invention further relates to a method for
Bearbeitung einer Oberfläche eines Werkstücks oder zur  Machining a surface of a workpiece or for
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.  Post-treatment of a coating on the outside or the inside of a workpiece, in particular with a device of the aforementioned type. The invention further relates to a method for coating the outside or the inside of a workpiece.
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 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
Hochgeschwindigkeits-Flammspritzen oder dem Plasmaspritzen hergestellt wurde oder die eine durch Spritzen, durch Benetzung oder durch Bestreichung aufgebrachte Schicht ist.  High-speed flame spraying or plasma spraying or which is a spray-applied, wetting or delustered coating.
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 Such coatings are often intended to serve as anti-corrosion or wear-resistant coatings. As a rule, the coatings must be thermally post-processed in order to convert the applied powdered materials into a solid one
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 to achieve a coherent layer. 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
Werkstücks sowie zur Beschichtung der Außenseite oder der Workpiece and for coating the outside or the
Innenseite eines Werkstücks angegeben werden. Indicated inside a workpiece.
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 This is achieved by a device having the features of claim 1 and by the method having the features of claims 16 and 18. The dependent claims relate
bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung. preferred embodiments of the invention.
Gemäß Anspruch 1 ist vorgesehen, dass die Vorrichtung einen durch das Werkstück oder außerhalb des Werkstücks bewegbaren According to claim 1 it is provided that the device is movable through the workpiece or outside the workpiece
Prozesskopf, eine Lichtleitfaser zur Zuführung von Laserlicht zu dem Prozesskopf oder Mittel zur Erzeugung von Laserlicht in dem Process head, an optical fiber for supplying laser light to the process head or means for generating laser light in the
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. 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. By the application of laser radiation, 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.
Mit Hilfe einer erfindungsgemäßen Vorrichtung oder eines With the aid of a device according to the invention or a
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 According to the invention not only 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
Bearbeitung, chemische Reinigung/Ätzen durch Eintauchen in Processing, dry cleaning / etching by immersion in
/Bestreichen des Werkstückes mit eine/r Lösung, mechanisches Schleifen/Polieren mit mechanischen Schleif- und/oder / Brushing the workpiece with a solution, mechanical grinding / polishing with mechanical grinding and / or
Polierwerkzeugen. Polishing tools.
Bei der Bearbeitung von Metalloberflächen können diese When working on metal surfaces, these can
aufgeschmolzen oder gezielt bis unterhalb des Schmelzpunktes erhitzt werden. Im Fall des Aufschmelzens glättet die an der be melted or heated selectively below the melting point. In the case of melting smoothes at the
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. Surface surface tension acting surface surface with achievable roughness Ra <0.5 μηπ. When heated below the melting point, a targeted structural change takes place within the heat-affected zone at the surface of the workpiece. Such structural changes are known in various forms, for example as annealing, sintering or curing.
Die letztgenannten Ausprägungen (Annealing, Sintern, Härten) sowie das Glätten einer aufgeschmolzenen Oberfläche sind in gleicher Weise für die Lasernachbehandlung von Beschichtungen einsetzbar. 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.
Beispielsweise kann der Prozesskopf wie ein aus anderen For example, the process header may look like one from another
Technikbereichen bekannter Molch durch das Innere des Engineering areas known pig through the interior of the
insbesondere als Rohres ausgebildeten Werkstücks in axialer in particular designed as a tube workpiece in the axial
Richtung bewegt werden. Be moved direction.
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 There is the possibility that 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
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. Inside the workpiece passes. 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.
Es kann dabei vorgesehen sein, dass die Optikmittel derart It may be provided that the optical means such
ausgebildet sind, dass sie eine ringförmige Intensitätsverteilung des Laserlichts auf der Innenseite oder der Außenseite des beispielsweise als Rohr aufgebildeten Werkstücks erzeugen können. Diese are formed so that they can produce an annular intensity distribution of the laser light on the inside or the outside of the example formed as a pipe workpiece. These
ringförmige Intensitätsverteilung kann durch die Bewegung des annular intensity distribution can be determined by the movement of the
Prozesskopfes in axialer Richtung an der Innenseite oder der Process head in the axial direction on the inside or the
Außenseite des Rohres entlang bewegt werden, so dass dadurch die Beaufschlagung der Beschichtung mit Laserlicht sehr schnell durchgeführt werden kann. Be moved outside of the tube along, so that thereby the application of laser light can be performed very quickly.
Es kann vorgesehen sein, dass die Optikmittel ein It can be provided that the optical means a
Homogenisatormittel umfassen, das beispielsweise ein Homogenizer agents include, for example, a
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. is rotationally symmetrical component and in particular has a lens array with concentric or coaxially arranged lenses. By means of such a component, the laser light can be optimally shaped and homogenized for the annular intensity distribution.
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 In contrast to the established and known laser methods (small spot, movement of the laser spot for planar processing by movable mirrors), the method claimed in this application is characterized in particular in that it achieves a uniformly distributed heat-affected zone, and that it
"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 is "transitionless". 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
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 or produce the coating. In addition, the known, for example, from the classical surfacing Material increases or "caterpillars" avoided by the invention. This difference of the invention to classical laser methods is due to the fact that the workpiece is swept evenly over the workpiece by a device according to the invention with laser radiation, whereby edge effects are minimized. Large temperature differences in a small space are in a device according to the invention on the workpiece surface only in the direction of the feed, while in the classical laser treatment with a small spot in all
Richtungen entlang der Oberfläche große Temperaturunterschiede zu verzeichnen sind, die zu Spannungen führen. Directions along the surface are large temperature differences that lead to tensions.
Die Optikmittel können derart gestaltet sein, dass die The optical means may be designed such that the
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 Intensity distribution of the laser light at the front, in which the intensity distribution moves, has a different edge shape, as on the back. The flank shape of the
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. 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.
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. It can be provided that during the irradiation of the workpiece, 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.
Weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden deutlich anhand der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Other features and advantages of the present invention will become more apparent from the following description
Ausführungsbeispiele unter Bezugnahme auf die beiliegende Embodiments with reference to the accompanying
Abbildung. Darin zeigt Illustration. It shows
Fig. 1 eine schematische Schnittansicht durch ein Rohr mit einer teilweise abgebildeten ersten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung; 1 shows a schematic sectional view through a tube with a partially depicted first embodiment of a device according to the invention;
Fig. 2 eine schematische Schnittansicht einer zweiten Fig. 2 is a schematic sectional view of a second
Ausführungsform eines Bauteils der Optikmittel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung mit einem beispielhaften Laserstrahl;  Embodiment of a component of the optical means of a device according to the invention with an exemplary laser beam;
Fig. 3 eine schematische Schnittansicht einer dritten Fig. 3 is a schematic sectional view of a third
Ausführungsform eines Bauteils der Optikmittel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung mit einem beispielhaften Laserstrahl;  Embodiment of a component of the optical means of a device according to the invention with an exemplary laser beam;
Fig.4 eine schematische Schnittansicht einer vierten 4 is a schematic sectional view of a fourth
Ausführungsform eines Bauteils der Optikmittel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung mit einem beispielhaften Laserstrahl;  Embodiment of a component of the optical means of a device according to the invention with an exemplary laser beam;
Fig. 5 eine Fig.4 entsprechende schematische Schnittansicht der vierten Ausführungsform mit einem breiteren Laserstrahl; Fig. 5 is a schematic sectional view corresponding to Fig.4 of the fourth embodiment with a wider laser beam;
Fig. 6 eine schematische Schnittansicht einer fünften Fig. 6 is a schematic sectional view of a fifth
Ausführungsform eines Bauteils der Optikmittel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung mit einem beispielhaften Laserstrahl; eine schematische Schnittansicht einer sechsten Embodiment of a component of the optical means of a device according to the invention with an exemplary laser beam; a schematic sectional view of a sixth
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  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
Intensitätsverteilung.  Intensity distribution.
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 In the drawings, the same or functionally identical parts are given the same reference numerals. In the embodiment of FIG. 1, a coating has been applied in a tube 1 on the inside thereof, which consists for example of powdered material. In particular, this may be a coating applied by means of high-speed flame spraying. In particular, this can
Beschichtung Al203 umfassen. Beispielsweise kann die Beschichtung einige 100 μηπ dick sein. Coating Al 2 0 3 include. For example, the coating can be a few 100 μm thick.
Durch die erfindungsgemäße Vorrichtung soll die Beschichtung auf der Innenseite des Rohres 1 nachbehandelt werden. Dies kann insbesondere dadurch geschehen, dass die Beschichtung mit By the device according to the invention, 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
Laserstrahlung beaufschlagt wird. Dadurch kann die Beschichtung teilweise aufgeschmolzen werden und die einzelnen pulverförmigen Bestandteile der Schicht können fest miteinander verbunden werden. Laser radiation is applied. As a result, the coating can be partially melted and the individual powdery components of the layer can be firmly joined together.
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. 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.
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. 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.
Der Prozesskopf 2 weist in dem abgebildeten Ausführungsbeispiel dazu auf seiner Außenseite Führungsrollen 3 auf, die an der The process head 2 has in the illustrated embodiment to on its outside guide rollers 3, which on the
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 Can lie inside the tube 1. 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. Alternatively, in or on the
Prozesskopf 2 eine Laserlichtquelle vorgesehen sein. Process head 2 may be provided a laser light source.
Das Führungsrohr 4 kann auch dazu verwendet werden, den The guide tube 4 can also be used to
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 To move process head 2 through the tube 1, in particular the process head 2 into the tube 1 and push it out of the tube 1. Through the guide tube 4 can continue
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. 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. From Fig. 1, nozzles 6, in particular annular nozzles 6 for the exit of the process gas can be seen.
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. In the process head 2, 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. By way of example, 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.
Die Bewegungsrichtung des Prozesskopfes 2 und damit der The direction of movement of the process head 2 and thus the
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. 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.
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 FIGS. 2 to 7 show further rotationally symmetrical components 9 which are not mirrored on their outside. In this case, 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. Fig. 5, however, shows the incidence of a broad, the optical axis or the axis of symmetry of
Bauteils 9 symmetrischen Laserlichts 10, das entsprechend 9 component symmetrical laser light 10, the corresponding
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. is deflected radially outwards. In FIG. 5, this can be seen from the fact that a part of the laser light 10 is deflected both downwards and upwards.
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 In the exemplary embodiments according to FIGS. 2 to 5, 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
Laserlichts 10 auf der Innenseite des Rohres 1. Laser light 10 on the inside of the tube. 1
Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 2 wird das Laserlicht 10 insgesamt um einen Winkel von etwa 75 ° abgelenkt. Bei den In the embodiment according to FIG. 2, the laser light 10 is deflected overall by an angle of approximately 75 °. Both
Ausführungsbeispielen gemäß Fig. 3 bis Fig. 5 wird das Laserlicht 10 insgesamt um einen Winkel von etwa 90° abgelenkt. Embodiments according to FIG. 3 to FIG. 5, the laser light 10 is deflected in total by an angle of about 90 °.
Bei den Ausführungsformen gemäß Fig. 6 und Fig. 7 tritt das In the embodiments according to FIGS. 6 and 7, this occurs
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. Laser light 10 in a plane, inclined to the direction of incidence of the laser light 10 surface 11 in the component 9 a. In the embodiment of FIG. 6, the laser light passes without internal reflection by a Surface 13 of the component 9 from. In the embodiment according to FIG. 7, the laser light 10 experiences a total internal reflection on a further surface 12 and exits through a surface 13.
Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 6 wird das Laserlicht 10 insgesamt um einen Winkel von etwa 55 ° abgelenkt. Bei dem In the embodiment according to FIG. 6, the laser light 10 is deflected overall by an angle of approximately 55 °. In which
Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 7 wird das Laserlicht 10 insgesamt um einen Winkel von etwa 90° abgelenkt. Embodiment of FIG. 7, the laser light 10 is deflected in total by an angle of about 90 °.
Die Optikmittel 7 können weiterhin mindestens ein The optical means 7 may further at least one
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 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
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 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
beschrieben. described.
In den Fig. 9 bis Fig. 11 sind beispielhaft mögliche In FIGS. 9 to 11 are possible examples
Intensitätsverteilungen 17, 18, 19 des Laserlichts 10 auf der Intensity distributions 17, 18, 19 of the laser light 10 on the
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. Inside of the tube 1 shown. In each case, 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.
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. With the intensity distribution 17 shown in FIG. 9, a controlled post-heating of the coating can be achieved. 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.
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 With the intensity distribution 18 shown in FIG. 10, a controlled preheating of the coating can be achieved. The dashed line 21 again indicates an exemplary Gaussian profile. From such a profile gives way to the
Intensitätsverteilung 18 durch einen Bereich 24 ab, der die Intensity distribution 18 by an area 24 from which the
vorderseitige Flanke der Verteilung erhöht, so dadurch vor dem front flank of the distribution increases, so before the
Intensitätsmaximum 23 eine Phase längeren Vorheizens erzielt wird. Intensity maximum 23 a phase of preheating is achieved.
Die in Fig. 11 dargestellte Intensitätsverteilung 19 ist eine The intensity distribution 19 shown in FIG. 11 is a
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. exemplary combination of the intensity distributions 17, 18. With the intensity distribution 19 shown in Fig. 11, therefore, both a controlled preheating, as well as a controlled reheating of the coating can be achieved.
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 It is quite possible to provide other optical means which can produce a linear or a point-like intensity distribution of the laser light on the inside of the tube 1. In this case, then, the line-shaped or a point-like intensity distribution of the laser light by a rotational movement of the process head 2 or the optical means or the tube 1 in
Umfangsrichtung über die Innenseite des Rohres bewegt werden. Circumferential direction to be moved over the inside of the tube.
Ein Beispiel für derartige Ausführungsformen ist in Fig. 12 und Fig. 13 dargestellt. Fig. 13 zeigt den optischen Aufbau, bei dem die An example of such embodiments is shown in FIGS. 12 and 13. Fig. 13 shows the optical structure in which the
Optikmittel 7 eine Kollimationslinse 25, einen vorzugsweise Optic means 7 a collimating lens 25, preferably
einachsigen zweistufigen Homogenisierer 26, einen Spiegel 27 und eine Fourierlinse 28 umfassen. uniaxial two-stage homogenizer 26, a mirror 27 and a Fourier lens 28 include.
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 It may be provided that 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
Innenseite des schematisch angedeuteten Rohres 1 aufbringen. Apply inside of the schematically indicated tube 1.
Hierbei kann der Spiegel 27 zusammen mit dem Homogenisierer 26 und gegebenenfalls auch mit den übrigen Optikmitteln 7 um die axiale Richtung gedreht werden. Here, the mirror 27 can be rotated together with the homogenizer 26 and possibly also with the other optical means 7 about the axial direction.
Durch den Spiegel 27 wird eine sich in axialer Richtung Z Through the mirror 27 is a in the axial direction 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 extending linear intensity distribution applied to the inside of the tube 1, which is moved by the rotation of the mirror or the optical means 7 and the feed of the process head 2 spirally over the inside of the tube 1. Fig. 12 illustrates this spiral movement schematically, wherein for clarity, the spiral has been stretched, so that between the individual
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. 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 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 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. In each case, 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 verdeutlicht, dass auch bei der linienförmigen Fig. 14 illustrates that even in the linear
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. 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 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. 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.
Es besteht durchaus die Möglichkeit, die erfindungsgemäße It is quite possible, the invention
Vorrichtung zur Nachbehandlung von Beschichtungen auf der Apparatus for the aftertreatment of coatings on the
Innenseite von nicht rohrförmigen Werkstücken zu verwenden. Inside to use non-tubular workpieces.
Weiterhin können auch die Außenseiten von Werkstücken mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung nachbehandelt werden. Furthermore, the outsides of workpieces can be aftertreated with the device according to the invention.
Beispielsweise kann dabei auf der Außenseite eines zylindrischen Werkstücks, das ein Rohr aber auch ein Stab sein kann, eine For example, on the outside of a cylindrical workpiece, which may be a pipe but also a rod, a
umlaufende ringförmige Intensitätsverteilung der Laserstrahlung erzeugt werden. Dieser„äußere Laser-Ring" kann dann in axialer Richtung längs des zylindrischen Werkstücks bewegt werden. circumferential annular intensity distribution of the laser radiation are generated. This "outer laser ring" can then be moved in the axial direction along the cylindrical workpiece.
Beispiele für bevorzugte Realisierungsformen zu bearbeitender Examples of preferred embodiments to be processed
Oberflächen sind polierte und/oder geschliffene Metalloberflächen. Surfaces are polished and / or ground metal surfaces.
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 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
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. 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 .
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. Furthermore, 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 μm and 5 mm.
Die Relativgeschwindigkeit zwischen der Werkstückoberfläche und dem Laserstrahl kann zwischen 1 mm/s und 1000 mm/s betragen. The relative speed between the workpiece surface and the laser beam can be between 1 mm / s and 1000 mm / s.
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. There is a general possibility that 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. In this case, 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.

Claims

Patentansprüche: claims:
1. Vorrichtung zur Bearbeitung einer Oberfläche eines Werkstücks oder zur Nachbehandlung einer Beschichtung auf der 1. Apparatus for processing a surface of a workpiece or for the aftertreatment of a coating on the
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.  Outside or inside of a workpiece, in particular a metal workpiece, preferably a tube, comprising a process head (2) movable through the workpiece or outside the workpiece, an optical fiber (5) for supplying laser light (10) to the process head (2) or means for generating laser light in the process head (2), in the process head (2) arranged optical means (7) which can act on the inside or the outside of the workpiece with the laser light (10).
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 2. Device according to claim 1, characterized in that the optical means (7) comprise a component (9) which is designed such that the laser light (10) in the component (9) by internal
Reflexion und/oder Brechung abgelenkt wird, so dass es auf die zu bearbeitende oder nachzubehandelnde Außenseite oder Innenseite des Werkstücks gelangt.  Reflection and / or refraction is deflected so that it reaches the machined or nachzubehandelnde outside or inside of the workpiece.
3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Bauteil (9) ein rotationssymmetrisches Bauteil ist. 3. A device according to claim 2, characterized in that the component (9) is a rotationally symmetrical component.
4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch 4. Device according to one of claims 1 to 3, characterized
gekennzeichnet, dass die Optikmittel (7) derart ausgebildet sind, dass sie eine ringförmige Intensitätsverteilung des  characterized in that the optical means (7) are designed such that they have an annular intensity distribution of
Laserlichts (10) auf der Innenseite des insbesondere als Rohr (1) ausgebildeten Werkstücks oder der Außenseite des insbesondere zylinderförmigen Werkstücks erzeugen können. Laser light (10) on the inside of the particular as a tube (1) can produce trained workpiece or the outside of the particular cylindrical workpiece.
5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch 5. Device according to one of claims 1 to 4, characterized
gekennzeichnet, dass die Optikmittel (7) ein  characterized in that the optical means (7) a
Homogenisatormittel umfassen.  Homogeniser include.
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. 6. Apparatus according to claim 5, characterized in that the homogenizer means (14) is a rotationally symmetrical component and in particular a lens array with concentric or coaxially arranged lenses (15).
7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch 7. Device according to one of claims 1 to 3, characterized
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.  in that the optical means (7) are designed such that they can produce a linear intensity distribution (31) of the laser light (10) on the inside or the outside of the workpiece, wherein the linear intensity distribution (31) is in particular in the axial direction (z ) of the particular cylindrical workpiece and can be moved spirally over the inside of the particular designed as a pipe (1) workpiece.
8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch 8. Device according to one of claims 1 to 7, characterized
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.  in that the optical means (7) are designed in such a way that the intensity distribution of the laser light (10) at the front side, in which the intensity distribution moves, has a different flank shape than at the rear side.
9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch 9. Device according to one of claims 1 to 8, characterized
gekennzeichnet, dass der Prozesskopf (2) in axialer Richtung durch das Rohr (1) oder außerhalb des zylinderförmigen  characterized in that the process head (2) in the axial direction through the tube (1) or outside of the cylindrical
Werkstücks bewegt werden kann. Workpiece can be moved.
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. 10. Device according to one of claims 1 9, characterized in that the process head (2) comprises means for dispensing process gas, in particular at least one nozzle (6).
11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch 11. Device according to one of claims 1 to 10, characterized
gekennzeichnet, dass die Vorrichtung mindestens eine  characterized in that the device comprises at least one
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.  Laser light source (16) for generating laser light (10), wherein the laser light source (16) outgoing laser light (10) in particular via the optical fiber (5) to the process head (2) can be supplied.
12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch 12. Device according to one of claims 1 to 11, characterized
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.  characterized in that the device comprises a guide tube (4) which is connected to the process head (2), wherein the guide tube (4) can serve to move the process head (2) relative to the workpiece.
13. Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtleitfaser (5) sich durch das Führungsrohr (4) erstreckt. 13. The apparatus according to claim 12, characterized in that the optical fiber (5) extends through the guide tube (4).
14. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch 14. Device according to one of claims 1 to 13, characterized
gekennzeichnet, dass der Prozesskopf (2) auf seiner  characterized in that the process head (2) on its
Außenseite Führungsmittel, insbesondere Führungsrollen (3), aufweist, die an der Innenseite des Rohres 1 anliegen können.  Outside guide means, in particular guide rollers (3), which may rest against the inside of the tube 1.
15. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch 15. Device according to one of claims 1 to 14, characterized
gekennzeichnet, dass die Beschichtung eine thermisch  characterized in that the coating is a thermal
aufgespritzte Beschichtung ist, insbesondere eine durch  sprayed coating is, in particular a through
Hochgeschwindigkeits-Flammspritzen oder Plasmaspritzen aufgebrachte Beschichtung, oder dass die Beschichtung eine durch Spritzen, durch Benetzung und durch Bestreichung aufgebrachte Beschichtung ist. High-speed flame spraying or plasma spraying applied coating, or that the coating is applied by spraying, by wetting and by coating applied coating.
16. Verfahren zur Bearbeitung einer Oberfläche eines Werkstücks oder zur Nachbehandlung einer Beschichtung auf der 16. A method for processing a surface of a workpiece or for the post-treatment of a coating on the
Außenseite oder der Innenseite eines Werkstücks, insbesondere eines Metallwerkstücks, vorzugsweise eines Rohres,  Outside or inside of a workpiece, in particular a metal workpiece, preferably a tube,
insbesondere mit einer Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 15, gekennzeichnet durch folgende Verfahrensschritte:  in particular with a device according to one of claims 1 to 15, characterized by the following method steps:
Ein Prozesskopf (2) wird, vorzugsweise in axialer Richtung, durch das Werkstück oder außerhalb des Werkstücks bewegt; A process head (2) is moved, preferably in the axial direction, through the workpiece or outside the workpiece;
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. Laser light (10) is generated and applied by the process head (2) to the inside or outside of the workpiece for processing a surface of the workpiece or for post-treating the coating.
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 17. The method according to claim 16, characterized in that an annular intensity distribution of the laser light (10) on the inside of the particular as a tube (1) formed workpiece or on the outside of the particular
zylinderförmigen Werkstücks erzeugt wird.  cylindrical workpiece is generated.
18. Verfahren zur Beschichtung der Außenseite oder der Innenseite eines Werkstücks, insbesondere eines Metallwerkstücks, vorzugsweise eines Rohres, gekennzeichnet durch folgende Verfahrensschritte: 18. A method for coating the outside or the inside of a workpiece, in particular a metal workpiece, preferably a tube, characterized by the following method steps:
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. On the inside or the outside of the workpiece, a coating is applied, in particular by high velocity flame spray; the coating is aftertreated by a method according to one of claims 16 or 17.
EP13704583.7A 2012-02-10 2013-02-11 Device for the laser processing of a surface of a workpiece or for the post-treatment of a coating on the outside or the inside of a workpiece Withdrawn EP2812147A1 (en)

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