用于对工件的表面进行激光加工或者用于对工件外侧面或内侧面上的涂层进行后处理的设备

摘要

本发明涉及一种用于对工件表面进行加工或者用于对工件外侧面或内侧面上的涂层进行后处理的设备，所述工件特别是金属工件、优选管件，该设备包括：能够穿过工件或者在工件外部运动的作业加工头(2)；用于将激光光线(10)导送至作业加工头(2)的器件亦即光导纤维(5)或者用于在作业加工头(2)内产生激光光线的器件；以及设置在作业加工头(2)内的光学器件(7)，这些光学器件能够对工件的内侧面或外侧面施加激光光线(10)。

说明书

技术领域

本发明涉及一种用于对工件表面进行加工或者用于对工件外侧面 或内侧面上的涂层进行后处理的设备，所述工件特别是金属工件、优 选管件。另外，本发明涉及一种用于对工件表面进行加工或者用于对 工件外侧面或内侧面上的涂层进行后处理的方法，特别是利用上述类 型的设备。另外，本发明还涉及一种用于对工件外侧面或内侧面进行 涂层的方法。

背景技术

所述工件特别是可以由金属构成或者包括金属。另外，它特别是 可以具有一种圆柱形的形状并且例如是管件或者棒材。在这种情况下， 借助本发明可以加工的涂层例如可包括至少一层利用高速火焰喷涂或 者等离子喷涂制造的涂层或者是通过喷射、通过湿润或者通过涂抹而 涂覆的涂层。

这种涂层应该经常用作防腐层或者耐磨层。涂层通常必须被后续 热加工，以实现：将涂覆的粉末状材料转换为紧固连接在一起的涂层。 在此，对于设置在管件内部的涂层的后处理被证实为特别麻烦和昂贵。

发明内容

本发明所要解决的的问题是：提供一种文首述及类型的设备，该 设备能够有效地对特别是设置在管件内部的涂层进行后处理，或者能 够有效地加工工件的表面。另外，还应阐明用于对工件表面进行加工 或者用于对工件外侧面或内侧面上的涂层进行后处理的方法以及用于 对工件外侧面或内侧面进行涂层的方法。

根据本发明，上述问题通过具有权利要求1所述特征的设备以及 通过具有权利要求16和18所述特征的方法得以解决。从属权利要求 涉及的是本发明的一些优选设计。

根据权利要求1规定，该设备包括：能够穿过工件或者在工件外 部运动的作业加工头；用于将激光光线导送至作业加工头的光导纤维 或者用于在作业加工头中产生激光光线的器件；以及在作业加工头内 的光学器件，这些光学器件能够对工件的内侧面或外侧面施加激光光 线。通过施加激光辐射，能够有效地加工工件表面或者能够有效地对 涂层进行后续加工，其中，可以实现将涂层组成部分特别是熔接、熔 化或熔入到位于其下的工件的表面处、表面上或表面中。

借助于本发明的设备或者本发明的方法，不仅能够加工涂层，而 且还能够加工未经涂层的金属表面。本发明的设备还允许以与涂层类 似的方式对经抛光的和/或经研磨的金属表面进行后续加工，这些金属 表面已经利用其它工艺方法进行了预加工，例如机械切削加工、通过 浸入溶液中/用溶液涂抹工件的化学清洗/侵蚀、利用机械研磨和/或抛 光工具实施的机械研磨/抛光。

在对金属表面加工的过程中，这些金属表面可以被熔化或者有针 对性地被加热直到熔点之下。在熔化的情况中，在熔化表面上起作用 的表面张力使表面光整为具备可实现的粗糙度值Ra＜0.5μm。在加热 到熔点之下的情况中，在工件表面上在热影响区之内出现有针对性的 结构组织变化。这种结构组织变化以各种不同的性状处理表现为人所 知，例如作为退火、烧结或淬火。

最后所提到的性状处理表现(退火、烧结、淬火)以及使熔化的 表面光整可以以同样方式用于对涂层的激光后处理。

例如，作业加工头可以像由其他技术领域中已知的管道清洗机那 样沿着轴向方向运动穿过特别是构造成管件的工件内部。

存在如下可能性：光学器件包括按下述方式构造的构件，即激光 光线在该构件中通过内部反射和/或折射被转向，使得激光光线到达工 件的待加工的或者待后处理的外侧面或内侧面上。这样的构件例如与 镜反射的(verspiegelt)构件(激光光线在其外侧面上被反射至管件 内壁)相比，可以明显更为简单地进行调校和制造。

在此可以规定：光学器件构造为，使得它们能够在例如构造成管 件的工件的内侧面或外侧面上产生激光光线的环形强度分布。该环形 强度分布可以通过作业加工头沿轴向方向的运动而顺着管件的内侧面 或外侧面运动，因此通过这种方式能够非常快速地实现对涂层施加激 光光线。

可以规定：光学器件包括均化器件，该均化器件例如是一种旋转 对称的构件并且具有特别是带有同心或者同轴设置的透镜的透镜组。 通过这样一种构件，激光光线能够对于环形强度分布最佳化地得以成 形和均化。

与已设立的和已知晓的激光处理方法(小光点，通过可动的反光 镜使用于面状加工的激光光点运动)不同，在本申请中要求权利保护 的方法的特征尤其是在于：它实现了一种均匀分布的热影响区并且它 是“无跃迁过渡的”。所说“无跃迁过渡的”对于工件来说意味着：沿 着表面或者说沿着工件上的涂层在激光处理期间不产生在表面中或者 涂层中引起裂纹的热应力。另外，通过本发明还避免了例如由传统堆 焊已知的材料堆高()或者“带状焊瘤(Raupen)”。 本发明与传统激光处理方法的这个不同之处的根本原因是在于：工件 被本发明的设备以激光辐射均匀地面状地扫过，通过这种方式，边缘 效应得以最小化。在本发明的设备中，在工件表面仅仅是沿进给方向 存在着小范围上的大温差，而在使用小光点的传统激光处理中沿所有 方向都会顺着表面产生导致应力的大温差。

所述光学器件可以构造为，使得激光光线的强度分布在该强度分 布运动进入的正面具有与在背面不同的廓型形状。在此，强度分布在 所述正面上的廓型形状可以针对尚未被辐射到的材料加以优化，而强 度分布在所述背面上的廓型形状则可以针对已经被辐射到的材料加以 优化。

可以规定：在对工件辐射照射时入射角并不精确地为90°。这具有 如下优点：不会有返回反射(Rückreflexe)进入到一个激光光源或者 多个激光光源之中。

附图说明

参照附图借助下文对优选实施例的说明，本发明的其他特征和优 点得以明确。附图中：

图1为管件的示意性剖视图，包括局部图示出的本发明设备的第 一实施方式；

图2为本发明设备的光学器件的一个构件的第二实施方式的示意 性剖视图，包括示例性的激光射束；

图3为本发明设备的光学器件的一个构件的第三实施方式的示意 性剖视图，包括示例性的激光射束；

图4为本发明设备的光学器件的一个构件的第四实施方式的示意 性剖视图，包括示例性的激光射束；

图5为第四实施方式的与图4相应的示意性剖视图，包括较宽的 激光射束；

图6为本发明设备的光学器件的一个构件的第五实施方式的示意 性剖视图，包括示例性的激光射束；

图7为本发明设备的光学器件的一个构件的第六实施方式的示意 性剖视图，包括示例性的激光射束；

图8为均化器件的透视图；

图9为工件上的激光光线的第一强度分布示意图(I(z)/z)；

图10为工件上的激光光线的第二强度分布示意图(I(z)/z)；

图11为工件上的激光光线的第三强度分布示意图(I(z)/z)；

图12为管件的示意性剖视图，包括局部图示出的本发明设备的第 二实施方式；

图13为图12所示出的设备的光学结构的示意图；

图14为工件上的激光光线的第四强度分布示意图(I(z)/z)；

图15为线状强度分布的示例图。

在各附图中，相同的或者功能相同的部分配有相同的附图标记。

具体实施方式

在图1所示出的实施方式中，在一个管件1中在其内侧面上涂覆 有涂层，该涂层例如由粉末状的材料构成。特别是，在此它可以是一 种借助高速火焰喷涂涂覆的涂层。特别是这个涂层可以包含Al₂O₃。 例如所述涂层可以为数百微米(μm)厚。

管件1的内侧面上的涂层应该由本发明的设备进行后处理。这一 点特别是可以通过如下方式得以实现：涂层被施加激光辐射。因此该 涂层能够部分地熔化并且使涂层的各粉末状的组成成分可以相互紧固 地结合。

加工完成的涂层例如可以是防腐层或者耐磨层。管件1可以特别 是由金属构成或者包括金属。

本发明的设备包括一个激光光源16和一个作业加工头2，该作业 加工头可以在管件1的内部运动，特别是可以沿着轴向方向运动。仅 仅示意性地并且特别是未按比例地示出了激光光源16以及与其相接 的光导纤维5，光导纤维同样是未按比例示出的。在本申请中，所说 激光光线应该不仅仅被理解为可见光，而是应当理解为所有种类的激 光辐射，诸如还有红外线辐射或紫外线辐射。

在所示出的实施例中，作业加工头2为此在其外侧面上具有导向 辊3，这些导向辊能够贴靠在管件1的内侧面上。作业加工头2与一 个导管4相连，通过该导管，激光光线可以从一个外部激光光源经由 光导纤维5被导送给作业加工头2。作为可选方案，也可以在作业加 工头中或上设置一个激光光源。

导管4也可以用于使作业加工头2穿过管件1运动，特别是将作 业加工头2往管件1中推入和从管件1中抽出。另外，如果例如待实 施的对涂层的后处理应该在保护气体气氛下实施，则可以将至少一根 用于过程气体的管道引导穿过导管4。从图1中可以看出喷嘴6，特别 是用于喷出过程气体的环形喷嘴6。

在作业加工头2中设置有光学器件7，这些光学器件能够将由光 导纤维5的端部8射出的激光光线成形并转向到管件1的内侧面上。 例如，所述光学器件包括一个特别是在外侧面上镜反射的、锥形的构 件9，该构件能够使激光光线如此地向外转向到管件1的内侧面上， 即在那里产生激光光线的一种环形的强度分布。该环形的强度分布能 够通过作业加工头2沿轴向方向的运动而顺着管件1的内侧面运动， 因此通过这种方式能够非常有效地对涂层施加激光光线。

可以根据应用情况来选择作业加工头2的运动方向以及因此选择 强度分布沿轴向方向的运动方向。那就是说，可以使作业加工头2要 么向图1中的右侧运动要么向图1中的左侧运动。对于运动方向的准 则例如可以是：在辐射之前管件1内侧面上的涂层是否坚固到足以能 够例如与导向辊3接触之程度。

在图2至图7中示出了其他一些旋转对称的构件9，这些构件不 在它们的外侧面上发生镜反射。其中，图2至图4和图6及图7分别 只示出了激光光线10的一部分，该部分偏心地入射并且因此仅仅被转 向一个侧面。而图5示出的是宽的、关于光轴或者说构件9的对称轴 对称的激光光线10的入射，该激光光线相应呈圆形地被径向向外转 向。在图5中可以从激光光线10的一部分既被向下也被向上转向而看 清楚这一点。

在图2至图5所示出的实施例中，入射的激光光线10穿过垂直于 激光光线10定向调准的平面11射入构件9中，在另一个面12上经过 一个内部的全反射并穿过另一个面13射出。由于构件9的旋转对称， 所以便产生了激光光线10在管件1的内侧面上的环形强度分布。

在图2示出的实施例中，激光光线10总共被转向大约75°的角。 在图3至图5示出的实施例中，激光光线10总共被转向大约90°的角。

在图6和图7示出的实施方式中，激光光线10射入一个相对激光 光线10的入射方向倾斜的面11进入到构件9中。在图6示出的实施 方式中，激光光线10在无内部反射的情况下穿过面13从构件9中射 出。在图7示出的实施方式中，激光光线10在另一个面12上经过一 个内部的全反射并穿过面13射出。

在图6示出的实施例中，激光光线10总共被转向大约55°的角。 在图7示出的实施例中，激光光线10总共被转向大约90°的角。

另外，光学器件7可以包括至少一个均化器件，该均化器件在以 获取环形强度分布为目标的情况下可以由一个带有同心或者同轴设置 的透镜15的透镜组构成(为此参照图8中的实施例)。这样的均化器 件14可以如此地构造，即激光辐射的角分布以一种M形轮廓从它里 面射出。在WO 2012/095422A2中介绍了一种类似的透镜组。

在图9至图11中举例示出了激光光线10在管件1的内侧面上的 可能的强度分布17、18、19。在此，分别向右绘出了轴向方向z，因 此该图示出了激光辐射沿着圆环的横向的轮廓。用箭头20分别表示管 件1内侧面上强度分布的进给方向。

利用图9中示出的强度分布17可以实现对涂层的可控的再加热。 用虚线21表示出示例性的高斯轮廓曲线。强度分布17与该轮廓偏离 一个区域22，该区域提高了此分布的背面的廓型，因而在最高强度23 之后便实现一个较长的再加热过程。

利用图10中示出的强度分布18可以实现对涂层的可控的预热。 也用虚线21表示出示例性的高斯轮廓曲线。强度分布18与该轮廓偏 离一个区域24，该区域提高了此分布的正面的廓型，因而在最高强度 23之前便实现一个较长的预热过程。

在图11中示出的强度分布19是所述强度分布17、18的一种示例 性的组合。因此，利用在图11中示出的强度分布19既可以实现对涂 层的可控的预热、也可以实现对涂层的可控的再加热。

由此产生了设置其他光学器件的可能性，这些光学器件能够产生 激光光线在管件1的内侧面上的线状的或者点状的强度分布。在此情 况下，激光光线的线状的或者点状的强度分布于是可以通过作业加工 头2的或者光学器件的或者管件1的旋转运动沿着圆周方向在管件的 内侧面上运动。

在图12和图13中示出了这种实施方式的一个实例。图13示出的 是光学结构，在该结构中光学器件7包括一个准直透镜25、一个优选 单轴两级的均化器26、一个反光镜27和一个傅里叶透镜28。

在此可以规定：由光学器件7产生激光光线10的线状的角分布， 其中，线的纵方向沿着管件1的径向方向延伸。另外，相对管件1的 轴向方向倾斜例如45°角的反光镜27能够将激光光线10的线状强度 分布投向示意性示出的管件1的内侧面上。在此情况下，反光镜27 可以与均化器26一起以及在必要时还与其余光学器件7一起围绕轴向 方向旋转。

通过反光镜27，一种沿着轴向方向Z延伸的线状强度分布被投向 管件1的内侧面上，该强度分布通过反光镜的或者光学器件7的旋转 和作业加工头2的进给在管件1的内侧面上螺旋状地运动。图12示意 性地对这个螺旋状的运动进行了说明，其中，螺旋线为说明清楚起见 被拉长，从而在各个被辐射的区域29之间可以看到未被辐射的区域 30。这个结构仅仅用于说明之目的。实际上，当然设定对管件1的内 侧面无间隙地或者优选重叠地施加激光光线10。

图14示例性地示出了激光光线10在管件1的内侧面上与z相关 的可能的强度分布31。在此分别向右绘出了轴向方向z，这样，图示 便表示出激光辐射沿线状强度分布的纵向的轮廓。用箭头20再次表示 管件1内侧面上的强度分布31的进给方向。

图14说明了：在线状强度分布31中，对未经加工的材料进行辐 射的廓型32与对已经被辐射的材料进行照射的廓型33可以构造成不 同的形式。但是，该构造可以具体地与试样的热学特性和线的旋转速 度相匹配。

图15再次示出了线状强度分布31的俯视图。它示意性地表示出： 射束横截面沿着z-方向(在图15中从左向右)的延伸尺寸明显大于沿 着与其垂直方向(在图15中从上向下)(的延伸尺寸)，该方向相应于 管件1的圆周方向。

由此，存在着将本发明的设备用于对非管状工件的内侧面上的涂 层进行后处理的可能性。另外，也可以利用本发明的设备对工件的外 侧面进行后处理。

在此，例如可以在一个圆柱形的、可以是管件也可以是棒材的工 件的外侧面上产生激光辐射的一种环绕的环形强度分布。该“外部的激 光环”然后可以沿着圆柱形工件的轴向方向运动。

待加工表面的优选实现方式的实例为经抛光的和/或经研磨的金 属表面。

在表面加工中或者在涂层后处理中所使用的激光辐射可以具有 192nm与10700nm之间的波长。另外，在表面加工中或者在涂层后处 理中所使用的激光辐射可以具有300W与300kW之间的功率。另外， 在表面加工中或者在涂层后处理中所使用的激光辐射可以具有 6kW/cm²与1000kW/cm²之间的强度。

另外，在表面加工中或者在涂层后处理中所使用的激光辐射可以 具有在1mm与6000mm之间的沿长轴的线焦点延伸尺寸。另外，在 表面加工中或者在涂层后处理中所使用的激光辐射可以具有在50μm 与5mm之间的沿短轴的线焦点延伸尺寸。

工件表面与激光射束之间的相对速度大小可以在1mm/s与 1000mm/s之间。

总地来说存在着如下可能性：激光光线的强度分布在该强度分布 沿着管件1的轴向方向运动进入的正面具有与在背面不同的廓型形 状。在此，强度分布在所述正面上的廓型形状可以针对尚未被辐射到 的材料加以优化，而强度分布在所述背面上的廓型形状则可以针对已 经被辐射到的材料加以优化。