DE102008028272B4

DE102008028272B4 - Verfahren und Vorrichtung zum induktiven Reinigen und Entschichten einer metallischen Werkstücksoberfläche

Info

Publication number: DE102008028272B4
Application number: DE102008028272.3A
Authority: DE
Inventors: Oliver Müllerschön
Original assignee: Trumpf Laser und Systemtechnik GmbH
Current assignee: Trumpf Laser und Systemtechnik GmbH
Priority date: 2008-06-16
Filing date: 2008-06-16
Publication date: 2016-07-28
Anticipated expiration: 2028-06-17
Also published as: WO2009152807A1; DE102008028272A1

Abstract

Verfahren zum Reinigen und Entschichten der Werkstückoberfläche (3) eines metallischen Werkstückes (4, 4', 4'') von einer Beschichtung mittels induktiver Erwärmung, dadurch gekennzeichnet, dass zum vollständigen oder nahezu vollständigen Verdampfen einer Phosphatschicht (2) die Werkstückoberfläche (3) auf eine Oberflächentemperatur von mindestens 700°C, insbesondere auf mindestens 750°C, induktiv erwärmt wird und diesem Reinigungsprozess der Werkstückoberfläche (3) während der Abkühlung der auf mindestens 700°C erwärmten Werkstückoberfläche (3) ein Schweißprozess folgt.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Reinigen und Entschichten der Werkstückoberfläche eines metallischen Werkstückes von einer Beschichtung vor dem Laserschweißprozess, sowie eine zum Durchführen dieses Reinigungsverfahrens geeignete Vorrichtung.
Eine derartiges Reinigungs- und Entschichtungsverfahren ist beispielsweise aus der DD 1 46 698 B3 bekannt geworden.
Die Reinigung der Werkstückoberfläche vor dem Schweißprozess ist erforderlich, wenn das Werkstück, um beim Transport vor z. B. Korrosion geschützt zu sein, mit Ölen oder anderen Schutzschichten überzogen ist. Außerdem kann es beim Transport auch zur Verschmutzung der Werkstückoberfläche kommen. Es können auch andere Funktionsschichten auf der Werkstückoberfläche aufgebracht sein, wie z. B. Phosphatschichten, Farbschichten oder Zinkschichten. Diese Schichten bzw. Verschmutzungen führen beim Schweißprozess zur Bildung von Spritzern und diese können den Laserschweißkopf beschädigen.
Das Reinigen der Werkstückoberfläche vor dem Schweißprozess erfolgt derzeit durch eines der folgenden Verfahren:

1. Entschichten durch Laserreinigen. Hierbei wird die Werkstückoberfläche punktuell mit einem Laserstrahl aufgeheizt und die Verunreinigung lokal entfernt. Allerdings bringt solch ein Verfahren einen hohen Kostenaufwand mit sich und der Reinigungsprozess ist nicht mehr für alle Anwender wirtschaftlich.
2. Waschvorgang in chemischen Bädern oder im Ultraschallbad, wie es z. B. in Druckschrift DE 103 585 90 A1 erläutert wird. In dieser Druckschrift wird die Reinigung von zu schweißenden Aluminiumwerkstücken beschrieben. Dieses Verfahren liefert teilweise nicht das gewünschte Ergebnis, die chemischen Inhaltstoffe der Bäder müssen den Werkstückmaterialien und Verschmutzungen angepasst werden und das Werkstück muss vor dem Schweißprozess getrocknet werden.
3. CO₂-Schneestrahlreinigung. Bei diesem Verfahren wird CO₂-Schnee zur Reinigung verwendet. Dieser wird erzeugt, indem flüssiges CO₂ in eine Düse gepumpt und dort auf Umgebungsdruck entspannt wird. Die Reinigung erfolgt mechanisch, da die Schneepartikel mit Druckluft durch eine strahlformende Düse auf die Oberfläche beschleunigt werden. Die mechanische Reinigung wird durch die niedrige Temperatur des CO₂ von –78°C unterstützt. Bei dieser niedrigen Temperatur werden einige Schichttypen spröde und es bilden sich Risse, so dass die Schicht leichter entfernt werden kann. Dieses Verfahren ist nicht für alle Schichttypen geeignet, insbesondere ist das Entfernen einer als Sonderschicht bezeichneten Phosphatschicht nicht möglich.

WO 97/00141 A2 betrifft ein Verfahren zum Entfernen von Beschichtungen von Schiffsrümpfen. Hier wird gelehrt, dass die Induktionsspule über das Werkstück fährt und nur so lange auf der gleichen Stelle bleibt, bis die Beschichtungsverbindungen zum Metall „geknackt” sind und bevor sich das Volumen des Metallsubstrat erwärmt, denn nur die Grenzschicht soll erwärmt werden. Danach muss die so geknackte Schicht manuell entfernt werden.
DE 101 61 880 A1 offenbart einen Ofen, in dem Werkstückteile durchgeschleust und während dessen auf Temperaturen von ca. 600°C erhitzt werden, um öl- bzw. fettartige Anhaftungen von der metallischen Oberfläche zu entfernen.
Bei der US 5,016,809 A wird ein Werkstück aus Aluminium von organischen Substanzen durch Erwärmen auf ca. 400°C gereinigt, um es anschließend zu löten, wobei der Lötprozess bei ca. 600°C stattfindet.
Aus der DE 43 43 578 A1 ist eine Vorrichtung zum induktiven Erwärmen eines elektrisch leitfähigen Werkstückes bekannt, die auch zum Entfernen von Beschichtungen, insbesondere zum Entlacken von Metalloberflächen, eingesetzt werden kann.
Aus der DE 38 38 214 A1 ist es bekannt, das Werkstück induktiv aufzuheizen, damit durch Wärmeleitung auch die Grenzschicht einer Beschichtung oder eine Bindemittelschicht soweit erwärmt wird, dass die Haftung der Grenz- bzw. Bindemittelschicht am Werkstück gelöst und die Beschichtung von Hand abgezogen werden kann.
Die eingangs genannte DD 1 46 698 B3 offenbart ein Verfahren und eine Einrichtung zum örtlich begrenzten Entfernen eines Vorkonservierungsanstriches an einem Stahlbauteil. Das Bauteil wird lokal mittels Wirbelströmen erwärmt, welche von einem mit Wechselspannung hoher Frequenz gespeisten Induktor erzeugt werden, und dadurch der Vorkonservierungsanstrich entfernt. Die Temperatur wird so gewählt, dass der Anstrich verbrennt, das Materialgefüge aber nicht verändert wird.
DE 199 40 732 A1 betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Entfernen von auf Stahigittermasten von Hochspannungsfreileitungen befindlichen Farbbeschichtungen. Der Stahl der Stahigittermasten wird durch Hochfrequenzinduktion auf eine Temperatur von höchstens 250°C erwärmt und die dabei gelöste Farbschicht von den Stahlgittermasten abgeschabt.
US 2 716 690 A betrifft ein Verfahren zum Präparieren verzinkter Bauteile für das Schweißen, bei dem die Zinkbeschichtung mittels Hochfrequenzinduktion von dem Bauteil durch Verbrennen entfernt und das Bauteil gleichzeitig gekühlt wird.
Aus der DE 994 877 B ist ein Verfahren zum automatischen Schweißen von verzinkten Fässern mittels eines Lichtbogens bekannt. Vor dem Schweißen wird mittels einer dem Lichtbogen vorauseilenden Induktionseinrichtung eine Zinkanhäufung im Bereich des nacheilenden Lichtbogens durch Erwärmen auf 450°C bis 500°C weggeschmolzen.
EP 1 716 958 A2 offenbart ein Verfahren zum Entzinken eines kaltgewalzten verzinkten Stahlprofils, indem mit hochfrequentem Strom die ursprünglich vorhandene Zinkschicht in einem definierten Bereich entfernt wird.
DE 43 04 551 C1 betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Entfernung einer organischen Beschichtung auf metallischen Hohlkörpern. Dabei wird die Wand der Hohlkörper zunächst durch eine mittelfrequente induktive Erwärmung gleichmäßig über die Wanddicke auf eine Temperatur von mindestens 200 und höchstens 350°C vorerwärmt, unmittelbar danach die Oberfläche der Beschichtung unter Anwesenheit von Sauerstoff hinsichtlich Intensität und Dauer in der Weise von außen erhitzt, dass es bei einer Temperatur von mindestens 400°C und höchstens 550°C in der Beschichtung zu deren thermischen Abbau kommt, ohne dass die sich einstellende Ausgleichstemperatur in der Wand der Hohlkörper einen Wert von 400°C übersteigt, und danach erfolgt eine mechanische Reinigung.
DE 23 64 964 A1 offenbart ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Entfernung von Behälteraufdrucken. Die Behälter werden mittels Hochfrequenzinduktion auf eine Temperatur von bis zu 230°C erwärmt, die dazu ausreicht, die auf der Behälteroberfläche befindlichen Aufdrucke zu erweichen, und dann werden die erwärmten Behälter abgebürstet, um die weichen Aufdrucke zu entfernen.
WO 2006/113 960 A2 betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur thermischen Delamination („Enthaften”) von Lackschichten durch Erwärmen mittels induktiver Energie.
WO 2008/048 111 A1 betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Entfernung von Rostschichten oder Coatings von einer Metalloberfläche durch Erwärmen mittels Hochfrequenzinduktion.
JP H04-267 091 A offenbart ein Verfahren zum Entfernen eines oberflächenbeschichteten Metallfilms durch Erwärmen mittels Hochfrequenzinduktion und JP H07-1 900 A eine Vorrichtung zum Entfernen eines metallischen Oberflächenfilms durch Erwärmen mittels Hochfrequenzinduktion.
US 2004/0 149 737 A1 betrifft ein induktives Reinigungssystem zum Entfernen von Kondensaten in einer elektrischen Zigarette durch Erwärmen mittels Hochfrequenzinduktion.
US 2005/0 230 379 A1 offenbart eine Vorrichtung zum Heizen und Schweißen eines Werkstücks, wobei das Werkstück auf eine Solltemperatur aufgeheizt und auf dieser Solltemperatur so lange gehalten wird, bis eine Schweißverbindung ausgebildet ist.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs genannten Art derart weiterzubilden, dass es auch zum Entschichten einer Phosphatschicht (Bonderschicht) geeignet ist, sowie eine Vorrichtung bereitzustellen, die es ermöglicht, dieses Verfahren umzusetzen und sich direkt in die Produktionslinie integrieren lässt.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass zum vollständigen oder nahezu vollständigen Verdampfen einer Phosphatschicht die Werkstückoberfläche auf eine Oberflächentemperatur von mindestens 700°C, insbesondere auf mindestens 750°C, induktiv erwärmt wird und diesem Reinigungsprozess der Werkstückoberfläche während der Abkühlung der auf mindestens 700°C erwärmten Werkstückoberfläche ein Schweißprozess folgt.
Um eine erneute Kontamination des Werkstücks mit den verdampften Verschmutzungen zu verhindern, werden vorzugsweise die bei der Reinigung entstehenden Dämpfe von der Werkstückoberfläche fortgeblasen und/oder abgesaugt.
Außerdem wird vorzugsweise das Werkstück, zumindest im Bereich eines nachfolgenden Schweißprozesses, während des Reinigungsprozesses der Oberfläche auf eine für einen unmittelbar nachfolgenden Schweißprozess ideale Temperatur erwärmt. Dies hat gegenüber den bekannten Verfahren zur Reinigung der zu schweißenden Werkstückoberfläche den Vorteil, dass ein dem Schweißprozess ansonsten vorgelagerter separater Vorwärmprozess, bei dem das Werkstück bzw. die zu schweißende Stelle vorgewärmt wird, entfällt. Bei der erfindungsgemäßen Reinigung handelt es sich im Gegensatz zu den oben genannten Verfahren 2. und 3. um ein berührungsloses Verfahren.
Des Weiteren betrifft die oben genannte Erfindung auch eine Anordnung umfassend:

– eine Vorrichtung zum Reinigen und Entschichten der Werkstückoberfläche eines Werkstücks von einer Phosphatschicht, mit einem Induktor zum induktiven Erwärmen der Werkstückoberfläche auf eine Oberflächentemperatur von mindestens 700°C, insbesondere auf mindestens 750°C, um die Phosphatschicht auf der Werkstückoberfläche vollständig oder nahezu vollständig zu verdampfen, mit einem Temperatursensor zur Erfassung der Temperatur auf der Werkstückoberfläche und mit einer Temperaturregelung zur Einstellung eines gewünschten Temperaturverlaufs auf der Werkstückoberfläche für den Reinigungsprozess, und
– eine Laserschweißeinheit, wobei das Werkstück über eine Fördereinheit von der Reinigungsvorrichtung zur Laserschweißeinheit transportiert wird.

Auf diese Weise kann ein reibungsloser Übergang von Entschichtungs- zu Schweißprozess ohne Wartezeiten oder Umrüstzeiten erfolgen. Außerdem wird durch die zwei separaten Einheiten gewährleistet, dass die verdampften Verschmutzungen auf keinen Fall mit dem Laserschweißkopf in Berührung kommen.
Vorzugsweise ist bei der Vorrichtung eine Bewegungseinheit vorgesehen, mittels derer das Werkstück und der Induktor während des Reinigungsprozesses relativ zueinander bewegt werden können. Vorzugsweise wird das Werkstück unter dem Induktor vorbeibewegt, z. B. kreisförmig, flächig oder geradlinig. Somit können auch große verschiedenartig ausgebildete Werkstücke gereinigt werden und es wird eine gleichmäßige Erwärmung der Werkstückoberfläche gewährleistet.
Zum Abtransport der bei der Reinigung entstehenden Dämpfe ist die Vorrichtung vorzugsweise mit einer Gasdüse und/oder Absaugvorrichtung, die auf den erwärmten Bereich gerichtet sind, ausgestattet.
Weitere Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen, der Beschreibung und den Zeichnungen. Die gezeigten und beschriebenen Ausführungsformen sind nicht als abschließende Aufzählung zu verstehen, sondern haben vielmehr beispielhaften Charakter für die Schilderung der Erfindung.
Es zeigen:
1 die erfindungsgemäße Vorrichtung zum induktiven Reinigen und Entschichten der Oberfläche eines runden Werkstücks;
2 die erfindungsgemäße Vorrichtung zum induktiven Reinigen und Entschichten der Oberfläche eines röhrenförmigen Werkstücks;
3 die erfindungsgemäße Vorrichtung zum induktiven Reinigen und Entschichten der Oberfläche eines eckigen Werkstücks; und
4 eine Anordnung zum Reinigen und Entschichten einer Werkstückoberfläche sowie einem nachfolgendem Schweißen eines Werkstücks.
Die in 1 gezeigte Vorrichtung 1 zum induktiven Reinigen und Entschichten dient zum Entfernen einer Schutzschicht 2 von der Werkstückoberfläche 3 eines Werkstücks 4. Sie weist einen Induktor (Spule) 5, der über der zu reinigenden Werkstückoberfläche 3 des Werkstücks 4 platziert wird, auf. Betrieben wird der Induktor 5 mit einem Hochfrequenz-Generator 6 und die Regelung des gewünschten Temperaturverlaufs auf der Werkstückoberfläche 3 erfolgt mittels eines Temperatursensors 7 und eines Temperaturreglers 8. Um ein gleichmäßiges Erwärmen der Werkstückoberfläche 3 zu erreichen, wird das Werkstück 4 unter dem Induktor 5 mit Hilfe einer Bewegungseinheit 9 bewegt. Im Ausführungsbeispiel der 1 handelt es sich, wie durch den Pfeil 9a angedeutet, um eine kreisförmige Bewegung des Werkstücks 4. Die Werkstückoberfläche 3, und zwar zumindest der Bereich, in dem ein nachfolgender Schweißprozess stattfinden soll, wird dabei so stark erwärmt, dass die Schutzschicht 2 verdampft.
Zum Abdampfen einer Schutzschicht in Form von Ölen/Korrosionsschutzmitteln hat sich ein Erwärmen der Werkstückoberfläche 3 bei einer niedrigen Temperatur ca. von 200°C mit längerer Erwärmungszeit von ca. 6 Sekunden bewährt.
Zum Abdampfen von einer auch als Sonderschicht bezeichneten Phosphatschicht, wird die Temperatur höher (von mind. ca. 700°C, bevorzugt mindestens ca. 750°C) und die Erwärmungszeit kürzer (ca. 2 Sekunden) gewählt. Durch entsprechenden Abstand zwischen Induktor 5 und Werkstück 4 können die oben genannten Parameter beeinflusst werden. Damit die Dämpfe das Werkstück 4 nicht erneut kontaminieren können, werden sie, im Fall der in 1 gezeigten Ausführungsform, mit Hilfe von Druckluft 10, welche aus einer Gasdüse 11 austritt, in Richtung eines Absaugtrichter 12 weggeblasen, von wo sie dann in eine Absaugvorrichtung 13 abgesaugt werden.
Beim Reinigungsprozess wie oben beschrieben wird das Werkstück 4 zumindest im Bereich des nachfolgenden Schweißprozesses auch gleichzeitig auf eine für den unmittelbar nachfolgenden Schweißprozess günstige Temperatur, die nicht der Oberflächentemperatur des Werkstücks 4 entspricht, erwärmt. Diese ist z. B. im Fall von zu schweißenden Tellerrädern aus Stahl ca. 70°C.
Die 2 und 3 unterscheiden sich nur in der Werkstückform und der Bewegungsrichtung von der 1. In 2 ist das Werkstück 4' rohrförmig und die Bewegung erfolgt, wie durch den Pfeil 9b angedeutet, geradlinig. In 3 ist ein quaderförmiges Werkstück 4'' gezeigt, welches, wie durch den Pfeil 9c angedeutet, geradlinig bewegt wird.
Um einen reibungslosen Ablauf des Reinigungs- und Schweißprozesses ohne Wartezeiten oder Umrüstzeiten zu gewährleisten, wird die in 4 schematisch gezeigte Anordnung verwendet. Sie besteht aus einer Beladeeinheit 14 einer Fördereinheit 15, einer Entlade- und Beladeeinheit 16 vor der wie oben beschriebenen Vorrichtung 1 zum induktiven Reinigen und Entschichten, einer Entlade- und Beladeeinheit 16' vor einer Laserschweißeinheit 17 und einer Entladeeinheit 18. Der Prozessablauf wird folgendermaßen gestaltet: Zuerst wird das zu schweißende Werkstück 4 über die Beladeeinheit 14, die Fördereinheit 15 und die Entlade- und Beladeeinheit 16 zur der Reinigungsvorrichtung 1 gebracht. Dort wird es gereinigt und dann über die Entlade- und Beladeeinheit 16, die Fördereinheit 15 und Entlade- und Beladeeinheit 16' zur Laserschweißeinheit 17 transportiert. Von dort wird es nach dem Schweißprozess über die Entlade- und Beladeeinheit 16' und die Fördereinheit 15 zur Entladeeinheit 18 gebracht. Das Be- und Entladen kann z. B. über Roboter erfolgen. Durch die zwei separaten Einheiten 1, 17 wird auch gewährleistet, dass die in der Reinigungsvorrichtung 1 verdampften Verschmutzungen auf keinen Fall mit dem Laserschweißkopf der Laserschweißeinheit 17 in Berührung kommen.

Claims

Verfahren zum Reinigen und Entschichten der Werkstückoberfläche (3) eines metallischen Werkstückes (4, 4', 4'') von einer Beschichtung mittels induktiver Erwärmung, dadurch gekennzeichnet, dass zum vollständigen oder nahezu vollständigen Verdampfen einer Phosphatschicht (2) die Werkstückoberfläche (3) auf eine Oberflächentemperatur von mindestens 700°C, insbesondere auf mindestens 750°C, induktiv erwärmt wird und diesem Reinigungsprozess der Werkstückoberfläche (3) während der Abkühlung der auf mindestens 700°C erwärmten Werkstückoberfläche (3) ein Schweißprozess folgt.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die bei der Reinigung entstehenden Dämpfe von der Werkstückoberfläche (3) fortgeblasen und/oder abgesaugt werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Werkstück (4, 4', 4''), zumindest im Bereich eines nachfolgenden Schweißprozesses, während des Reinigungsprozesses der Werkstückoberfläche (3) auf eine für einen unmittelbar nachfolgenden Schweißprozess ideale Temperatur erwärmt wird.
Anordnung umfassend: eine Vorrichtung (1) zum Reinigen und Entschichten der Werkstückoberfläche (3) eines Werkstücks (4, 4', 4'') von einer Phosphatschicht (2), mit einem Induktor (5) zum induktiven Erwärmen der Werkstückoberfläche (3) auf eine Oberflächentemperatur von mindestens 700°C, insbesondere auf mindestens 750°C, um die Phosphatschicht (2) auf der Werkstückoberfläche (3) vollständig oder nahezu vollständig zu verdampfen, mit einem Temperatursensor (7) zur Erfassung der Temperatur auf der Werkstückoberfläche (3) und mit einer Temperaturregelung (8) zur Einstellung eines gewünschten Temperaturverlaufs auf der Werkstückoberfläche (3) für den Reinigungsprozess, und eine Laserschweißeinheit (17), wobei das Werkstück (4, 4', 4'') über eine Fördereinheit (15) von der Reinigungsvorrichtung (1) zur Laserschweißeinheit (17) transportiert wird.
Anordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass eine Bewegungseinheit (9) vorgesehen ist, mittels derer das Werkstück (4, 4', 4'') und der Induktor (5) während des Reinigungsprozesses relativ zueinander bewegt werden können.
Anordnung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass eine Gasdüse (11) und/oder Absaugvorrichtung (12), die auf den von dem Induktor (5) erwärmten Bereich der Werkstückoberfläche (3) gerichtet sind, angebracht ist.