DE102016214290A1

DE102016214290A1 - Aperturplatte als überhitzungs- und leitungsdüsenschutz

Info

Publication number: DE102016214290A1
Application number: DE102016214290.9A
Authority: DE
Inventors: Hui-Ping Wang; Michael G. Poss; Aaron D. Cox; Blair E. Carlson; Thomas A. Perry
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2015-08-04
Filing date: 2016-08-02
Publication date: 2017-02-09
Also published as: US20170036305A1; CN106425132A; US10226841B2

Abstract

Eine Aperturplatte für ein Schweißgerät mit einem Körper, der eine Öffnung hat. Der Körper der Aperturplatte besteht aus zwei sich gegenüberliegenden Enden (erstes und zweites Ende). Zusätzlich hat der Körper eine erste Oberfläche die vom ersten bis zum zweiten Ende reicht. Außerdem gibt es eine zweite, der ersten Fläche gegenüberliegende Oberfläche. Die zweite Oberfläche ist nicht parallel zur ersten Oberfläche.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Offenbarung bezieht sich auf ein Verfahren und ein Gerät zum Schweißen.
HINTERGRUND
Schweißen ist ein Produktionsverfahren, bei dem Materialien zu einer festen Verbindung zusammengefügt werden. Generell findet beim Schweißen die Fusion der Materialien statt, das heißt, durch Verschmelzen der Basismaterialien miteinander entsteht eine Verbindung aus einer Komponente. Beim Schmelzen der Basismaterialien entsteht ein Schmelzbad, in dem die Verbindung entsteht. Oft wird dem Schmelzbad ein Schweißzusatz beigefügt, um die Eigenschaften der Verbindung zu verbessern und Lücken zu füllen, wo eine akzeptable Passgenauigkeit der Kanten nicht erreicht werden kann.
Strahlschweißen ist eine Methode zur Materialverbindung. Beispiele dafür sind Laserstrahlschweißen und Elektronenstrahlschweißen. Das Laserstrahlschweißen ist ein Schmelzschweißverfahren, bei dem ein konzentrierter Lichtstrahl durch ein optisches System auf einen bestimmten Punkt der zu verbindenden Materialien fokussiert wird. Einige Laserschweiß-Systeme verfügen zwischen Werkstück und Schweißkopf über eine Aperturplatte, oder einem Aperturschirm, um den Schweißkopf und das optische System vor Strahlreflektionen und Spritzern beim Schweißvorgang zu schützen.
ZUSAMMENFASSUNG
Zum einen wird eine Aperturplatte für ein Schweißgerät bereitgestellt. Die Aperturplatte besteht aus einem Körper mit einer Öffnung. Der Körper der Aperturplatte besteht aus zwei sich gegenüberliegenden Enden (erstes und zweites Ende). Zusätzlich hat der Körper eine erste Oberfläche, die zwischen dem ersten und zweiten Ende verläuft. Außerdem gibt es eine zweite Oberfläche, die der ersten Oberfläche gegenüberliegt. Die zweite Oberfläche ist nicht parallel zur ersten Oberfläche.
Andererseits wird ein Schweißgerät zum Schweißen eines Werkstückes bereitgestellt. Das Schweißgerät beinhaltet eine Energiequelle zur Erzeugung eines Schmelzbades in einer Zone des Werkstückes. Zusätzlich hat das Schweißgerät eine Aperturplatte, die lösbar mit dem Schweißgerät verbunden ist. Die Aperturplatte verfügt über mindestens eine eingearbeitete Flüssigkeitsleitung zum Zweck der Abführung konvektiver Wärme von der Aperturplatte über eine Flüssigkeit in Verbindung mit Strömung durch die Flüssigkeitsleitung
In einem weiteren Aspekt, wird eine Methode zur Fertigung einer Aperturplatte für ein Schweiß gerät bereitgestellt. Zum Verfahren gehört die Bereitstellung eines Körpers mit einer Öffnung. Der Körper beinhaltet ein erstes und ein zweites Ende, die einander gegenüberliegen. Die Methode beinhaltet auch eine erste Oberfläche, die vom ersten zum zweiten Ende verläuft. Zusätzlich gibt es bei der Methode eine zweite Oberfläche gegenüber der ersten Oberfläche. Die zweite Oberfläche ist nicht parallel zur ersten Fläche, daher wird elektromagnetische Strahlung von Komponenten des Schweißgerätes weg reflektiert.
Die obigen – sowie weitere – Merkmale und Vorteile der vorliegenden Lehren werden aus der folgenden ausführlichen Beschreibung bezüglich der besten Umsetzung leicht ersichtlich, wenn auch die beigefügten Zeichnungen berücksichtigt werden.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Diese und weitere Eigenschaften, Aspekte, und Vorteile der vorliegenden Offenbarung sind besser verständlich, wenn die folgende ausführliche Beschreibung zusammen mit den beigefügten Zeichnungen gelesen wird, gleiche Bezeichnungen beziehen sich dabei durchgängig auf gleiche Teile in den Zeichnungen.
1 zeigt eine schematische Seitenansicht eines Gerätes zum Schweißen eines Werkstückes;
2 zeigt eine Schnittansicht einer Aperturplatte zur Verwendung mit einem Schweißgerät;
3 zeigt eine Schnittansicht einer Aperturplatte zur Verwendung mit einem Schweißgerät;
4 zeigt eine Unteransicht einer Aperturplatte zur Verwendung mit einem Schweißgerät;
5 zeigt eine Sicht auf das Ende der Aperturplatte aus 4;
6 zeigt eine schematische Endansicht des Schweißgerätes unter Einsatz der Aperturplatte aus 4 und 5; und
7 ist ein Flussdiagramm, das eine Methode zur Fertigung einer Aperturplatte zeigt.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
Bezugnehmend auf die Abbildungen zeigen die Beispiele der Offenbarung eine Aperturplatte zur Ablenkung oder Streuung von Energie, die von einer Energiequelle auf das Werkstück gerichtet und von diesem reflektiert wird. Wie beschrieben, werden verschiedene Oberflächenkonfigurationen für die Aperturplatte implementiert, um die reflektierte Energie abzuleiten und deren Konzentration auf angrenzende Bauteile zu verringern.
Aspekte der Offenbarung zeigen weitere Konfigurationen der Aperturplatte zur Verringerung der Aufnahme von Energie und Hitze durch diese. In diesen Beispielen können Elemente der Aperturplatte so konfiguriert sein, dass Wärme von der Aperturplatte abgeleitet, Energie von ihr weg reflektiert wird, oder beides zutrifft.
Aperturplatten kommen bei verschiedenen Anwendungen zum Einsatz, so auch bei Schweißverfahren. Bei Schweißsystemen können Aperturplatten zur Abschirmung anderer Systemkomponenten – wie zum Beispiel eines optischen Systems – vor reflektierter Energie verwendet werden. Beim Laserschweißen können beispielsweise der Strahl und/oder Schweißspritzer von der Materialoberfläche und/oder der Schweißzone zurück zum Laserschweißgerät reflektiert werden, zum Beispiel auf den Schweißkopf oder das optische System.
1 zeigt eine schematische Seitenansicht des Schweißgerätes. Das Schweißgerät 10 kann für das Schweißen eines Werkstückes 12 verwendet werden. Das Werkstück 12 kann entweder aus eisenhaltigem oder einem Nichteisenmetall bestehen, das zum Schweißen geeignet ist. Dazu gehören u. a. Stahl, Magnesium, Aluminium und Legierungen aus diesen. In diesem Beispiel kann das Werkstück 12 aus einem Material mit hohem Reflexionsvermögen bestehen, z. B. Aluminium, oder einer Aluminiumlegierung.
Das Schweißgerät 10 beinhaltet einer Energiequelle 14, die elektromagnetische Strahlung in Form eines Strahls 16 zur Erzeugung eines Schmelzbades 18 auf dem Werkstück 12 verwendet. In einigen Beispielen verfügt das Schweißgerät 10 über mehrere Energiequellen 14. Ohne Einschränkung kann beispielsweise ein anderes Schweißgerät eine erste Energiequelle für einen Strom und eine zweite Energiequelle für einen anderen haben. Oder aber es verfügt über mindestens zwei Energiequellen, die den gleichen Strom bereitstellen. Allerdings kann das Schweißgerät 10 eine beliebige Anzahl und Kombinationen von Energiequellen haben, um den Betrieb des Schweißgeräts 10 – wie hier beschrieben – zu gewährleisten. Weiterhin kann die Energiequelle 14 eine beliebige Energiequelle zur Erzeugung des Schmelzbades 18 auf dem Werkstück 12 sein, beispielsweise eine Energiequelle zur Erzeugen von Laser-, Elektronen- oder Plasmastrahlen, eines Lichtbogens, oder aber eine Hybrid-Energiequelle für die Laser-Lichtbogen-Hybridschweißtechnik. In einem Beispiel ist ein Laser die Energiequelle 14, der einen konzentrierten Strahl aus kohärentem, monochromatischem Licht für das Laserstrahlschweißen erzeugt.
Das Laserstrahlschweißen von Materialien auf Aluminiumbasis, oder solchen mit hohem Reflexionsgrad, ist aufgrund der schlechten Aufnahme von Laserenergie durch hochreflektive Materialien anspruchsvoll. So kommt es beim Laserstrahlschweißen von Aluminium häufig zur Reflexion des Strahls 16 zurück vom Werkstück 12 auf das Schweißgerät 10. Weiterhin, enthalten einige Aluminiumlegierungen Magnesium oder Zink, Materialien, die leicht verdampfen. Das verdampfte Material bildet eine Dampfwolke 20 um das Schmelzbad 18 und schwächt die Wirkung des Strahles 16 auf das Werkstück 12. Beim Prozess des Laserstrahlschweißens entsteht durch die Wechselwirkung zwischen dem Strahl 16, und dem Werkstück 12, Energie in Form von elektromagnetischer Strahlung oder optischen Emissionen. Die Dampfwolke 20, das Schmelzbad 18, und die Reflexion von Strahl 16 sind Quellen solcher optischen Emissionen. Diese optischen Emissionen können das Schweißgerät 10, den Aperturschirm bzw. die Aperturplatte 30, durch übermäßige thermische Belastung und resultierende Überhitzung beschädigen.
Obwohl die Emissionen auch die optischer Art einschließen, sei angemerkt, dass die Verwendung des Begriffes „optisch“ nicht mit „sichtbar“ gleichgesetzt werden kann. Die hier beschriebenen optischen Emissionen betreffen einen umfangreichen Spektralbereich. Zu den optischen Emissionen gehören Licht (d. h. elektromagnetische Strahlung) mit Wellenlängen im ultravioletten Bereich (etwa 200–400 Nanometer (nm)), im sichtbaren Bereich (etwa 400–700 nm) im Nahinfrarotbereich (etwa 700–1200 nm) und im Infrarotbereich (etwa 1200–10000 nm) des elektromagnetischen Spektrums.
In diesem Beispiel ist die Energiequelle, oder der Laser 14, optisch an einen Spiegel 22 und eine Optik 24 gekoppelt, um durch Richten und Fokussieren des Strahls 16 auf eine konzentrierte Stelle des Werkstückes 12 eine höhere Leistungsdichte zu erreichen. In einigen Beispielen kann der Spiegel 22 ein Galvanometer zur Steuerung der Abtastung des Strahls 16 über das Werkstück 12 sein. In diesen Beispielen können 2D-, 3D-, oder Galvanometerscanner mit dynamischer Fokussierung zum Einsatz kommen, und/oder jedes andere Galvanometersystem, das die Strahlung 16 der Energiequelle 14 umlenken kann.
Wie in 1 abgebildet, ist die Optik 24 im Schweißkopf 26 gekoppelt, der typischerweise mit einem Laser-Roboterarm verbunden ist (nicht dargestellt). Die Optik 24 ist so eingestellt, dass der Strahl 16 durch die Öffnung 28 der Aperturplatte 30 auf eine konzentrierte Stelle auf dem Werkstück 12 fokussiert wird. Das Schweißgerät 10 hat in diesem Ausführungsbeispiel eine Vorrichtung für Füllmaterial 32. Diese Vorrichtung 32 verfügt über eine Düse 34 mit durchgängiger Hohlbohrung (nicht dargestellt). Bei Anwendungen, in denen Füllmaterial zum Einsatz kommt, kann die Vorrichtung für Füllmaterial 32 auch das Füllmaterial 36 enthalten; es wird durch die Hohlbohrung der Düse 34 nahe dem Schmelzbad 18, das von der Strahlung 16 auf dem Werkstück 12 produziert wurde, aufgebracht. Als Füllmaterial 36 kommt jedes geeignete Material in Betracht, das bei Fachleuten für Schweißtechnik bekannt ist. Die Düse 34 kann auch für die Versorgung mit Schutzgas konfiguriert werden, z. B. ein träges oder halbträges Gas, um die Schweißzone vor Luft und/oder Wasserdampf zu schützen.
Im Betrieb richtet die Energiequelle 14 den Strahl 16 gezielt und gebündelt auf einen bestimmten Punkt des Werkstückes 12. Die erhöhte Leistungsdichte des Strahles 16 am Auftreffpunkt von Werkstück 12 erzeugt das Schmelzbad 18. Das Schmelzbad 18 entsteht, wenn sich das bestrahlte Material aufgrund der Intensität des Strahls 16 verflüssigt. Bei Abkühlung des Schmelzbades 18 entsteht eine Schweißnaht. Während des Laserstrahlschweißens kann zumindest ein Teil des Strahls 16 vom Werkstück 12, dem Schmelzbad 18 und der Dampfwolke 20 zurück in Richtung des Schweißgerätes 10 reflektiert werden, wie durch den Pfeil 38 in 1 dargestellt. Außerdem kann durch das Schmelzbad 18 und die Dampfwolke 20 elektromagnetische Strahlung in Richtung des Schweißgerätes 10 abgegeben werden. Weiterhin kann die Aperturplatte 30 die reflektierte Strahlung 38 und die elektromagnetische Strahlung aus dem Schmelzbad 18 auf die Düse 34 der Vorrichtung für Füllmaterial 32 reflektieren, wie durch Pfeil 40 dargestellt. Dadurch könnten beispielsweise das Füllmaterial in der Düse 34, oder die Düse 34 selbst schmelzen. Durch solche reflektierten Strahlen 38, 40 und elektromagnetischen Strahlungsemissionen aus dem Schmelzbad 18 kann das Schweißgerät 10 aufgrund einer übermäßigen thermischen Belastung der Komponenten am Schweißgerät 10 beschädigt werden, u. a. die Aperturplatte 30, die Optik 24, die Düse 34, und/oder die Energiequelle 14 als Beispiele.
Die Aperturplatte 30 ermöglicht den Schutz des Schweißgerätes 10 und insbesondere der Optik 24.
Wie in 1 abgebildet, hat die Aperturplatte 30 die Öffnung 28, durch die der Strahl 16 zum Werkstück 12 gelangt. Die Aperturplatte 30 besteht aus einem ersten Ende 42 und einem gegenüberliegenden zweiten Ende 44. Im dargestellten Beispiel hat die Aperturplatte 30 eine der Optik zugewendete im Allgemeinen plane Oberseite 46, die auf die Optik 24 ausgerichtet ist und sich zwischen dem ersten und zweiten Ende 42, 44 der Blende 30 erstreckt. Zusätzlich verfügt die Aperturplatte 30 über eine der Oberseite 46 gegenüber liegende Unterseite 48. In anderen Beispielen kann die Oberseite 46 jede geeignete Form aufweisen, solange die hier beschriebene Funktion der Aperturplatte 30 gewährleistet bleibt.
Die Unterseite 48 kann beliebig geformt sein, u. a. konvex, plan, konkav, Freiform als Beispiele, oder eine beliebige Kombination aus diesen. Die Form der Unterseite 48 kann zum Umlenken oder Reflektieren der Strahlreflexionen 38 weg von der Vorrichtung für Füllmaterial 32 oder vom Schweißgerät 10 dienen. So kann u. a. eine konvex geformte Bodenfläche 48 den Strahl 16 so streuen, dass die Leistungsdichte des Strahls 16 am Auftreffpunkt auf das Schweißgerät 10 reduziert ist. In einem anderen Beispiel erleichtert eine konkav geformte Bodenfläche 48 das Ablenken des Strahls 16 weg von der Vorrichtung für Füllmaterial 32, indem der allgemeine Fokussierbereich von dieser weg verlagert wird. Durch Streuung und/oder Ablenkung des Strahls weg von der Vorrichtung für Füllmaterial 32 kann die Einsatzdauer des Schweißgerätes 10 erhöht werden. Die erhöhte Betriebslebensdauer des Schweißgerätes 10 bedingt geringere Betriebskosten des Gerätes, wodurch die Herstellungskosten der Werkstücke durch das Schweißgerät sinken.
Unter Bezugnahme auf 1 im dargestellten Beispiel ist die Bodenfläche 48 konvex. Im Beispiel einer konvexen Bodenfläche 48 kann der Radius R₁ exemplarisch im Bereich von etwa 10 Millimetern (mm) (0,4 in.) bis etwa 500 mm (19,7 in.) liegen. Alternativ kann der Radius R₁ ein beliebiges Maß haben, solange die Bodenfläche 48 funktioniert, wie hier beschrieben. Die Bodenfläche 48 setzt am ersten Ende 42 und der Kante 50 an und steigt dann bogenförmig im Allgemeinen nach oben zur ersten Oberfläche 46 an, wo sie nahe des zweiten Endes 44 der Aperturplatte 30 abschließt. In einem Beispiel kann die Bauhöhe H₁ der Aperturplatte im Bereich zwischen etwa 2 mm (0,08 in.) und ungefähr 15 mm (0,6 in.) liegen, dabei liegt die maximale Höhe am ersten Ende 42 an. Alternativ kann die Höhe H₁ ein beliebiges Maß haben, solange die Aperturplatte 30 funktioniert, wie hier beschrieben. Die konvexe Bodenfläche 48 ist so gestaltet, dass durch die Streuung des reflektierten Strahls 38 die Leistungsdichte des reflektierten Strahls 40 auf die Düse 34 reduziert wird.
In diesen Beispielen ist die Aperturplatte 30 lösbar mit dem Schweißkopf 26 verbunden. Die Aperturplatte 30 kann bei einem Beispiel an beiden Enden 42, 44 jeweils eine Feder 52 haben, auf die dank entsprechender gegenüberliegender Nuten 54 der Schweißkopf 26 geschoben werden kann. Alternativ kann die Aperturplatte 30 auf eine beliebige Weise lösbar mit Schweißkopf 26 verbunden sein, u. a. mittels mechanischer Befestigungselemente, solange die Funktion der Aperturplatte 30 – wie hier beschrieben – gewährleistet ist.
Die Aperturplatte 30 kann aus Kupfer oder anderen Materialien hergestellt werden, u. a. Keramik, Metall, oder einem feuerfesten Verbundmaterial. Kupfer könnte beispielsweise für die Herstellung der Aperturplatte 30 verwendet werden, da es bei Zimmertemperatur ein hohes Reflexionsvermögen von etwa 95% aufweist, dadurch kann die Aperturplatte 30 die Aufnahme elektromagnetischer Strahlung vom reflektierten Strahl 38 und Strahlungsemissionen aus dem Schmelzbad 18 reduzieren. Allgemein vermindert sich jedoch die Reflexivität des Materials mit zunehmender Erwärmung des Metalls. Mit zunehmender Erwärmung der Aperturplatte 30 nimmt das Reflexionsvermögen des Kupfers ab, dadurch wird mehr Energie des Strahls 16 von der Aperturplatte absorbiert und die thermische Belastung des Materials beschleunigt. Zur Verringerung der Energieabsorption durch die Aperturplatte 30 kann die Bodenfläche 48 auf Hochglanz poliert werden, um ein hohes Reflexionsvermögen zu erreichen. Die Bodenfläche 48 kann mit jeder bekannten Poliertechnik behandelt werden, die ein Funktionieren der Aperturplatte gemäß dieser Beschreibung gewährleistet. So kann die Bodenfläche 48 sowohl mechanisch als auch elektrisch poliert werden. Das Polieren der Bodenfläche 48 dient der Reduzierung der Energieabsorption durch die Aperturplatte 30 während des Betriebes des Schweißgerätes 10, dadurch erhöht sich die Lebensdauer der Aperturplatte 30 und die Betriebszeit des Schweißgerätes 10. Eine Erhöhung der Lebensdauer der Aperturplatte 30 resultiert in geringeren Betriebskosten des Schweißgerätes, wodurch die Herstellungskosten der Werkstücke mit dem Schweißgerät 10 vermindert werden.
In einigen Beispielen kann die Bodenfläche 48 alternativ oder zusätzlich mit einer reflektierenden Schicht versehen sein, die entweder aufgeklebt, oder per Beschichtungsverfahren aufgebracht wurde. So kann beispielsweise, ohne Einschränkung, diese Beschichtung eine reflektierende Platte in den Farben Silber oder Gold sein, eine dünne Folie in Silber oder Gold, oder eine auf die Bodenfläche 48 geklebte Spiegelfolie. In einem anderen Beispiel kann die reflektierende Beschichtung mit einer brauchbaren Beschichtungstechnologie auf die Bodenfläche 48 aufgebracht werden. So kann beispielsweise, ohne Einschränkung, die Bodenfläche 48 mit einem reflektierenden Material, z. B. Chrom, Nickel, Silber, oder Gold mittels Galvanisierung oder stromloser Beschichtung versehen werden. Diese Beschichtungsmethoden sind lediglich Beispiele für die nutzbaren Beschichtungsprozesse, verschiedene andere Verfahren können zum Einsatz kommen.
Wie hier beschrieben, nimmt bei zunehmender Erwärmung der Aperturplatte 30 die Reflektivität des Materials ab. Dementsprechend kann von der Aperturplatte 30 eine erhöhte Energiemenge vom Strahl 16 aufgenommen werden, was die Erhitzung beschleunigt, wenn die Aperturplatte nicht aktiv gekühlt wird. Wie in 1 sichtbar, verfügt die Aperturplatte 30 optional über eine Flüssigkeitsleitung 56 zwischen Ober- 46 und Unterseite 48. Die Flüssigkeitsleitung 56 kann eine beliebige Querschnittsform haben, solange die Funktion der Aperturplatte 30 so gegeben ist, wie hier beschrieben. Zusätzlich kann die Flüssigkeitsleitung 56 über eine beliebige Route in der Aperturplatte 30 verlaufen, es können u. a. gerade, kurvige, serpentinenförmige Abschnitte, oder eine beliebige Kombination von diesen vorkommen.
Unter Bezugnahme auf 1 kann das Schweißgerät 10 optional eine Flüssigkeitsquelle 58 mit einer Verbindung zur Flüssigkeitsleitung 56 der Aperturplatte 30 haben. Der hier verwendete Begriff „Flüssigkeit“ bezieht sich allgemein auf Flüssigkeiten und Gase, wie Wasser und Luft. Im Betrieb versorgt die Flüssigkeitsquelle 58 die Flüssigkeitsleitung 56 mit Flüssigkeit (nicht dargestellt). Hitze vom Material der Aperturplatte 30 wird auf die Flüssigkeit übertragen. Die Flüssigkeit wird zur Flüssigkeitsquelle zurück gepumpt, dabei kann die Hitze an die Umgebung, oder über einen Wärmetauscher an eine andere Flüssigkeit abgegeben werden (nicht dargestellt). In diesen Beispielen kann die Aperturplatte 30 während des Betriebes des Schweißgerätes 10 aktiv gekühlt werden, wodurch sich die Lebensdauer der Aperturplatte 30 und die Betriebszeit des Schweißgerätes 10 erhöhen. Eine Erhöhung der Lebensdauer der Aperturplatte 30 resultiert in geringeren Betriebskosten des Schweißgerätes, wodurch die Herstellungskosten der Werkstücke mit dem Schweißgerät 10 vermindert werden.
2 ist eine seitliche Schnittansicht einer Aperturplatte 200 zur Verwendung mit einem Schweißgerät, wie z. B. dem Modell 10 aus 1. Die Aperturplatte 200 vereint eine durchgängige Öffnung 201, ein erstes Ende 202 und ein gegenüberliegendes zweites Ende 204. In diesem Beispiel ist die Oberseite 206 der Aperturplatte 200 hauptsächlich planar. In anderen Beispielen kann die Oberseite 206 jede geeignete Form haben, solange die Funktion der Aperturplatte 200 so gegeben ist, wie hier beschrieben. In diesem Beispiel kann die Aperturplatte 200 gegenüberliegende Federn 216 am ersten und zweiten Ende 202, 204 haben, die in die Nuten 54 (1) des Schweißkopfes 26 (1) geschoben werden können. Optional kann die Oberseite 206 eine Vielzahl von Elementen zur Oberflächenvergrößerung 208 haben. Diese Elemente zur Oberflächenvergrößerung 208 können z. B. aus Nuten bestehen, die in die Oberfläche 206 gefräst wurden. Die Elemente zur Oberflächenvergrößerung 208 können beispielsweise, ohne Einschränkung, parallele Durchgänge, gebogene Kanäle, oder serpentinenförmige Durchgänge sein. Zusätzlich können die Elemente zur Oberflächenvergrößerung 208 beliebige Querschnitte aufweisen, einschließlich, ohne Einschränkung, gebogene, rechteckige, halbkreisförmige, sowie jede Kombination aus diesen. Ein anderes Beispiel für Elemente zur Oberflächenvergrößerung 208 kann eine Vielzahl von abgetrennten Strukturen sein, u. a., aber nicht nur versetzte Rippen, Stiftrippen, und/oder Kühlkonfigurationen aus Grübchen sein. Eine Luftströmung (nicht dargestellt) kann über die Elemente zur Oberflächenvergrößerung 208 geleitet werden, um die konvektive Wärmeübertragung von der Aperturplatte 200 zu vergrößern. Optional können in einigen Beispielen der Aperturplatte 200 die Elemente zur Oberflächenvergrößerung 208 und die in 1 beschriebene Flüssigkeitsleitung 56 zum Einsatz kommen, um eine erhöhte konvektive Wärmeübertragung von der Aperturplatte 200 zu erreichen.
Die Aperturplatte 200 hat gegenüber der Oberseite 206 eine Bodenfläche 210. Die Bodenfläche 210 ist nicht parallel zur Oberseite 208 und trifft an der Kante 202 auf das erste Ende 212. In diesem Beispiel verläuft die Bodenfläche 210 von der Kante 212 schräg im Allgemeinen nach oben zur Oberseite 206 und endet nahe dem zweiten Ende 204 an der Kante 214 der Aperturplatte 200. In einem Beispiel hat die Aperturplatte 200 eine Gesamthöhe H₂ im Bereich zwischen etwa 2 mm (0,08 in.) und ungefähr 15 mm (0,6 in.) der maximalen Höhe am ersten Ende 212, und einer Gesamtbreite W₁ im Bereich zwischen etwa 40 mm (1,6 in.) und etwa 100 mm (3,9 in.). Alternativ können Höhe H₂ und Breite W₁ einen beliebigen Wert haben, solange die Aperturplatte 200 damit so funktioniert, wie hier beschrieben. Außerdem haben in einem Beispiel die Elemente zur Oberflächenvergrößerung 208 eine Tiefe D im Bereich zwischen etwa 0,1 mm (0,004 in.) und etwa 5 mm (0,2 in.) und eine Breite W₂ im Bereich zwischen etwa 0,1 mm (0,004 in.) und etwa 10 mm (0,4 in.). Alternativ können die Tiefe D und der Breite W₂ der Elemente zur Oberflächenvergrößerung 208 beliebige Werte haben, solange diese so funktionieren, wie hier beschrieben. Mit der geneigten Bodenfläche 210 ist dies ein Beispiel für die Gestaltung einer Aperturplatte zum Ablenken von zumindest einigen der Strahl-Reflexionen 38 von der Düse 34 weg, um die Wärmeaufnahme durch die Düse 34 zu reduzieren.
3 ist eine seitliche Schnittansicht einer Aperturplatte 300 zur Verwendung mit einem Schweißgerät, wie z. B. dem Modell 10 aus 1. Die Aperturplatte 300 verfügt über eine durchgängige Öffnung 302 sowie ein erstes Ende 304 und ein gegenüberliegendes zweites Ende 306. In diesem Beispiel ist die Oberseite 308 der Aperturplatte 300 hauptsächlich planar und verfügt über gegenüberliegende Federn 310 am ersten und zweiten Ende 304, 306, die in die Nuten 54 (dargestellt in 1) des Schweißkopfes 26 (dargestellt in 1) geschoben werden können. Die Aperturplatte 300 hat eine Bodenfläche 312 gegenüber der Oberseite 308. In anderen geeigneten Beispielen kann die Oberseite 308 jede geeignete Form haben, solange die Aperturplatte 300 so funktioniert, wie hier beschrieben.
In diesem Beispiel hat die Bodenfläche 312 eine konkave Form. Im Beispiel einer konkaven Bodenfläche 312 kann der Radius R₂ im Bereich von etwa 10 Millimetern (mm) (0,4 in.) bis etwa 500 mm (19,7 in.) liegen. Alternativ kann der Radius R₂ einen beliebigen Wert haben, solange die Bodenfläche 312 so funktioniert, wie hier beschrieben. Die Bodenfläche 312 stößt an der Kante 314 auf das erste Ende 304. Die Bodenfläche 312 verläuft von der Kante 314 weg im Allgemeinen schräg nach oben zur Oberfläche 308, wo sie a zweiten Ende 306 an der Kante 316 der Aperturplatte 300 ihren Endpunkt hat. In einem Beispiel kann die Bauhöhe H₃ der Aperturplatte im Bereich zwischen etwa 2 mm (0,08 in.) und ungefähr 15 mm (0,6 in.) liegen, dabei liegt die maximale Höhe am ersten Ende 304 an. Alternativ kann die Höhe H₃ einen beliebigen Wert haben, solange die Aperturplatte 300 so funktioniert, wie hier beschrieben. In einem Beispiel kann die Breite W₃ der Aperturplatte 300 im Bereich zwischen etwa 40 mm (1,6 in.) und etwa 100 mm (3,9 in.) liegen. Alternativ kann die Breite W₃ einen beliebigen Wert haben, solange die Aperturplatte 300 so funktioniert, wie hier beschrieben. Die konkave Bodenfläche 312 ist dafür gebaut, die Reflexion des Strahls 38 vom Düsenkörper 34 weg zu leiten, um ein Einwirken der Reflexion 40 auf die Düse 34 zu verhindern.
4 zeigt eine erläuternde Untersicht der Aperturplatte 400 zur Verwendung mit einem Schweißgerät, wie z. B. dem Schweißgerät 10 aus 1. 5 zeigt eine Stirnansicht der Aperturplatte 400 aus 4. Die Aperturplatte 400 hat eine durchgängige Öffnung 402. Die Öffnung 402 kann jede geeignete Form haben, solange der Strahl 16 aus der Energiequelle 14 damit so funktioniert, wie hier beschrieben. In diesem Beispiel hat die Aperturplatte 400 ein erstes Ende 404, ein gegenüberliegendes zweites Ende 406, eine erste Seite 408 und eine gegenüberliegende zweite Seite 410. Weiterhin hat die Aperturplatte 400 eine Oberseite 412 und eine der Oberseite 412 gegenüberliegende Unterseite 414. Die Oberseite 412 kann jede geeignete Form haben, solange die Aperturplatte 400 so funktioniert, wie hier beschrieben.
Im dargestellten Beispiel in 4 ist die Unterseite 414 im Allgemeinen konvex geformt. Unter Bezugnahme auf 5 bilden das erste und zweite Ende 404, 406 entsprechende Scheitelpunkte 416, 418. Zwischen den Scheitelpunkten 416, 418 verläuft nach 4 eine Längsachse 420. Die Unterseite 414 hat einen ersten Abschnitt 422 von der Längsachse 420 im Allgemeinen abfallend bis zur ersten Seite 408. Weiterhin hat sie einen zweiten Abschnitt 424 von der Längsachse 420 im Allgemeinen abfallend bis zur zweiten Seite 410. Die Abschnitte 422, 424 haben jeweils einen Radius, R₃ und R₄, der im Bereich von etwa 10 Millimetern (mm) (0,4 Zoll (in.)) bis etwa 500 mm (19,7 in.) liegen kann. Alternativ können die Radien R₃ und R₄ einen beliebigen Wert haben, solange die Unterseite 414 so funktioniert, wie hier beschrieben. In einem Beispiel hat die Aperturplatte 400 eine Gesamthöhe H₄ im Bereich von etwa 2 mm (0,08 in.) bis ungefähr 15 mm (0,6 in.). Alternativ kann die Höhe H₄ einen beliebigen Wert haben, solange die Aperturplatte 400 so funktioniert, wie hier beschrieben. Die konvex geformte Bodenfläche 414 bewirkt durch die Streuung des reflektierten Strahls 38 die Reduzierung der Stärke des Reflexionsstrahls 40, der auf die Düse 34 einwirkt.
Unter Bezugnahme auf 5 werden alternative Beispiele der Aperturplatte 400 durch die gestrichelten Linien 426, 428, 430 und 432 angezeigt. In einem Beispiel können die konvexen Abschnitte 422, 424 durch planare ersetzt werden, wie aus den gestrichelten Linien 426, 428 ersichtlich. In einem anderen Beispiel können die konvexen Abschnitte 422, 424 durch konkave ersetzt werden, wie aus den gestrichelten Linien 430, 432 ersichtlich. In diesem Beispiel werden die konkaven Abschnitte mit jeweiligen Radien im Bereich von 10 Millimetern (mm) (0,4 Zoll (in.)) und etwa 500 mm (19,7 in.) gezeigt. Alternativ können die Radien einen beliebigen Wert haben, solange die Aperturplatte 400 so funktioniert, wie hier beschrieben. In anderen Beispielen der Aperturplatte 400 können die ersten und zweiten Abschnitte 422, 424 aus einer beliebigen Kombination von Formen gebildet werden, eben, konkav, konvex; so kann z. B. der erste Abschnitt 422 konvex sein, der zweite Abschnitt 424 jedoch eine ebene Oberfläche haben.
6 zeigt eine erläuternde schematische Stirnansicht einer Schweißvorrichtung 600 unter Verwendung der Aperturplatte 400 aus 4 und 5. Im Betrieb kann der Strahl 602 auf den Stoßpunkt der beiden Werkstücke 604 und 606 gerichtet und gebündelt werden. Die erhöhte Leistungsdichte des Strahls 602 am Auftreffpunkt auf den Werkstücken 604 und 606 generiert das Schmelzbad 608. Während des Schweißvorganges mit dem Laserstrahl wird zumindest ein Teil des Strahls 602 von einem oder mehreren der Werkstücke 604 und 606 zurück auf die Schweißvorrichtung 600 reflektiert, wie durch die Pfeile 610 und 612 dargestellt. Die Aperturplatte 400 lenkt die reflektierten Strahlen 610 und 612 von der Düse 614 der Schweißvorrichtung 600 weg, wie durch die Pfeile 616 und 618 dargestellt.
7 zeigt ein Flussdiagramm einer Methode 700 zur Herstellung einer Aperturplatte. Die Methode 700 beschreibt hier die Herstellung der Aperturplatten 30, 200, 300, und 400, wie in 1–5, dargestellt, zur Verwendung mit der Schweißvorrichtung 10 aus 1. Zur Vereinfachung wird nur die Aperturplatte 30 beschrieben; die hierin beschriebene Methode kann jedoch für jede Aperturplatte zur Anwendung kommen, darunter auch die Modelle 30, 200, 300 und 400, sowie andere aufgeführte Alternativbeispiele. Unter 702 wird der Körper einer Aperturplatte 30 mit durchgehender Öffnung 28 zur Verfügung gestellt. Die Öffnung 28 ermöglicht dem Strahl 16 der Schweißvorrichtung 10 den Zugang zu dem zu schweißenden Werkstück 12. Der Körper der Aperturplatte 30 kann ein erstes Ende 42 und ein gegenüberliegendes zweites Ende 44 haben. Eine erste Oberfläche 46 kann nach 704 zwischen dem ersten und zweiten Ende 42 und 44 bestehen. Die erste Oberfläche befindet sich zwischen den beiden Enden 42 und 44 der Aperturplatte 30 und hat gemeinsame Schnittpunkte. Allgemein ist sie in Richtung Energiequelle 14 der Schweißvorrichtung 10 ausgerichtet, wenn die Aperturplatte mit der Schweißvorrichtung 10 verbunden ist.
Laut 706 hat der Körper der Aperturplatte 30 eine zweite Oberfläche 48 gegenüber der ersten Oberfläche 46. Die zweite Oberfläche 48 kann auch als nicht parallel zur ersten Fläche 46 ausgebildet sein. In einem Beispiel ist die zweite Oberfläche 48 so gestaltet, dass zumindest ein Teil der zweiten Oberfläche 48 eine oder mehrere der folgenden Formen beinhaltet: eben, konkav, konvex und eine Freiform. Die zweite Oberfläche 48 kann so ausgerichtet sein, dass sie von der Kante 50 am ersten Ende 42 der Aperturplatte 30 ausgehend im Allgemeinen schräg auf die erste Oberfläche 46 der Aperturplatte zu verläuft, während sie sich zum zweiten Ende 44 der Aperturplatte 30 erstreckt.
Die in 7 aufgeführten Operationsbeispiele stellen in keiner Weise Einschränkungen für die Reihenfolge, Art und Weise der Schritte oder die Vorgänge bei der Herstellung einer Aperturplatte dar. Während der Herstellung einer Aperturplatte können beliebig viele geeignete Alternativen zum Einsatz kommen, um verbesserte Fähigkeiten der Energieabsorption und der Abweisung zu erreichen. So können z. B. neben der Formgebung der Unterseite mit dem Ziel der Ablenkung von reflektierter Energie auch Oberflächenbehandlungen der Unterseite durchgeführt werden, um die Reflexionsfähigkeit weiter zu steigern.
Die hier verwendeten Singularformen „ein“, „eine“, „die“ und „der“ schließen Referenzen im Plural mit ein, sofern der Zusammenhang nicht eindeutig etwas anderes vorschreibt. „Optional“ oder „gegebenenfalls“ bedeutet, dass der nachfolgend beschriebene Vorgang oder Umstand eintreten kann, aber nicht muss, die Beschreibung beinhaltet Situationen, in denen das Ereignis eintritt ebenso wie solche, in denen es nicht eintritt.
Bei Spezifikation und den Patentansprüchen verwendete angleichende Sprache kann zum Einsatz kommen, um einem quantitative Darstellung zu variieren, bei der die Veränderung keinen Unterschied für den grundlegenden Betrieb bedeutet. Dementsprechend ist ein Wert kein spezifischer Wert, wenn er durch Begriffe, wie „etwa“, „circa“ und „im Wesentlichen“, erweitert wird. In einigen Fällen kann die angleichende Sprache der Präzision eines Gerätes zur Wertermittlung entsprechen. Hier und in den Spezifikationen und Patentansprüchen können die beschriebenen Beispielbereiche kombiniert und/oder ausgetauscht werden; diese Bereiche werden ermittelt und beinhalten alle Teilbereiche, sofern der Zusammenhang oder die Sprache auf nichts anderes hindeutet.
Hier beschriebene Vorrichtungen und Systeme ermöglichen die Reduzierung der Energieabsorption einer Aperturplatte für eine Schweißvorrichtung, wodurch die thermische Belastung der Aperturplatte verringert wird. Weiterhin ermöglichen die Konfigurationen der Aperturplatte die Streuung und Ablenkung von reflektierten Laserstrahlen und Emissionen mit dem Ziel, Kontakt von diesen zu einer Düse der Schweißvorrichtung, z. B. der für Füllmaterial oder Schutzgas, zu verringern oder zu eliminieren. Durch die Reduzierung der Energieabsorption der Aperturplatte und Umlenken der Strahl-Reflexionen vom Düsenkörper weg, werden die Lebensdauer der Aperturplatte und die Betriebszeit der Schweißvorrichtung erhöht. Eine Erhöhung der Lebensdauer der Aperturplatte reduziert die Betriebskosten der Schweißvorrichtung, wodurch die Herstellungskosten der Werkstücke durch die Schweißvorrichtung gesenkt werden.
Alternativ oder zusätzlich zu den anderen hier beschriebenen Beispielen können Beispiele jede Kombination der folgenden Möglichkeiten enthalten:

– die erste Oberfläche beinhaltet mindestens ein Element zur Oberflächenvergrößerung;
– mindestens ein Element zur Oberflächenvergrößerung verfügt über einen in die erste Oberfläche eingearbeiteten Kanal;
– wenigstens ein Teil der zweiten Oberfläche ist poliert;
– die zweite Oberfläche hat zumindest auf einem Teil des Areals eine reflektierende Beschichtung;
– es ist zumindest ein Flüssigkeitskanal zwischen den Oberflächen des Körpers eingearbeitet;
– das erste Ende verfügt über eine erste Kante, die zweite Oberfläche setzt an der ersten Kante an und verläuft dann schräg im Allgemeinen auf die erste Oberfläche zu;
– wenigstens ein Teil der zweiten Oberfläche besteht aus einem konkaven Abschnitt, der am ersten Ende beginnt und dann geschwungen zur ersten Oberfläche hin verläuft;
– die zweite Oberfläche hat eine konvexe Form, beginnt am ersten Ende und verläuft dann geschwungen im Allgemeinen zur ersten Oberfläche hin;
– eine erste und eine zweite Seite gegenüber der ersten Seite;
– die Form des ersten Endes bildet eine erste Spitze, die des zweiten Endes eine zweite Spitze, der Körper hat eine Achse zwischen der ersten und zweiten Spitze, die zweite Oberfläche hat einen ersten Abschnitt, der an der Achse ansetzt und dann in einer Neigung im Allgemeinen zur ersten Seite verläuft; sowie einen zweiten Abschnitt, der geneigt von der Achse zur zweiten Seite verläuft;
– der erste Teil und zweite Teil verfügen über eine oder mehrere der folgenden Komponenten: einen ebenen Flächenabschnitt, eine konkaven Flächenabschnitt und einen konvexen Flächenabschnitt;
– der Körper besteht aus einem feuerfesten Material;
– eine Düse;
– eine erste Oberfläche, die der Energiequelle zugewendet ist, die das Schmelzbad erzeugt;
– ein erstes und ein gegenüberliegendes zweites Ende, zwischen denen sich die erste Oberfläche erstreckt;
– eine zweite, dem Werkstück zugewendete Fläche, der ersten Fläche gegenüberliegend und nicht parallel zu dieser, sodass elektromagnetische Strahlung von der Düse weg reflektiert wird;
– die erste Fläche beinhaltet mindestens ein Element zur Oberflächenvergrößerung;
– die elektromagnetische Strahlung wird durch das Werkstück und/oder das Schmelzbad reflektiert, oder aber hat im Schmelzbad ihren Ursprung;
– wenigstens ein Teil der zweiten Fläche hat eine oder mehrere von diesen Komponenten: eine ebene Oberfläche, eine konkave Oberfläche, und eine konvexe Oberfläche;
– die Form des ersten Endes bildet eine erste Spitze, die des zweiten Endes eine zweite Spitze, die Aperturplatte hat eine Achse zwischen der ersten und zweiten Spitze und ist im Allgemeinen fluchtend zur Düse ausgerichtet; die zweite Oberfläche hat einen ersten und einen zweiten, dem ersten gegenüberliegenden Abschnitt, beide Abschnitte beginnen an der Achse und verlaufen dann geneigt auf die erste Oberfläche zu;
– die Bildung der zweiten Oberfläche beinhaltet mindestens eine der folgenden Komponenten: eine ebene Oberfläche, eine konkave Oberfläche und eine konvexe Fläche, die zweite Fläche beginnt an der ersten und verläuft dann geneigt im Allgemeinen zur ersten Oberfläche hin.

Hier beschriebenen Vorrichtungen und Systeme sind nicht auf die spezifischen Beispiele der Beschreibung beschränkt. So können Komponenten der Vorrichtung und des Systems unabhängig und getrennt von anderen hier beschriebenen Komponenten verwendet werden. Es können z. B. Vorrichtung und Systeme auch in Kombination mit anderen Schweißsystemen zur Anwendung kommen, und das nicht nur in einem bestimmten Industriezweig. Vielmehr können die Ausführungsbeispiele in vielen anderen Applikationen und Industriezweigen implementiert und verwendet werden.
Die Darstellung spezifischer Eigenschaften der verschiedenen Beispiele der Offenbarung in nur einigen der Zeichnungen dient lediglich der Zweckmäßigkeit. In Übereinstimmung mit den Prinzipien der Offenbarung kann jedes Teil in einer Zeichnung mit einem beliebigen Teil einer anderer Zeichnung referenziert werden, weiterhin können Ansprüche aus der Kombination abgeleitet werden.
Während die Offenbarung mit verschiedenen Ausführungsbeispielen beschrieben wurde, ist für den Fachmann ersichtlich, dass die Offenbarung im Geist und Umfang der Patentansprüche auch abgewandelt eingesetzt werden kann.
Die detaillierte Beschreibung und die Zeichnungen oder Figuren unterstützen und beschreiben die Erfindung, doch der Umfang der Offenbarung ist ausschließlich durch die Patentansprüche definiert. Während einige der besten Modi und andere Ausführungsformen zur Umsetzung der beanspruchten Lehren im Detail beschrieben sind, existieren verschiedene alternative Entwürfe und Ausführungsformen zur Umsetzung der Offenbarung, die in den Patentansprüchen im Anhang definiert sind.

Claims

Aperturplatte für ein Schweißgerät, wobei diese Aperturplatte Folgendes umfasst: einen Körper mit einer Öffnung, besagter Körper umfassend: ein erstes Ende; ein zweites Ende, dem ersten Ende gegenüberliegend; eine erste Oberfläche, zwischen dem ersten und zweiten Ende verlaufend; und eine zweite Oberfläche, der ersten Oberfläche gegenüberliegend und nicht parallel zu dieser geformt, sodass elektromagnetische Strahlung von Komponenten der Schweißvorrichtung weg reflektiert wird.
Aperturplatte nach Anspruch 1, worin die erste Oberfläche mindestens ein Element zur Oberflächenvergrößerung hat.
Aperturplatte nach Anspruch 2, worin mindestens ein Element zur Oberflächenvergrößerung einen Kanal in der ersten Oberfläche eingearbeitet hat.
Aperturplatte nach Anspruch 1, worin zumindest ein Teil der zweiten Oberfläche eine polierte Oberfläche aufweist.
Aperturplatte nach Anspruch 1, worin zumindest ein Teil der zweiten Oberfläche mit einer reflektierenden Beschichtung versehen ist.
Aperturplatte nach Anspruch 1, ferner umfassend mindestens eine Flüssigkeitsleitung innerhalb des Körpers zwischen der ersten und der zweiten Oberfläche.
Aperturplatte nach Anspruch 1, worin das erste Ende eine erste Kante mit Verbindung zur zweiten Oberfläche hat, die geneigt im Allgemeinen zur ersten Oberfläche hin verläuft.
Aperturplatte nach Anspruch 1, worin mindestens ein Teil der zweiten Fläche eine konkave Oberfläche hat, besagter konkaver Flächenabschnitt am ersten Ende beginnt und dann geneigt im Allgemeinen zur ersten Oberfläche hin verläuft.
Aperturplatte nach Anspruch 1, worin die zweite Oberfläche eine konvexe Oberfläche hat, besagte konvexe Oberfläche am ersten Ende beginnt und geneigt im Allgemeinen zur ersten Oberfläche hin verläuft.
Aperturplatte nach Anspruch 1, weiterhin umfassend: eine erste und eine dieser gegenüberliegende zweite Seite, worin das erste Ende durch die Form eine erste Spitze bildet, das zweite Ende eine zweite Spitze; der Körper hat zwischen den beiden Spitzen eine Achse, ein Abschnitt der zweiten Oberfläche beginnt an dieser Achse und verläuft dann geneigt im Allgemeinen zur ersten Seite hin, ein zweiter Abschnitt verläuft von der Achse geneigt im Allgemeinen zur zweiten Seite hin.