DE102020104690A1

DE102020104690A1 - Positioniervorrichtung zum Positionieren eines Werkstücks während des Schweißens sowie Verfahren zur Herstellung einer solchen

Info

Publication number: DE102020104690A1
Application number: DE102020104690.1A
Authority: DE
Inventors: Christina Durst; Frank Seinschedt
Original assignee: Pro Beam GmbH and Co KG
Current assignee: Pro Beam GmbH and Co KG
Priority date: 2020-02-21
Filing date: 2020-02-21
Publication date: 2021-08-26
Also published as: WO2021165458A1

Abstract

Eine Positioniervorrichtung (10) zum Positionieren eines Werkstücks (12) während des Schweißens weist eine Oberfläche (20) auf. Um Materialablagerungen aus dem Schweißprozess auf der Positioniervorrichtung (10) zu vermeiden, weist die Oberfläche (20) zumindest in einem Teilbereich eine Beschichtung (22) auf, die diamantähnlichen Kohlenstoff (Diamond-Like Carbon, DLC) umfasst.

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft eine Positioniervorrichtung zum Positionieren eines Werkstücks während des Schweißens, insbesondere des Elektronenstrahlschweißen und/oder Laserstrahlschweißen im Vakuum oder Unterdruck. Die Erfindung betrifft ferner ein Herstellungsverfahren für eine solche Positioniervorrichtung.
Beschreibung des Standes der Technik
Bei den meisten Schweißprozessen kommt es neben der eigentlichen Schweißnaht zur Bildung von Materialablagerungen durch Schweißspritzer und/oder Materialdämpfe an umliegenden Bereichen des Werkstücks sowie an anderen Bauteilen der verwendeten Schweißanlagen. Vor allem aufgrund der wiederholten Nutzung der Schweißanlagen für eine Vielzahl von Werkstücken strapazieren diese Ablagerungen die Oberflächen der betroffenen Bauteile der Schweißanlagen.
Obwohl die Intensität dieser Ablagerungen von der Prozessführung während des Schweißens abhängig ist, lassen sie sich jedoch trotz Einsatz hoch technologisierter Prozessführung nicht vollständig vermeiden. Beispielsweise liegt die Ursache der Schweißspritzer meist in suboptimalen Schmelzbadbewegungen sowie Verunreinigungen im geschmolzenen Material des Werkstücks, welche sich nur bedingt durch die Prozessführung beeinflussen lassen.
Grundsätzlich können sämtliche gegenüber dem Schweißprozess exponierten Oberflächen von Bauteilen wie beispielsweise Positioniervorrichtungen, Kammerwänden von Vakuumkammern, Sichtfenstern, Anlagenanbauten sowie sonstigen Werkzeugen von Materialablagerungen betroffen sein, wodurch deren Funktion beeinträchtigt wird.
Die exponierten Oberflächen der Schweißanlage müssen daher regelmäßig durch Abfräsen oder Schleifen von den Materialablagerungen befreit werden, um die Funktionsfähigkeit der Schweißanlage aufrecht zu erhalten. Dies bedingt lange Stehzeiten der Anlagen und beansprucht das Material der betroffenen Bauteile stark.
Besonders problematisch ist dies für das Schweißen mit hoher Präzision, bei welchem die zu schweißenden Werkstücke durch speziell dafür konstruierte Positioniervorrichtungen in Position gehalten werden. Denn bei derartigen Positioniervorrichtungen stellen bereits geringe Veränderungen in der Dimension große Schwierigkeiten für die Positioniergenauigkeit dar.
Spezielle Schweißschutzsprays auf Basis von Keramiken, Silikonen, Silikaten und/oder Ölen, welche vor dem Schweißprozess auf exponierte Oberflächen aufgebracht werden, können das Anhaften von Materialablagerungen, insbesondere von Schweißperlen, verhindern. Diese Sprays bringen jedoch zusätzliche Verunreinigungen in die Schweißnaht ein und sind für Schweißungen im Vakuum oder Unterdruck oftmals nicht geeignet. Außerdem sind herkömmliche Schweißschutzsprays nicht für längere Prozesse anwendbar, da ihre Wirkungsdauer auf wenige Stunden begrenzt ist.
Ferner ist bekannt austauschbare Abdeckungen an den Werkzeugen der Schweißanlage oder spezielle, an das Schweißgerät angepasste Schutzschilder anzubringen, welche die Spritzer noch vor der Ablagerung an zu schützenden Bauteilen abfangen können. Solche Abdeckungen oder Schutzschilder benötigen jedoch relativ viel Platz und erschweren die Handhabung des Schweißgeräts. Zudem können diese das Anhaften von Materialdampf nur bedingt reduzieren.
Schließlich ist auch bekannt, verschiedene Bauteile mit einer keramischen Beschichtung zu versehen, um die Anhaftung von Materialablagerung zu verringern. Diese keramischen Beschichtungen haben jedoch eine große Schichtdicke und eignen sich aufgrund der damit verbundenen Volumenänderung bei thermischer Belastung durch den Schweißprozess nicht dazu, präzise Baugruppen damit zu behandeln.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine Positioniervorrichtung eingangs genannter Art bereitzustellen, welche hinsichtlich der Problematik der Materialablagerung verbessert ist.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch eine Positioniervorrichtung zum Positionieren eines Werkstücks während des Schweißens gelöst, wobei die Positioniervorrichtung eine Oberfläche aufweist und die Oberfläche zumindest in einem Teilbereich eine Beschichtung aufweist, die diamantähnlichen Kohlenstoff (Diamond-Like Carbon, DLC) umfasst.
Wie bereits erläutert, müssen vergleichbare bekannte Positioniervorrichtungen nach einigen Schweißprozessen durch Abfräsen oder Schleifen von den Materialablagerungen befreit werden, um weiterhin Werkstücke mit genauer Passform positionieren zu können. Die Erfinder haben nun erkannt, dass durch Herabsetzen der freien Oberflächenenergie durch eine Beschichtung der relevanten Oberflächen dieses Problem der Materiallablagerungen, insbesondere der Metallablagerungen, an der Positioniervorrichtung gelöst werden kann. Die Beschichtung aus diamantähnlichem Kohlenstoff reduziert die Adhäsion der Materialablagerungen auf der Vorrichtungsoberfläche. Dadurch können an der erfindungsgemäßen Positioniervorrichtung entstandene Materialablagerungen, wie insbesondere die Schweißspritzer, mit geringem Aufwand, z.B. durch Abwischen, wieder entfernt werden.
Die erfindungsgemäße Beschichtung führt somit zu einer erleichterten Reinigung. Im Gegensatz zu bisher bekannten Maßnahmen gegen Materialablagerungen wie Abschleifen oder Abfräsen kann eine derart erleichterte Reinigung auch bei einem ohnehin notwendigen Wechsel des zu schweißenden Werkstücks erfolgen, sodass die längeren Standzeiten der Schweißanlage entfallen und die Produktivität erhöht wird.
Die Erfindung ermöglicht es, mechanisch stark beanspruchte Elemente, z.B. durch Zug, Druck, Biegung und Scherung, dauerhaft vor Materialablagerungen durch den Schweißprozess zu schützen.
Zusätzlich weist die erfindungsgemäße Beschichtung eine lange Lebensdauer auf und vermeidet durch ihre chemische Inertheit den zusätzlichen Eintrag von Fremdatomen als potentielle Verunreinigungen in die Schweißnaht.
Die erfindungsgemäße DLC-Beschichtung bewahrt somit die bei vielen Anwendungen notwendigen, genauen Referenz- und Führungsflächen, um präzise Führungsgenauigkeit, Positionen und Wärmeübergänge gewährleisten zu können.
Diamantähnlicher Kohlenstoff (Diamond-Like Carbon, DLC) wird auch amorpher Kohlenstoff genannt. DLC besteht aus einer Mischung aus sp2- (wie in Graphit) und sp3- (wie im Diamanten) hybridisierten Kohlenstoffatomen, die in undefiniertem Vernetzungsgrad und ohne bekannte Ordnung vorliegt. Das Verhältnis von sp2- zu sp3- hybridisiertem Kohlenstoff, und als Folge davon die Eigenschaften des DLC, lassen sich durch das Herstellungsverfahren sowie durch die Zusammensetzung der Schicht beeinflussen.
Vorzugsweise ist vorgesehen, dass die Beschichtung wasserstoffhaltigen amorphen Kohlenstoff und/oder metallhaltigen amorphen Kohlenstoff umfasst.
Die erfindungsgemäße Beschichtung kann wasserstofffreie amorphe Kohlenstoffschichten (a-C), tetraedrische wasserstofffreie amorphe Kohlenstoffschichten (ta-C), metallhaltige wasserstofffreie amorphe Kohlenstoffschichten (a-C:Me), wasserstoffhaltige amorphe Kohlenstoffschichten (a-C:H), tetraedrische wasserstoffhaltige amorphe Kohlenstoffschichten (ta-C:H), metallhaltige wasserstoffhaltige amorphe Kohlenstoffschichten (a-C:H:Me) und modifizierte wasserstoffhaltige amorphe Kohlenstoffschichten (a-C:H:X) mit Dotierungen durch Elemente wie Si, N, B, O sowie Halogenen umfassen. Bevorzugte erfindungsgemäße Beschichtungen sind a-C:H und a-C:H:Me mit Metalldotierungen z.B. aus W, Cr, Ti oder AI und stickstoffdotierte wasserstoffhaltige amorphe Kohlenstoffschichten a-C:H:N.
Vorzugsweise ist vorgesehen, dass die Beschichtung eine Dicke von 0,5-10 µm aufweist.
Derartige Dünnschichten haben sich als besonders effektiv für die vorliegende Anwendung herausgestellt. Denn durch den besonders dünnen Auftrag im Vergleich zu bekannten keramischen Beschichtungen müssen bei der Konstruktion der Positioniervorrichtung auch die Geometrien der einzelnen Bauteile der Positioniervorrichtung nicht verändert werden. Besonders bevorzugt sind dabei Schichtdicken von circa 2-3 µm.
Vorzugsweise ist vorgesehen, dass die Oberfläche eine Stahloberfläche oder eine keramische Oberfläche ist.
Obwohl die erfindungsgemäße Beschichtung grundsätzlich auf sämtliche Oberflächenmaterialien aufgebracht werden kann, sind jedoch Stahloberflächen und keramische Oberflächen besonders bevorzugt, da diese sich gerade für hoch präzise Positioniervorrichtungen als besonders geeignet herausgestellt haben.
Vorzugsweise ist vorgesehen, dass der beschichtete Teilbereich der Oberfläche planar ist.
Auf einer planaren Oberfläche lässt sich die DLC-Beschichtung besser aufbringen. Es ist daher sinnvoll bei der Ausgestaltung der Positioniervorrichtung darauf zu achten, dass die gegenüber dem Schweißprozess exponierte Oberfläche möglichst planar ist.
Vorzugsweise ist vorgesehen, dass sich der beschichtete Teilbereich der Oberfläche auf einer Seite der Positioniervorrichtung befindet, welche während des Betriebs einem Schweißgerät zugewandt ist.
Obwohl die erfindungsgemäße Beschichtung auch an von dem Schweißgerät abgewandten Seiten beispielsweise die Anhaftung von Materialdämpfen verringert bzw. deren Entfernung erleichtert, ist es besonders vorteilhaft vor allem diejenigen Oberflächen zu beschichten, welche dem Schweißgerät und damit dem Schweißprozess zugewandt sind.
Vorzugsweise ist vorgesehen, dass die Positioniervorrichtung eine Spannvorrichtung ist.
Als Positionieren des Bauteils während des Schweißens ist sowohl das Positionieren der zu schweißenden Teile zueinander zu verstehen wie z.B. durch Klemmen, Spannvorrichtungen, Trommeln etc., als auch das Positionieren des Werkstücks in der Schweißkammer, wie z.B. durch Spindeln, Roboterarme, Hubtische etc..
Vorzugsweise ist vorgesehen, dass sich der beschichtete Teilbereich der Oberfläche auf einem Spannelement und/oder einem Abdeckelement befindet.
Besonders geeignet ist die Erfindung für Schweißverfahren im Vakuum oder Unterdruck wie z.B. Elektronenstrahlschweißen und Laserstrahlschweißen im Unterdruck.
Hinsichtlich eines Verfahrens zur Herstellung einer erfindungsgemäßen Positioniervorrichtung wird die Aufgabe durch ein Verfahren mit folgenden Schritten gelöst:

a) Bereitstellen einer Positioniervorrichtung mit einer Oberfläche;
b) Beschichten zumindest eines Teilbereichs der Oberfläche mit einem diamantähnlichen Kohlenstoff durch Bedampfen in einem Dünnschichtverfahren.

Allgemein umfasst die Erfindung die Verwendung einer Beschichtung umfassend diamantähnlichen Kohlenstoff zur Verringerung der Anhaftung von Materialablagerungen auf einer Oberfläche beim Schweißen, insbesondere beim Elektronenstrahlschweißen und/oder Laserstrahlschweißen.
Figurenliste
Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnungen näher erläutert. In diesen zeigen:

1A eine schematische Darstellung einer Seitenansicht eines Statorelementes und einer Spannvorrichtung;
1B eine schematische Draufsicht des in 1A dargestellten Statorelementes samt montierter Spannvorrichtung;
1C eine Detailansicht der Draufsicht aus 1B und stellt die zu verschweißenden Drahtenden dar;
1D eine Seitenansicht entlang der Achse A-A und stellt den zu schweißenden Bereich dar.

BESCHREIBUNG BEVORZUGTER AUSFÜHRUNGSBEISPIELE
In 1A ist eine Spannvorrichtung 10 nach einer beispielhaften Ausführungsform der erfindungsgemäßen Positioniervorrichtung zu sehen.
1A zeigt die Spannvorrichtung 10 in einem montierten Zustand auf einem zu verschweißenden Statorelement 12 mit Flachdrähten als Werkstück.
Ein Stator ist üblicherweise aus einer Wicklung aus einer Vielzahl von Drähten gebildet. In einer Ausführungsform sind diese Drähte in einer Haarnadelform ausgebildet und werden auch als Hairpins bezeichnet. Diese Hairpins bestehen insbesondere aus einem Kupferdraht, der in der in 1C dargestellten Ausführungsform als Flachdraht mit rechteckigem Querschnitt ausgebildet ist. Hairpins weisen typischerweise einen gebogenen Bereich auf und zwei Drahtenden 14 und sind in einer genau vorbestimmten Form gestaltet, um die Wicklung des Stators möglichst eng auszuführen. Durch die Wicklung der Hairpins und der relativ großen Drahtdicke ist eine beträchtliche Krafteinwirkung nötig, um die Drahtenden 14 im Schweißbereich 16 in eine geeignete Position zu drücken, um Schweißungen hoher Qualität durchführen zu können. Dafür wird eine mehrteilige Spannvorrichtung 10 auf dem zu schweißenden Statorelement 12 montiert.
In einer Ausführungsform besteht die Spannvorrichtung 10 wie in 1B schematisch dargestellt aus einer Mehrzahl von scheibenförmigen Elementen 18, die zum Einspannen der Flachdrähte relativ zueinander bewegt werden können. Mindestens eines dieser Elemente (18) weist rechteckige Aussparungen zur Aufnahme der Drahtenden 14 auf.
Diese scheibenförmigen Elemente 18 können auch derart ausgebildet sein, dass die Scheibenform erst durch Zusammensetzen einer Vielzahl an beweglichen Segmenten entsteht.
Vorzugsweise weist die Spannvorrichtung 10 mindestens zwei scheibenförmige Elemente 18 mit Aussparungen zur Aufnahme der Drahtenden 14 auf. Durch Verschieben der zwei scheibenförmigen Elemente 18 relativ zueinander, werden die zwei Drahtenden 14 in eine genau definierte Position gedrückt.
Die Spannvorrichtung 10 weist mindestens eine Oberfläche 20 auf, die eine Beschichtung aus einem diamantähnlichen Kohlenstoff trägt. Vorzugsweise weist die Spannvorrichtung 10 eine Beschichtung 22 aus wasserstoffhaltigem amorphem Kohlenstoff auf. Vorzugsweise weist die Beschichtung eine Schichtdicke von 0,5-10 µm auf, besonders bevorzugt ist eine Schichtdicke von 2-3 µm.
Beispielsweise befindet sich die beschichtete Oberfläche 20 auf einem scheibenförmigen Element 18. Die beschichtete Oberfläche 20 kann sich auch auf einem Element befinden, welches lösbar mit der Spannvorrichtung 10 verbunden ist.
Wie in 1D dargestellt, entstehen durch das Schweißen an einem Schweißbereich 24 Metallspritzer 26. Zusätzlich wird durch die hohen Temperaturen beim Schweißen ein geringer Teil des Metalls gasförmig. Dieser Metalldampf verfestigt sich in Form von dünnen Metallfilmen auf den Oberflächen der Schweißkammer und den Vorrichtungen zum Positionieren.
Weitere Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Positioniervorrichtung sind Werkstückträger wie Spindeln, Klammern, Schraubzwingen, Gestelle, Hubtische und Achsenführungen.
Typischerweise wird das zu schweißende Werkstück auf oder mit der erfindungsgemäßen Positioniervorrichtung montiert und in einer Schweißkammer platziert.
Geeignete Schweißverfahren sind u.a. das Elektronenstrahlschweißen und Laserstrahlschweißen, bevorzugt im Vakuum.
Beim Präzisionsschweißen sind spezielle Positioniervorrichtungen im Einsatz, die einerseits das zu schweißende Werkstück in der Anlage positionieren, und vorteilhafterweise synchron mit dem Fortschreiten der Schweißnaht beziehungsweise des Strahls bewegen, und andererseits das Werkstück durch Fixieren der zwei oder mehr zu fügenden Teile zueinander positionieren.
Erfindungsgemäß weisen Teile der Vorrichtung, oder in bestimmten Fällen auch die gesamte Vorrichtung, eine Beschichtung aus DLC auf, vorzugsweise aus a-C:H. Die Schicht weist eine genau definierte Dicke von wenigen µm auf, bevorzugt 2-3 µm, und kann daher auch auf bereits vorhandenen Vorrichtungen aufgebracht werden, ohne auf Grund veränderter Dimensionen neu konstruiert werden zu müssen. Durch den hohen lokalen Energieeintrag beim Schweißen entstehen Spritzer und Dämpfe, die sich auf den exponierten Teilen der Vorrichtung ablagern. Auf Grund der erfindungsgemäßen Beschichtung haften diese Ablagerungen nicht auf der Vorrichtung, sondern lassen sich im erkalteten Zustand einfach abwischen und verkürzen der Stillstand der Anlage auf Grund verkürzter Reinigungsarbeiten erheblich.
Für die Herstellung der Vorrichtung wird auf das zu beschichtende Element DLC mit einem Dünnschichtverfahren abgeschieden. Geeignete erfindungsgemäße Verfahren umfassen chemische Gasphasenabscheidung (CVD) und physikalische Gasphasenabscheidung (PVD). Besonders vorteilhaft ist die Herstellung der Vorrichtung durch Beschichten eines Bereichs einer Oberfläche mittels plasmaunterstützter chemischer Gasphasenabscheidung (PACVD). Dadurch kann die thermische Belastung der Vorrichtung auf ein Minimum reduziert werden, da die Temperaturen unter 150°C bleiben.
Bezugszeichenliste

10: Spannvorrichtung
12: Statorelement
14: Flachdraht-Ende
16: Schweißbereich
18: scheibenförmige Elemente
20: Oberfläche auf der Spannvorrichtung und/oder der Anlage
22: Beschichtung
24: Schweißbereich
26: Schweißspritzer, Bedampfung

Claims

Positioniervorrichtung (10) zum Positionieren eines Werkstücks (12) während des Schweißens, wobei die Positioniervorrichtung (10) eine Oberfläche (20) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberfläche (20) zumindest in einem Teilbereich eine Beschichtung (22) aufweist, die diamantähnlichen Kohlenstoff (Diamond-Like Carbon, DLC) umfasst.
Positioniervorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung (22) wasserstoffhaltigen amorphen Kohlenstoff und/oder metallhaltigen amorphen Kohlenstoff umfasst.
Positioniervorrichtung nach einem der vorrangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung (22) eine Dicke von 0,5-10 µm aufweist.
Positioniervorrichtung nach einem der vorrangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberfläche (20) eine Stahloberfläche oder eine keramische Oberfläche ist.
Positioniervorrichtung nach einem der vorrangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der beschichtete Teilbereich der Oberfläche (20) planar ist.
Positioniervorrichtung nach einem der vorrangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sich der beschichtete Teilbereich der Oberfläche (20) auf einer Seite der Positioniervorrichtung (10) befindet, welche während des Betriebs einem Schweißgerät zugewandt ist.
Positioniervorrichtung nach einem der vorrangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Positioniervorrichtung (10) eine Spannvorrichtung ist.
Positioniervorrichtung nach einem der vorrangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sich der beschichtete Teilbereich der Oberfläche (20) auf einem Spannelement und/oder einem Abdeckelement befindet.
Verfahren zur Herstellung einer Positioniervorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, mit folgenden Schritten: a) Bereitstellen einer Positioniervorrichtung (10) mit einer Oberfläche (20); b) Beschichten zumindest eines Teilbereichs der Oberfläche (20) mit einem diamantähnlichen Kohlenstoff durch Bedampfen in einem Dünnschichtverfahren.
Verwendung einer Beschichtung umfassend diamantähnlichen Kohlenstoff zur Verringerung der Anhaftung von Materialablagerungen auf einer Oberfläche beim Schwei-ßen, insbesondere beim Elektronenstrahlschweißen und/oder Laserstrahlschweißen.