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Die vorliegende Anmeldung ist eine Teilweiterbehandlungs-Anmeldung, die den Prioritätsnutzen der US-Patentanmeldung Nr. 13/212,025, eingereicht am 17. August 2011, beansprucht, die eine Teilweiterbehandlung der US-Patentanmeldung Nr. 12/352,667, eingereicht am 13. Januar 2009, ist, und die beide in vollem Umfang durch Bezugnahme in den vorliegenden Text aufgenommen werden.
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GEBIET DER ERFINDUNG
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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Starten eines Warmdrahtprozesses nach Anspruch 1, ein Warmdrahtsystem nach Anspruch 11 und 14, und ein Verfahren zum Stoppen eines Warmdrahtprozesses nach Anspruch 15. Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein Systeme und Verfahren zum Starten und/oder Stoppen eines Warmdrahtprozesses, der zum Beispiel in Auftragsschweiß-, Schweiß- und/oder anderen Verbindungsanwendungen verwendet wird. Genauer gesagt, betreffen bestimmte Ausführungsformen Systeme und Verfahren zum Starten und/oder Stoppen eines Warmdrahtprozesses unter Verwendung eines gesteuerten Fülldrahtzuführvorrichtungs- und Energiequellensystems in Kombination mit einer hoch-intensiven Energiequelle für Auftragsschweiß-, Verbindungs- und Schweißanwendungen.
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ALLGEMEINER STAND DER TECHNIK
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In einem Warmdraht- oder Fülldrahtprozess wird eine hoch-intensive Energiequelle, wie zum Beispiel für einen Laserprozess, einen Prozess mit einer nicht-aufzehrbaren Wolframelektrode oder einen sonstigen hochenergetischen Lichtbogen- oder Plasmaprozess, zum Erwärmen und Schmelzen eines Werkstücks verwendet, um eine Schmelzpfütze zu bilden. Ein Fülldraht wird in Richtung eines Werkstücks und der Schmelzpfütze vorangeschoben. Der Draht wird durch eine separate Energiequelle widerstandserwärmt, so dass sich der Draht seinem Schmelzpunkt nähert oder ihn erreicht und die Schmelzpfütze berührt. Der erwärmte Draht wird in die Schmelzpfütze geführt, um den Warmdrahtprozess auszuführen. Dementsprechend erfolgt der Transfer des Fülldrahtes zu dem Werkstück durch einfaches Einschmelzen des Fülldrahtes in die Schmelzpfütze. Alternativ kann der Fülldraht massiv sein, wenn der Draht in die Schmelzpfütze eintritt. Zum Beispiel können 30% des Fülldrahtes massiv sein, wenn der Fülldraht in die Schmelzpfütze eintritt. Weil der Fülldraht auf oder nahe seinen Schmelzpunkt vorgewärmt wird, ist sein Vorhandensein in der Schmelzpfütze nicht geeignet, die Pfütze merklich abzukühlen oder zu verfestigen, und er wird rasch in die Schmelzpfütze hinein aufgezehrt. Ein Problem beim Initiieren oder Stoppen des Warmdrahtprozesses ist das Auftreten von Drahtspritzern, wenn der Draht in die Schmelzpfütze eingeleitet bzw. aus ihr herausgezogen wird. Bevor die Schmelzpfütze vollständig ausgebildet ist, ist sie instabil, was zu Drahtspritzern führt, sobald der Draht in die Schmelzpfütze eingeleitet wird. Die Instabilität in der Pfütze beim Einleiten des Drahtes ist anhand einer Spannungs-, Strom- oder Leistungskurve des Warmdrahtprozesses, wie in 7 veranschaulicht, zu erkennen. In 7 sind Oszillationen in der Spannungs-, Strom- oder Leistungskurve am Beginn eines bekannten Warmdrahtprozesses gezeigt. Die Oszillationen in der Spannungskurve sind – wenigstens zum Teil – auf wiederholte Lichtbogenbildungen zwischen dem Draht und dem Werkstück zurückzuführen, die in der unvollständigen Ausbildung der Schmelzpfütze ihre Ursache haben. Am Ende eines Warmdrahtprozesses bleibt der Draht in der Schmelzpfütze, um Drahtspritzer zu vermeiden; um aber den Draht von der Pfütze zu trennen, muss der Warmdrahtprozess gestoppt und der Draht durchtrennt werden. Dementsprechend besteht Bedarf an einem Starten und/oder Stoppen eines Warmdrahtprozesses, das Drahtspritzer minimiert, wenn der Draht in die Schmelzpfütze eingeleitet bzw. aus ihr herausgezogen wird.
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Weitere Einschränkungen und Nachteile von herkömmlichen, traditionellen und vorgeschlagenen Lösungsansätzen erkennt der Fachmann anhand eines Vergleichs solcher Lösungsansätze mit Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung, die im restlichen Teil der vorliegenden Anmeldung mit Bezug auf die Zeichnungen dargelegt sind.
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BESCHREIBUNG
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Es ist eine Aufgabe der Erfindung, diese Einschränkungen und Nachteile zu überwinden. Dieses Problem wird durch ein Verfahren zum Starten eines Warmdrahtprozesses nach Anspruch 1, durch ein Warmdrahtsystem nach Anspruch 11 und 14 und durch ein Verfahren zum Stoppen eines Warmdrahtprozesses nach Anspruch 15 gelöst. Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung bilden den Gegenstand der Unteransprüche. Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung umfassen ein System und ein Verfahren zum Starten und Stoppen eines kombinierten Fülldrahtzuführvorrichtungs- und Energiequellensystems. Eine erste Ausführungsform der vorliegenden Erfindung stellt ein Verfahren eines Warmdrahtprozesses zwischen einem Fülldraht und einem Werkstück bereit. Das hier besprochene Verfahren hat einen Initiierungsprozess, der Folgendes enthält: Erzeugen eines Lichtbogens zwischen dem Draht und dem Werkstück, um eine Schmelzpfütze in dem Werkstück zu bilden; Beibehalten der Schmelzpfütze mittels einer hoch-intensiven Energiequelle, die von dem Draht getrennt ist; Voranschieben des Drahtes in die Schmelzpfütze nach dem Aufbau der Lichtbogenspannung und Anlegen eines Erwärmungsstroms an den Draht, um den Lichtbogen zu beenden und den Draht auf ungefähr seinen Schmelzpunkt für den Warmdrahtprozess zu bringen. Gemäß einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens ist das Abfühlsignal eine Leerlaufspannung von mindestens 3 Volt. Gemäß einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens ist die hoch-intensive Energiequelle eine Lichtbogenerzeugungsquelle. Das Problem gemäß der Erfindung wird auch durch ein Warmdrahtsystem gelöst, das eine Zuführvorrichtung zum Voranschieben und Zurückziehen eines distalen Endes eines Fülldrahtes mit Bezug auf ein Werkstück. Das System umfasst des Weiteren eine Stromversorgung zum Anlegen an den Draht: eines Abfühlsignals, eines Lichtbogenerzeugungsstroms und eines Erwärmungsstroms. Das System umfasst des Weiteren eine Steuereinheit, die mit der Zuführvorrichtung und der Stromversorgung gekoppelt ist, um einen Warmdrahtprozess zu initiieren. Die Steuereinheit platziert den Draht relativ zu dem Werkstück und regelt jedes Abfühlsignal. Das Lichtbogenerzeugungssignal und der Erwärmungsstrom enthalten Folgendes: Voranschieben des distalen Endes des Drahtes in Richtung des Werkstücks und Regeln des Abfühlsignals, um zu bestimmen, wann das distale Ende in Kontakt mit dem Werkstück steht. Das System umfasst des Weiteren das Zurückziehen des distalen Endes des Drahtes von dem Werkstück und das Regeln des Lichtbogenerzeugungsstroms so, dass ein Lichtbogen zwischen dem distalen Ende und dem Werkstück gebildet wird, um eine Schmelzpfütze zu bilden. Das System umfasst des Weiteren das Voranschieben des Drahtes in die Schmelzpfütze und das Regeln des Erwärmungsstroms so, dass Draht in die Schmelzpfütze eingeschmolzen wird. Das System umfasst des Weiteren eine hoch-intensive Energiequelle zum Zuführen von Wärme zu der Schmelzpfütze. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform des Systems umfasst die Stromversorgung mehrere Stromquellen, einschließlich einer ersten Stromquelle zum Anlegen des Abfühlsignals, einer zweiten Stromquelle zum Anlegen des Lichtbogenerzeugungsstroms und einer dritten Stromquelle zum Anlegen des Erwärmungsstroms.
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Eine weitere Ausführungsform stellt ein Verfahren zum Stoppen eines Warmdrahtprozesses bereit, der einen Erwärmungsstrom zu einem Draht führt, der einen Draht in eine Schmelzpfütze eines Werkstücks einschmilzt. Das Stoppverfahren enthält das Reduzieren einer Zufuhrrate des Drahtes in die Schmelzpfütze und das Beibehalten der Schmelzpfütze mittels einer hoch-intensiven Energiequelle. Das Stoppverfahren enthält des Weiteren in einem Aspekt: Stoppen des Erwärmungsstroms und Anlegen von Stromimpulsen an den Draht so, dass das distale Ende des Drahtes aus der Schmelzpfütze entfernt wird. Ein weiterer oder alternativer Aspekt des Stoppverfahrens enthält das Zurückziehen des Drahtes aus der Schmelzpfütze, das Erfühlen des Entstehens eines Lichtbogens zwischen dem Draht und dem Werkstück, und das Beenden des Erwärmungsstroms zu dem Draht, bevor der Lichtbogen entsteht. In einem weiteren oder alternativen Aspekt des Stoppverfahrens wird der Draht aus der Schmelzpfütze zurückgezogen, während mindestens ein Teil des Erwärmungsstroms an den Draht angelegt wird, so dass der Draht bricht und sich von der Schmelzpfütze löst, so dass ein Drahtfortsatz in der Schmelzpfütze zurückbleibt. Energie von der hoch-intensiven Energiequelle wird an den Drahtfortsatz angelegt, um den Fortsatz in der Schmelzpfütze zu schmelzen.
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Diese und weiteren Merkmale der beanspruchten Erfindung sowie Details veranschaulichter Ausführungsformen der Erfindung werden anhand der folgenden Beschreibung und der Zeichnungen besser verstanden.
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KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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Die oben erwähnten und/oder weitere Aspekte der Erfindung werden anhand einer ausführlichen Beschreibung beispielhafter Ausführungsformen der Erfindung mit Bezug auf die begleitenden Zeichnungen besser verdeutlicht, wobei in den Zeichnungen Folgendes dargestellt ist:
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1 veranschaulicht ein Funktionsblockschaubild einer beispielhaften Ausführungsform eines Warmdrahtsystems;
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1A ist eine perspektivische detaillierte Ansicht eines Warmdrahtprozesses unter Verwendung des Systems von 1;
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2 veranschaulicht ein Flussdiagramm einer ersten Ausführungsform eines Startverfahrens für einen Warmdrahtprozess unter Verwendung des Systems von 1;
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3 veranschaulicht ein Flussdiagramm einer zweiten Ausführungsform eines Startverfahrens für einen Warmdrahtprozess unter Verwendung des Systems von 1;
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4 veranschaulicht ein Flussdiagramm einer ersten Ausführungsform eines Stoppverfahrens für einen Warmdrahtprozess unter Verwendung des Systems von 1;
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5 veranschaulicht ein Flussdiagramm einer zweiten Ausführungsform eines Stoppverfahrens für einen Warmdrahtprozess unter Verwendung des Systems von 1.
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6 veranschaulicht ein Flussdiagramm einer dritten Ausführungsform eines Stoppverfahrens für einen Warmdrahtprozess unter Verwendung des Systems von 1.
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7 veranschaulicht einen Kurvenverlauf von Spannung, Strom und Leistung in einem Warmdrahtprozess des Standes der Technik.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
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Es werden nun im Folgenden beispielhafte Ausführungsformen der Erfindung unter Bezug auf die beiliegenden Figuren beschrieben. Die beschriebenen beispielhaften Ausführungsformen sollen das Verstehen der Erfindung erleichtern und dienen nicht dazu, den Schutzumfang der Erfindung in irgendeiner Weise einzuschränken. Gleiche Bezugszahlen beziehen sich stets auf gleiche Elemente.
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1 veranschaulicht ein Funktionsblockschaubild einer beispielhaften Ausführungsform eines Systems 100 zum Ausführen eines Warmdrahtprozesses. Der Begriff „Warmdrahtprozess” wird im vorliegenden Text in einem weiten Sinn verwendet und kann sich auf jegliche Anwendungen beziehen, einschließlich Auftrags- oder sonstiges Schweißen oder Verbinden. Genauer gesagt, enthält ein Warmdrahtprozess das Erwärmen eines Fülldrahtes (zum Beispiel mittels Widerstandserwärmen) zum Auszuführen eines Auftragsschweiß-, Schweiß- und/oder Verbindungsprozesses. Auftragsschweißprozesse können sein: Hartlöten, Plattieren, Schichtaufbau, Füllen und Hartauftragsschweißen. Zum Beispiel wird in einer „Hartlöt”-Anwendung ein Füllmetall zwischen dicht nebeneinander liegenden Oberflächen einer Verbindungsfuge durch Kapillarwirkung verteilt, während man bei einer „Fugenlöt”-Anwendung das Füllmetall in einen Spalt fließen lässt. Jedoch werden im Sinne des vorliegenden Textes beide Techniken im weitesten Sinne als Auftragsschweißanwendungen bezeichnet. Das System 100 enthält ein Warmfülldrahtzuführvorrichtungs-Teilsystem, das in der Lage ist, mindestens einen erwärmten Fülldraht 140 auszugeben, um einen Kontakt mit dem Werkstück 115 herzustellen. Natürlich versteht es sich, dass mit der Erwähnung des Werkstücks 115 im vorliegenden Text die Schmelzpfütze 116, die in dem Werkstück gebildet wird, als Teil des Werkstücks 115 angesehen wird, so dass der Verweis auf einen Kontakt mit dem Werkstück 115 auch einen Kontakt mit der Pfütze enthält, sofern eine Pfütze vorhanden ist.
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Das Warmfülldrahtzuführvorrichtungs-Teilsystem enthält eine Fülldrahtzuführvorrichtung 150, ein Kontaktrohr 160 und eine Warmdraht-Stromversorgung 170. Der Draht 140 wird von der Fülldrahtzuführvorrichtung 150 durch das Kontaktrohr 160 in Richtung des Werkstücks 115 zugeführt und erstreckt sich über das Rohr 160 hinaus. Die Warmdraht-Stromversorgung 170 kann eine gepulste Gleichstromversorgung sein, obgleich auch Wechselstrom- oder andere Arten von Stromversorgungen möglich sind. Dementsprechend kann die Stromversorgung 170 so betrieben werden, dass sie ein Spannungs- oder ein Stromsignal an den Draht 140 anlegt. Die Stromversorgung 170 kann eine einzelne Stromquelle oder mehr als eine Stromquelle enthalten, um die verschiedenen Ströme anzulegen oder die verschiedenen Spannungen zu erzeugen, wie unten in größerer Ausführlichkeit beschrieben wird. Es ist anzumerken, dass die Figuren und die Besprechung im vorliegenden Text zwar von einem „Draht” 140 sprechen, dass damit aber allgemein ein Verbrauchsmaterial gemeint ist, das ein herkömmlicher zylindrisch geformter Draht sein kann (der massiv oder mit einem Kern versehen sein kann), aber auch ein streifenartiges Verbrauchsmaterial sein kann, wie zum Beispiel von der Art, die oft für Plattierungen verwendet wird. Zur besseren Verständlichkeit wird das Verbrauchsmaterial 140 aber im vorliegenden Text als ein „Draht” bezeichnet.
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In einem Aspekt des hier besprochenen Startprozesses, der weiter unten noch ausführlicher beschrieben wird, wird die Stromversorgung 170 veranlasst, ein Abfühlsignal an den Draht 140 anzulegen, um die Nähe des Drahtes zu dem Werkstück zu bestimmen. In einem weiteren Aspekt des hier besprochenen Verfahrens legt die Stromversorgung einen Strom an den Draht an, der ausreicht, um einen Lichtbogen zwischen dem Draht und dem Werkstück zu erzeugen. In einem weiteren Aspekt wird der Fülldraht 140 durch elektrischen Strom von der Warmdraht-Stromversorgung 170, die zwischen dem Kontaktrohr 160 und dem Werkstück 115 wirkverbunden ist, widerstandserwärmt.
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Das beispielhafte System 100 enthält des Weiteren ein Steuerungs-Teilsystem 195, das in der Lage ist, einen Potenzialunterschied (d. h. eine Spannung V) zwischen dem Werkstück 115 und dem Warmdraht 140 und einen Strom (I) durch das Werkstück 115 und den Warmdraht 140 zu messen. In mindestens einer beispielhaften Ausführungsform das Steuerungs-Teilsystem 195, das als eine zustandsbasierte Stromabfühl-Steuereinheit verkörpert sein kann, ist mit dem Werkstück 115, dem Kontaktrohr 160 und der Warmdraht-Stromversorgung 170 wirkverbunden, um Funktionen der Stromversorgung zu regeln, wie zum Beispiel Ausgangsstrom, -spannung und/oder -leistung. Das Steuerungs-Teilsystem 195 kann sekundäre oder parallele Steuereinheiten zum Regeln oder Überwachen weiterer Aspekte des Systems und des Warmdrahtprozesses enthalten, wie zum Beispiel eines Laser-Teilsystems, des Drahtes oder der Pfütze, wie weiter unten noch ausführlicher beschrieben wird. Dementsprechend kann das beispielhafte Abfühl- und Stromsteuerungs-Teilsystem 195 des Weiteren in der Lage sein, einen Widerstandswert (R = V/I) und/oder einen Leistungswert (P = V*I) aus der gemessenen Spannung und dem gemessenen Strom, zusammen mit Integralen und Ableitungen von Spannung, Strom und Leistung, zu berechnen. Im Allgemeinen ist, wenn der Warmdraht 140 in Kontakt mit dem Werkstück 115 kommt, der Potenzialunterschied zwischen dem Warmdraht 140 und dem Werkstück 115 null Volt oder sehr nahe null Volt. Infolge dessen kann das Abfühl- und Stromsteuerungs-Teilsystem 195 erfühlen, wann der ohmsche Fülldraht 140 in Kontakt mit dem Werkstück 115 steht. Darüber hinaus ist das Steuereinheit-Teilsystem 195 über seine Verbindung mit der Warmdraht-Stromversorgung 170 in der Lage, das Fließen von Strom durch den ohmschen Fülldraht 140 in Reaktion auf das Abfühlen zu steuern, wie unten mit einem oder mehreren Aspekten des hier besprochenen Start- und Stoppverfahrens noch ausführlicher beschrieben wird.
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In der in 1 gezeigten beispielhaften Ausführungsform enthält das System 100 des Weiteren ein Laser-Teilsystem, das in der Lage ist, einen Laserstrahl 110 auf ein Werkstück 115 zu fokussieren, um das Werkstück 115 zu erwärmen, um beispielsweise die Schmelzpfütze auf dem Werkstück beizubehalten. Das Laser-Teilsystem enthält eine Laservorrichtung 120 und eine Laser-Stromversorgung 130, die miteinander wirkverbunden sind. Die Laser-Stromversorgung 130 stellt Energie zum Betreiben der Laservorrichtung 120 bereit. Eine Steuereinheit, wie zum Beispiel eine zweite parallele zustandsbasierte Steuereinheit, die einen Teil des Steuerungs-Teilsystems 195 bildet oder von dem Steuerungs-Teilsystem 195 getrennt ist, kann vorhanden sein, um Funktionen der Laser-Stromversorgung 130, wie zum Beispiel die Ausgabe von Strom, Spannung oder Leistung, in Echtzeit individuell oder für einen synchronisierten Betrieb mit der Warmdraht-Stromversorgung 170 zu regeln. Das Laser-Teilsystem kann eine beliebige Art einer hochenergetischen Laserquelle sein, einschließlich beispielsweise Kohlendioxid-, Nd:YAG-, Yb-Scheiben-, YB-Faser-, fasergekoppelte oder Direktdioden-Lasersysteme. Das Laser-Teilsystem ist – allgemeiner ausgedrückt – ebenfalls eine hoch-intensive Energiequelle. Obgleich die hoch-intensive Energiequelle als ein Laser-Teilsystem mit einem Laserstrahl und einer Stromversorgung beschrieben wird, versteht es sich, dass jede hoch-intensive Energiequelle verwendet werden kann. Zum Beispiel kann eine hoch-intensive Energiequelle mindestens 500 W/cm2 liefern. Andere Ausführungsformen einer hoch-intensiven Energiequelle können mindestens eines von Folgendem enthalten: einen Elektronenstrahl, ein Plasmalichtbogenschweiß-Teilsystem, ein Gas-Wolfram-Lichtbogenschweißen-Teilsystem, ein Gas-Metall-Lichtbogenschweißen-Teilsystem, ein Flussmittelkern-Lichtbogenschweißen-Teilsystem und ein Unterpulver-Lichtbogenschweißen-Teilsystem, das als die hoch-intensive Energiequelle dient.
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Für Schweißanwendungen ist die Energie des Laserstrahls 110 intensiv genug zum Schmelzen eines Teils des Basismaterials des Werkstücks 115 und/oder zum Schmelzen des Drahtes 140 auf das Werkstück 115. Für die Ausführungsformen des hier besprochenen Verfahrens behält der Laserstrahl 110 die Schmelzpfütze in Koordination mit den Bedingungen des Fülldrahtes 140 bei. Die Stromversorgung 170 ist dafür konfiguriert, einen großen Teil der Energie zu erzeugen, die benötigt wird, um den Fülldraht 140 für die Ausführung des Warmdrahtprozesses widerstandszuschmelzen. Darüber hinaus werden jedoch, wie im vorliegenden Text mit Bezug auf die konkreten Ausführungsformen beschrieben, die Stromversorgung 170 und das Zuführvorrichtungs-Teilsystem gesteuert und betrieben, um den Warmdrahtprozess zu initiieren und insbesondere die Bildung der Schmelzpfütze in dem Werkstück 115 zu initiieren. Außerdem sind die Stromversorgung 170 und das Zuführvorrichtungs-Teilsystem dafür konfiguriert, den Warmdrahtprozess zu beenden, um das Ablösen des Drahtes von der Schmelzpfütze herbeizuführen.
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Das System 100 enthält des Weiteren ein Bewegungssteuerungs-Teilsystem, das in der Lage ist, den Laserstrahl 110 (die Energiequelle) und den ohmschen Fülldraht 140 in derselben Richtung 125 entlang dem Werkstück 115 (wenigstens in einem relativen Sinn) zu bewegen, so dass der Laserstrahl 110 und der ohmsche Fülldraht 140 in einer festen Beziehung zueinander bleiben. Die Relativbewegung zwischen dem Werkstück 115 und der Laser-Draht-Kombination kann erreicht werden, indem das Werkstück 115 bewegt wird oder indem die Laservorrichtung 120 und das Warmdrahtzuführvorrichtungs-Teilsystem. Wie zum Beispiel in 1 zu sehen, enthält das Bewegungssteuerungs-Teilsystem eine Bewegungssteuereinheit 180, die mit einem Roboter 190 wirkverbunden ist. Die Bewegungssteuereinheit 180 steuert die Bewegung des Roboters 190. Der Roboter 190 ist mit dem Werkstück 115 wirkverbunden (zum Beispiel an diesem mechanisch befestigt), um das Werkstück 115 in der Richtung 125 zu bewegen, so dass sich der Laserstrahl 110 und der Draht 140 praktisch an dem Werkstück 115 entlang bewegen. Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann die Bewegungssteuereinheit 180 des Weiteren mit der Laser-Stromversorgung 130 und/oder der Abfühl- und Stromsteuereinheit 195 wirkverbunden sein. Auf diese Weise können die Bewegungssteuereinheit 180 und die Laser-Stromversorgung 130 miteinander kommunizieren, um Aktivitäten zwischen den verschiedenen Teilsystemen des Systems 100 zu koordinieren.
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Es ist anzumerken, dass zwar 1 (und die unten besprochene 1A) die Wärmequelle (den Laser) stromaufwärts des Warmdrahtes in der Vorschubrichtung zeigt, dass aber Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung diesbezüglich nicht beschränkt sind. Genauer gesagt, kann der Warmdraht während des Prozesses stromaufwärts in die Pfütze der Wärmequelle eintreten.
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Des Weiteren ist zwar, wie zuvor beschrieben, in den 1 und 1A ein Lasersystem gezeigt, doch sind Ausführungsformen der Erfindung nicht auf die Verwendung eines Lasersystems beschränkt. Genauer gesagt, können – wie zuvor beschrieben – Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung auch einen Prozess mit einer nicht-aufzehrbaren Wolframelektrode oder einen sonstigen hochenergetischen Lichtbogen- oder Plasmaprozess verwenden. Zum Beispiel können in beispielhaften Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung die Laser-Stromversorgung 130 und der Laser 120 durch eine GMAW-Stromversorgung und einen GMAW-Brenner ersetzte werden, so dass ein MIG- oder GMAW-Prozess zum Bilden der Schmelzpfütze verwendet wird. Bei solchen Ausführungsformen würde der MIG- oder GMAW-Prozess die Schmelzpfütze erzeugen, und der Warmdrahtprozess würde so implementiert werden, wie es im vorliegenden Text offenbart und besprochen ist. Aus Gründen der Effizienz können sich die unten besprochenen beispielhaften Ausführungsformen auf das Laser-Teilsystem beziehen; jedoch soll dies lediglich beispielhaft sein, da die Steuerung, die Integration und der Betrieb des im vorliegenden Text beschriebenen Systems 100 unabhängig von der Hochleistungsenergiequelle, die die Schmelzpfütze erzeugt, ähnlich sind.
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In 1A ist eine detaillierte Ansicht eines Warmdrahtprozesses an der Stelle einer Schmelzpfütze 116 auf einem Werkstück 115 gezeigt. Genauer gesagt, ist ein Laserstrahl 110 gezeigt, der die Schmelzpfütze 116 beibehält, wobei der erwärmte Fülldraht 140 in der Schmelzpfütze 116 angeordnet ist und in diese hinein vorangeschoben wird. Allgemein ausgedrückt, sieht eine Ausführungsform des Verfahrens zum Starten eines Warmdrahtprozesses vor, den Fülldraht 140 in die Nähe des Werkstücks 115 zu bringen und dazwischen einen Lichtbogen zu erzeugen, der ausreicht, um das Werkstück zu schmelzen und die Schmelzpfütze 116 zu bilden. Sobald die Schmelzpfütze 116 eine stabile Formation hat, wird der Strom zu dem Draht auf einen Pegel verringert, der ausreicht, um den Draht zu schmelzen oder fast zu schmelzen, sich nicht genug, um einen Lichtbogen zwischen dem Draht und dem Werkstück zu erzeugen. Stattdessen behält der Laser die Schmelzpfützenformation bei, und der Draht wird in die Schmelzpfütze vorangeschoben, um den Warmdrahtprozess zu vollenden. Dementsprechend erfolgt der stabile Transfer des Drahtmaterials zu der Pfütze 116 gemäß einem besonderen Aspekt des hier besprochenen Prozesses durch Schmelzen des Drahtes 140 direkt in den Prozess hinein und insbesondere nicht durch einen Transfer von Materialtröpfchen von dem Draht zu der Pfütze.
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Die Stabilität der Schmelzpfütze 116 kann durch indirekte Verfahren bestimmt werden, die zum Beispiel die Rückmeldung von Drahtgeschwindigkeit, Spannung oder Strom beinhalten können. Genauer gesagt, erhöht die Zuführvorrichtung 150 am Beginn des Warmdrahtprozesses die Drahtzufuhrgeschwindigkeit auf einen gewünschten und bekannten Wert, anhand dessen die Menge an Draht, die in die Pfütze eingeleitet wurde, und die Größe der Schmelzpfütze 116 bestimmt werden kann. Anhand der Menge an Draht, die in die Schmelzpfütze 116 eingeleitet wurde, und der Pfützengröße kann man einen gewünschten Startpunkt bestimmen, an dem der Warmdrahtprozess beginnt. Das heißt, eine gewünschte Menge Draht wurde in die Schmelzpfütze 116 eingeleitet, und die Pfützengröße kann auf der Basis des gesamten Drahtes berechnet werden, der in die Pfütze eingeschmolzen wurde. Für eine bestimmte Pfützengröße ist die Pfütze für einen stabilen Warmdrahtprozess bereit. Zusätzlich oder alternativ kann die Rückmeldung des tatsächlichen Spannungs- und/oder Stromausgangs aus der Stromversorgung eine stabile Pfützenformation anzeigen. Des Weiteren können als Alternative historische Daten oder Erfahrungswerte für die verstrichene Zeit für die Pfützenbildung verwendet werden.
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Wie weiter unten noch ausführlicher beschrieben wird, wird der hier besprochene Warmdrahtprozess mit einem Lichtbogen zwischen dem Draht 140 und dem Werkstück 116 begonnen, um die Schmelzpfütze 117 zu bilden. Dementsprechend wird – in einem Aspekt – der Warmdrahtprozess initiiert, indem ein Kurzschlusslichtbogen-Transfermodus oder eine Kurzschlusslichtbogen-Transfertechnik zwischen dem Draht und dem Werkstück zur Pfützenbildung verwendet wird. Die Stabilität der jeweiligen Kurzschlussereignisse oder die Zeit zwischen Kurzschlussereignissen kann einen Hinweis auf eine stabile Pfützenbildung geben. Eine stabile Schmelzpfütze 116 kann realisiert werden, wenn der Lichtbogen zwischen dem Draht 140 und dem Werkstück 115 groß genug ist, um eine dauerhafte Veränderung des Pfützenprofils (d. h. Breite, Dicke, Volumen usw.) der Pfütze 116 herbeizuführen.
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Wenn Wärmezufuhrspitzen und Mikrolichtbögen einsetzen, so kann der „Flash” der Mikrolichtbögen Welligkeiten in der Pfütze verursachen, die, wenn sie groß genug sind, in dieser Form in der Pfütze erstarren können. In einem Aspekt sind die Lichtbogenintensität und/oder die Wärmezufuhr so groß, dass erstarrtes Material aus der Pfütze herausgeblasen wird und die Pfütze ausdünnt. Dieser konkretisierte Lösungsansatz macht den Warmdrahtstartprozess von der Geschwindigkeit oder anderen Bedingungen unabhängig.
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In einer weiteren Ausführungsform können der Warmdrahtprozess und die Pfützenbildung mit einer gepulsten Technik initiiert werden, bei der eine adaptive Steuerung verwendet wird, wie sie zum Beispiel bei dem gepulsten Gas-Metall-Lichtbogenschweißen (GMAW-P) von The Lincoln Electric Company verwendet wird, das in der Publikation Lincoln Electric Waveform Control Technology, NX-2.70, mit dem Titel „Process: Pulsed Spray Metal Transfer” (Aug. 2004) gezeigt und beschrieben ist, die in vollem Umfang durch Bezugnahme in den vorliegenden Text aufgenommen wird. Die Wellenform der adaptive Steuerung, die zwischen dem Draht und dem Werkstück verwendet wird, zeigt die erhöhte und die Spitzenwertspannung oder den Zeitpunkt an, wann die Spannung sich stabilisiert oder einen gewünschten Wert erreicht hat. Des Weiteren kann alternativ die Zählung der Anzahl von Impulsen oder ein gewünschter Stromwert bestimmt werden, was indirekt die Drahtzufuhrgeschwindigkeit und den Punkt anzeigen kann, an dem die Pfütze stabil ist, um den Warmdrahtprozess zu initiieren.
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2 veranschaulicht insbesondere eine Ausführungsform des Startverfahrens 200, das durch das System 100 von 1 verwendet wird. In Schritt 210 wird eine Abfühlspannung durch die Stromquelle 170 aufgebaut; und in Schritt 220 wird ein distales Ende des mindestens einen Fülldrahtes 140 durch die Drahtzuführvorrichtung 150 in Richtung des Werkstücks 115 vorangeschoben. In einer konkreten Ausführungsform ist die Abfühlspannung eine Leerlaufspannung (Open Circuit Voltage, OCV), weil durch die Drahtstromversorgung 170 unter dem Befehl des Steuerungs-Teilsystems 195 ein Abfühlsignal an den Draht 140 angelegt wird. Zum Beispiel kann die Abfühl- und Stromsteuereinheit 195 der Warmdraht-Stromversorgung 170 befehlen, eine Abfühlspannung, wie zum Beispiel eine Leerlauf-Abfühlspannung, im Bereich von 24 bis 70 Volt aufzubauen. Jedoch kann in anderen beispielhaften Ausführungsformen eine kleinere Abfühlspannung verwendet werden. Zum Beispiel kann die Abfühlspannung im Bereich von 3 bis 15 Volt liegen. In einer weiteren beispielhaften Ausführungsform liegt die Abfühlspannung im Bereich von 5 bis 15 Volt, und in einer weiteren Ausführungsform im Bereich von 5 bis 8 Volt.
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Die Abfühlspannung kann in einem konkreten Aspekt oder einer konkreten Ausführungsform eine Funktion des Typs des Drahtes 140 sein. Zum. Beispiel kann die Abfühlspannung für Edelstahldrähte auf einen Bereich von 6 bis 9 Volt eingestellt werden. In Drähten mit höherem Nickelgehalt (und damit höherem Widerstand) kann die Abfühlspannung auf geringfügig höhere Spannungen eingestellt werden oder bei geringfügig höheren Spannungen arbeiten; bei Stahl geringfügig weniger. Alternativ kann eine geeignete Abfühlspannung außerhalb des Bereichs von 5 bis 15 Volt verwendet werden, zum Beispiel, wenn der Draht 140 ein größerer extrudierter Draht mit einer äußeren Beschichtung ist, die nicht im gleichen Maße leitet wie der Drahtkern. In einem solchen Fall kann die Abfühlspannung bis zu 20 Volt betragen. Dementsprechend kann die geeignete Abfühlspannung eine Schwellenspannung definieren, oberhalb der ein Lichtbogen zwischen dem Draht 140 und dem Werkstück 115 gebildet wird und unterhalb der der Strom verringert oder abgeschaltet werden kann, um zu einem „Warmdraht”-Zustand oder -Pegel zurückzukehren.
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Des Weiteren liefert in beispielhaften Ausführungsformen der Erfindung das angelegte Abfühlsignal nicht genug Energie, um den Draht
140 nennenswert zu erwärmen. Eine beispielhafte Ausführungsform einer Stromquelle, die ein Abfühlsignal an einen Fülldraht anlegt, ist in der
US-Patentveröffentlichung Nr. 2010/0176109 gezeigt und beschrieben, die in vollem Umfang durch Bezugnahme in den vorliegenden Text aufgenommen wird. Natürlich kann in anderen Ausführungsformen wenigstens etwas Erwärmen stattfinden, während das Abfühlsignal bzw. die Abfühlspannung angelegt wird.
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Wir kehren zu 2 zurück. Wenn der Draht in Richtung des Werkstücks 115 vorangeschoben wird, so wird das Abfühl- oder Spannungssignal überwacht, damit Änderungen bei der Spannung detektiert werden können, wenn der Kontakt zwischen dem Draht 140 und dem Werkstück 115 hergestellt ist. Wie oben beschrieben, beträgt in einigen Ausführungsformen, wo das distale Ende des Drahtes 140 von dem Werkstück 115 beabstandet ist, die gemessene OCV mehr als 3 Volt. In einem ersten Bestimmungsschritt 230 des Startverfahrens wird festgestellt, ob das distale Ende des Drahtes einen Kontakt mit dem Werkstück 115 hergestellt hat. Dieses Abfühlen kann durch die Abfühl- und Stromsteuereinheit 195 bewerkstelligt werden, welche die Veränderung der OCV als einen Potenzialunterschied zwischen dem Fülldraht 140 und dem Werkstück 115 misst oder überwacht. Wenn das distale Ende des Fülldrahtes 140 mit dem Werkstück 115 kurzgeschlossen wird (d. h. den Kontakt zu dem Werkstück herstellt), so fällt die Spannung auf oder nahe null Volt. Das heißt zum Beispiel, dass die abgefühlte Spannung auf oder nahe null Volt fallen kann, wenn der Draht den Kontakt mit dem Werkstück herstellt. In einigen beispielhaften Ausführungsformen wird, bis der Kontakt zwischen dem Draht und dem Werkstück hergestellt ist, bei dem Startverfahren wiederholt eine Abfühlspannung an den Draht angelegt, so dass kein Strom fließt, bis der Draht das Werkstück berührt. Genauer gesagt, wird die Stromversorgung 170 auf einen Abfühlpegel eingeschaltet, und die tatsächliche Spannung zwischen dem Draht 140 und dem Werkstück 115 wird überwacht, während der Draht 140 in Richtung des Werkstücks 115 vorangeschoben wird. Die Abfühlspannung oder das Abfühlsignal befindet sich auf einem solchen Pegel, dass, wenn der Draht den Kontakt herstellt und Strom fließt, es lediglich ein Abfühlstrom ist. Sobald der Draht 140 das Werkstück 115 berührt, gibt es keine Leerlaufspannung, und dementsprechend geht die überwachte Spannung auf null. In weiteren beispielhaften Ausführungsformen wird die Spannung überwacht, um zu bestimmen, ob sie unter einen Kontaktschwellenpegel abfällt. Zum Beispiel kann die Steuereinheit 195 einen Kontaktdetektionspegel von 1 Volt haben so dass, wenn die Spannung unter diesen Schwellenpegel fällt, festgestellt wird, dass ein Kontakt hergestellt wurde oder unmittelbar bevorsteht, so dass weitere Ereignisse ausgelöst werden, wie unten beschrieben wird.
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Es können auch andere indirekte Verfahren in Schritt 230 verwendet werden, um einen Kontakt zwischen dem Draht 140 und dem Werkstück 115 festzustellen. Zum Beispiel kann zu anderen Kontaktindikatoren das Abfühlen eines Drückwiderstands gegen den Draht gehören.
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Sobald der Draht 140 einen Kontakt mit dem Werkstück 115 hergestellt hat, schaltet die Steuereinheit 195 das Abfühlsignal aus und veranlasst, dass der Draht von dem Werkstück in einem Rückzugsschritt 240 zurückgezogen wird. Somit wird – nach dem Detektieren des Kontakts mit dem Werkstück – der Draht 140 zurückgezogen, und das Abfühlsignal wird abgeschaltet. In einigen Ausführungsformen kann das Zurückziehen des Drahtes 140 bis auf eine zuvor festgelegte Distanz oder um eine zuvor festgelegte Zeitdauer bei einer eingestellten Geschwindigkeit stattfinden. Wenn der Drahtrückzugsvorgang beginnt, wird ein Strom an den Draht angelegt. Dieser Strom kann ein Lichtbogenerzeugungsstrom oder ein Strom auf einem Pegel sein, der kleiner als ein Lichtbogenerzeugungsstrom ist. Als Teil des Lichtbogenbildungsschrittes 250 beginnt der Draht 140 mit dem Rückzug, und ein Spalt bildet sich zwischen dem Draht 140 und dem Werkstück 115. Wenn der Rückzug beginnt, so wird durch die Stromversorgung 170 ein Lichtbogenerzeugungsstrom an den Draht 140 angelegt. (Es ist anzumerken, dass der Lichtbogenerzeugungsstrom kurz vor, gleichzeitig mit oder kurz nach dem Beginn des Rückzugs des Drahtes zugeführt werden kann.) Wenn der Draht 140 von der Oberfläche zurückgezogen wird, so erzeugt der Lichtbogenerzeugungsstrom einen Lichtbogen zwischen dem Draht 140 und dem Werkstück bzw. der Pfütze.
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In einem Aspekt des hier besprochenen Verfahrens liegt der Lichtbogenerzeugungsstrom im Bereich von etwa 5 A bis etwa 30 A, um eine Lichtbogenerzeugungsspannung zwischen dem Draht 140 und dem Werkstück 115 bereitzustellen. In einer weiteren beispielhaften Ausführungsform liegt der Strom im Bereich zwischen 10 und 25 A. In einem weiteren Aspekt wird der Lichtbogenerzeugungsstrom unter einem konstanten Stromsteuerungsverfahren zwischen der Steuereinheit 195 und der Stromversorgung 170 bereitgestellt. In solchen Ausführungsformen wird ein Lichtbogenerzeugungsstrompegel zuvor festgelegt, und die Stromversorgung 170 erhält diesen Strompegel aufrecht, bis ein Lichtbogen zwischen dem Draht 140 und dem Werkstück 115 hergestellt ist. Der zugeführte Lichtbogenstrom kann unter Verwendung eines GMAW-Kurzschlusslichtbogenprozesses oder eines gepulsten Schweißprozesses bereitgestellt werden.
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Es ist anzumerken, dass der Lichtbogenerzeugungsstrom sofort nach Beendigung des Abfühlsignals angelegt werden kann, so dass sich das Abfühlsignal sofort zum Lichtbogenerzeugungssignal wandelt. In anderen beispielhaften Ausführungsformen kann eine zeitliche Lücke zwischen dem Beenden des Abfühlsignals und dem Lichtbogenerzeugungssignal bestehen. Während der Lichtbogenerzeugungsstrom angelegt wird, wird der Draht 140 weiterhin zurückgezogen, bis ein Lichtbogen erzeugt und detektiert wird. In beispielhaften Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung wird die Spannung zwischen dem Draht 140 und dem Werkstück 115 so überwacht, dass, wenn die Spannung einen Lichtbogenerzeugungspegel erreicht, die Steuereinheit 195 feststellt, dass ein Lichtbogen erzeugt wurde. Wenn also diese Lichtbogendetektionsspannungsschwelle erreicht ist, so wird bestimmt, dass ein Lichtbogen erzeugt wurde.
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Sobald die Lichtbogendetektionsspannungsschwelle erreicht wurde, was die Entstehung des Lichtbogens anzeigt, wird das Zurückziehen des Drahtes 140 gestoppt, die Schmelzpfütze beginnt sich zu bilden, und der Draht wird wieder in Richtung des Werkstücks 115 vorangeschoben. Dann kann der Draht 140 vorangeschoben werden, wenn eine Pfütze beginnt, sich zu bilden und zu stabilisieren. In einigen Ausführungsformen liegt die Zeitdauer zwischen der Detektion eines Lichtbogens und dem erneuten Voranschieben im Bereich von 50 bis 500 Millisekunden. Dieses Voranschieben und diese Lichtbogensteuerung können dem Voranschieben und der Steuerung ähneln, die für GMAW-Kurzschlusslichtbogen- oder gepulste Schweißprozesse verwendet werden. In beispielhaften Ausführungsformen wird der Lichtbogen dann, während der Draht 140 vorangeschoben wird, über eine Zeitdauer beibehalten, die ausreicht, um eine Schmelzpfütze von genügender Größe und Stabilität zu bilden. Zum Beispiel wird der Lichtbogenerzeugungsstrom in einigen beispielhaften Ausführungsformen über einen zuvor festgelegten Zeitraum beibehalten, nachdem der Lichtbogen gebildet wurde. Nachdem die Zeit verstrichen ist, wird angenommen, dass eine Schmelzpfütze entstanden ist. In einer beispielhaften Ausführungsform beträgt die zuvor festgelegte Zeit maximal 300 Millisekunden (ms), und in anderen beispielhaften Ausführungsformen beträgt die zuvor festgelegte Zeit maximal 100 ms.
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In anderen beispielhaften Ausführungsformen des Startverfahrens kann ein zweiter Bestimmungsschritt 260 verwendet werden, der das Werkstück 115 auf die Bildung der Schmelzpfütze 116 überwacht. Bei einem solchen Schritt wird die Oberfläche des Werkstücks 115 überwacht, um zu bestimmen, wann eine Schmelzpfütze entstanden ist und wann die Pfütze eine ausreichende Größe oder ein ausreichendes Stabilitätsniveau erreicht hat. Zum Beispiel kann eine Hochgeschwindigkeitskamera mit elektronischem Verschluss verwendet werden, um die Breite der Pfütze. Genauer gesagt, kann ein Hochgeschwindigkeitsvideo verwendet werden, um Veränderungen im Pfützen- oder Abscheidungsprofil zu beobachten und daran die Pfützenstabilität zu ermessen. In einer weiteren Ausführungsform wird die Schmelzpfützenstabilität durch indirekte Verfahren festgestellt. Zum Beispiel überwacht die Stromquelle 130 den Strom und/oder die Spannung zwischen dem Draht 140 und dem Werkstück 115 im Moment der Lichtbogenerzeugung. Die Spannung und der Strom schwanken oder oszillieren, bis sich die Pfütze stabilisiert hat. Dementsprechend kann die Pfützenstabilität durch die Stabilisierung des Stroms und der Spannung oder durch das weitestgehende Fehlen solcher Oszillationen angezeigt werden. In solchen Ausführungsformen wird die Pfütze überwacht, bis zufriedenstellend festgestellt wurde, dass eine stabile Schmelzpfütze entstanden ist. Diese Ausführungsform des Startverfahrens 200 besorgt das Beibehalten des Lichtbogens zwischen dem Draht 114 und dem Werkstück 115. In einigen beispielhaften Ausführungsformen kann die Pfützenüberwachungsmethodologie anstelle des Überwachens eines Lichtbogenerzeugungsspannungspegels verwendet werden, so dass jede Methodologie für sich allein oder zusammen verwendet werden kann, um zu bestimmen, wann eine Schmelzpfütze hinreichend entstanden ist.
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Sobald festgestellt wurde, dass eine stabile Schmelzpfütze auf dem Werkstück 115 entstanden ist und/oder ein Zeitraum nach Entstehung des Lichtbogens verstrichen ist, wird der Lichtbogenerzeugungsstrom gestoppt, und ein Erwärmungsstrom wird in den Draht 140 eingespeist, während der Draht 140 in die Schmelzpfütze 116 vorangeschoben wird. Der Draht wird mit einer gewünschten Drahtzufuhrgeschwindigkeit in die Pfütze vorangeschoben. Dies erfolgt in Schritt 270. Genauer gesagt, sobald festgestellt wurde, dass der Lichtbogen zwischen dem Draht 140 und dem Werkstück 115 eine stabile Schmelzpfütze 116 auf dem Werkstück 115 gebildet hat, wird das Zurückziehen des Drahtes 140 gestoppt, und der Draht wird in einem Voranschiebeschritt 270a erneut in Richtung des Werkstücks 115 und in die Schmelzpfütze 116 hinein vorangeschoben. Zur selben Zeit wird in einem Drahterwärmungsschritt 270b kontinuierlich ein Erwärmungsstrom von der Stromquelle 170 oder einer separaten Warmdrahtstromquelle in den Draht 140 eingespeist. Der Erwärmungsstrom liegt in einer Ausführungsform unter einem Lichtbogenbildungsschwellenpegel. In einer konkreten Ausführungsform liegt der Drahterwärmungsstroms unter einer Lichtbogenbildungsschwelle, wie zum Beispiel unter 10–20 Volt. Während des Warmdrahtprozesses können Lichtbögen erzeugt werden, aber die Warmdrahtstromquelle lässt die Lichtbögen erlöschen, bevor sie den Warmdrahtprozess destabilisieren können. Jedoch reicht der Lichtbogenerwärmungsstrom zum Erwärmen des Drahtes 140 auf seine oder nahe seiner Schmelztemperatur aus.
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Um die Stabilität der Schmelzpfütze während des Warmdrahtprozesses beizubehalten, wird in dem Pfützenbeibehaltungsschritt
270c eine hoch-intensive Wärmequelle (zum Beispiel ein Laserstrahl
110 oder ein GMAW-Lichtbogen) an die Schmelzpfütze angelegt. In verschiedenen beispielhaften Ausführungsformen kann der Strahl
110 (oder eine andere Wärmequelle) zu variierenden Zeiten während des Startprozesses auf die Pfütze gerichtet werden. Zum Beispiel kann der Strahl
110 in einigen Ausführungsformen am Beginn des Startprozess eingeschaltet werden, oder er kann eingeschaltet werden, nachdem ein Kontakt detektiert wurde, oder er kann eingeschaltet werden, nachdem der Lichtbogen erzeugt wurde, oder er kann eingeschaltet werden, nachdem der Lichtbogenerzeugungsstrom abgeschaltet wurde. Wenn die Schmelzpfütze
116 stabil ist und der Fülldraht
140 kontinuierlich oder periodisch bei oder nahe der Schmelztemperatur des Drahtes in die Pfütze eingeleitet wird, ist das Startverfahren vollendet, und es kann ein Warmdrahtprozess
280 ausgeführt werden, wie zum Beispiel die Warmdrahtprozesse, die in der
US-Patentveröffentlichung Nr. 2011/0297658 oder der
US-Patentveröffentlichung Nr. 2010/0176109 gezeigt und beschrieben sind, die jeweils in vollem Umfang durch Bezugnahme in den vorliegenden Text aufgenommen werden.
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In einer alternativen Ausführungsform des Startverfahrens 300, wie in 3 schaubildhaft dargestellt, sieht das alternative Verfahren anstelle des Feststellens der Bildung einer Schmelzpfütze in dem zweiten Bestimmungsschritt das Feststellen vor, ob der entstandene Lichtbogen zwischen dem Fülldraht 140 und dem Werkstück 115 eine Schwelle überschritten hat. Genauer gesagt, sieht das alternative Startverfahren einen ersten Schritt 310 des Aufbauens einer Abfühlspannung in einer zuvor beschriebenen Weise vor. In einem Voranschiebeschritt 320 wird ein distales Ende des ohmschen Fülldrahtes 140 in Richtung des Werkstücks 115 vorangeschoben, und in einem ersten Bestimmungsschritt 330 wird festgestellt, ob das distale Ende des Drahtes einen Kontakt mit dem Werkstück 115 hergestellt hat. Auch hier fällt, wenn das distale Ende des Fülldrahtes 140 mit dem Werkstück 115 kurzgeschlossen wird (d. h. einen Kontakt mit dem Werkstück herstellt), die Spannung unter einen Kontaktschwellenspannungspegel. Dementsprechend ist das gemessene Spannungssignal bei oder über null, wenn der Draht einen Kontakt mit dem Werkstück herstellt. Bis der Kontakt zwischen dem Draht und dem Werkstück festgestellt ist, sieht das Startverfahren 300 den wiederholten Aufbau oder das Beibehalten und Überwachen der Spannung (zum Beispiel einer OCV) vor, während der Draht 140 in Richtung des Werkstücks 115 vorangeschoben wird.
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Wie bei dem zuvor beschriebenen Startverfahren 200, wird, sobald der Draht 140 einen Kontakt mit dem Werkstück 115 hergestellt hat, der Draht in einem Rückzugsschritt 340 von dem Werkstück zurückgezogen. Das Abfühlspannungssignal wird gestoppt, und ein Lichtbogenerzeugungsstrom wird an den Draht 140 angelegt. Unter dem hier besprochenen Verfahren wird der Draht 140 in einem Lichtbogenbildungsschritt 350 kontinuierlich von dem Werkstück 115 zurückgezogen, und der Strom wird erhöht und/oder angelegt, bis ein Lichtbogen zwischen dem Draht 140 und dem Werkstück 115 entsteht, um eine Schmelzpfütze zu bilden.
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In einer weiteren beispielhaften Ausführungsform wird in dem zweiten Bestimmungsschritt
360 die Lichtbogenspannung zwischen dem Fülldraht
140 und dem Werkstück
115 überwacht, und es wird festgestellt, ob die Spannung einen Schwellenwert übersteigt, wie zum Beispiel 10–20 Volt oder in einem konkreten Fall 15 Volt. Zusätzlich oder alternativ kann die Schwellenspannung eine Funktion des Drahttyps, des Materialtransfermechanismus, zum Beispiel Kurzschlusslichtbogen oder gepulst, und/oder des verwendeten Schutzgases sein. Zum Beispiel können im Fall eines Stahlfülldrahtes, für den eine Kurzschlusslichtbogen-GMAW-Technik zum Aufbauen der Lichtbogenspannung verwendet wird, 15 Volt eine Schwellenspannung definieren. In einem Stahlwarmdrahtprozess, der GMAW-P zum Bilden des Lichtbogens verwendet, können 18–25 Volt geeignet sein. Die Schwellenspannung zeigt die Bildung einer stabilen Schmelzpfütze
116 auf dem Werkstück
115 an. Zum Beispiel kann die Schwellenspannung von einer Größenordnung sein, die unterhalb derjenigen liegt, bei der bekanntermaßen ein Lichtbogen entsteht. Sobald festgestellt wurde, dass die Schwellenspannung überschritten ist, wird der Rückzug des Drahtes gestoppt, und der Draht wird in einem Voranschiebeschritt
370a erneut in Richtung des Werkstücks
115 vorangeschoben. Während Draht zugegeben wird, beginnt sich eine stabile Pfütze zu bilden, und die Stromquelle
170 schaltet den Lichtbogen ab und erlaubt es dem Draht, in die Schmelzpfütze
116 einzutauchen. Zur selben Zeit wird in einem Drahterwärmungsschritt
370b der Erwärmungsstrom in den Draht
140 eingespeist, um den Draht
140 auf seine oder nahe seiner Schmelztemperatur zu erwärmen. Unter dem Pfützenbeibehaltungsschritt
370c wird die Stabilität der Schmelzpfütze
116 durch Anwenden eines Laserstrahls
110 auf die Schmelzpfütze
116 aufrecht erhalten. Auch hier kann der Laserstrahl
110 in anderen Ausführungsformen zu anderen Zeiten eingeschaltet werden. Wenn die Schmelzpfütze
116 stabil ist und der Fülldraht
140 bei oder nahe der Schmelztemperatur des Drahtes in die Pfütze eingeleitet wird, ist das Startverfahren vollendet, und es kann ein Warmdrahtprozess
280/
380 ausgeführt werden, wie zum Beispiel unter Verwendung eines der Warmdrahtprozesse, die in der
US-Patentveröffentlichung Nr. 2011/0297658 oder der
US-Patentveröffentlichung Nr. 2010/0176109 gezeigt und beschrieben sind.
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Somit wird in den oben beschriebenen Ausführungsformen die Wärme des anfänglichen Lichtbogens dafür verwendet, die anfängliche Schmelzpfütze zu bilden und den Laser-(oder Lichtbogen-)Warmdrahtprozess zu beginnen. Es ist ebenfalls wünschenswert, während des gesamten Warmdrahtprozesses Schweißspritzer und/oder das Erstarren des Fülldrahtes an der Schmelzpfütze zu vermeiden. Dementsprechend enthalten Ausführungsformen des hier besprochenen Prozesses ein Verfahren zum Stoppen des Warmdrahtprozesses, dergestalt, dass der Draht in einer stabilen Weise aus der Schmelzpfütze gezogen werden kann, ohne dass beispielsweise ein Lichtbogen zwischen dem Draht und dem Werkstück entsteht. Im Allgemeinen sieht jede der Ausführungsformen des Stoppens des Warmdrahtprozesses das Beibehalten der Schmelzpfütze und das Erwärmen des Drahtes in einer solchen Weise vor, dass das distale Ende des Drahtes aus dem Kontakt mit der Schmelzpfütze herausschmilzt oder -brennt.
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In 4 ist eine Ausführungsform des Stoppverfahrens 400 gezeigt. Ausgehend von einem laufenden Warmdrahtprozess sieht ein Strombeendigungsschritt 410 das Beenden oder Abschalten des Erwärmungsstroms von der Stromversorgung zu dem Draht 170 vor. Der Erwärmungsstrom kann manuell oder alternativ automatisch durch das Abfühl- und Stromsteuerungs-Teilsystem 195 abgeschaltet werden. In der konkreten Ausführungsform von 4 wird, sobald der Erwärmungsstrom beendet ist, die Drahtzufuhrrate zu der Schmelzpfütze 116 in einem Zufuhrratenreduzierungsschritt 420 verringert. In einer konkreten Ausführungsform kann die Drahtzufuhrrate gestoppt werden. Während sowohl der Erwärmungsstrom als auch die Zufuhrrate 410, 420 reduziert werden, wird die Schmelzpfütze in einem Beibehaltungsschritt 430 mindestens einer Ausführungsform des hier besprochenen Stoppprozesses beibehalten, in dem der Laserstrahl 110 auf die Schmelzpfütze angewendet wird, um ihre Stabilität beizubehalten.
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Am Ende des Zyklus, während der Strahl 110 weiterhin angewendet wird, sieht ein Pulsierschritt 440 des hier besprochenen Verfahrens das Anlegen mehrerer Stromimpulse an den Draht 140 vor, um den Draht 140 von der Pfütze zurückzubrennen oder abzulösen. In einer beispielhaften Ausführungsform des Verfahrens 400 veranlasst das Abfühl- und Stromsteuerungs-Teilsystem die Stromversorgung 170, den Stromimpuls an den Fülldraht anzulegen. Die Stromimpulse sind von einer hinreichenden Größenordnung, um Drahtmaterial in die Schmelzpfütze zu transferieren und insbesondere einen Abschnitt des Drahtes von der Schmelzpfütze zu lösen. Dementsprechend sind die wiederholten Stromimpulse ausreichend, um das distale Ende des Drahtes aus der Schmelzpfütze heraus zurückzubrennen. Die beispielhafte Ausführungsform sieht vor, dass die Stromimpulse einen Strompegel haben, der keinen Lichtbogen zwischen dem Draht und dem Werkstück 115 auslöst. Zum Beispiel können eine Spannung und/oder ein Strom während des Impulses überwacht werden, um sicherzustellen, dass der Strom unter einem Lichtbogenerzeugungspegel bleibt. Alternativ zu mehreren Stromimpulsen kann ein einzelner Stromimpuls verwendet werden, wenn der einzelne Stromimpuls eine geeignete Anstiegszeit, eine geeignete Dauer und einen geeigneten Strom hat, um den Draht aus der Schmelzpfütze herauszubrennen.
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In den beispielhaften Ausführungsformen werden die Stromimpulse angelegt, bis das distale Ende des Drahtes 140 aus der Schmelzpfütze heraus ist und genügend von der Pfütze 116 abgelöst ist. Dementsprechend enthält das hier besprochene Stoppverfahren 400 in einer Ausführungsform einen Bestimmungsschritt 450, um zu bestimmen ob das distale Ende des Drahtes 140 aus der Schmelzpfütze 116 heraus ist. Zum Beispiel kann die Spannung zwischen dem distalen Ende des Drahtes 140 und dem Werkstück 115 während des Pulsierschrittes 440 kontinuierlich überwacht werden. Sobald die überwachte Spannung einen Wert übersteigt, was die Loslösung des Drahtes von der Schmelzpfütze anzeigt, könnte der Warmdrahtstrom bei Endschritt 460 beendet werden. Die Beendigung des Warmdrahtprozesses kann das Abschalten des Lasers und/oder der Stromversorgung 170, die die Stromimpulse an den Draht 140 ausgibt, beinhalten. In anderen Ausführungsformen kann der Prozess nach einer zuvor festgelegten Anzahl von Stromimpulsen oder nach der Initiierung von Impulsen über eine zuvor festgelegte Zeitdauer beendet werden. In einem weiteren Aspekt wird der Draht durch Beendigungsimpulse von der Pfütze gelöst, und der Laser bleibt eingeschaltet, bis sich die Pfütze nach dem letzten Drahttröpfchen stabilisieren kann. In einem weiteren Aspekt wird der Laser heruntergefahren, um das Abkühlen des „Kraters” oder Hohlraums zu verlangsamen, der durch den zurückgezogenen Draht und die sich verfestigende Pfütze zurückgelassen wird.
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Eine weitere Ausführungsform eines Verfahrens zum Stoppen eines Warmdrahtprozesses 500 ist in 5 gezeigt. Bei diesem Stoppverfahren wird der Fülldrahtzufuhr entweder gestoppt oder alternativ aus der Schmelzpfütze zurückgezogen, wobei während des Rückzugs weiterhin ein Erwärmungsstrom an den Draht 140 angelegt wird. Der Strom zu dem Draht und/oder die Spannung zwischen dem Draht und dem Werkstück werden auf das Eintreten einer Lichtbogenbildung zwischen dem distalen Ende des Drahtes und dem Werkstück überwacht. Der Erwärmungsstrom zu dem Draht wird beendet, kurz bevor der Lichtbogen entsteht und der Warmdrahtprozess zu einem Abschluss gebracht wird.
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Genauer gesagt, zeigt 5 einen laufenden Warmdrahtprozess. In Schritt 510a wird die Drahtzufuhr zu der Schmelzpfütze manuell oder durch automatische Steuerung der Drahtzuführvorrichtung 150 gestoppt. Alternativ kann der Prozess einen Rückzugsschritt 510b enthalten, bei dem die Drahtzuführvorrichtung 150 veranlasst wird, den Fülldraht 140 aus der Schmelzpfütze 116 zu ziehen. In jedem Schritt wird der Erwärmungsstrom beibehalten. In einigen beispielhaften Ausführungsformen wird ein Erwärmungsstrom beibehalten, aber er wird auf einem Pegel gehalten, der geringer als der Erwärmungsstrom während des Warmdrahtprozesses ist. Zum Beispiel liegt der Rückzugserwärmungsstrom bei oder unter 90% des Warmdrahtprozesses vor dem Rückzug. In einem Beibehaltungsschritt 520 wird die Schmelzpfütze durch eine separate hoch-intensive Energiequelle, wie zum Beispiel den Laserstrahl 110, in einem stabilen Zustand gehalten.
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Wenn die Drahtzufuhr gestoppt ist und/oder der Draht 140 aus der Schmelzpfütze 116 zurückgezogen wurde, wird der Erwärmungsstrom zu dem Draht in einem Überwachungsschritt 530 überwacht, und ein Bestimmungsschritt 540 wird ausgeführt, um zu bestimmen, ob sich gerade ein Lichtbogen zwischen dem distalen Ende des Drahtes 140 und dem Werkstück 115 bilden will. Alternativ oder zusätzlich kann der Überwachungsschritt das Überwachen der Spannung zwischen dem Draht 140 und dem Werkstück 115 enthalten. In einer konkreten Ausführungsform kann der Bestimmungsschritt durch einen Vorausschau-Schaltkreis des Systems 100 ausgeführt werden. Ein solcher Vorausschau-Schaltkreis kann bestimmen, ob sich ein Lichtbogen zwischen dem Werkstück bzw. der Schmelzpfütze und dem distalen Ende des Drahtes 140 bilden will, indem die überwachten Ströme und/oder Spannungen ausgewertet werden. In der Regel befindet sich infolge der Wärme des Lasers eine Vertiefung in der Pfütze. Da sich der Draht wölbt, entsteht ein kleiner Trennspalt.
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Vorausschau-Schaltkreise sind dem Fachmann auf dem Gebiet des Lichtbogenschweißens allgemein bekannt und können in dem System 100 und/oder der Steuereinheit 195 und/oder der Stromversorgung 170 implementiert werden. Zum Beispiel kann eine beispielhafte Ausführungsform eines Vorausschau-Schaltkreises des Systems 100 innerhalb der Abfühl- und Stromsteuereinheit 195 angeordnet sein, um eine Änderungsrate eines Potenzialunterschiedes zwischen dem Fülldraht 140 und dem Werkstück 115 (dv/dt) und/oder eines Stroms durch den Fülldraht 140 und das Werkstück 115 (di/dt) und/oder eines Widerstands zwischen dem Fülldraht 140 und dem Werkstück 115 (dr/dt) und/oder einer Leistung durch den Fülldraht 140 und das Werkstück 115 (dp/dt) zu messen. Wenn die Änderungsrate einen zuvor festgelegten oder Schwellenwert übersteigt, so prognostiziert oder interpretiert die Abfühl- und Stromsteuereinheit 195 anhand der Messung, dass ein Kontaktverlust unmittelbar bevorsteht. Genauer gesagt, wenn das distale Ende des Drahtes 140 aufgrund der Erwärmung hochgradig schmelzflüssig wird, so kann das distale Ende beginnen, sich einzuschnüren und von dem Draht 140 auf das Werkstück 115 abzulösen. Wenn der Kontakt zwischen dem Draht und dem Werkstück vollständig verloren geht, so kann ein Potenzialunterschied (d. h. ein Spannungspegel), der merklich größer als null Volt ist, durch die Abfühl- und Stromsteuereinheit 195 gemessen werden. Dieser Potenzialunterschied könnte zur Entstehung eines Lichtbogens zwischen dem neuen distalen Ende des Drahtes 140 und dem Werkstück 115 führen. Dementsprechend kann die Änderungsrate der Spannung zwischen dem Draht und dem Werkstück auf ihre Annäherung an eine bekannte Schwelle überwacht werden, bei der sich bekanntlich ein Lichtbogen bildet. Alternativ können ein Strompegel, ein Widerstandspegel im Draht und/oder ein Leistungspegel zu dem Draht überwacht werden, um den Moment festzustellen, bevor sich ein Lichtbogen bildet. Zum Beispiel können ein Trennspannungs- und/oder -strompegel verwendet werden, um zu bestimmen, ob eine Trennung stattgefunden hat oder stattfinden wird, und wenn dieser Pegel erreicht oder überschritten wird, so wird festgestellt, dass sich der Draht 140 von der Pfütze 116 getrennt hat. Alternativ kann dieser Pegel ein Lichtbogenerzeugungspegel (Spannung, Strom, Leistung usw.) sein, der die unmittelbar bevorstehende Entstehung eines Lichtbogens als eine Detektion des Trennens detektiert.
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Sobald festgestellt wurde, dass sich ein Lichtbogen zwischen dem Draht 140 und dem Werkstück 115 bilden will und/oder dass sich der Draht 140 von der Pfütze 116 abgelöst hat, wird in einem Strombeendigungsschritt 550 der Erwärmungsstrom zu dem Draht beendet. Sobald die überwachte Spannung einen Wert übersteigt, der eine Trennung des Drahtes von der Schmelzpfütze anzeigt, kann der Warmdrahtprozess bei Endschritt 560 beendet werden. Weil der Stoppprozess 500 bis zu einem Punkt kurz vor der Bildung eines Lichtbogens zwischen dem Draht 140 und dem Werkstück 115 voranschreitet, das befindet sich das distale Ende des Drahtes außerhalb der Schmelzpfütze 116, wenn der Erwärmungsstrom beendet wird. Der Warmdrahtprozess wird vollständig in Schritt 560 beendet, in dem die Laser-Stromversorgung 130 abgeschaltet wird.
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6 ist eine weiteren Ausführungsform des Stoppverfahren 600. Ausgehend von einem laufenden Warmdrahtprozess sieht ein Bewegungsstoppschritt 610 das Stoppen der Relativbewegung zwischen dem Werkstück 115, dem Laser 120 und/oder dem Draht 140 vor. In der konkreten Ausführungsform von 6 wird, sobald die Relativbewegung beendet ist, die Drahtzufuhrrate zu der Schmelzpfütze 116 in einem Zufuhrratenreduzierungs- oder -stoppschritt 620 verringert und/oder gestoppt. Während sowohl die Relativbewegung zwischen den Systemkomponenten als auch die Zufuhrrate 610, 620 reduziert bzw. gestoppt werden, wird die Schmelzpfütze 116 in einem Beibehaltungsschritt 630 mindestens einer Ausführungsform des hier besprochenen Stoppprozesses beibehalten, wobei der Laserstrahl 110 auf die Schmelzpfütze angewendet wird, um ihre Stabilität aufrecht zu erhalten.
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Am Ende des Zyklus, während der Strahl 110 weiterhin angelegt wird, sieht ein Pulsierschritt 640 des hier besprochenen Verfahrens das Anlegen eines Erwärmungsstroms an den Draht 140 vor. In einer beispielhaften Ausführungsform des Verfahrens 600 veranlasst das Steuerungs-Teilsystem 195 die Stromversorgung 170, einen Erwärmungsstrom in den Fülldraht 140 einzuspeisen. Der Draht wird gleichzeitig oder anschließend in einem Rückzugsschritt 650 aus der Schmelzpfütze 116 bis zu dem Punkt zurückgezogen, an dem sich der Draht von der Pfütze löst. In einer konkreten Ausführungsform des Verfahrens 600 wird ein Vorausschau-Schaltkreis verwendet, so dass der Draht erwärmt 640, zurückgezogen 650 und an einem bekannten Punkt abgebrochen werden kann. Wenn der Draht 140 abgebrochen ist, kann ein Fortsatz des Drahtes weiterhin aus der Schmelzpfütze 116 hervorschauen. Der Laser 120 und der Strahl 110 brennen den Fortsatz aus der Schmelzpfütze 116 heraus. Die Beendigung des Warmdrahtprozesses kann in einem Beendigungsschritt 670 das Abschalten des Lasers und/oder der Stromversorgung 170 enthalten.
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Wie oben angemerkt, können Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung mit einem GMAW/MIG-System anstelle eines Lasers verwendet werden. Des Weiteren kann ein GTAW-System zum Erzeugen der hoch-intensiven Wärme, wie im vorliegenden Text beschrieben, verwendet werden. Bei Verwendung eines GMAW/MIG-Prozesses entspricht der Start- und Stoppprozess allgemein der Beschreibung im vorliegenden Text. In einigen beispielhaften Ausführungsformen wird das GMAW/MIG/GTAW begonnen, d. h. der Lichtbogen wird initiiert, bevor der Startlichtbogen in dem Warmdrahtprozess, wie oben beschrieben, initiiert wird. In einer solchen beispielhaften Ausführungsform wird der GMAW/MIG/GTAW-Lichtbogen begonnen, und der Lichtbogen wird so vorangeschoben, dass eine Schmelzpfütze gebildet wird. Dann wird der Warmdraht-Startprozess initiiert. In anderen Ausführungsformen kann es von Vorteil sein, den Warmdrahtprozess zu starten, kurz bevor der GMAW/MIG/GTAW-Lichtbogen initiiert wird. Jedoch sollte die Verzögerung nicht zu lang sein, so dass der Warmdrahtprozess zum geeigneten Zeitpunkt beginnen kann, sobald der GMAW/MIG/GTAW-Lichtbogen die Pfütze erzeugt.
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1 und die obige Beschreibung des Systems 100 bilden eine allgemeine Komponentenbeschreibung eines Systems zum Ausführen eines der hier besprochenen Start- und/oder Stoppverfahren für einen Warmdrahtprozess. In der US-Patentanmeldungspublikation Nr. 2011/0297658 und der US-Patentanmeldungspublikation Nr. 2010/0176109, die jeweils in vollem Umfang durch Bezugnahme in den vorliegenden Text aufgenommen werden, sind alternative oder zusätzliche Ausführungsformen des Systems 100 zum Ausführen der hier besprochenen Start- und/oder Stoppverfahren und eines zugehörigen Warmdrahtprozesses beschriebenen.
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Obgleich die Erfindung mit Bezug auf konkrete Ausführungsformen beschrieben wurde, ist dem Fachmann klar, dass verschiedene Änderungen vorgenommen und Äquivalente substituiert werden können, ohne den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen. Außerdem können viele Modifizierungen vorgenommen werden, um eine bestimmte Situation oder ein bestimmtes Material an die Lehren der Erfindung anzupassen, ohne ihren Schutzumfang zu verlassen. Darum ist es beabsichtigt, dass die Erfindung nicht auf die konkret offenbarten Ausführungsformen zu beschränken ist, sondern dass die Erfindung alle Ausführungsformen umfasst, die in den Schutzumfang der beiliegenden Ansprüche fallen.
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Bezugszeichenliste
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- 100
- System
- 110
- Laserstrahl
- 115
- Werkstück
- 116
- Pfütze
- 117
- Pfütze
- 120
- Laservorrichtung
- 125
- Richtung
- 130
- Stromversorgung
- 140
- Fülldraht
- 150
- Drahtzuführvorrichtung
- 160
- Kontaktrohr
- 170
- Stromversorgung
- 180
- Steuereinheit
- 190
- Roboter
- 195
- Steuerungs-Teilsystem
- 200
- Startverfahren
- 210
- Schritt
- 220
- Schritt
- 230
- Bestimmungsschritt
- 240
- Rückzugsschritt
- 250
- Bildungsschritt
- 260
- Bestimmungsschritt
- 270
- Schritt
- 270a
- Voranschiebeschritt
- 270b
- Erwärmungsschritt
- 270c
- Beibehaltungsschritt
- 280
- Prozess
- 300
- Startverfahren
- 310
- erster Schritt
- 320
- Voranschiebeschritt
- 330
- Bestimmungsschritt
- 340
- Rückzugsschritt
- 350
- Bildungsschritt
- 360
- Bestimmungsschritt
- 370a
- Voranschiebeschritt
- 370b
- Erwärmungsschritt
- 370c
- Beibehaltungsschritt
- 380
- Prozess
- 400
- Stoppverfahren
- 410
- Beendigungsschritt
- 420
- Reduzierungsschritt
- 430
- Beibehaltungsschritt
- 440
- Pulsierschritt
- 450
- Bestimmungsschritt
- 460
- Endschritt
- 500
- Stoppprozess
- 510b
- Rückzugsschritt
- 520
- Beibehaltungsschritt
- 530
- Überwachungsschritt
- 540
- Bestimmungsschritt
- 550
- Beendigungsschritt
- 560
- Endschritt
- 600
- Stoppverfahren
- 610
- Bewegungsstoppschritt
- 630
- Beibehaltungsschritt
- 620
- Reduzierungs-/Stoppschritt
- 640
- (Pulsier-)Schritt
- 650
- Rückzugsschritt
- 670
- Beendigungsschritt
