DE112014001628T5

DE112014001628T5 - Verfahren und System zum Laserschweissen und Plattieren mit mehreren Verbrauchsmaterialien

Info

Publication number: DE112014001628T5
Application number: DE112014001628.4T
Authority: DE
Inventors: Steven R. Peters; Paul Edward Denney; George D. Blankenship
Original assignee: Lincoln Global Inc
Current assignee: Lincoln Global Inc
Priority date: 2013-03-25
Filing date: 2014-03-25
Publication date: 2016-03-10
Also published as: WO2014155180A3; KR20160013852A; WO2014155180A9; WO2014155180A2

Abstract

Es werden ein System (700) und ein Verfahren zum Ermöglichen eines Schweiß- oder Plattierungsvorgangs bereitgestellt, bei dem mehrere Verbrauchsmaterialien (140A, 140B, 140C, 140D, 140E, 140F, 140G) in einer einzigen Operation verarbeitet werden, wobei die Gesamtwärmezufuhr reduziert wird. Jedes der Verbrauchsmaterialien (140A, 140B, 140C, 140D, 140E, 140F, 140G) kann in eine einzelne Schmelzpfütze (145) abgeschieden werden, wobei die Gesamtenergiezufuhr in die Pfütze (145) von nacheilenden Verbrauchsmaterialien (140B, 140C, 140D, 140E, 140F, 140G) kleiner ist als die eines vorauseilenden Verbrauchsmaterials (140A). Weitere Ausführungsformen können mehr als eine Schmelzpfütze (145) verwenden, aber die Energiezufuhr durch das vorauseilende Verbrauchsmaterial (140A) ist immer noch höher als die der nacheilenden Verbrauchsmaterialien (140B, 140C, 140D, 140E, 140F, 140G).

Description

Die vorliegende Anmeldung ist eine Teilweiterbehandlung der US-Patentanmeldung Nr. 13/212,025, eingereicht am 17. August 2011, die eine Teilweiterbehandlung der US-Patentanmeldung Nr. 12/352,667, eingereicht am 13. Januar 2009, ist, die beide hiermit durch Bezugnahme in ihrer Gesamtheit in den vorliegenden Text aufgenommen werden, und eine Weiterbehandlung der US-Patentanmeldung Nr. 13/547,649, eingereicht am 12. Juli 2012, die durch Bezugnahme in ihrer Gesamtheit in das vorliegende Dokument aufgenommen wird.
GEBIET DER ERFINDUNG
Die Erfindung betrifft ein Verfahren nach den Ansprüchen 1 und 2 und ein Plattierungssystem nach Anspruch 15. Insbesondere betrifft diese Erfindung ein System und ein Verfahren für Warmdrahtschweißen und Plattierungen. Genauer gesagt, betrifft die vorliegende Erfindung ein System und ein Verfahren zum Verwenden mehrerer Warmdraht-Verbrauchsmaterialien zum Schweißen oder Plattieren eines Werkstücks.
TECHNISCHER HINTERGRUND
Es sind schon viele verschiedene Systeme und Methodologien verwendet worden, um Schweiß-, Plattierungs- oder Oberflächenbeschichtungsoperationen auf einem Werkstück auszuführen, aber diese Methodologien haben Einschränkungen. Zum Beispiel können Lichtbogenschweißsysteme relativ gute Abscheidungsraten bereitstellen, doch sie haben eine sehr hohe Wärmezufuhr mit einem relativ dicken Materialaufbau und einem hohen Vermischungsgrad. Elektroschlacke-Bandauftragssysteme können ebenfalls verwendet werden und haben verringerte Vermischungsgrade, aber diese Systeme haben auch einen relativ hohen Betrag an Wärmezufuhr und Dicke. Es sind einige Lasersysteme entwickelt worden, um eine Plattierung auf einem Werkstück auszuführen, aber diese Lasersysteme haben beschränkte Abscheidungsraten und eine beschränkte Abscheidungsbreite.
Weitere Einschränkungen und Nachteile herkömmlicher, traditioneller und vorgeschlagener Lösungsansätze erkennt der Fachmann durch Vergleichen solcher Lösungsansätze mit Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung, die im übrigen Teil der vorliegenden Anmeldung mit Bezug auf die Zeichnungen dargelegt sind.
BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Um die Abscheidungsraten, die Abscheidungsbreite und die Wärmezufuhr zu verbessern, und um die Einschränkungen und Nachteile zu überwinden, werden ein Verfahren zum Plattieren nach den Ansprüchen 1 und 2 und ein Plattierungssystem nach Anspruch 15 beschrieben. Weitere Ausführungsformen der Erfindung bilden den Gegenstand der Unteransprüche. Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung enthalten Verfahren und Systeme zum Bereitzustellen verbesserter Abscheidungsraten für Plattierungs- und Oberflächenbeschichtungsoperationen, wo einer einzelnen Pfütze auf der Oberfläche des Werkstücks mehrere Warmdraht-Verbrauchsmaterialien zugeführt werden und wo die Leistungs- oder Energiezufuhr in die Pfütze in dem oder den vorauseilenden Verbrauchsmaterialien höher ist als die Leistungs- oder Energiezufuhr zu den nacheilenden Verbrauchsmaterialien. Das Verfahren zum Plattieren umfasst Folgendes: Richten mindestens eines Laserstrahls auf eine Oberfläche eines Werkstücks, um eine Schmelzpfütze zu erzeugen, Voranschieben mehrerer Verbrauchsmaterialien in die Schmelzpfütze, so dass die Verbrauchsmaterialien auf dem Werkstück abgeschieden werden, sowie Anlegen eines Erwärmungssignals an jedes der mehreren Verbrauchsmaterialien, um jedes der Verbrauchsmaterialien in der Schmelzpfütze zu schmelzen. Eines der mehreren Verbrauchsmaterialien ist ein vorauseilendes Verbrauchsmaterial, und ein anderes der Verbrauchsmaterialien eilt dem vorauseilenden Verbrauchsmaterial als ein nacheilendes Verbrauchsmaterial in einer Vorschubrichtung nach, während die Verbrauchsmaterialien in die Schmelzpfütze vorangeschoben werden, wobei jedes der mehreren Verbrauchsmaterialien eine jeweilige Interaktionszone in der Schmelzpfütze hat. Ein erster Betrag an Gesamtenergie wird der Pfütze in der Interaktionszone für das vorauseilende Verbrauchsmaterial zugeführt, und ein zweiter Betrag an Gesamtenergie wird der Pfütze in der Interaktionszone für das nacheilende Verbrauchsmaterial zugeführt. Der zweite Betrag an Gesamtenergie ist kleiner als der erste Betrag an Gesamtenergie. Das Verfahren kann des Weiteren umfassen, mindestens einen Laserstrahl auf eine Oberfläche eines Werkstücks zu richten, um mehrere Schmelzpfützen zu erzeugen. Des Weiteren werden mehrere Verbrauchsmaterialien in die Schmelzpfützen vorangeschoben, so dass die Verbrauchsmaterialien auf dem Werkstück abgeschieden werden. Mindestens eines der mehreren Verbrauchsmaterialien wird auf mindestens eine der Schmelzpfützen gerichtet. Ein Erwärmungssignal wird an jedes der mehreren Verbrauchsmaterialien angelegt, um jedes der Verbrauchsmaterialien in den Schmelzpfützen zu schmelzen. Eines der mehreren Verbrauchsmaterialien ist ein vorauseilendes Verbrauchsmaterial, und ein anderes der Verbrauchsmaterialien eilt dem vorauseilenden Verbrauchsmaterial als ein nacheilendes Verbrauchsmaterial in einer Vorschubrichtung nach, während die Verbrauchsmaterialien in die Schmelzpfützen vorangeschoben werden. Jedes der mehreren Verbrauchsmaterialien hat eine jeweilige Interaktionszone in seiner jeweiligen Schmelzpfütze. Ein erster Betrag an Gesamtenergie wird der Schmelzpfütze für das vorauseilende Verbrauchsmaterial in der Interaktionszone des vorauseilenden Verbrauchsmaterials zugeführt, und ein zweiter Betrag an Gesamtenergie wird der Schmelzpfütze für das nacheilende Verbrauchsmaterial in der Interaktionszone des nacheilenden Verbrauchsmaterials zugeführt. Der zweite Betrag an Gesamtenergie ist kleiner als der erste Betrag an Gesamtenergie. Eine Region des Werkstücks zwischen der Schmelzpfütze für das vorauseilende Verbrauchsmaterial und der Schmelzpfütze für das nacheilende Verbrauchsmaterial befindet sich entweder in einem verfestigten oder halb-schmelzflüssigen Zustand. Das Plattierungssystem kann eine Laservorrichtung umfassen, die mindestens einen Laserstrahl auf eine Oberfläche eines Werkstücks richtet, um eine Schmelzpfütze auf einer Oberfläche des Werkstücks zu erzeugen. Mindestens eine Drahtzuführvorrichtung ist vorhanden, die mehrere Verbrauchsmaterialien in die Schmelzpfütze voranschiebt, so dass die Verbrauchsmaterialien auf dem Werkstück abgeschieden werden. Eine Schweißbrennerbaugruppe wird bereitgestellt, die die mehreren Verbrauchsmaterialien empfängt und die mehreren Verbrauchsmaterialien auf die Schmelzpfütze richtet. Mehrere Stromversorgungen werden jeweils bereitgestellt, von denen jede ein Erwärmungsstromsignal an die Schweißbrennerbaugruppe ausgibt, die die Erwärmungsstromsignale jeweils zu den mehreren Verbrauchsmaterialien richtet, um jedes der Verbrauchsmaterialien in der Schmelzpfütze zu schmelzen. Die Schweißbrennerbaugruppe positioniert eines der mehreren Verbrauchsmaterialien als ein vorauseilendes Verbrauchsmaterial und ein anderes der Verbrauchsmaterialien als ein nacheilendes Verbrauchsmaterial, das dem vorauseilenden Verbrauchsmaterial in einer Vorschubrichtung nacheilt, während die Verbrauchsmaterialien während des Betriebes in die Schmelzpfütze vorangeschoben werden. Jedes der mehreren Verbrauchsmaterialien hat eine jeweilige Interaktionszone in der Schmelzpfütze. Ein erster Betrag an Gesamtenergie von dem mindestens einen Laserstrahl und dem jeweiligen der Erwärmungsstromsignale wird der Pfütze in der Interaktionszone für das vorauseilende Verbrauchsmaterial zugeführt, und ein zweiter Betrag an Gesamtenergie von dem mindestens einen Laserstrahl und dem jeweiligen der Erwärmungsstromsignale wird der Pfütze in der Interaktionszone für das nacheilende Verbrauchsmaterial zugeführt. Der zweite Betrag an Gesamtenergie ist kleiner als der erste Betrag an Gesamtenergie.
Diese und weitere Merkmale der beanspruchten Erfindung sowie Details von veranschaulichten Ausführungsformen der Erfindung werden anhand der folgenden Beschreibung und der Zeichnungen besser verstanden.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Die obigen und/oder weitere Aspekte der Erfindung werden deutlicher erkennbar, indem im Detail beispielhafte Ausführungsformen der Erfindung mit Bezug auf die begleitenden Zeichnungen beschrieben werden, in denen Folgendes zu sehen ist:
1 ist eine schaubildhafte Darstellung eines Systems gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
2 ist eine schaubildhafte Darstellung einer Plattierungs- oder Schweißoperation gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
2A ist eine schaubildhafte Darstellung einer Interaktionszone zwischen einem Verbrauchsmaterial und einer Pfütze.
3A und 3D sind schaubildhafte Darstellungen weiterer Schweiß- oder Plattierungsoperationen der vorliegenden Erfindung;
4 ist eine schaubildhafte Darstellung eines Verbrauchsmaterialszufuhrkopfes gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
5 ist eine schaubildhafte Darstellung einer weiteren Schweiß- oder Plattierungsoperation gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
6 ist eine schaubildhafte Darstellung einer weiteren beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
7 ist eine schaubildhafte Darstellung eines weiteren beispielhaften Systems der vorliegenden Erfindung;
8A und 8B sind schaubildhafte Darstellungen einer weiteren beispielhaften Ausführungsform einer Plattierungsoperation der vorliegenden Erfindung.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
Beispielhafte Ausführungsformen der Erfindung werden nun unten anhand der beiliegenden Figuren beschrieben. Die beschriebenen beispielhaften Ausführungsformen sollen das Verständnis der Erfindung unterstützen und sollen den Schutzumfang der Erfindung in keiner Weise einschränken. Gleiche Bezugszahlen beziehen sich stets auf gleiche Elemente.
Wie jede der US-Anmeldungen Nr. 12/352,667, 13/212,025 und 13/547,649, die durch Bezugnahme in ihrer Gesamtheit in den vorliegenden Text aufgenommen werden, können die im vorliegenden Dokument beschriebenen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung, Systeme und Verfahren für Auftragsschweißen oder Schweiß- und Fügeanwendungen verwendet werden. Aus Gründen der Vereinfachung handelt die folgende Besprechung von Plattierungsoperationen, aber Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung sind nicht darauf beschränkt.
1 ist eine veranschaulichende Darstellung eines Systems 100, das mit Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung verwendet werden kann. Betrieb, Komponenten und Steuerung des Systems 100 sind allgemein in den verwandten Anmeldungen 12/352,667, 13/212,025 und 13/547,649 beschrieben (die in ihrer Gesamtheit den vorliegenden Text aufgenommen sind), mit den im vorliegenden Dokument beschriebenen Unterschieden.
Wie in 1 gezeigt, leitet das System 100 während des Betriebes mehrere Verbrauchsmaterialien 140A bis 140C zu einer Pfütze 145. Die Pfütze 145 wird durch eine hochenergetische Wärmequelle, wie zum Beispiel ein Lasersystem (Stromversorgung 130, Laser 120 und Strahl 110) erzeugt. Die Wärmequelle schmilzt die Oberfläche des Werkstücks 115 auf die richtige Tiefe für die gewünschte Operation und erzeugt die Pfütze mit der gewünschten Form und den gewünschten Eigenschaften. In der gezeigten Ausführungsform werden nur drei Verbrauchsmaterialien 140A–140C in die Pfütze 145 geleitet, aber Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung sind in dieser Hinsicht nicht beschränkt, da auch mehr als drei Verbrauchsmaterialien verwendet werden können. Jedes der Verbrauchsmaterialien 140A–140C wird über eine Kontaktbaugruppe 160 und ihre jeweiligen Drahtzufuhrvorrichtungen 150A, 150B bzw. 150C in die Pfütze 145 geleitet. Die Drahtzufuhrvorrichtungen 150A bis 150C können jeden bekannten Drahtzuführvorrichtungsaufbau haben und können duale Drahtzufuhrvorrichtungen sein, die mehr als nur ein einziges Verbrauchsmaterial in die Pfütze 145 leiten können. Das heißt, es kann eine einzelne Drahtzuführvorrichtung verwendet werden, die mehrere Verbrauchsmaterialien zu einer einzelnen Operation führen kann. Jede der Drahtzufuhrvorrichtungen 150A bis 150C kann durch die Steuereinheit 195 gesteuert werden, wie im vorliegenden Dokument beschrieben, und/oder wie in den hier aufgenommenen Prioritätsanmeldungen beschrieben.
Außerdem, wie in 1 gezeigt, verwendet das beispielhafte System 100 mehrere Warmdraht-Stromversorgungen 170A, 170B und 170C, die mit der Kontaktbaugruppe 160 gekoppelt sind, um Erwärmungsströme zu den jeweiligen Verbrauchsmaterialien 140A bis 140C zuzuführen. Unten folgt eine nähere Besprechung der Baugruppe 160. Die Erwärmungsströme von den Stromversorgungen 170A, 170B und 170C werden dafür verwendet, die Verbrauchsmaterialien in der Pfütze 145 so zu schmelzen, dass die Verbrauchsmaterialien 140A–140C vollständig in der Pfütze 145 geschmolzen werden. Jedoch werden die Erwärmungsströme von den Stromversorgungen 170A–170C so gesteuert, dass Lichtbogenbildungsereignisse zwischen den Verbrauchsmaterialien 140A–140C und dem Werkstück 115 vermieden oder minimiert werden. Die Steuerung der Erwärmungsströme ist in den hier aufgenommenen Anmeldungen genauer beschrieben und wird nicht im vorliegenden Dokument wiederholt.
In beispielhaften Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung wird jedes der Verbrauchsmaterialien 140A bis 140C mit der gleichen Drahtzufuhrgeschwindigkeit in die Pfütze 145 geleitet. Jedoch können in anderen Ausführungsformen, wie weiter unten erläutert, die jeweiligen Drahtzufuhrgeschwindigkeiten der Verbrauchsmaterialien 140A bis 140C variieren.
Es ist anzumerken, dass eine Anzahl von Verbindungen zwischen den in 1 gezeigten Komponenten, zum Beispiel Strom- und Spannungsdetektionsverbindungen für die Stromversorgungen 170A bis 170C, aus Gründen der besseren Übersichtlichkeit in dieser Figur nicht gezeigt sind. Dem Fachmann ist jedoch klar, wie Strom und/oder Spannung bereitgestellt werden.
2 zeigt eine beispielhafte Ausführungsform einer Plattierungsoperation, die durch das System 100 implementiert wird. Wie gezeigt, wird jedes der mehreren Verbrauchsmaterialien 140A bis 140C auf dieselbe Pfütze 145 gerichtet und ist in einer „V”-Formation angeordnet, so dass das Verbrauchsmaterial 140A jedem der Verbrauchsmaterialien 140B und 140C in der Vorschubrichtung vorauseilt. Wie gezeigt, ist jedes der nacheilenden Verbrauchsmaterialien 140B und 140C um einen Winkel Θ außerhalb der Mittelachse des vorauseilenden Verbrauchsmaterials 140A (in der Vorschubrichtung) positioniert. In beispielhaften Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung liegt der Winkel θ im Bereich von 10 bis 75 Grad. In anderen beispielhaften Ausführungsformen braucht der Winkel nur 0 Grad zu betragen, wodurch die Verbrauchsmaterialien in einer Linie nacheilen würden, und in anderen Ausführungsformen könnte der Winkel bis zu 90 Grad groß sein, so dass die Drähte in einer Linie senkrecht zur Vorschubrichtung der Operation verlaufen. In einer solchen Ausführungsform kann die erforderliche Wärmezufuhr erhöht werden, aber eine solche Ausführungsform kann eine maximale Breite für die Raupe während eines Arbeitsvorgangs bereitstellen. Außerdem sind die nacheilenden Verbrauchsmaterialien 140B und 140C so positioniert, dass sie um eine Distanz D von dem vorauseilenden Verbrauchsmaterial 140A entfernt sind, wobei die Distanz D im Bereich von 1,5 bis 5 Mal dem Durchmesser des vorauseilenden Verbrauchsmaterials liegt. In anderen beispielhaften Ausführungsformen liegt die Distanz D im Bereich des 2- bis 4-fachen des Durchmessers des vorauseilenden Verbrauchsmaterials. In beispielhaften Ausführungsformen beeinflusst eine Anzahl von Faktoren das Bestimmen einer gewünschten Distanz D, wie zum Beispiel Drahtdurchmesser, Drahtzufuhrraten, Vorschubgeschwindigkeit, Netzung und Reaktion des Werkstückmaterials, Laserstrahlgeometrie und Energiezufuhr und weitere Faktoren. Des Weiteren sind die nacheilenden Verbrauchsmaterialien 140B/C um eine Distanz X auswärts (relativ zur Vorschubrichtung) der Mittelachse des vorausgehenden Verbrauchsmaterials 140A positioniert, wobei die Distanz X im Bereich von 1 bis 8 Mal dem Durchmesser des jeweiligen nacheilenden Verbrauchsmaterials (zum Beispiel 140C in 2) liegt. In weiteren beispielhaften Ausführungsformen liegt die Distanz X der Mittelachse im Bereich vom 1,5 bis 5 fachen des Durchmessers des jeweiligen nacheilenden Verbrauchsmaterials. Es ist anzumerken, dass die Distanz X, wie im vorliegenden Dokument für das jeweilige nacheilende Verbrauchsmaterial besprochen, von der Mittelachse ihres vorausgehenden Verbrauchsmaterials gemessen wird, das das vorauseilende Verbrauchsmaterial (140A) sein kann, aber nicht muss. Siehe zum Beispiel 3A. Wie oben in Bezug auf die Distanz D angemerkt, können zahlreiche Faktoren zur Bestimmung der Distanz X beitragen, einschließlich jener, die oben in Bezug auf die Distanz D angesprochen wurden. Des Weiteren sollten bei der Optimierung beider Distanzen X und D, wenn ein Laserstrahl zum Erwärmen der Pfütze verwendet wird, auch die Optik und die Gesamtgröße und -form des Strahls berücksichtigt werden, so dass alle Drähte innerhalb des Auftreffbereichs des Strahls positioniert sind, so wie er auf die Oberfläche des Werkstücks projiziert wird. Des Weiteren sollte die Beabstandung so bestimmt werden, dass eine akzeptable Raupenoberfläche auf dem Werkstück sichergestellt ist.
Wie oben – und auch weiter unten im vorliegenden Dokument – besprochen, zeigt die in 2 gezeigte Ausführungsform, dass sich jedes der Verbrauchsmaterialien 140A bis 140C in derselben Schmelzpfütze 145 befindet. Jedoch muss das in anderen beispielhaften Ausführungsformen nicht der Fall sein, wo es eine separate Pfütze für jedes Verbrauchsmaterial 140A bis 140C gibt, was die Minimierung der Wärmezufuhr in die Schweißnaht unterstützen würde, da es nicht notwendig ist, die Zwischenbereiche zwischen den Verbrauchsmaterialpfützen in einem schmelzflüssigen Zustand zu halten. Jedoch können in solchen Ausführungsformen die Zwischenbereiche zwischen den jeweiligen Pfützen entweder fest oder in einem halbschmelzflüssigen Zustand sein. Darum würde – wie in 2 zu sehen – das vorauseilende Verbrauchsmaterial 140A in seine eigene Pfütze abgeschieden werden, und mindestens eines der nacheilenden Verbrauchsmaterialien 140B und/oder 140C würde in seiner eigenen Pfütze abgeschieden werden. In einer solchen Ausführungsform befindet sich die Region zwischen einer Schmelzpfütze des vorauseilenden Verbrauchsmaterials und einer Schmelzpfütze des nacheilenden Verbrauchsmaterials in einem nicht-schmelzflüssigem Zustand (halbschmelzflüssig oder fest), anstatt dass es eine einzelne große Pfütze für alle Verbrauchsmaterialien gibt. In solchen beispielhaften Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung kann die nicht-schmelzflüssige Region zwischen den jeweiligen Pfützen eine Durchschnittstemperatur im Bereich von 35 bis 90% der Temperatur der vorauseilenden Schmelzpfütze haben. In anderen beispielhaften Ausführungsformen kann die nicht-schmelzflüssige Region zwischen den jeweiligen Pfützen eine Durchschnittstemperatur im Bereich von 50 bis 85% der Temperatur der vorauseilenden Schmelzpfütze haben. Darum wird in solchen Ausführungsformen jedes der Verbrauchsmaterialien 140A bis 140C in seiner eigenen jeweiligen Pfütze abgeschieden, wobei die Temperatur des Werkstücks zwischen den jeweiligen Pfützen dazu führt, dass das Werkstück einen nicht-schmelzflüssigen Zustand hat. Beispielsweise wäre das vorauseilende Verbrauchsmaterial in 2 die 140A, aber wäre 140D (im Vergleich zu 140F) in 3B. In anderen beispielhaften Ausführungsformen befinden sich mindestens zwei der Verbrauchsmaterialien in einer Formation in derselben Schmelzpfütze, andere hingegen nicht – diese sind von der gemeinsamen Pfütze getrennt, wie oben beschrieben. Solche Ausführungsformen helfen bei der Reduzierung der Gesamtwärmezufuhr durch den Arbeitsvorgang. Es versteht sich, dass die Region zwischen jeweiligen Pfützen allgemein durch die Region beschrieben werden kann, die durch die Grenzen der jeweiligen Pfützen und Linien von den äußeren Rändern einer Pfütze zu den äußeren Rändern der anderen Pfütze definiert wird. In anderen beispielhaften Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden zwar separate Pfützen verwendet, doch es kann mehr als ein einziges Verbrauchsmaterial in einer einzelnen Pfütze abgeschieden werden. Zum Beispiel kann, wie in 2 gezeigt, das vorauseilende Verbrauchsmaterial 140A in seiner eigenen separaten Pfütze abgeschieden werden, während beide nacheilenden Verbrauchsmaterialien 140B und 140C in einer einzelnen Pfütze abgeschieden werden.
Bei Verwendung einer Verbrauchsmaterialverteilung, wie oben beschrieben, wird eine erhöhte Verbrauchsmaterial-Abscheidungsrate bei gleichzeitiger Beibehaltung einer relativ dünnen Schicht im Fall des Plattierens erreicht. Des Weiteren wird die Gesamtenergiezufuhr in den Prozess im Vergleich zu bekannten Systemen und Verfahren reduziert. Genauer gesagt, weil jedes der Verbrauchsmaterialien 140A, 140B und 140C während des Betriebes in derselben Pfütze 145 abgeschieden wird, kann die Gesamtleistungszufuhr in die Pfütze 145 minimiert werden. Das liegt daran, dass die Energie, die dafür genutzt wird, zunächst die Pfütze zu erzeugen und das vorauseilende Verbrauchsmaterial 140A abzuscheiden, den Bereich vorwärmt, der die Pfütze 145 um das vorauseilende Verbrauchsmaterial 140A herum umgibt. Das bedeutet, dass die Energie, die benötigt wird, um die nacheilenden Verbrauchsmaterialien 140B und 140C vollständig in die Pfütze 145 zu schmelzen, nicht so hoch ist wie die, die benötigt wird, um die Pfütze 145 zu initiieren und das vorauseilende Verbrauchsmaterial 140A vollständig aufzuzehren, unter der Annahme, dass die Verbrauchsmaterialien in chemischer Zusammensetzung und Größe ähnlich sind. Oder anders ausgedrückt: Die Rest-Erwärmung von der vorauseilenden Interaktionszone hilft beim Vorwärmen der Interaktionszonen für die nacheilenden Verbrauchsmaterialien und senkt somit die Energiemenge, die zum Erwärmen der nacheilenden Verbrauchsmaterialien in ihren jeweiligen Interaktionszonen erforderlich ist. Wie dem Fachmann allgemein klar ist, ist die Energie, die zum Erwärmen eines Materials erforderlich ist, allgemein linear, bis eine Phasen- oder Strukturänderung in dem Material eintritt; wenn zum Beispiel ein festes Material flüssig wird. Wenn eine solche Transformation eintritt, so erfordern einige Materialien eine nicht-lineare Erhöhung der Energie, um das Material von einem Zustand zum anderen zu transformieren. Nach der Phasenänderung des Materials wird die Energie, die zum Erhöhen der Materialtemperatur benötigt wird, erneut linear. Gleichermaßen ist, wenn ein Material (wie Metall) sich abkühlt, die Energiedissipation linear, bis es sich der Phasenänderung annähert und diese erreicht (Abkühlung von flüssig zu fest), und ab diesem Punkt gibt das Material Energie ab, um zu der neuen Phase überzugehen, und diese Energiedissipation ist erneut nicht linear, bis die Phasenänderung vollendet ist. Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung nutzen diese Energieeigenschaften zu ihrem Vorteil und erlauben eine reduzierte Gesamtenergiezufuhr bei gleichzeitiger Erreichung einer hohen Abscheidungsrate, eines minimalen Vermischens und einer relativ dünneren Beschichtung während Plattierungsprozessen. Darum realisieren Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung signifikante Vorteile gegenüber bekannten Plattierungs- und Fügeprozessen.
In der in 2 gezeigten Ausführungsform werden die Verbrauchsmaterialien 140A, 140B und 140C symmetrisch entlang der Mittelachse des vorauseilenden Verbrauchsmaterials 140A verteilt. Jedoch sind Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung in dieser Hinsicht nicht beschränkt, da die Positionierung der nacheilenden Verbrauchsmaterialien mit Bezug auf die Mittelachse des vorauseilenden Verbrauchsmaterials 140A auch asymmetrisch sein kann. Zum Beispiel kann eines der nacheilenden Verbrauchsmaterialien 140B in einem ersten Winkel im Bereich von 10 bis 75 Grad positioniert sein, während das andere 140C in einem zweiten Winkel (der vom ersten verschieden ist) im Bereich von 10 bis 75 Grad positioniert ist. Außerdem sind in anderen beispielhaften Ausführungsformen die Distanzen D für die jeweiligen nacheilenden Verbrauchsmaterialien 140B und 140C voneinander verschieden. Die Positionierung der Verbrauchsmaterialien kann anhand der gewünschten Abscheidung des Verbrauchsmaterials bestimmt und optimiert werden.
3A bis 3D zeigen weitere beispielhafte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung. 3A zeigt eine ähnliche Ausführungsform wie in 2, nur dass fünf Verbrauchsmaterialien 140A bis 140E verwendet werden. 3B ist eine andere ähnliche Ausführungsform, die sieben Verbrauchsmaterialien 140A bis 140G in einer ähnlichen Konfiguration wie in den 2 und 3A verwendet. Auch hier können die in jeder dieser Figuren gezeigten Ausführungsformen symmetrische oder nicht-symmetrische Konfigurationen haben.
Außerdem ist, wie oben beschrieben, die Energiezufuhr in die Pfütze 145 in den Interaktionszonen für jedes der nacheilenden Verbrauchsmaterialien 140B bis 140G kleiner als die Energiezufuhr in die Pfütze 145 in der Interaktionszone des vorauseilenden Verbrauchsmaterials 140A. Im Allgemeinen ist die Interaktionszone eines Verbrauchsmaterials der Bereich der Pfütze 145 um das Verbrauchsmaterial, der – sowohl im Hinblick auf die Metallurgie als auch auf die Wärmezufuhr – unmittelbar durch das Verbrauchsmaterial beeinflusst wird, wenn es in die Pfütze 145 eintritt. Eine schaubildhafte Darstellung dessen findet sich in 2A, wo die Interaktionszone IZ um das Verbrauchsmaterial 140B gezeigt ist. Viele Faktoren können die Größe und die Form der Interaktionszone IZ beeinflussen, aber in der Regel kann eine Interaktionszone IZ durch einen kreisförmigen Bereich dargestellt werden, der einen Radius aufweist, der ungefähr dem Durchmesser des Verbrauchsmaterials entspricht 140B ist und auf der Mittelachse des jeweiligen Verbrauchsmaterials zentriert ist. Es ist anzumerken, dass in vielen Fällen die Interaktionszone IZ möglicherweise nicht kreisförmig ist, sondern vielmehr eine elliptische Form haben kann, wobei die lange Achse der Ellipse parallel zur Vorschubrichtung des Arbeitsvorgangs verläuft. Dabei ist in vielen Fällen eine zweckdienliche Annäherung der Zone IZ wie oben angegeben. In einigen beispielhaften Ausführungsformen ist die Energiezufuhr an jeder der nacheilenden Interaktionszonen die gleiche. In anderen beispielhaften Ausführungsformen kann die Energiezufuhr zu den nacheilenden Interaktionszonen variieren. Zum Beispiel hat in einigen beispielhaften Ausführungsformen die erste Reihe von nacheilenden Verbrauchsmaterialien 140B und 140C jeweils eine erste Energiezufuhr zu ihren jeweiligen Interaktionszonen, die kleiner ist als die Energiezufuhr zu dem vorauseilenden Verbrauchsmaterial 140A, aber die Energiezufuhr bei 140B und 140C ist höher als die Energiezufuhr zu den Interaktionszonen der Verbrauchsmaterialien 140D und 140E, die 140B und 140C nacheilen. In anderen beispielhaften Ausführungsformen ist die Energiezufuhr zu den mittleren Verbrauchsmaterialien 140B und 140C weniger als die zu dem vorauseilenden Verbrauchsmaterial 140A und weniger als die zu den nacheilenden Verbrauchsmaterialien 140D und 140E. Des Weiteren ist zwar in einigen beispielhaften Ausführungsformen die Energiezufuhr zu benachbarten Verbrauchsmaterialien (zum Beispiel 140B und 140C, oder 140D und 140E) die gleiche, während in anderen beispielhaften Ausführungsformen die relative Energiezufuhr variieren kann.
Es versteht sich, dass die Energiezufuhr in eine jeweilige Zone von einer Anzahl von Quellen kommen kann, um die Pfütze 145 aufrecht zu erhalten und ein ordnungsgemäßes Schmelzen der Verbrauchsmaterialien sicherzustellen. In den im vorliegenden Dokument beschriebenen Ausführungsformen kommt die Energiezufuhr von dem Erwärmungsstrom, der zum Erwärmen der Verbrauchsmaterialien 140A–140G von ihren jeweiligen Stromversorgungen verwendet wird. Außerdem kann die hochenergetische Wärmequelle (zum Beispiel der Laser 120 und der Strahl 110) verwendet werden, um eine zusätzliche Wärmezufuhr bereitzustellen. In dem in 1 gezeigten System kann der Laser 120 den Strahl so richten, dass die Pfütze entsteht und die gewünschte Energiezufuhr in die vorauseilende Interaktionszone für das Verbrauchsmaterial 140A aufrecht erhalten wird. Jedoch kann in anderen beispielhaften Ausführungsformen der Laser 120 auch den Strahl 110 auf jede beliebige Anzahl der, oder auf alle der, nacheilenden Interaktionszonen richten, um die gewünschte Energiezufuhr bereitzustellen, um die Pfütze 145 aufrecht zu erhalten und die nacheilenden Verbrauchsmaterialien zu schmelzen.
3C zeigt eine beispielhafte Ausführungsform der Erfindung, wobei der Laserpunkt LS um den vorauseilenden Rand der Pfütze 145 herum translatiert wird, um die Pfütze 145 zu erzeugen und die notwendig Energie bereitstellen, um die Verbrauchsmaterialien zu schmelzen. Das Muster, die Punktlatenz und die Energie können nach Wunsch variiert werden, um die gewünschte Pfützenform und Energiezufuhr zu erreichen. Außerdem können, wie in 3C gezeigt (und oben besprochen), die Winkel θ und θ' entweder die gleichen sein oder können in Abhängigkeit von den gewünschten Betriebsparametern verschieden sein.
In einigen beispielhaften Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung können die Winkel θ und θ' während des Betriebes variiert werden. Das heißt, während einer Plattierungsoperation kann die Winkelung der nacheilenden Verbrauchsmaterialien variiert werden, um die Breite und/oder Dicke der Plattierung zu ändern. 3D zeigt eine Ausführungsform, wo die nacheilenden Verbrauchsmaterialien 140B–E so gewinkelt wurden, dass die Breite der Pfütze 145 und des abgeschiedenen Materials erhöht wird. 4 zeigt eine beispielhafte Ausführungsform einer Kontaktbaugruppe 160, die mit Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung verwendet werden kann. Die Baugruppe 160 umfasst mindestens eine vorauseilende Sektion 161, eine erste gewinkelte Sektion 162 und eine zweite gewinkelte Sektion 163. Die vorauseilende Sektion enthält eine Kontaktspitze 161A für das vorauseilende Verbrauchsmaterial 140A, die erste gewinkelte Sektion 162 enthält Kontaktspitzen 162B und 162D, während die zweite Sektion 163 die Kontaktspitzen 163C und 163E enthält. Die Kontaktspitzen werden dafür verwendet, den Erwärmungsstrom zu jeder der jeweiligen Verbrauchsmaterialien zuzuführen, so dass sie geschmolzen in der Pfütze 145 geschmolzen werden können. In beispielhaften Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung sind die Baugruppe 160 und die Sektionen 161, 162 und 163 so aufgebaut, dass die Kontaktspitzen elektrisch voneinander isoliert sind. Außerdem enthält die Baugruppe in der in 4 gezeigten Ausführungsform Schwenkkomponenten 164 und 165, die es jeder der Sektionen 162 und 163 erlauben, an der vorauseilende Sektion 161 angelenkt zu werden. Die Schwenkkomponenten 164 und 165 können jede beliebige Art von Gelenk sein, das es den Sektionen 162 und 163 erlaubt, sich in mindestens einer Ebene zu bewegen, um die Umpositionierung von mindestens einigen der nacheilenden Verbrauchsmaterialien zu erlauben (zum Beispiel ein Scharnier). Solche Ausführungsformen erlauben es, dass mindestens einige, oder alle, der nacheilenden Verbrauchsmaterialien 140B–140E entweder während oder vor einem Arbeitsvorgang umzupositionieren. Indem man die Umpositionierung von mindestens einigen der nacheilenden Verbrauchsmaterialien ermöglicht, kann gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung die Abscheidungsbreite und/oder -dicke einer Plattierungsschicht (oder einer sonstigen Abscheidung) variiert werden. Eine Ausführungsform davon ist in 5 gezeigt, wo die Sektionen 162 und 163 während des Betriebes bewegt werden, um die Breite der Raupe B zu ändern. Die Sektionen 162 und/oder 163 können mittels beliebiger mechanischer Mittel bewegt werden, wie zum Beispiel mittels Aktuatoren oder Motoren, die durch die Steuereinheit 195 gesteuert werden können. Optional können die Sektionen manuell positioniert werden, bevor ein Arbeitsvorgang beginnt.
Während bestimmter Operationen kann es wünschenswert sein, die Breite der Raupe B zu ändern, ohne die Tiefe der Raupe B zu ändern (zum Beispiel kann die Dicke einer Plattierungsschicht aufrecht erhalten werden). In solchen Ausführungsformen kann die Steuereinheit 195 veranlassen, dass die Sektionen 162 und 163 bewegt werden, während die Drahtzufuhrgeschwindigkeit eines oder mehrerer der Verbrauchsmaterialien 140B bis 140E. Wenn zum Beispiel die Sektionen 162 und 163 so bewegt werden, dass die Raupe schmaler wird, so kann die Drahtzufuhrgeschwindigkeit der Verbrauchsmaterialien 140B bis 140E verlangsamt werden, um eine Dicke aufrecht zu erhalten. Des Weiteren kann die Steuereinheit 195 auch den Erwärmungsstrom zu den Verbrauchsmaterialien 140B bis 140E modifizieren, um die gewünschte Dicke aufrecht zu erhalten.
In anderen beispielhaften Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung können die Breite und/oder die Dicke der Raupe B durch Änderungen bei der Zufuhr der Verbrauchsmaterialien gesteuert werden, ohne die Sektionen 162 und 163 bewegen zu müssen. Zum Beispiel kann die Steuereinheit 195 veranlassen, dass die Drahtzufuhrvorrichtungen für mindestens eines der Verbrauchsmaterialien 140D und 140E für die Dauer eines Arbeitsvorgangs gestoppt werden, wodurch die erzeugte Raupe B schmaler wird. Darum können Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung Breite und Dicke der Raupe steuern, indem die relativen Geschwindigkeiten der Verbrauchsmaterialien gesteuert werden und/oder die Zufuhr der Verbrauchsmaterialien aus oder ein geschaltet wird.
Es ist anzumerken, dass in einigen beispielhaften Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung die verwendeten Verbrauchsmaterialien (zum Beispiel 140A bis 140E) verschiedene chemische Zusammensetzungen haben können, um eine gewünschte chemische Zusammensetzung für die resultierende Raupe B zu erreichen. Gleichermaßen können auch die Größen (zum Beispiel Durchmesser) der Verbrauchsmaterialien verschieden sein, um gewünschte Eigenschaften zu erreichen. Zum Beispiel kann in einigen beispielhaften Ausführungsformen das vorauseilende Verbrauchsmaterial 140A einen Durchmesser haben, der größer ist als jedes der nacheilenden Verbrauchsmaterialien. In einer solchen Ausführungsform ist die Energiezufuhr in die vorauseilenden Interaktionszonen höher als die für die nacheilenden Interaktionszonen.
6 zeigt eine weitere beispielhafte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, wo eine vorauseilende Tandem-Verbrauchsmaterialkonfiguration verwendet wird. In einer solchen Ausführungsform sind mindestens zwei Verbrauchsmaterialien 140A und 140A' vorauseilende Verbrauchsmaterialien, die in der Vorschubrichtung nebeneinander liegen. Eine solche Ausführungsform kann eine größere Raupenbreite und Raupendicke bereitstellen, ohne vom Wesen oder Schutzumfang der vorliegenden Erfindung abzuweichen.
7 zeigt eine weitere beispielhafte Ausführungsform eines Systems 700 ähnlich der, die in 1 gezeigt ist. Das System 700 enthält mindestens einen Sensor 701, der mit der Steuereinheit 195 gekoppelt ist und eine Rückmeldung mit Bezug auf die Pfütze 145 ausgibt. Zum Beispiel ist in einigen beispielhaften Ausführungsformen der Sensor 701 ein Wärmesensor, der eine Temperatur der Pfütze 145 an einer gewünschten Stelle detektiert, wozu mindestens eine der Verbrauchsmaterial-Interaktionszonen gehören kann. Die Steuereinheit 195 verwendet diese Rückmeldungsinformationen zur Steuerung der Wärme- und/oder Energiezufuhr in die Pfütze 145 oder zu einem bestimmten Verbrauchsmaterial oder einer bestimmten Interaktionszone nach Bedarf, um eine ordnungsgemäßes Pfützensteuerung und ein ordnungsgemäßes Schmelzen der Verbrauchsmaterialien in der Pfütze sicherzustellen. Außerdem kann das System, wie in 7 gezeigt, einen zusätzlichen Laser 120' und Strahl 110' verwenden, um die Steuerung der Wärmezufuhr in die Interaktionszonen der nacheilenden Verbrauchsmaterialien zu unterstützen. Darum kann die zusätzliche hochenergetische Wärmequelle (zum Beispiel der Laser 120') durch die Steuereinheit 195 gesteuert werden, um sicherzustellen, dass eine ordnungsgemäßes Energiezufuhr zu jeder nacheilenden Interaktionszone während des Betriebes bereitgestellt wird. Zum Beispiel kann die Steuereinheit den Strahl 110' auf eine beliebige der mehreren Interaktionszonen richten, von der erfühlt wird, dass sie unter einer gewünschten Temperatur und/oder Energiezufuhr liegt. Eine solche Steuerung kann eine optimale Energiezufuhr während eines Arbeitsvorgangs erlauben, wodurch die Gesamtenergiezufuhr in die Pfütze für eine sehr breite und dünne Raupe B niedrig gehalten wird. Auch hier ist anzumerken, dass zahlreiche Verbindungen (zum Beispiel Spannungs- und Stromabfühlung für die Stromversorgungen 170A–170C) aus Gründen der besseren Übersichtlichkeit nicht gezeigt sind, aber vom Fachmann durchaus verstanden werden.
Eine weitere beispielhafte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist in den 8A und 8B gezeigt, wo – im Gegensatz zu der zuvor besprochenen „V”-Formation – eine gewinkelte Verbrauchsmaterialformation gezeigt ist. In einigen Plattierungsoperationen ist es möglicherweise nicht wünschenswert, eine „V”-Formation zu den Drähten zu verwenden. Zum Beispiel kann, wie in 8A gezeigt, in einigen Anwendungen die Plattierung einen Stumpfstoß gegen eine Wand 115A aufweisen. In solchen Anwendungen ist die zuvor besprochene Drahtformation möglicherweise nicht wünschenswert, so dass eine gewinkelte Konfiguration verwendet werden kann, wie in den 8A und 8B gezeigt, wobei die nacheilenden Drähte 140B, 140C und 140D hinter dem vorauseilenden Draht 140A nacheilen, aber nur zu einer Seite des vorauseilenden Drahtes 140A. Es ist anzumerken, dass die obigen Besprechungen über Steuerung, Funktionsweise und Beabstandung (Abmessungen X und D) gleichermaßen für Ausführungsformen ähnlich der gelten, die in den 8A und 8B gezeigt ist, und darum hier nicht wiederholt werden.
In den gezeigten Ausführungsformen ist die Wärmezufuhr in die Interaktionszone des vorauseilenden Drahtes 140A höher als die in jeder der nacheilenden Interaktionszonen. Des Weiteren sind die Drähte so ausgerichtet, dass sie einen Angriffswinkel θ relativ zur Vorschubrichtung haben. In beispielhaften Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung liegt der Angriffswinkel θ im Bereich von 25 bis 75 Grad. Natürlich kann der Winkel in anderen Ausführungsformen nach Bedarf variieren. Des Weiteren kann sich – ähnlich dem oben Dargelegten – in einigen beispielhaften Ausführungsformen der Angriffswinkel θ während der Plattierungsoperation in Abhängigkeit von der gewünschten Raupenform und dem gewünschten Raupenmuster ändern. Zum Beispiel kann es erwünscht sein, um eine Ecke herum zu plattieren oder wenigstens die Richtung während des Plattierens zu ändern. In solchen Ausführungsformen kann die Baugruppe 160 gedreht werden, wodurch der Angriffswinkel verändert wird, wodurch die Plattierungsoperation die Richtung ändern kann.
Es ist ebenfalls anzumerken, dass die in 8B gezeigten Ausführungsformen zeigen, dass das Verbrauchsmaterial 140D, das sich der Wand 115A am nächsten befindet, das nacheilende Verbrauchsmaterial ist. Jedoch könnte dies in anderen Ausführungsformen auch umgekehrt werden, so dass das Verbrauchsmaterial 140D das vorauseilende Verbrauchsmaterial ist und das Verbrauchsmaterial 140A das nacheilende Verbrauchsmaterial ist. In solchen Ausführungsformen kann es wünschenswert sein, eine höhere Wärmezufuhr an der Wand 115A zu haben, und in beispielhaften Ausführungsformen findet die höchste Wärmezufuhr an dem vorauseilenden Verbrauchsmaterial statt. Darum ist in diesen Ausführungsformen das Verbrauchsmaterial 140D, das der Wand 115A am nächsten liegt, das vorauseilende Verbrauchsmaterial.
Obgleich die Erfindung mit Bezug auf bestimmte 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 enthält, die in den Schutzumfang der beiliegenden Ansprüche fallen.
Bezugszeichenliste

100: System
110: Strahl
110': Strahl
115: Werkstück
115A: Wand
120: Laser
120': Laser
130: Stromversorgung
140A: Verbrauchsmaterial
140A': Verbrauchsmaterial
140B: Verbrauchsmaterial
140C: Verbrauchsmaterial
140D: Verbrauchsmaterial
140E: Verbrauchsmaterial
140F: Verbrauchsmaterial
140G: Verbrauchsmaterial
145: Pfütze
150A: Drahtzuführvorrichtung
150B: Drahtzuführvorrichtung
150C: Drahtzuführvorrichtung
160: Kontaktbaugruppe
161: vorauseilende Sektion
161A: Kontaktspitze
162: gewinkelte Sektion
162B: Kontaktspitze
162D: Kontaktspitze
163: Sektion
163C: Kontaktspitze
163E: Kontaktspitze
164: Schwenkkomponente
165: Schwenkkomponente
170A: Stromversorgung
170B: Stromversorgung
170C: Stromversorgung
195: Steuereinheit
700: System
701: Sensor
B: Raupe
D: Distanz
X: Distanz
Θ: Winkel
Θ': Winkel
IZ: Interaktionszone

Claims

Verfahren zum Plattieren, das Folgendes umfasst: Richten mindestens eines Laserstrahls auf eine Oberfläche eines Werkstücks, um eine Schmelzpfütze zu erzeugen; Voranschieben mehrerer Verbrauchsmaterialien in die Schmelzpfütze, so dass die Verbrauchsmaterialien auf dem Werkstück abgeschieden werden; und Anlegen eines Erwärmungssignals an jedes der mehreren Verbrauchsmaterialien, um jedes der Verbrauchsmaterialien in der Schmelzpfütze zu schmelzen; wobei eines der mehreren Verbrauchsmaterialien ein vorauseilendes Verbrauchsmaterial ist, und ein anderes der Verbrauchsmaterialien dem vorauseilenden Verbrauchsmaterial als ein nacheilendes Verbrauchsmaterial in einer Vorschubrichtung nacheilt, während die Verbrauchsmaterialien in die Schmelzpfütze vorangeschoben werden, wobei jedes der mehreren Verbrauchsmaterialien eine jeweilige Interaktionszone in der Schmelzpfütze hat und wobei ein erster Betrag an Gesamtenergie zu der Pfütze in der Interaktionszone für das vorauseilende Verbrauchsmaterial zugeführt wird, und ein zweiter Betrag an Gesamtenergie zu der Pfütze in der Interaktionszone für das nacheilende Verbrauchsmaterial zugeführt wird, und wobei der zweite Betrag an Gesamtenergie kleiner als der erste Betrag an Gesamtenergie ist.
Verfahren zum Plattieren, das Folgendes umfasst: Richten mindestens eines Laserstrahls auf eine Oberfläche eines Werkstücks, um mehrere Schmelzpfützen zu erzeugen; Voranschieben mehrerer Verbrauchsmaterialien in die Schmelzpfützen, so dass die Verbrauchsmaterialien auf dem Werkstück abgeschieden werden, wobei mindestens eines der mehreren Verbrauchsmaterialien auf mindestens eine der Schmelzpfützen gerichtet wird; und Anlegen eines Erwärmungssignals an jedes der mehreren Verbrauchsmaterialien, um jedes der Verbrauchsmaterialien in den Schmelzpfützen zu schmelzen; wobei eines der mehreren Verbrauchsmaterialien ein vorauseilendes Verbrauchsmaterial ist, und ein anderes der Verbrauchsmaterialien dem vorauseilenden Verbrauchsmaterial als ein nacheilendes Verbrauchsmaterial in einer Vorschubrichtung nacheilt, während die Verbrauchsmaterialien in die Schmelzpfützen vorangeschoben werden, wobei jedes der mehreren Verbrauchsmaterialien eine jeweilige Interaktionszone in seiner jeweiligen Schmelzpfütze hat und wobei ein erster Betrag an Gesamtenergie der Schmelzpfütze für das vorauseilende Verbrauchsmaterial in der Interaktionszone des vorauseilenden Verbrauchsmaterials zugeführt wird, und ein zweiter Betrag an Gesamtenergie der Schmelzpfütze für das nacheilende Verbrauchsmaterial in der Interaktionszone des nacheilenden Verbrauchsmaterials zugeführt wird, wobei der zweite Betrag an Gesamtenergie kleiner als der erste Betrag an Gesamtenergie ist, und wobei eine Region des Werkstücks zwischen der Schmelzpfütze für das vorauseilende Verbrauchsmaterial und der Schmelzpfütze für das nacheilende Verbrauchsmaterial entweder in einem verfestigten oder halbschmelzflüssigen Zustand ist.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Temperatur der Region im Bereich von 35 bis 90% der Temperatur der Schmelzpfütze für das vorauseilende Verbrauchsmaterial liegt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Temperatur der Region im Bereich von 50 bis 85% der Temperatur der Schmelzpfütze für das vorauseilende Verbrauchsmaterial liegt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei das nacheilende Verbrauchsmaterial um eine Distanz D von dem vorauseilenden Verbrauchsmaterial entfernt ist, wobei D im Bereich von 1,5 bis 5 Mal dem Durchmesser des vorauseilenden Verbrauchsmaterials liegt, und um eine Distanz X von der Mittelachse des vorauseilenden Verbrauchsmaterials entfernt ist, wobei X im Bereich von 1 bis 8 Mal dem Durchmesser des nacheilenden Verbrauchsmaterials liegt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei das nacheilende Verbrauchsmaterial um eine Distanz D von dem vorauseilenden Verbrauchsmaterial entfernt ist, wobei D im Bereich von 2 bis 4 Mal dem Durchmesser des vorauseilenden Verbrauchsmaterials liegt, und um eine Distanz X von der Mittelachse des vorauseilenden Verbrauchsmaterials entfernt ist, wobei X im Bereich von 1,5 bis 5 Mal dem Durchmesser des nacheilenden Verbrauchsmaterials liegt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei die Interaktionszone des vorauseilenden Verbrauchsmaterials durch einen kreisförmigen Bereich dargestellt wird, der einen Radius aufweist, der ungefähr dem Durchmesser des Verbrauchsmaterials entspricht, und auf der Mittelachse des vorauseilenden Verbrauchsmaterials zentriert ist, und wobei die Interaktionszone des nacheilenden Verbrauchsmaterials durch einen kreisförmigen Bereich dargestellt wird, der einen Radius aufweist, der ungefähr dem Durchmesser des nacheilenden Verbrauchsmaterials entspricht, und auf der Mittelachse der nacheilenden Verbrauchsmaterial zentriert ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei das nacheilende Verbrauchsmaterial in einem Winkel im Bereich von 10 bis 75 Grad außerhalb der Mittelachse des vorauseilenden Verbrauchsmaterials positioniert ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei die mehreren Verbrauchsmaterialien ein zweites nacheilendes Verbrauchsmaterial enthalten, das hinter dem vorauseilenden Verbrauchsmaterial auf einer gegenüberliegenden Seite einer Mittelachse des vorauseilenden Verbrauchsmaterials als das nacheilende Verbrauchsmaterial nacheilt und in die Pfütze und/oder in eine weitere der Schmelzpfützen vorangeschoben wird, und das zweite nacheilende Verbrauchsmaterial eine Interaktionszone in der zusätzlichen Schmelzpfütze hat, und ein dritter Betrag an Gesamtenergie in die Interaktionszone des zweiten nacheilenden Verbrauchsmaterials eingeleitet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei der dritte Betrag an Gesamtenergie der gleiche ist wie der zweite Betrag an Gesamtenergie.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei das zweite nacheilende Verbrauchsmaterial hinter dem vorauseilenden Verbrauchsmaterial symmetrisch mit Bezug auf das nacheilende Verbrauchsmaterial über einer Mittelachse des vorauseilenden Verbrauchsmaterials positioniert wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11, wobei jedes des nacheilenden Verbrauchsmaterials und des zweiten nacheilenden Verbrauchsmaterials um eine Distanz D von dem vorauseilenden Verbrauchsmaterial positioniert wird, wobei D im Bereich von 1,5 bis 5 Mal dem Durchmesser des vorauseilenden Verbrauchsmaterials liegt, und wobei das nacheilende Verbrauchsmaterial in einem ersten Winkel außerhalb der Mittelachse des vorauseilenden Verbrauchsmaterials positioniert wird, und das zweite nacheilende Verbrauchsmaterial in einem zweiten Winkel außerhalb der Mittelachse positioniert wird, wobei sich der zweite Winkel von dem ersten Winkel unterscheidet.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12, wobei mindestens einer des ersten und des zweiten Winkels im Bereich von 10 bis 75 Grad liegt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 13, das des Weiteren umfasst, das nacheilende Verbrauchsmaterial während des Voranschiebens mit Bezug auf die Mittelachse zu bewegen.
Plattierungssystem (700), das Folgendes umfasst: eine Laservorrichtung (120, 120', 130), die mindestens einen Laserstrahl (110, 110') auf eine Oberfläche eines Werkstücks (115) richtet, um eine Schmelzpfütze (145) auf einer Oberfläche des Werkstücks (115) zu erzeugen; mindestens eine Drahtzuführvorrichtung (150A, 150B, 150C), die mehrere Verbrauchsmaterialien (140A, 140B, 140C, 140D, 140E, 140F, 140G) in die Schmelzpfütze (145) hinein voranschiebt, so dass die Verbrauchsmaterialien (140A, 140B, 140C, 140D, 140E, 140F, 140G) auf dem Werkstück (115) abgeschieden werden; eine Schweißbrennerbaugruppe, die die mehreren Verbrauchsmaterialien (140A, 140B, 140C, 140D, 140E, 140F, 140G) empfängt und die mehreren Verbrauchsmaterialien (140A, 140B, 140C, 140D, 140E, 140F, 140G) auf die Schmelzpfütze (145) richtet; und mehrere Stromversorgungen (170A, 170B, 170C), von denen jede ein Erwärmungsstromsignal an die Schweißbrennerbaugruppe ausgibt, die die Erwärmungsstromsignale jeweils zu den mehreren Verbrauchsmaterialien (140A, 140B, 140C, 140D, 140E, 140F, 140G) richtet, um jedes der Verbrauchsmaterialien (140A, 140B, 140C, 140D, 140E, 140F, 140G) in der Schmelzpfütze (145) zu schmelzen; wobei die Schweißbrennerbaugruppe eines der mehreren Verbrauchsmaterialien (140A, 140B, 140C, 140D, 140E, 140F, 140G) als ein vorauseilendes Verbrauchsmaterial (140A) positioniert und ein anderes der Verbrauchsmaterialien (140A, 140B, 140C, 140D, 140E, 140F, 140G) als ein nacheilendes Verbrauchsmaterial (140B, 140C, 140D, 140E, 140F, 140G) positioniert, das hinter dem vorauseilenden Verbrauchsmaterial (140A) in einer Vorschubrichtung nacheilt, während die Verbrauchsmaterialien (140A, 140B, 140C, 140D, 140E, 140F, 140G) während des Betriebes in die Schmelzpfütze (145) hinein vorangeschoben werden, wobei jedes der mehreren Verbrauchsmaterialien (140A, 140B, 140C, 140D, 140E, 140F, 140G) eine jeweilige Interaktionszone (IZ) in der Schmelzpfütze (145) hat, und wobei ein erster Betrag an Gesamtenergie von dem mindestens einen Laserstrahl (110, 110') und dem jeweiligen der Erwärmungsstromsignale zu der Pfütze (145) in der Interaktionszone (IZ) für das vorauseilende Verbrauchsmaterial (140A) zugeführt wird und ein zweiter Betrag an Gesamtenergie von dem mindestens einen Laserstrahl (110, 110') und dem jeweiligen der Erwärmungsstromsignale zu der Pfütze (145) in der Interaktionszone (IZ) für das nacheilende Verbrauchsmaterial (140B, 140C, 140D, 140E, 140F, 140G) zugeführt wird, und wobei der zweite Betrag an Gesamtenergie kleiner als der erste Betrag an Gesamtenergie ist.