DE202012012934U1

DE202012012934U1 - Vorrichtung zur Freisetzung von Gasansammlungen in einer GMAW-Schweißnaht mittels Laser nach dem Schweißen

Info

Publication number: DE202012012934U1
Application number: DE202012012934.1U
Authority: DE
Original assignee: Lincoln Global Inc
Current assignee: Lincoln Global Inc
Priority date: 2011-10-06
Filing date: 2012-10-05
Publication date: 2014-10-15
Anticipated expiration: 2022-10-06
Also published as: CN103987484A; US20130087543A1; WO2013050863A1; BR112014008069A2; JP2014531325A

Abstract

Vorrichtung zum Schweißen, ausgestaltet zum Schweißen mindestens eines Werkstücks mit einem Lichtbogenschweißprozess, dergestalt, dass eine flüssige Schweißpfütze aus dem mindestens einen Werkstück gebildet wird, wobei das Schweißen in einer Vorschubrichtung ausgeführt wird; und Richten eines Energiestrahls auf eine Oberfläche der Schweißpfütze stromabwärts des Lichtbogenschweißprozesses, mit Bezug auf die Vorschubrichtung, dergestalt, dass der Energiestrahl Wärmeenergie zu der Schweißpfütze hinzufügt, um eine Form der Schweißpfütze zu modifizieren; wobei ein Schweißstoß, der durch den Schweiß- und den Richtungsschritt gebildet wird, eine Querschnittsporosität von maximal 30% und eine Längsporosität von maximal 30% aufweist.

Description

PRIORITÄT
Die vorliegende Erfindung ist eine Teilweiterbehandlung der US-Patentanmeldung Nr. 13/267,641, eingereicht am 6. Oktober 2011, deren Offenbarung durch Bezugnahme in ihrer Gesamtheit in den vorliegenden Text aufgenommen wird.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Technisches Gebiet
Systeme der vorliegenden Erfindung betreffen das Schweißen und Zusammenfügen, und insbesondere das Schweißen und Zusammenfügen beschichteter Materialien.
Beschreibung des Standes der Technik
Viele geschweißte Strukturen werden in Umgebungen verwendet, die Oberflächenbeschichtungen zum Verhindern von Korrosion erfordern. Zum Beispiel wird gemeinhin die Verzinkung von Stahl (durch Galvanisierung oder Galvannealing) verwendet werden, um den Stahl vor Korrosion zu schützen, wenn der Stahl gegenüber der Umgebung exponiert ist. Es ist sehr schwierig, Materialien zu galvanisieren, nachdem sie vor Ort geschweißt wurden, und darum werden die meisten Stahlkomponenten vor dem Schweißen galvanisiert. Jedoch kann das Schweißen beschichteter Materialien ein schwieriger Prozess sein, weil die Beschichtung den Schweißprozess behindern und die Qualität der Schweißnaht beeinträchtigen kann. Zum Beispiel verdampft das Zink in der Galvanisierung aufgrund der Wärme eines Schweißlichtbogens, und dieses Verdampfen kann erhebliche Schweißspritzer verursachen oder kann in der Schweißpfütze eingeschlossen werden, was zu Porosität in der Schweißnaht führt. Aufgrund dessen erfolgt das Schweißen beschichteter Materialien erheblich langsamer als das Schweißen unbeschichteter Materialien.
KURZE BESCHREIBUNG
Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung enthalten Gerätschaften zum Schweißen mindestens eines Werkstücks mit einem Lichtbogenschweißprozess, dergestalt, dass eine flüssige Schweißpfütze aus dem mindestens einen Werkstück gebildet wird und das Schweißen in einer Vorschubrichtung ausgeführt wird. Des Weiteren wird ein Energiestrahl auf eine Oberfläche der Schweißpfütze stromabwärts des Lichtbogenschweißprozesses relativ zu der Vorschubrichtung gerichtet, dergestalt, dass der Energiestrahl Wärmeenergie zu der Schweißpfütze hinzufügt, um eine Form der Schweißpfütze zu modifizieren. Ein durch den Prozess erzeugter Schweißstoß hat eine Querschnittsporosität von maximal 30% und eine Längsporosität von maximal 30%. Weitere Ausführungsformen lassen sich aus der folgenden Beschreibung, den Zeichnungen und/oder den Ansprüchen herleiten.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Die oben dargelegten und/oder weitere Aspekte der Erfindung werden besser verstanden, indem im Detail beispielhafte Ausführungsformen der Erfindung mit Bezug auf die beiliegenden Zeichnungen beschrieben werden, in denen Folgendes dargestellt ist:
1 ist eine schaubildhafte Darstellung eines Schweißstoßes, der durch einen Schweißprozess hergestellt wurde;
2A bis 2C sind schaubildhafte Darstellungen eines Reinigungsvorgangs gemäß beispielhaften Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung;
3A bis 3B sind schaubildhafte Darstellungen eines Schweißstoßes, der gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung hergestellt wurde;
4 ist eine schaubildhafte Darstellung einer weiteren beispielhaften Ausführungsform eines Schweißstoßes, der gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung hergestellt wurde;
5 ist eine schaubildhafte Darstellung einer beispielhaften Ausführungsform eines Schweißsystems gemäß der vorliegenden Erfindung;
6 ist eine schaubildhafte Darstellung einer beispielhaften Ausführungsform eines Abschnitts eines Schweißsystems;
7 ist eine schaubildhafte Darstellung einer weiteren beispielhaften Ausführungsform eines Schweißsystems der vorliegenden Erfindung;
8 ist eine schaubildhafte Darstellung einer weiteren beispielhaften Ausführungsform eines Schweißsystems der vorliegenden Erfindung;
9 ist eine schaubildhafte Darstellung einer integralen Schweißkopfeinheit gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
10 ist eine schaubildhafte Darstellung einer weiteren beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
11 ist eine schaubildhafte Darstellung eines Schweißvorgangs unter Verwendung der beispielhaften Ausführungsform von 10;
12 ist eine schaubildhafte Darstellung einer Schweißpfütze, die durch die beispielhafte Ausführungsform von 10 gebildet wurde;
13 ist eine schaubildhafte Darstellung eines weiteren beispielhaften Schweißsystems der vorliegenden Erfindung; und
14 ist eine schaubildhafte Darstellung eines Schweißsystems gemäß einer weiteren beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG VON BEISPIELHAFTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
Im Folgenden werden nun beispielhafte Ausführungsformen der Erfindung unter Bezug auf die beiliegenden Figuren beschrieben. Die beschriebenen beispielhaften Ausführungsformen sollen das Verstehen der Erfindung unterstützen und sind nicht dazu da, den Geltungsbereich der Erfindung in irgendeiner Weise einzuschränken. Gleiche Bezugszahlen bezeichnen stets gleiche Elemente.
1 zeigt eine typische geschweißte Überlappnaht, wobei ein erstes Werkstück W1 teilweise auf ein zweites Werkstück W2 gelegt wird und die beiden mittels einer Schweißraupe WB verschweißt werden. In der Schweißindustrie wird diese Art der Verbindung gemeinhin als eine Überlappnaht bezeichnet. Überlappnähte sind in der Automobilindustrie üblich. Zusätzlich zu Überlappnähten können Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung mehrere verschiedene Arten von Nähten schweißen, wie zum Beispiel Kehlnähte, Zapfenverbindungen, Stumpfschweißnähte usw. Wie in 1 gezeigt, hat mindestens eines der Werkstücke eine Beschichtung C1/C2 auf der zu schweißenden Oberfläche, wobei die Beschichtungen eine andere Materialzusammensetzung als das Werkstück haben. Beispielsweise kann diese Beschichtung eine korrosionsbeständige Beschichtung sein, wie zum Beispiel eine Galvanisierung. Weil die Werkstücke beschichtet sind, tragen die Flächen der Werkstücke, die einander berühren – S1 und S2 –, ebenfalls Beschichtungen. Während des Schweißens verdampft die Wärme des Schweißlichtbogenplasmas die Beschichtungen C1/C2. Die verdampften Beschichtungen C1/C2, die nicht durch die Überlappung der Werkstücke bedeckt werden, werden entweder in der Regel durch Schweißdampfabzug aus der Schweißzone abgezogen oder verflüchtigen sich einfach, so dass der Dampf nicht die Schweißnaht beeinträchtigt. Jedoch verdampfen die Beschichtungen C1/C2, die sich auf den Kontaktflächen S1/S2 sind auch verdampften, aufgrund der typische Einbrandtiefe durch den Schweißraupe WB. Jedoch befinden sich die verdampften Beschichtungen der Kontaktflächen S1/S2 während des Schweißens in einer Entfernung von der Oberfläche der Schweißpfütze und müssen darum die Schmelzpfütze durchqueren, um zu versuchen, die Schweißpfütze zu verlassen, bevor sich die Schweißraupe verfestigt. Wenn jedoch das Schweißtempo zu schnell ist, so verfestigt sich die Pfütze, bevor die verdampften Beschichtungen entweichen können. Das führt zu Porosität in der Schweißraupe. Diese Porosität kann besonders schwerwiegend sein, wenn eine Blase eine Spur in der Schweißpfütze hinterlässt, die sich nicht hinter der Blase schließt. Die Hohlräume, die durch das Entweichen verdampfter Beschichtungen entstehen, können die Qualität einer Schweißnaht in erheblichem Maße verschlechtern.
Aufgrund dessen Porositätsprobleme muss das Schweißen beschichteter Werkstücke im Vergleich zum Schweißen nicht-beschichteter Werkstücke stark verlangsamt werden. Durch die geringe Arbeitsgeschwindigkeit bleibt genügend Zeit, dass die verdampften Beschichtungen aus der schmelzflüssigen Schweißpfütze entweichen können. Jedoch neigen diese geringen Geschwindigkeiten dazu, die Wärmeabgabe in die Schweißnaht zu verstärken und die Gesamtgeschwindigkeit und -effizienz des Schweißvorgangs zu verringern. Zum Beispiel betragen beim Schweißen von galvanisiertem Stahl im Fall von Werkstücken mit einer Dicke von etwa 1/16 Inch (16 gauge) die typischen Vorschubgeschwindigkeiten 15 bis 25 Inch/Minute. Alternativ mussten die Schweißer oft die Beschichtung von dem Werkstück herunterschleifen oder -schmirgeln, was ebenfalls ein zeitaufwändiger und arbeitsintensiver Prozess ist.
Wie bereits besprochen, ist eine häufig anzutreffende Beschichtung eine Galvanisierung zum Schutz vor Korrosion. Jedoch gehören zu anderen Beschichtungen, die ähnliche Probleme verursachen können, beispielsweise Anstrichstoffe, Stanzschmiermittel, Glasauskleidungen, aluminierte Beschichtungen, Oberflächenwärmebehandlung, Nitridierungs- oder Karbonierungsbehandlungen, Plattierungsbehandlungen oder andere Aufdampfungsbeschichtungen oder -materialien.
2A bis 2C zeigen eine beispielhafte Ausführungsform eines Reinigungssystems 100, das eine Stromversorgung 108 und eine energiereiche Wärmequelle 109 verwendet, um einen Strahl 111 auf eine Oberfläche eines Werkstücks W zu richten, um die Beschichtung C aus einer Ablationszone 102 zu ablatieren. Die Ablationszone 102 ist der Bereich, auf den eine anschließende Schweißnaht aufgebracht wird, und ist allgemein durch eine rechteckige Fläche definiert, die die Vorschublänge und -breite des Strahls 111 auf der Oberfläche der Werkstück W umfasst. In beispielhaften Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung ist die Wärmequelle ein Laser 109 (wie in den Figuren gezeigt). Jedoch sind andere Ausführungsformen nicht auf die Verwendung eines Lasers beschränkt, und es können auch andere Arten von Wärmequellen verwendet werden. Des Weiteren können viele verschiedene Arten von Lasern verwendet werden, und aufgrund der relativ geringen Temperaturanforderungen an das Ablatieren oder Entfernen einer Beschichtung ist es nicht notwendig, sehr energiereiche Laser oder Wärmequellen zu verwenden. Solche Laser- oder Wärmequellensysteme (einschließlich der Wärmequelle 109 und der Stromversorgung 108) sind bekannt und brauchen im vorliegenden Text nicht im Detail beschrieben zu werden.
In beispielhaften Ausführungsformen sollten die Energiedichte und der Brennpunkt des Strahls 111 nicht zu hoch sein, so dass das darunter liegende Werkstück W im Wesentlichen geschmolzen wird, da ein solches Schmelzen den Lichtbogenschweißprozess behindern könnte. In beispielhaften Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung kann ein Laser 109 mit einem Leistungspegel von 10 W bis 10 kW verwendet werden. In anderen beispielhaften Ausführungsformen soll der Laserstrahl 111 eine Stromdichte von mindestens 10⁵ W/cm² und Interaktionszeiten von maximal 5 ms haben. In einigen Ausführungsformen sollten die Interaktionszeiten im Bereich von 1 bis 5 ms liegen. Die Intensität und die Interaktionszeiten des Lasers (oder der Wärmequelle) sollten so gewählt sein, dass ein nennenswertes Schmelzen des Grundwerkstoffs vermieden wird. Weil die zum Ablatieren oder Entfernen der Beschichtungen erforderliche Wärme in der Regel nicht hoch ist, beeinflusst dieser Reinigungsprozess die Wärmeeinflusszone eines Schweißstoßes nicht mehr als der Schweißprozess selbst. Der Laser kann von jeder bekannten Art sein, wie zum Beispiel Kohlendioxid-, Nd:YAG-, Yb-Disk-, YB-Faser, faserzugeführte oder Direktdiodenlasersysteme. Des Weiteren können sogar Weißlicht- oder Quarzlampensysteme verwendet werden, wenn sie genügend Energie haben. Andere Ausführungsformen des Systems können andere Arten von energiereichen Quellen verwenden, die in der Lage sind, die Beschichtungen auf der Oberfläche des Werkstücks zu verdampfen, und können einen Elektronstrahl, ein Plasma-Lichtbogenschweiß-Teilsystem, ein Gas-Wolfram-Lichtbogenschweiß-Teilsystem, ein Gas-Metall-Lichtbogenschweiß-Teilsystem, ein Füllelektroden-Lichtbogenschweiß-Teilsystem und/oder ein Unterpulver-Lichtbogenschweiß-Teilsystem enthalten, das als die hoch-intensive Energiequelle dient. Wenn jedoch energiereichere Quellen verwendet werden, so müssen ihre Energiedichte und ihre Wärme so gesteuert werden, dass nur mindestens ein Abschnitt der Beschichtung verdampft wird, aber nicht das darunter liegende Werkstück wesentlich geschmolzen oder angegriffen wird.
Die in Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung benutzten Laser können beispielsweise Dauerstrichlaser, gepulste Laser, gütegeschaltete Laser oder andere Arten von Lasern sein, die genügend Spitzenleistung und Energiedichte besitzen, um den gewünschten Reinigungsvorgang auszuführen. Der Strahl 11 von dem Laser 109 kann durch eine Optik oder die Stromversorgung 108 gesteuert werden, um einen Strahlquerschnitt zu bilden, der rund, rechteckig, quadratisch oder elliptisch sein oder andere gewünschte Formen haben kann. Des Weiteren können Strahlteiler verwendet werden, um mehrere Strahlen oder Auftreffpunkte auf der Oberfläche zu bilden. Der Strahl kann auch abgetastet oder auf sonstige Weise manipuliert werden, um für die Dauer einer vorgegebenen Interaktionszeit die gewünschte Leistungsverteilung auf der Oberfläche zu bilden, um die gewünschten Reinigung zu erreichen.
Während der Ablation wird die Wärmequelle 109 durch die Stromversorgung 108 gespeist und sendet einen Strahl 111 an der Oberfläche aus. Es ist anzumerken, dass in dieser Anmeldung die Wärmequelle 109 auch als ein „Laser” bezeichnet wird. Aber wie oben dargelegt, sind Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung nicht auf die Verwendung nur eines Lasers beschränkt. „Laser” wird hier nur im Kontext der Besprechung einer beispielhaften Ausführungsform verwendet. Während des Entfernens sendet der Laser 109 einen Strahl 111 aus, der auf die Oberfläche des Werkstücks auftrifft, um die Beschichtung C zu ablatieren oder zu entfernen. Wie in 2A gezeigt, entfernt der Strahl 111 die gesamte Beschichtung C von der Oberfläche des Werkstücks in der Ablationszone 102, aber schmilzt das Werkstück nicht wesentlich. Das heißt, dass keine Schmelzpfütze des Werkstückmaterials auf der Oberfläche des Werkstücks gebildet wird. Die Breite und die Länge der Ablationszone 102 sind eine Funktion der auszuführenden Schweißnaht, und das Entfernen der Beschichtung kann jederzeit vor dem Schweißen erfolgen.
Wie in 2A gezeigt, wird der Strahl 111 während des Prozesses des Entfernens über die Ablationszone 102 hinweg vor und zurück oszilliert, während das Werkstück durch einen Motor in einer Vorschubrichtung bewegt wird. Jedoch Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung sind in dieser Hinsicht nicht beschränkt, da der Laser in einer Vorschubrichtung bewegt werden kann, während das Werkstück unbewegt bleibt. Des Weiteren braucht der Strahl 111 in anderen Ausführungsformen nicht translatiert zu werden. Zum Beispiel kann der Strahl 111 eine solche Breite an der Oberfläche haben, dass er die gesamte Breite der Ablationszone ablatiert, ohne zu oszillieren. Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung sind in dieser Hinsicht nicht beschränkt.
In weiteren Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung es ist nicht erforderlich, dass der Strahl 111 die gesamte Dicke der Beschichtung C entfernt. In einigen Schweißoperationen kann es ausreichen, eine Teilmenge der Beschichtung zu entfernen, um eine akzeptable Schweißnaht zu erreichen. Zum Beispiel ist in einigen Schweißoperationen ein minimaler Grad an Porosität akzeptabel. Um den Prozess zu beschleunigen, kann es hinreichen, nicht mehr als 50% der Dicke der Beschichtung auf dem Werkstück W zu ablatieren. In anderen beispielhaften Ausführungsformen kann es erforderlich sein, 75% der Dicke der Beschichtung zu ablatieren.
Wie in den 2B und 2C gezeigt, ist es in einigen beispielhaften Ausführungsformen nicht notwendig, den gesamten Bereich der Ablationszone 102 mit dem Strahl zu ablatieren. Wie oben angemerkt, produzieren einige Schweißoperationen akzeptable Schweißraupen mit einem minimalen Grad an Porosität. Aufgrund dessen ist es unter Umständen nicht erforderlich, die gesamte Beschichtung C in dem Bereich 102 zu entfernen. Somit können in einigen beispielhaften Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung der Laser 109 und der Strahl 111 einen Bereich der Beschichtung C entfernen, der kleiner als der gesamte Ablationsbereich 102 ist. Wie in 2B gezeigt, entfernt der Strahl 111 die Beschichtung dergestalt, dass Hohlräume 104 (in der Form von Rinnen) in der Beschichtung C gebildet werden. In dieser Ausführungsform ist der Reinigungsvorgang insgesamt schneller, als wenn die gesamte Beschichtung C entfernt wird. Des Weiteren kann das Entstehen von Rinnen 104 in der Beschichtung das Abziehen von verdampfter Beschichtung aus der Schweißzone während des Schweißens unterstützen. Genauer gesagt, können sich, wie in 2B gezeigt, die Rinnen bis zu einem Ende des Werkstücks W erstrecken, dergestalt, dass, wenn ein anderes Werkstück zum Schweißen auf das Werkstück W gelegt wird, die Rinnen Hohlräume zwischen den zwei Werkstücken bilden. Diese Hohlräume bilden einen Austrittspfad für die verdampfte Beschichtung, so dass eine minimale Menge an verdampfter Beschichtung in die Schweißpfütze eintritt oder diese zu durchqueren versucht. Somit kann durch das Bilden von Rinnen oder Hohlräumen auf der Beschichtung C der Ablationsprozess insgesamt beschleunigt werden (weil weniger Material entfernt wird), während nach wie vor eine hohe Geschwindigkeit und eine geringe Porosität in den Schweißnähten gewährleistet sind. In beispielhaften Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung entfernt der Strahl 111 die Beschichtung C von mindestens 40% der Fläche der Ablationszone 102. In anderen beispielhaften Ausführungsformen entfernt der Strahl 111 die Beschichtung C von mindestens 65% der Fläche der Ablationszone 102.
2C zeigt eine weitere Ausführungsform, wo der Strahl 111 Hohlräume 106 in der Beschichtung C der Schweißoberfläche des Werkstücks W erzeugt. Die Hohlräume 106 können von beliebiger Form oder Größe sein, um das Reduzieren der Menge an verdampfter Beschichtung zu unterstützen, welche in die Schweißpfütze eintritt oder diese zu passieren versucht, um zu entweichen.
3A und 3B zeigen Werkstücke W1 und W2, nachdem die Beschichtung entfernt wurde, gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung. Wie zu erkennen ist, haben die Flächen S1 und S2 nicht mehr die volle oder ursprüngliche Menge an Beschichtung in der Schweißzone. In diesen Figuren wurde die volle Menge an Beschichtung C1/C2 entfernt, aber wie oben beschrieben, könnte in einigen Ausführungsformen auf das vollständige Entfernen verzichtet werden. Wenn diese Werkstücke nun verschweißt werden (3B), so erzeugt der Einbrand der Schweißraupe kein verdampftes Beschichtungsmaterial, wodurch die Geschwindigkeit des Schweißvorgangs erhöht werden kann, ohne die Menge an Schweißspritzern oder Porosität zu erhöhen. Zum Beispiel können Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung Schweißgeschwindigkeiten auf beschichteten Stahlmaterialien mit einer Dicke im Bereich von 1/16'' bis 3/16'' von mindestens 50 Inch/min mit den oben beschriebenen Porositäts- und Schweißspritzerwerten erreichen. In einigen Ausführungsformen liegt die Geschwindigkeit im Bereich von 50 bis 100 Inch/Minute, und in anderen Ausführungsformen liegt die Geschwindigkeit im Bereich von 70 bis 100 Inch/min. In einigen Ausführungsformen können diese Geschwindigkeiten erreicht werden, während gleichzeitig die Beschichtung entfernt und geschweißt wird.
In den oben besprochenen Ausführungsformen werden die Werkstücke durch den Laser 109 an irgendeinem Punkt vor dem Schweißvorgang gereinigt. Dieser Reinigungsvorgang kann an einer anderen Arbeitsstation separat von dem Schweißvorgang stattfinden, kann aber auch mit einer Schweißstation hintereinandergeschaltet sein, um die betriebliche Effizienz zu erhöhen. Des Weiteren kann die Reinigung gleichzeitig mit dem Schweißvorgang ausgeführt werden.
Die oben dargelegten Ausführungsformen haben das Entfernen und/oder die Ablation einer Oberflächenbeschichtung auf einem Werkstück W besprochen. Jedoch können andere Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung den Laser 109 und den Strahl 111 verwenden, um Eigenschaften oder die chemische Zusammensetzung der Beschichtung vor dem Schweißen zu modifizieren. In einigen Ausführungsformen ist es unter Umständen nicht erforderlich, die Beschichtung zu entfernen oder zu ablatieren, wohl aber, ihre Zusammensetzung oder ihre Eigenschaften zu verändern. Zum Beispiel ist es bekannt, dass die Kohlenwasserstoffe in Anstrichstoffen den Lichtbogenschweißprozess behindern können, während die anderen Komponenten von Anstrichstoffen nicht so problematisch sind. Insofern können der Laser 109 und der Strahl 111 dafür verwendet werden, die Kohlenwasserstoffe von den Anstrichstoffen abzubrennen, wodurch sich ihre Zusammensetzung verändert, während die Dicke der Anstrichstoffe insgesamt im Wesentlichen die gleiche wie vor der Ablation bleiben kann. Somit können andere Ausführungsformen dafür verwendet werden, die Eigenschaften oder die Zusammensetzung der Beschichtung zu verändern, anstatt sie zu entfernen. Natürlich kann dieser Prozess auch unter Verwendung ähnlicher Charakteristika, Eigenschaften, Verfahren und Gerätschaften ausgeführt werden, wie im vorliegenden Text für das Entfernen von Beschichtungen beschrieben ist.
4 zeigt einen Schweißvorgang, bei dem die eine oder die mehreren Beschichtungen unmittelbar vor dem Schweißen der Naht bestrahlt werden. Genauer gesagt, wird in der oberen Figur ein Strahl 111 so auf die Naht gerichtet, dass der Strahl 111 in die Naht eindringt, um mindestens einen Teil der Beschichtungen auf den Werkstücken W1/W2 zu verdampfen oder zu entfernen. In einigen Ausführungsformen kann während dieses Prozesses eine Laserschweißraupe 401 gebildet werden, die durch das Schmelzen von Abschnitten eines jeden der Werkstücke W1 und W2 entsteht. Natürlich sollte die Einbrandtiefe des Strahls 111 so gesteuert werden, dass die Werkstücke strukturell nicht beschädigt werden. Weil die Beschichtungen in dieser Region während des Bestrahlens verdampft werden, kann zumindest etwas Porosität in der Schweißraupe 401 vorliegen. Jedoch wird in dieser Ausführungsform unmittelbar im Anschluss an die Bestrahlung ein Lichtbogenschweißvorgang an der Stoßstelle ausgeführt (untere Figur). Der Prozess des Lichtbogenschweißens erzeugt eine Lichtbogenschweißraupe 403, die mindestens einen Teil der Laserschweißraupe 401 verzehrt, und aufgrund dieses anschließenden Lichtbogenschweißvorgangs wird – insofern Porosität in der Strahlschweißraupe 401 vorhanden war – diese Porosität durch die Lichtbogenschweißraupe 403 hindurch entwichen sein. Somit können in einigen beispielhaften Ausführungsformen die Laserreinigung und das Lichtbogenschweißen gleichzeitig stattfinden. Solche Ausführungsformen können die Effizienz des Schweißvorgangs in erheblichem Maße verbessern.
In jeder der oben besprochenen Ausführungsformen können, weil der Laser 109 nahezu die gesamte Beschichtung oder die gesamte Beschichtung von der Oberfläche entfernt, Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung Schweißgeschwindigkeiten erreichen, die zuvor beim Schweißen beschichteter Materialien nicht erreicht werden konnten. Zum Beispiel können Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung Schweißgeschwindigkeiten mit beschichteten Materialien erreichen, die denen von unbeschichteten Materialien entsprechen. Weil Lichtbogenschweißsysteme allgemein bekannt sind, brauchen solche selbstständigen Systeme im vorliegenden Text nicht gezeigt oder erläutert zu werden.
Des Weiteren können nicht nur höhere Schweißgeschwindigkeiten erreicht werden, sondern sie können mit minimalen Mengen an Porosität und Schweißspritzern erreicht werden. Die Porosität einer Schweißnaht kann durch Untersuchen eines Querschnitts und/oder einer Länge der Schweißraupe zum Ermitteln der Porositätsverhältnisse bestimmt werden. Das Querschnittsporositätsverhältnis ist die Gesamtfläche der Porosität in einem vorgegebenen Querschnitt über der Gesamtquerschnittsfläche des Schweißstoßes an jenem Punkt. Das Längsporositätsverhältnis ist die Gesamtlänge von Poren in einer bestimmten Längeneinheit eines Schweißstoßes. Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung können die oben beschriebenen Vorschubgeschwindigkeiten mit einer Querschnittsporosität zwischen 0 und 30% erreichen. So hat eine Schweißraupe ohne Blasen oder Hohlräume 0% Porosität. In anderen beispielhaften Ausführungsformen kann die Querschnittsporosität im Bereich von 5 bis 20% liegen, und in einer anderen beispielhaften Ausführungsform kann sie im Bereich von 0 bis 10% liegen. Es versteht sich, dass in einigen Schweißanwendungen ein gewisser Grad an Porosität akzeptabel ist. Des Weiteren liegt in beispielhaften Ausführungsformen der Erfindung die Längsporosität der Schweißnaht im Bereich von 0 bis 30% und kann 5 bis 20% betragen. In weiteren beispielhaften Ausführungsformen liegt das Längsporositätsverhältnis im Bereich von 0 bis 10%. So können zum Beispiel Schweißnähte in beschichteten Materialien hergestellt werden, die eine Querschnittsporosität im Bereich von 0 bis 10% und ein Längsporositätsverhältnis von 0 bis 10% haben.
Des Weiteren können Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung im Vergleich zu früheren Verfahren zum Schweißen beschichteter Materialien mit den oben angegebenen Vorschubgeschwindigkeiten mit wenig oder gar keinen Schweißspritzern schweißen (wobei sich die Beschichtung während des Schweißens an ihrem Platz befindet). Zu Schweißspritzern kommt es, wenn Tröpfchen der Schweißpfütze veranlasst werden, über den Rand der Schweißzone hinaus zu spritzen. Wenn es zu Schweißspritzern kommt, so kann dies die Qualität der Schweißnaht beeinträchtigen und kann Produktionsverzögerungen verursachen, da sie nach dem Schweißprozess in der Regel von den Werkstücken entfernt werden müssen. Es gibt demnach wesentliche Vorteile bei einem Schweißen mit hoher Geschwindigkeit ohne Schweißspritzer. Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung sind befähigt, mit den oben genannten hohen Vorschubgeschwindigkeiten mit einem Schweißspritzerfaktor im Bereich von 0 bis 3 zu schweißen, wobei der Schweißspritzerfaktor das Gewicht der Schweißspritzer über eine bestimmte Vorschubdistanz X (in mg) über dem Gewicht des verbrauchten Schweißdrahtes 140 über dieselbe Distanz X (in kg) ist. Das heißt: Schweißspritzerfaktor = (Schweißspritzergewicht (mg)/verbraucht Schweißdraht Gewicht (kg))
Die Distanz X sollte eine Distanz sein, die eine repräsentative Abtastung des Schweißstoßes erlaubt. Das heißt, wenn die Distanz X zu kurz ist, zum Beispiel 0,5 Inch, so ist sie möglicherweise nicht repräsentativ für die Schweißnaht. Somit würde ein Schweißstoß mit einem Schweißspritzerfaktor von 0 keine Schweißspritzer für den verbrauchten Schweißdraht über die Distanz X haben, und eine Schweißnaht mit einem Schweißspritzerfaktor von 2,5 hätte 5 mg Schweißspritzer für 2 kg verbrauchten Schweißdraht. In einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung liegt der Schweißspritzerfaktor im Bereich von 0 bis 3. In einer weiteren beispielhaften Ausführungsform liegt der Schweißspritzerfaktor im Bereich von 0 bis 1. In einer anderen beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung liegt der Schweißspritzerfaktor im Bereich von 0 bis 0,5. Es ist anzumerken, dass Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung die oben beschriebenen Schweißspritzerfaktorbereiche erreichen können, wenn beschichtete Materialien geschweißt werden, wobei die Beschichtung während des Schweißvorgangs auf dem Werkstück bleibt, während hohe Geschwindigkeiten erreicht werden, die normalerweise nur auf unbeschichteten Werkstücken erreichbar sind.
Es gibt eine Anzahl von Verfahren zum Messen von Schweißspritzern für einen Schweißstoß. Ein Verfahren kann die Verwendung eines „Schweißspritzerbootes” enthalten. Bei einem solchen Verfahren wird eine repräsentative Schweißnahtprobe in einen Behälter von ausreichender Größe verbracht, um alle, oder nahezu alle, durch eine Schweißraupe erzeugten Schweißspritzer aufzufangen. Der Behälter oder Abschnitte des Behälters, wie zum Beispiel die Oberseite, können sich mit dem Schweißprozess bewegen, um sicherzustellen, dass die Schweißspritzer aufgefangen werden. In der Regel besteht das Boot aus Kupfer, so dass die Schweißspritzer nicht an den Oberflächen haften bleiben. Die repräsentative Schweißnaht wird über dem Boden des Behälters ausgeführt, so dass alle während des Schweißens entstehenden Schweißspritzer in den Behälter fallen. Während des Schweißens wird die Menge des verzehrten Schweißdrahtes überwacht. Nachdem das Schweißen vollendet ist, wird das Schweißspritzerboot mit einer hinreichend genauen Vorrichtung gewogen, um die gegebenenfalls vorhandene Differenz zwischen dem Gewicht des Behälters vor und nach dem Schweißen zu bestimmen. Diese Differenz stellt das Gewicht der Schweißspritzer dar und wird dann durch den Betrag in kg des verzehrten Schweißdrahtes geteilt. Alternativ können die Schweißspritzer, wenn sie nicht an dem Boot haften, entfernt und allein gewogen werden.
5 zeigt ein Schweißsystem 500 gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, bei der die Reinigungs- und die Schweißoperation gleichzeitig stattfinden. Genauer gesagt, enthält das System 500 eine Schweißstromversorgung 101, die eine Lichtbogenschweißwellenform an eine Elektrode 103 abgibt. Die Elektrode 103 wird durch eine Kontaktspitze 105 über ein Drahtzuführsystem 107 auf ein Werkstück W gerichtet. Dieses Lichtbogenschweißsystem kann von einer beliebigen bekannten Art eines Lichtbogenschweißsystems sein, einschließlich beispielsweise zum Gas-Metall-Lichtbogenschweißen (GMAW). Nicht gezeigt ist ein Inertgas- oder Dampfabzugssystem, das oft beim Lichtbogenschweißen verwendet wird. Die Stromversorgung 101 erzeugt einen Schweißlichtbogen zwischen der Elektrode 103 und dem Werkstück W, so dass die Elektrode 103 in einer Schweißraupe abgeschieden wird. Wie oben beschrieben, bestrahlt der Laser 109 die Beschichtung des Werkstücks W mit einem Strahl, um die Beschichtung vor dem Schweißen zu entfernen oder zu ablatieren. Das Energieniveau des Strahls 111 ist so gewählt, dass kein nennenswertes Schmelzen des Werkstücks W stattfindet. Die Gestalt oder der Querschnitt des Strahls 111 ist so anzupassen, dass ein ausreichendes Ablatieren oder Entfernen der Beschichtung vor dem Schweißen stattfindet.
6 zeigt einen Aspekt des Schweißsystems gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung. Wie gezeigt, erfolgt das Lichtbogenschweißen in einer Distanz Z hinter dem Ablationsvorgang. In beispielhaften Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung liegt die Distanz Z im Bereich von 0,5 bis 6 Inch. In anderen beispielhaften Ausführungsformen liegt die Distanz Z im Bereich von 0,5 bis 3,5 Inch. Natürlich ist es in anderen Ausführungsformen nicht erforderlich, dass das Schweißen unmittelbar nach dem Ablationsvorgang stattfindet. Die Laserablation kann ebenso in einer anderen Arbeitsstation stattfinden.
7 zeigt eine weitere beispielhafte Ausführungsform eines Schweißsystems 200 gemäß der vorliegenden Erfindung. In diesem System 200 sind ein Dampfabzugssystem 201 und eine Düse 203 enthalten. Die Düse 203 ist so positioniert, dass sie alles verdampfte Beschichtungsmaterial aus der Schweißzone abziehen kann. Dies verhindert, dass der Dampf die Schweißnaht kontaminiert oder auf sonstige Weise eine Abschirmung beeinträchtigt, die für die Schweißoperation erforderlich sein kann. In der gezeigten Ausführungsform ist die Düse mit dem Laser 109 so gekoppelt, dass die Düse 203 den Laserstrahl 111 umfängt. In einer beispielhaften Ausführungsform befindet sich das Ende der Düse 203 in einer Distanz X in einen Bereich von 0,125 bis 0,5 Inch über der Oberfläche des Werkstücks. Die Distanz X darf nicht die Schweißoperation behindern, sondern sollte ausreichend sein, um wenigstens einen Teil der verdampften Beschichtung während der Ablation zu entfernen. Des Weiteren sind in 4 eine Schutzgaszufuhr 205 und eine Düse 207 gezeigt, um das Schutzgas zu der Schweißstelle zu leiten. Solche Systeme sind allgemein bekannt und werden hier nicht mehr ausführlich besprochen.
8 zeigt eine weitere beispielhafte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Das Schweißsystem 300 verwendet eine Systemsteuereinheit 301, der mindestens die Schweißstromversorgung 101 mit der Laserstromversorgung 108 koppelt, so dass der Betrieb dieser Komponenten synchronisiert werden kann. Eine solche Ausführungsform kann das einfache Synchronisieren dieser Komponenten während des Systemstarts, des Schweißens und des Schweißstopps erlauben. Des Weiteren kann die Steuereinheit 301 Justierungen der Laserstromversorgung 108 und/oder der Schweißstromversorgung 101 während einer Schweißoperation erlauben. Das heißt, die Steuereinheit 301 kann die Laserstromversorgung 108 anweisen, eine erste Leistungsdichte für den Laserstrahl für eine erste Region der Schweißnaht und dann eine zweite Leistungsdichte (die sich von der ersten unterscheidet) für eine zweite Region der Schweißnaht bereitzustellen. Natürlich kann die Leistungsdichte auch unverändert bleiben, aber die Größe des Ablationsbereichs oder der Ablationszone kann nach Bedarf verändert werden. Gleichermaßen kann sich auch das Ablationsmuster nach Bedarf von einer ersten Region zu einer zweiten Region des Schweißstoßes ändern. Zum Beispiel kann ein herzustellender Schweißstoß während einer einzelnen Schweißoperation variierende Parameter haben. Das heißt, die Steuereinheit 301 kann den Laser und den Schweißvorgang entsprechend steuern. Beispielsweise kann es wünschenswert sein, den Laser abzuschalten oder während des Schweißens das Energieniveau des Lasers oder die Strahlform zu ändern. Die Steuereinheit 301 erlaubt die Vornahme dieser Änderungen während des Schweißens. Des Weiteren kann der Laser 109 in einigen beispielhaften Ausführungsformen während des Schweißens nach Bedarf durch einen Motor 303 bewegt oder oszilliert werden. Auf ähnliche Weise kann die Optik des Lasers 109 durch eine Optiksteuereinheit 305 während des Schweißens geändert werden. Dies erhöht die Flexibilität des Systems 300 und erlaubt das Schweißen eines komplexen Schweißstoßes in einer einzelnen Schweißoperation. Zum Beispiel kann – anstelle der Verwendung zweier Strahlen zum Ablatieren mindestens zweier Schweißoberflächen – der Laser mit einer ausreichenden Rate vor und zurück oszilliert werden, so dass ein einzelner Strahl 111 mehrere Oberflächen hinreichend ablatieren kann. Auf ähnliche Weise kann die Optik des Lasers veranlasst werden, die Form des Strahls 111 oder die Strahldichte während des Schweißens zu ändern.
Es ist anzumerken, dass – obgleich die Steuereinheit 301 in 8 als eine separate Komponente gezeigt ist – die Steuereinheit auch in die Schweißstromversorgung 101 oder die Laserstromversorgung 108 integriert werden könnte (aber auch eine separate Komponente sein könnte).
In einer weiteren beispielhaften Ausführungsform ist ein Temperatursensor 307 vorhanden, um die Temperatur der Oberfläche des Werkstücks W an einem Punkt zwischen dem Strahlauftreffbereich und der Lichtbogenschweißoperation abzufühlen. Der Sensor 307 ist mit der Steuereinheit 301 gekoppelt, so dass die Steuereinheit 301 die Temperatur der Oberfläche des Werkstücks W überwachen kann, um sicherzustellen, dass das Werkstück nicht während des Ablationsprozesses überhitzt. Wenn also die Oberflächentemperatur zu hoch ist, so justiert die Steuereinheit 301 die Laserstromversorgung 108 so, dass die Energie oder Leistungsdichte des Strahls 111 reduziert wird. Dies verhindert ein Überhitzen oder verfrühtes Schmelzen des Werkstücks.
In einer weiteren beispielhaften Ausführungsform kann der in 8 gezeigte Sensor 307 ein Spektralsensor sein, der in der Lage ist festzustellen, dass die Beschichtung (wie zum Beispiel Zink, Farbanstrich usw.) entfernt wurde. Zu solchen Spektralsensoren können Sensoren für laserinduzierte Plasmaspektroskopie oder Sensoren für laserinduzierte Zerlegungsspektroskopie gehören. Zum Beispiel kann der Sensor 307 ein Spektralsensor sein, der Licht oder einen Laserstrahl verwendet, um das Vorhandensein eines Materials zu detektieren. In Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung kann der Sensor 307 dafür kalibriert sein, den darunterliegenden Grundwerkstoff, wie zum Beispiel Stahl, zu erfühlen, um sicherzustellen, dass die Beschichtung hinreichend ablatiert wird. Falls detektiert wird, dass eine Beschichtung nur unzureichend ablatiert wird, kann das System, über die Steuereinheit 301, die Ablation entsprechend justieren. Des Weiteren kann der Sensor 307 auch die Spektrallinien aus der Ablationswolke detektieren, um festzustellen, dass die Ablationswolke (die beim Entfernen der Beschichtung entsteht) so ist, wie sie sein soll.
Es ist des Weiteren anzumerken, dass 8 zwar die Reinigungs- und die Schweißoperation als gleichzeitig an einem Werkstück W ausgeführt zeigt, dass aber die Ausführungsformen nicht darauf beschränkt sind. Genauer gesagt, können in anderen beispielhaften Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung die Systeme 200, 300 oder 500 so implementiert sein, dass der Reinigungsvorgang von der Schweißoperation getrennt ist, aber immer noch in der gezeigten Weise gesteuert wird. Das heißt, es wird in Betracht gezogen, dass der Reinigungsvorgang in einer ersten Station einer Arbeitszelle stattfindet und das oder die Werkstücke zu einer zweiten Station einer Arbeitszelle, wo die Schweißoperation stattfindet, entweder robotisch oder manuell, transportiert werden. In dem System 300 kann die Systemsteuereinheit 301 sogar den Transfer des gereinigten Werkstücks von der ersten Station zu einer zweiten Station koordinieren.
9 zeigt einen integralen Schweißkopf, der mit beispielhaften Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung verwendet werden kann. In dieser Ausführungsform umfasst der Schweißkopf 600 eine Gehäusestruktur 601, welche die Schweißkontaktspitze 105 und mindestens einen Abschnitt des Lasers 109 koppelt und enthält, um den Strahl 111 auf das Werkstück W zu richten. Ein solches Gehäuse 601 fixiert die Distanz Z zwischen dem Strahl und dem Schweißlichtbogen und kann dafür verwendet werden, die Schweißoperation zu vereinfachen. In einigen Ausführungsformen enthält das Gehäuse 601 außerdem die Dampfabzugsdüse 203, um das Abziehen eventueller verdampfter Beschichtungen zu ermöglichen. Nicht gezeigt ist eine Schutzgasdüse oder eine Schweißdampfabzugsdüse, die ebenfalls mit dem Gehäuse 601 gekoppelt sein kann. In einer anderen Ausführungsform kann der Temperatursensor 307 ebenfalls mit dem Gehäuse 601 gekoppelt und so positioniert sein, dass er die Oberfläche des Werkstücks W zwischen dem Strahl 111 und dem Lichtbogenschweißen abfühlt. Das Gehäuse 601 kann eine Struktur oder Konfiguration haben, wie sie für eine spezielle Schweißoperation benötigt wird. Zum Beispiel kann das Gehäuse 601 eine (nicht gezeigte) Abschirmung haben, die den Strahl 111 und den Schweißlichtbogen vor äußeren Einflüssen und Kontaminierung schützt, wobei sich die Abschirmung bis ganz nahe an die Oberfläche des Werkstücks erstreckt. Des Weiteren kann das Gehäuse 601 einen physischen Teiler 603 zwischen dem Lichtbogen und dem Strahl 111 haben, um eine Kontaminierung zu verhindern sowie zu verhindern, dass beim Dampfabzug versehentlich Schutzgas von dem Lichtbogenschweißvorgang abgezogen wird. Der Teiler 603 kann sich bis ganz nahe an die Oberfläche des Werkstücks erstrecken.
Weitere beispielhafte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung sind in den 10 bis 14 gezeigten, die weiter unten ausführlich besprochen werden. In diesen Ausführungsformen wird der Laserstrahl 111 auf die Schweißpfütze WP stromabwärts des Lichtbogenschweißereignisses gerichtet, um zusätzliche Wärmeenergie in die Schweißpfütze WP zu schicken. Die zusätzliche Wärmeenergie hält die Schweißpfützen länger in einem schmelzflüssigen Zustand, als es normalerweise während eines Lichtbogenschweißprozesses der Fall wäre. Durch Halten der Schweißpfütze in einem schmelzflüssigen Zustand über einen längeren Zeitraum haben alle verdampften Materialien in der Schmelzpfütze mehr Zeit, aus der Schweißpfütze zu entweichen, während sich die Schmelzpfütze immer noch um die entweichenden Blasen herum schließen kann, um einen Schweißstoß mit reduzierter Porosität zu bilden. Wie zuvor erläutert, kann das Lichtbogenschweißen beschichteter Materialien zur Folge haben, dass verdampfte Materialien in der Schweißnaht eingeschlossen werden. Das liegt daran, dass sich die Schweißpfütze verfestigt, bevor die Blasen vollständig entweichen können. Jedoch wird in diesen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung die Schweißpfütze über einen längeren Zeitraum schmelzflüssig gehalten, wodurch mehr Zeit bleibt, damit eingeschlossene Gase entweichen können und die Pfütze sich um die entweichenden Gase herum schließen kann. Wie unten besprochen, bewerkstelligen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung dies durch Bestrahlen der schmelzflüssigen Schweißpfütze mit einem Laserstrahl, um zusätzliche Wärmeenergie zu der Schweißpfütze zu leiten.
Wenden wir uns nun 10 zu, wo ein beispielhaftes System 700 gezeigt ist. Das System 700 enthält ähnliche Komponenten wie die, die zuvor mit Bezug auf mindestens 5 beschrieben wurden, und wird in ähnlicher Weise betrieben und gesteuert (weshalb auf eine erneute detaillierte Besprechung dieser Komponenten hier verzichtet wird). Jedoch werden, wie in 10 gezeigt, der Laser 109 und der Strahl 111 in einer nacheilenden Position hinter dem Brenner 105 positioniert, dergestalt, dass der Strahl 111 auf den stromabwärtigen Abschnitt der Schweißpfütze WP geleitet wird. Der Strahl 111 hat eine ausreichende Energiedichte, um Wärme zu der Schweißpfütze WP zu führen und die Pfütze WP länger in einem schmelzflüssigen Zustand zu halten, als es nach einem Lichtbogenschweißvorgang normalerweise der Fall wäre. Das heißt, die Energie des Strahls 111 sollte so gewählt sein, dass die von dem Strahl 111 kommende Wärme, wenn sie mit der in der Pfütze WP existierenden Wärme kombiniert wird, die Länge der Schweißpfütze WP dergestalt verlängert, dass eingeschlossene Gase während des Schweißvorgangs entweichen können. Zusätzlich zur Regulierung der Energiedichte des Strahls 111 können beispielhafte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung auch die Interaktionszeit des Strahls 111 mit der Pfütze WP regeln. Das heißt, Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung können auch die Größe und Bewegung (Vorschubgeschwindigkeit) des Strahls 111 so regeln, dass die Interaktionszeit des Strahls 111 die gewünschte Eingangsenergie in die WP bereitstellt, um die gewünschten Ergebnisse zu erreichen. Somit können Ausführungsformen der Erfindung die oben und im vorliegenden Text beschriebene Steuerungsmethodologie dafür verwenden, nicht nur die Energiedichte des Strahls zu steuern, sondern auch die Interaktionszeit, einschließlich beispielsweise Strahlgröße, Querschnitt, Vorschub- oder Bewegungsgeschwindigkeit usw. In einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung sollte die Interaktionszeit nicht länger als 5 ms sein. In einer anderen beispielhaften Ausführungsform sollte die Interaktionszeit nicht länger als 3,5 ms sein.
Aufgrund dessen können Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung Leistungsattribute ähnlich den Ausführungsformen erreichen, die mit Bezug auf die 1 bis 9 besprochen wurden. Das heißt, die in den 10 bis 14 dargelegten Ausführungsformen können ähnliche Porositäts-, Schweißspritzer-, Geschwindigkeits- und Abscheidungsratenleistungsattribute erreichen, wie sie oben besprochen wurden, außer dass der Strahl 111 die stromabwärtige Seite der Schweißpfütze bestrahlt, anstatt das Werkstück vor dem Schweißen zu ablatieren.
In beispielhaften Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung hat der Strahl 111 eine Stromdichte unter 10⁵ W/cm². In beispielhaften Ausführungsformen hat die Stromdichte ein Niveau, das die Oberfläche in der gewünschten Weise schmelzflüssig hält und nicht durch die Pfütze und das Werkstück hindurchsticht.
Die 11 und 12 zeigen einen beispielhaften Schweißvorgang und eine Schweißpfütze, die mit Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung gebildet wird. Wie in 11 gezeigt, bestrahlt der Strahl 111 die Schweißpfütze WP an einem Laserpunkt LS stromabwärts des Lichtbogenschweißvorgangs. Nicht gezeigt ist die Verwendung von Schutzgas; jedoch können Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung mit Schutzgas verwendet werden, so wie es dem Fachmann allgemein bekannt ist.
12 zeigt eine Ansicht der Schweißpfütze WP von oben nach unten während des Schweißens. Nahe der Vorderkante der Schweißpfütze WP befindet sich der Lichtbogenpunkt AS, der der Punkt auf der Schweißpfütze WP ist, wo der Schweißlichtbogen die Schweißpfütze WP berührt. Während eines stabilen Schweißvorgangs bleibt der Lichtbogenpunkt AS mit Bezug auf die Ränder der Schweißpfütze WP im Verlauf des Schweißvorgangs in der Regel unbewegt. Stromabwärts des Lichtbogenpunktes AS befindet sich der Laserpunkt LS, der auch auf die Schweißpfütze WP auftrifft. In einigen beispielhaften Ausführungsformen bleibt der Laserpunkt LS mit Bezug auf den Lichtbogenpunkt AS während des Schweißens unbewegt, dergestalt, dass die relative Positionierung zwischen den beiden konstant bleibt. Jedoch kann der Laserpunkt LS in anderen beispielhaften Ausführungsformen während des Schweißvorgangs auch bewegt werden, um verschiedene Teile der Schweißpfütze WP während des Schweißens zu bestrahlen. In der in 12 gezeigten Ausführungsform wird der Laserpunkt LS in einem kreisförmigen Muster hinter dem Lichtbogenpunkt AS bewegt. Natürlich können auch andere Muster verwendet werden. Zum Beispiel kann in anderen beispielhaften Ausführungsformen der Punkt LS über die Breite und/oder entlang der Länge der Pfütze abgetastet werden, so wie es für die gewünschte Form und Länge der Pfütze erforderlich ist. Zum Beispiel kann es erwünscht sein, die Länge der Pfütze zu vergrößern oder eine spezielle Pfützenform zu erzeugen. Insofern kann die Interaktionszeit des Punktes LS gesteuert werden, indem man das Abtastmuster und/oder die Abtastgeschwindigkeit der Bewegung des Punktes LS verändert. Dies kann geschehen, um eine ungleichförmige Energiezufuhr zu der Schweißpfütze zu erhalten. Zum Beispiel ist es in einigen Ausführungsformen wünschenswert, eine geringere Wärmezufuhr an der Hinterkante der Schweißpfütze als nahe der Vorderkante zu haben. Insofern kann der Punkt LS so gesteuert werden, dass die ungleichförmige Wärmezufuhr zu der Schweißpfütze erreicht wird, indem man die Energie und/oder die Interaktionszeit des Strahls verändert.
In beispielhaften Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung ist es wünschenswert, den Laserpunkt LS im Vergleich zur Schweißpfütze WP relativ klein zu halten. Das hilft zu verhindern, dass die Schweißpfütze WP versehentlich durch den Laserstrahl 111 verbreitert wird. Zum Beispiel hat der Laserpunkt LS in beispielhaften Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung einen Durchmesser im Bereich von 5 bis 35% der Breite Y der Schweißpfütze WP während des Schweißens. In anderen beispielhaften Ausführungsformen hat der Laserpunkt LS einen Durchmesser im Bereich von 10 bis 25% der Breite Y der Schweißpfütze WP während des Schweißens. Solche Durchmesser erlauben eine ausreichende Wärmezufuhr zu der Schweißpfütze, ohne die Schweißpfütze WP unnötig zu verbreitern. Es ist anzumerken, dass der Laserpunkt LS zwar in den Figuren mit einem kreisförmigen Querschnitt gezeigt ist, dass die vorliegende Erfindung aber in dieser Hinsicht nicht beschränkt ist, da auch andere Punktformen verwendet werden können, wie zum Beispiel quadratisch, rechteckig usw. Wenn nicht-kreisförmige Formen verwendet werden, so ist der Durchmesser des Laserpunktes der Durchmesser eines Kreises, der die gleiche Fläche des verwendeten Laserpunktes hat. In anderen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung kann der Punkt LS eine Breite bis zu 100% der Breite der Schweißpfütze haben.
Ebenfalls in 12 gezeigt ist die Längung der Schweißpfütze. Ohne die Verwendung des Laserstrahls 111 hat die Schweißpfütze eine erste Schweißpfützenlänge WP1, die der Länge der Schweißpfütze WP mit nur dem Schweißvorgang und ohne zusätzliche externe Wärmezufuhr zu der Pfütze entsprechen würde. Die Verwendung des Laserstrahls 111 längt die Schweißpfütze WP auf eine zweite Länge WP2, die länger als die erste Länge WP1 ist. In Ausführungsform der vorliegenden Erfindung tut der Laserstrahl 111 dies ohne Vergrößern der Breite Y der Schweißpfütze WP. Die zweite Länge der Schweißpfütze WP2 sollte so sein, dass eingeschlossene Gase die Gelegenheit haben, aus der Schweißpfütze WP während des Schweißens zu entweichen. Jedoch sollte die zweite Länge der Schweißpfütze WP2 nicht so viel sein, dass die zusätzliche Wärmezufuhr merklich die Integrität des entstandenen Schweißstoßes beeinträchtigt. In beispielhaften Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung ist die zweite Schweißpfützenlänge WP2 nicht mehr als 50% länger als die erste Schweißpfützenlänge. In weiteren beispielhaften Ausführungsformen ist die zweite Schweißpfützenlänge WP2 im Bereich von 20 bis 45% länger als die erste Schweißpfützenlänge WP1. Solche Ausführungsformen erlauben genügend Zeit, dass eingeschlossene Gase entweichen können, während die Schweißpfütze nicht übermäßig erwärmt wird.
Des Weiteren ist in 12 die Beziehung zwischen dem Laserpunkt LS und dem Rand der Schweißpfütze und dem Lichtbogenpunkt AS gezeigt. Wie oben dargelegt, verursacht der Laserstrahl 111 in einigen beispielhaften Ausführungsformen keine Vergrößerung der Breite Y der Schweißpfütze WP. Somit ist es in einigen Ausführungsformen wünschenswert sicherzustellen, dass der Laserpunkt LS während des Schweißens nicht zu nahe an den Rand der Schweißpfütze WP kommt. In Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung wird der Laserpunkt LS (ob er sich bewegt oder nicht) so positioniert, dass eine Mindestdistanz X zwischen dem Laserpunkt LS und dem Rand der Pfütze WP beibehalten wird. In Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung ist die Distanz X nicht kleiner als 10% der Breite Y der Schweißpfütze WP. In anderen beispielhaften Ausführungsformen ist die Distanz X nicht kleiner als 20% der Breite der Schweißpfütze. Natürlich kann sich der Punkt LS in anderen Ausführungsformen den Seiten der Schweißpfütze dergestalt nähern, dass die Distanz X nahe 0 ist, aber die Interaktionszeit und/oder die Energiedichte des Punktes LS sollten so gewählt sein, dass die Schweißpfütze nicht versehentlich verbreitert wird. In einer anderen beispielhaften Ausführungsform kann der Laser defokussiert werden, um die Schweißpfütze abzuflachen und/oder zu spreizen. Zum Beispiel kann der Laserstrahl defokussiert werden, um die Pfütze abzuflachen, um das Entstehen missratener oder schmaler Schweißraupen zu verhüten. In einigen dieser Ausführungsformen kann die Wirkfläche des defokussierten Lasers die Schweißpfütze überlappen und auf die nicht zur Schweißpfütze gehörenden Abschnitte des Werkstücks oder der Werkstücke auftreffen.
Des Weiteren kann es in einigen Ausführungsformen der Erfindung oder in einigen Nutzungsanwendungen wünschenswert sein sicherzustellen, dass der Strahl 111 und/oder die Wärme des Strahls während eines Schweißvorgangs nicht auf den Lichtbogen auftreffen. In solchen Ausführungsformen behält der Laserpunkt LS eine Mindestdistanz Z hinter dem Lichtbogenpunkt AS bei. In Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung ist die Distanz Z nicht kleiner als 10% der Länge WP2 der Schweißpfütze WP. In anderen beispielhaften Ausführungsformen ist die Distanz Z nicht kleiner als 25%, und in weiteren beispielhaften Ausführungsformen liegt die Distanz Z im Bereich von 10 bis 45%. Der Lichtbogenpunkt AS entspricht allgemein der Fläche auf der Schweißpfütze, wo der Schweißlichtbogen die Schweißpfütze WP berührt. Ob diese Beziehung zwischen dem Lichtbogenpunkt AS und dem Laserpunkt LS wünschenswert ist oder nicht, kann von dem geschweißten Material und der verwendeten Schweißverarbeitung abhängen, ist aber nicht für alle Ausführungsformen oder Anwendungen von Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung notwendig.
13 zeigt ein anderes beispielhaftes System 800 der vorliegenden Erfindung. Das System 800 hat ähnliche Komponenten und eine ähnliche Konstruktion wie das in 8 gezeigte System 300. Darum wird die Besprechung jener Komponenten hier nicht wiederholt. Jedoch befindet sich in dem in 13 gezeigten System 800 der Schweißbrenner 105 vor dem Laser 109 und dem Strahl 111. Auch in dieser Ausführungsform trifft der Strahl 111 auf die Schweißpfütze WP, um zusätzliche Energie zu der Schweißpfütze zu führen, wie oben besprochen. Des Weiteren ist in 13 ein Temperatursensor 307 gezeigt, der mit der Systemsteuereinheit 301 gekoppelt ist. Die Funktionsweise des Sensors 307 und der Steuereinheit 301 ähnelt der, die mit Bezug auf 8 besprochen wurde. Jedoch erfühlt in dem System 600 der Sensor 307 eine Temperatur der Schweißpfütze WP während des Schweißens, um ein Energieniveau des Strahls 111 zu bestimmen, der auf die Pfütze WP zu richten ist. In einer beispielhaften Ausführungsform wird für einen bestimmten Schweißvorgang eine Pfützentemperatur in der Steuereinheit 301 eingestellt, die von der Steuereinheit 301 verwendet wird, um über den Strahl 111 eine gewünschte Pfützentemperatur aufrecht zu erhalten. Wenn zum Beispiel die detektierte Pfützentemperatur hoch ist, so wird die Strahlenergie reduziert, während, wenn die detektierte Temperatur niedrig ist, die Energie des Strahls 111 erhöht wird, um die benötigte Energie in die Pfütze zu leiten, um die Pfützenlänge nach Bedarf zu vergrößern.
Des Weiteren kann in anderen beispielhaften Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung das System 800 (oder ähnliche Systeme) dafür verwendet werden, die Flachheit der Schweißraupe WB zu steuern. Somit kann das System 800 dafür verwendet werden, die Wärmezufuhr zu der Pfütze zu steuern, um das Profil oder die Flachheit der Schweißraupe zu steuern. Das System 800 kann die Wärmezufuhr zu der Schweißpfütze WP überwachen, um das Schweißraupenprofil zu bestimmen und das System zu steuern, um das gewünschte Schweißraupenprofil zu erhalten. Zum Beispiel kann die Interaktionszeit oder die Energiedichte des Laserstrahls gesteuert werden, um das gewünschte Schweißraupenprofil zu erhalten. In weiteren Ausführungsformen kann der Sensor 307 ein Sensor sein, der in der Lage ist, die Form (Höhe, Breite, Länge usw.) der Schweißraupe zu detektieren, zum Beispiel ein visueller Sensor. Somit kann die Form der Schweißraupe dafür verwendet werden, den Betrieb des Lasers so zu steuern, dass die gewünschte Form erhalten wird. Solche Sensoren sind allgemein bekannt; bei ihnen kann es sich um visuelle und/oder thermische Sensoren handeln.
In einer anderen beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird der Sensor 307 vor dem Strahl 111 positioniert, um die Temperatur eines hinteren Abschnitts der Pfütze oder einer Region der Schweißraupe neben der Schweißpfütze WP zu detektieren. In einer solchen Ausführungsform kann der Sensor 307 so positioniert werden, dass er die Temperatur der Oberfläche des Werkstücks W in einer festgelegten Distanz stromabwärts des Schweißlichtbogens detektieren kann. In einer beispielhaften Ausführungsform ist der Sensor 307 so positioniert, dass er die Temperatur des Randes der Schweißpfütze während des Schweißens detektieren kann. Auf der Basis der erfühlten Temperatur steuert die Steuereinheit 301 die Energieabgabe des Lasers 109, um sicherzustellen, dass die richtige Temperatur durch den Sensor 307 detektiert wird. Das zeigt an, dass die Schweißpfütze WP die richtige Größe und Temperatur hat. Zum Beispiel wird der Sensor 307 so positioniert, dass er eine Oberflächentemperatur des Werkstücks in einer festgelegten Distanz vom Schweißlichtbogen bestimmen kann, wobei es erwünscht ist, dass sich die Oberfläche des Werkstücks am Detektionspunkt in einem schmelzflüssigen Zustand befindet. Wenn sich die detektierte Temperatur unterhalb des Temperatursollpunktes befindet, was anzeigt, dass die Schweißpfütze WP möglicherweise nicht lang genug ist, so signalisiert die Steuereinheit 301 der Stromversorgung 108, die Strahlenergie 111 zu erhöhen, um die Energiezufuhr zu der Pfütze WP zu erhöhen, so dass die gewünschte Länge erreicht wird. Gleichermaßen veranlasst die Steuereinheit 301, wenn die detektierte Temperatur zu hoch ist, dass die Laserenergie reduziert wird.
Die Steuerung der Wärmezufuhr von dem Laser 109 und dem Strahl 111 zu der Schweißpfütze WP kann auf verschiedene Weise bewerkstelligt werden. Das heißt, Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung können verschiedene Steuerungsmethodologien verwenden, um die Wärmezufuhr von dem Strahl 111 zu variieren. Zu Beispielen können eines oder mehrere von Folgendem gehören: (1) Pulsieren des Strahls 111 und/oder Ändern der Impulsrate des Strahls 111 zum Verändern der Wärmezufuhr; (2) Verändern der Querschnittsform oder Größe des Strahls, um die Energiedichte des Strahls 111 zu ändern, wenn er die Pfütze berührt; (3) Erhöhen oder Verringern der Energiedichte des Strahls 111 ohne Veränderung seiner Form; und (4) Verändern der Positionierung oder Bewegung des Strahls 111 mit Bezug auf den Schweißlichtbogen.
In anderen beispielhaften Ausführungsformen können andere Arten von Sensoren dafür verwendet werden, die Ausgangsleistung des Lasers 109 zu steuern. Zum Beispiel kann ein visueller Sensor verwendet werden, der den Übergang von einer schmelzflüssigen Schweißpfütze WP zu der verfestigten Schweißraupe WB detektiert, dergestalt, dass der Strahl 111 so gesteuert wird, dass die Übergangsregion zwischen der Pfütze und der Schweißraupe an der gewünschten Stelle oder in der gewünschten Distanz zum Schweißlichtbogen gehalten wird. Optische Systeme, die zum Überwachen der Form einer Schweißpfütze verwendet werden, sind allgemein bekannt und brauchen im vorliegenden Text nicht im Detail besprochen zu werden. Des Weiteren kann ein Zeilenabtastsystem (als ein beispielhaftes System) verwendet werden, welches das Vorhandensein von Poren auf der Oberfläche der Schmelzpfütze identifiziert; und auf der Basis der Detektion von Poren kann die Wärmezufuhr des Lasers gesteuert werden. In anderen Ausführungsformen kann eine Schweißüberwachungssoftware oder ein Schweißüberwachungssystem verwendet werden, um die Porosität oder Qualität der Schweißnaht zu überwachen. Ein Beispiel eines solchen Systems ist das Weld Score^TM-Qualitätsüberwachungssystem von der Firma Lincoln Electrical Co. aus Cleveland, Ohio. In einer weiteren beispielhaften Ausführungsform kann das Zeilenabtastsystem auch dafür verwendet werden, das Vorhandensein oder die Menge an Poren in der resultierenden Schweißraupe zu detektieren, die durch die Pfütze erzeugt wird, und auf der Basis der Detektion von Poren (zum Beispiel über einem Schwellenbetrag) kann der Laser so gesteuert werden, dass er die Pfütze modifiziert, um die Menge an detektierten Poren zu reduzieren. Ein solches System kann ein strukturiertes Licht(Laserzeilen)-System sein, das die Oberfläche der Schweißraupe nach dem Verfestigen auf Poren oder Porosität abtastet. Anschließend kann anhand einer Rückmeldung von diesem System der Prozess modifiziert werden, um Porosität in der Schweißraupe zu reduzieren. Zum Beispiel kann die Laserinteraktionszeit modifiziert werden.
In beispielhaften Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung wird der von der Steuereinheit 301 verwendete Sollpunkt (ob Temperatur oder irgendeine andere Art von Sollpunkt) anhand von Schweißeingangssignal-Informationen bestimmt. Zum Beispiel können Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung mindestens eines von Folgendem verwenden: Schweißstrom, Vorschubgeschwindigkeit, Drahtzufuhrgeschwindigkeit, Schweißstrom, Schweißspannung, Art der Verbrauchsmaterialien und Art des Werkstücks (zum Beispiel Weichstahl, Edelstahl usw.), um einen Sollpunkt für den Betrieb zu bestimmen. Der Sollpunkt kann auf der Basis der Verwendung von Zustandstabellen oder über einen Algorithmus oder mittels sonstiger Verfahren zum Erzeugen eines gewünschten Sollpunkts ausgewählt werden. Während des Schweißens wird die detektierte Rückmeldung mit dem Sollpunkt verglichen, um die Ausgangsleistung des Lasers 109 zu steuern, um sicherzustellen, dass eine gewollte Schweißpfütze WP entsteht. Zum Beispiel gibt ein Nutzer Eingangsinformationen über einen Schweißvorgang in die Schweißstromversorgung 101 und/oder die Systemsteuereinheit 301 ein, zu denen die oben beschriebenen Informationen gehören können. Ein Steuerungsalgorithmus, eine Zustandstabelle, eine Nachschlagetabelle oder dergleichen in der Steuereinheit 301 bestimmt, dass die Schweißpfütze in einer Distanz stromabwärts des Schweißlichtbogen WP eine eingestellte Temperatur haben muss und/oder sich in einem schmelzflüssigen Zustand befinden muss, um sicherzustellen, dass die Schweißpfütze eine Länge hat, die es erlaubt, dass die Nutzeffekte der vorliegenden Erfindung realisiert werden können. Während des Schweißens überwacht der Sensor 307 die Pfützen- und/oder Werkstückoberfläche in dieser Distanz, um sicherzustellen, dass der gewünschte Sollpunkt beibehalten wird. Wenn die Rückmeldung vom Sensor 307 (wie zum Beispiel ein Temperaturmesswert) nicht dem gewünschten Sollpunkt entspricht, so veranlasst die Steuereinheit 301, dass eine Kennlinie des Strahls 111 oder der Betrieb des Lasers 109 so verändert wird, dass der gewünschte Sollpunkt erreicht wird.
14 zeigt ein zusätzliches Schweißsystem 900 der vorliegenden Erfindung, wobei mindestens zwei Laserstrahlen 111 und 111' für den Schweißvorgang verwendet werden. Das heißt, das System 900 umfasst einen ersten Laser 109 und einen zweiten Laser 109'. Der erste Laser 109 ist mit einer ersten Laserstromversorgung 108 gekoppelt und dient dazu, das Werkstück vor dem Schweißen zu bestrahlen, wie im vorliegenden Text beschrieben; und der zweite Laser 109' ist mit einer zweiten Laserstromversorgung 108' gekoppelt und dient dazu, die Schweißpfütze WP zu bestrahlen, wie im vorliegenden Text beschrieben. In einer solchen Ausführungsform arbeiten die zwei Laserstrahlen 111 und 111' zusammen, um das Minimieren von Porosität und Schweißspritzern zu unterstützen, während das Schweißtempo des Vorgangs zu erhöhen. Solche Ausführungsformen können dafür verwendet werden, die im vorliegenden Text beschriebenen Leistungswerte zu erreichen, aber die erforderliche Laserenergiedichte über die Verwendung von zwei Lasern 109 und 109' zu verteilen. Wie des Weiteren in 14 gezeigt, können mehrere Sensoren 307 und 307' auf jeder Seite des Schweißlichtbogens verwendet werden und gemäß der Besprechung der im vorliegenden Text beschriebenen Sensoren betrieben werden, um die Ausgangsleistung der Laser 109 und 109' zu steuern.
Es ist außerdem anzumerken, dass beispielhafte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung, die einen Laser stromabwärts des Schweißlichtbogen verwenden, eine ähnliche Konstruktion und Funktionsweise haben können wie die in den 7 und 9 gezeigten Ausführungsformen, außer dass der Strahl 111 die Schweißpfütze bestrahlt, so wie es oben mit Bezug auf die 10 bis 14 beschrieb wurde.
Es ist anzumerken, dass die in der vorliegenden Anmeldung gezeigten Überlappnähte lediglich beispielhaft sein sollen, da Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung dafür verwendet werden können, viele verschiedene Arten von Schweißnähten herzustellen. Es gibt viele verschiedene Arten von Schweißnähten, die zu einem Einschließen verdampfter Beschichtungen in der Schweißraupe führen können; und Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung können auch für solche Arten von Schweißnähten geeignet sein und genutzt werden.
Obgleich die Erfindung speziell anhand beispielhafter Ausführungsformen gezeigt und beschrieben wurde, ist die Erfindung nicht auf diese Ausführungsformen beschränkt. Dem Durchschnittsfachmann leuchtet ein, dass verschiedene Änderungen in Form und Detail daran vorgenommen werden können, ohne vom Geist und Geltungsbereich der Erfindung, wie sie durch die folgenden Ansprüche definiert sind, abzuweichen.
Bezugszeichenliste

100: Reinigungssystem
101: Schweißstromversorgung
102: Ablationszone
103: Elektrode
104: Hohlräume
105: Kontaktspitze
106: Hohlräume
107: Drahtzufuhrsystem
108: Stromversorgung
108': zweite Laserstromversorgung
109: energiereiche Wärmequelle
109': zweiter Laser
111: Strahl
111': Laserstrahl
200: Schweißsystem
201: Dampfabzugssystem
203: Düse
205: Schutzgasversorgung
207: Düse
300: System
301: Systemsteuereinheit
303: Motor
305: Optik-Steuereinheit
307: Temperatursensor
307': Multi-Sensor
401: Laserschweißraupe
403: Lichtbogenschweißraupe
500: Schweißsystem
600: Schweißkopf
601: Gehäusestruktur
603: physischer Teiler
700: System
800: System
900: zusätzliches Schweißsystem
AS: Lichtbogenpunkt
C: Beschichtung
C1: Beschichtung
C2: Beschichtung
LS: Laserpunkt
S1: Kontaktfläche
S2: Kontaktfläche
W: Werkstück
W1: erstes Werkstück
W2: zweite Werkstück
WB: Schweißraupe
WP: Schweißpfütze
WP1: erste Länge
WP2: zweite Länge
X: vorgegebene Vorschubdistanz
Y: Breite
Z: Distanz

Claims

Vorrichtung zum Schweißen, ausgestaltet zum Schweißen mindestens eines Werkstücks mit einem Lichtbogenschweißprozess, dergestalt, dass eine flüssige Schweißpfütze aus dem mindestens einen Werkstück gebildet wird, wobei das Schweißen in einer Vorschubrichtung ausgeführt wird; und Richten eines Energiestrahls auf eine Oberfläche der Schweißpfütze stromabwärts des Lichtbogenschweißprozesses, mit Bezug auf die Vorschubrichtung, dergestalt, dass der Energiestrahl Wärmeenergie zu der Schweißpfütze hinzufügt, um eine Form der Schweißpfütze zu modifizieren; wobei ein Schweißstoß, der durch den Schweiß- und den Richtungsschritt gebildet wird, eine Querschnittsporosität von maximal 30% und eine Längsporosität von maximal 30% aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei der Energiestrahl ein Laserstrahl mit einer Stromdichte von maximal 10⁵ W/cm² ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, wobei der Energiestrahl während des Schweißens mit Bezug auf den Lichtbogenschweißprozess bewegt wird.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei der Energiestrahl eine Breite an der Schweißpfütze hat, die im Bereich von 5 bis 35% einer maximalen Breite der Schweißpfütze liegt.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die Schweißpfütze eine Gesamtlänge hat, die nicht mehr als 50% länger als eine Schweißpfütze ist, die durch den Lichtbogenschweißprozess allein erzeugt wird.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei eine Mindestdistanz zwischen einem Rand der Schweißpfütze und einem Rand eines Punktes, der durch den Energiestrahl auf der Schweißpfütze erzeugt wird, nicht kleiner als 10% der maximalen Breite der Schweißpfütze während des Schweißens ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei eine Mindestdistanz zwischen einem Rand eines Punktes, der durch den Energiestrahl auf der Schweißpfütze erzeugt wird, und einem Lichtbogenpunkt auf der Schweißpfütze, der durch den Lichtbogenschweißprozess erzeugt wird, nicht kleiner als 10% einer maximalen Länge der Schweißpfütze ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, das des Weiteren das Abfühlen einer Temperatur von einer Oberfläche der Schweißpfütze und/oder einer Oberfläche des Werkstücks und das Verändern eines Betriebes des Energiestrahls in Reaktion auf die erfühlte Temperatur umfasst.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, das des Weiteren das Detektieren einer Form einer Schweißraupe, die durch das Schweißen und Richten erzeugt wurde, und das Ändern eines Betriebes des Energiestrahls in Reaktion auf die detektierte Form umfasst.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, das des Weiteren das Detektieren der Porosität in einer Oberfläche der Schweißpfütze und/oder einer Schweißraupe, die aus der Schweißpfütze gebildet wurde, und das Ändern eines Betriebes des Energiestrahls in Reaktion auf die detektierte Porosität umfasst.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei der Energiestrahl eine Interaktionszeit von maximal 5 ms hat.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, wobei das Werkstück eine Beschichtung auf einer Oberfläche des Werkstücks hat, die während des Schweißens geschweißt werden soll.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 12, wobei die Querschnittsporosität und/oder die Längsporosität nicht mehr als 10% beträgt.
Schweißsystem, das Folgendes umfasst: eine Lichtbogenschweißstromversorgung, die mit einem Lichtbogenschweißbrenner gekoppelt ist, um einen Lichtbogenschweißvorgang an einem Werkstück auszuführen, um einen Schweißstoß herzustellen, wobei während des Lichtbogenschweißvorgangs eine Schweißpfütze entsteht; und eine Energiestrahlstromversorgung, die mit einer Energiestrahlquelle gekoppelt ist, die einen Energiestrahl auf eine Oberfläche der Schweißpfütze stromabwärts des Lichtbogenschweißvorgangs in einer Vorschubrichtung richtet, wobei der Energiestrahl eine Energiedichte und/oder Interaktionszeit hat, die ausreicht, um Wärmeenergie zu der Schweißpfütze hinzuzufügen; und wobei das System einen Schweißstoß mit einer Querschnittsporosität von maximal 30% und einer Längsporosität von maximal 30% erzeugt.
System nach Anspruch 14, wobei der Energiestrahl ein Laserstrahl mit einer Stromdichte von maximal 10⁵ W/cm² ist.
System nach Anspruch 14 oder 15, das des Weiteren eine Energiestrahlbewegungsvorrichtung umfasst, die den Energiestrahl mit Bezug auf den Lichtbogenschweißprozess während des Schweißens bewegt.
System nach einem der Ansprüche 14 bis 16, wobei der Energiestrahl eine Breite an der Schweißpfütze hat, die im Bereich von 5 bis 35% einer maximalen Breite der Schweißpfütze liegt.
System nach einem der Ansprüche 14 bis 17, wobei die Schweißpfütze eine Gesamtlänge hat, die nicht mehr als 50% länger als eine Schweißpfütze ist, die durch den Lichtbogenschweißvorgang allein erzeugt wird.
System nach einem der Ansprüche 14 bis 18, wobei eine Mindestdistanz zwischen einem Rand der Schweißpfütze und einem Rand eines Punktes, der durch den Energiestrahl auf der Schweißpfütze erzeugt wird, nicht kleiner als 10% der maximalen Breite der Schweißpfütze während des Schweißens ist.
System nach einem der Ansprüche 14 bis 19, wobei eine Mindestdistanz zwischen einem Rand eines Punktes, der durch den Energiestrahl auf der Schweißpfütze erzeugt wird, und einem Lichtbogenpunkt auf der Schweißpfütze, der durch den Lichtbogenschweißvorgang erzeugt wird, nicht kleiner als 10% einer maximalen Länge der Schweißpfütze ist.
System nach einem der Ansprüche 14 bis 20, das des Weiteren einen Temperatursensor umfasst, der eine Temperatur einer Oberfläche der Schweißpfütze und/oder einer Oberfläche des Werkstücks erfühlt, und wobei ein Betrieb des Energiestrahls in Reaktion auf die erfühlte Temperatur geändert wird.
System nach einem der Ansprüche 14 bis 21, das des Weiteren eine Detektionsvorrichtung umfasst, die neben dem Lichtbogenschweißvorgang positioniert ist und die eine Form einer Schweißraupe detektiert, die aus der Schweißpfütze erzeugt wird, und wobei ein Betrieb des Energiestrahls in Reaktion auf die detektierte Form geändert wird.
System nach einem der Ansprüche 14 bis 22, das des Weiteren eine Oberflächenporositätsdetektionsvorrichtung umfasst, die eine Porosität in einer Oberfläche der Schweißpfütze und/oder einer Schweißraupe, die aus der Schweißpfütze gebildet wurde, detektiert, und wobei ein Betrieb des Energiestrahls in Reaktion auf die detektierte Porosität geändert wird.
System nach einem der Ansprüche 14 bis 23, wobei der Energiestrahl eine Interaktionszeit von maximal 5 ms hat.
System nach einem der Ansprüche 14 bis 24, wobei das Werkstück während des Schweißens eine Beschichtung auf einer Oberfläche des zu schweißenden Werkstücks hat.
System nach einem der Ansprüche 14 bis 25, wobei die Querschnittsporosität und/oder die Längsporosität nicht mehr als 10% beträgt.