DE212012000189U1

DE212012000189U1 - Vorrichtung zur Laserreinigung beschichteter Materialien vor dem Schweissen

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Publication number: DE212012000189U1
Application number: DE212012000189.1U
Authority: DE
Original assignee: Lincoln Global Inc
Current assignee: Lincoln Global Inc
Priority date: 2011-10-06
Filing date: 2012-10-02
Publication date: 2014-06-12
Anticipated expiration: 2022-10-03
Also published as: JP2014531324A; WO2013050855A3; CN103974796A; CN103974796B; DE112012004184T8; US20130087534A1; WO2013050855A2; DE112012004184T5; US9457432B2; US8766140B2; US20140263200A1; BR112014008071A2

Abstract

Schweißsystem (200, 300, 500), das Folgendes umfasst: eine Lichtbogenschweißstromversorgung (101), die mit einem Lichtbogenschweißbrenner (110) gekoppelt ist, um eine Lichtbogenschweißoperation an einem beschichteten Werkstück (W; W1, W2) auszuführen, um einen Schweißstoß zu erzeugen; und eine hochenergetische Strahlstromversorgung (108), die mit einer Wärmequelle oder einer hochenergetischen Strahlquelle (109) gekoppelt ist, die einen energiereichen Strahl (111) auf eine beschichtete Oberfläche (S) oder Beschichtung (C) des Werkstücks richtet, wobei der energiereiche Strahl (111) stromaufwärts des Lichtbogenschweißbrenners (110) auf die beschichtete Oberfläche (S) gerichtet ist; wobei der energiereiche Strahl (111) eine Energiedichte besitzt, die ausreicht, um mindestens einen Abschnitt der Beschichtung (C) von dem Werkstück zu entfernen, aber nicht das Werkstück (W; W1, W2) wesentlich schmilzt, und wobei die Lichtbogenschweißstromversorgung (101) einen Schweißstoß mit einer Querschnittsporosität im Bereich von 0 bis 30%, einer Längsporosität im Bereich von 0 bis 30% und einem Schweißspritzerfaktor im Bereich von 0 bis 3 erbringt, wobei der Schweißspritzerfaktor das Verhältnis des Schweißspritzergewichts in mg im Vergleich zum verzehrten Füllmetallgewicht in kg für einen Abschnitt des Schweißstoßes ist.

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
GEBIET DER ERFINDUNG
Systeme der vorliegenden Erfindung betreffen das Schweißen und Verbinden, und insbesondere das Schweißen und Verbinden beschichteter Materialien.
BESCHREIBUNG DES STANDES DER TECHNIK
Viele Schweißkonstruktionen werden in Umgebungen verwendet, die Oberflächenbeschichtungen erfordern, um Korrosion zu verhindern. Zum Beispiel wird üblicherweise die Abscheidung von Zink auf Stahl (durch Galvanisierung oder Galvannealing) verwendet, um den Stahl vor Korrosion zu schützen, wenn der Stahl Umgebungseinflüssen ausgesetzt ist. Es ist sehr schwierig, Materialien zu galvanisieren, nachdem sie verschweißt wurden, weshalb die meisten Stahlkomponenten vor dem Schweißen galvanisiert werden. 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 wird das aufgalvanisierte Zink wegen der Wärme des Schweißlichtbogens verdampft, und dieses Verdampfen kann starke Spritzer verursachen oder kann in der Schmelzpfütze zurückbleiben, was zu Porosität in der Schweißnaht führt. Aufgrund dessen geht das Schweißen beschichteter Materialien erheblich langsamer vonstatten als das Schweißen unbeschichteter Materialien.
KURZDARSTELLUNG DER ERFINDUNG
Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung enthalten Ausrüstungen zum Schweißen, wobei ein energiereicher Strahl auf eine beschichtete Oberfläche eines zu schweißenden Werkstücks richtbar ist, wobei die beschichtete Oberfläche eine Beschichtung mit einer anderen Zusammensetzung als das Werkstück hat. Mindestens ein Abschnitt der Beschichtung ist mit dem energiereichen Strahl ablatierbar oder entfernbar, um mindestens einen Teil der Beschichtung zu entfernen, wobei die Ablation das Werkstück nicht wesentlich schmilzt. Das Werkstück ist dann mit einer Lichtbogenschweißvorrichtung schweißbar, so dass ein Schweißstoß entsteht, der eine Querschnittsporosität im Bereich von 0 bis 30%, eine Längsporosität im Bereich von 0 bis 30% und einen Schweißspritzerfaktor im Bereich von 0 bis 3 hat, wobei der Schweißspritzerfaktor das Verhältnis des Schweißspritzergewichts in mg im Vergleich zum verzehrten Füllmetallgewicht in kg für einen Abschnitt des Schweißstoßes ist.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Die oben beschriebenen und/oder weitere Aspekte der Erfindung werden durch die ausführliche Beschreibung beispielhafter Ausführungsformen der Erfindung mit Bezug auf die begleitenden Zeichnungen besser verständlich. In Diesen Zeichnungen ist Folgendes dargestellt:
1 ist eine schaubildhafte Darstellung eines Schweißstoßes, der mittels eines Lichtbogenschweißprozesses 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; und
9 ist eine schaubildhafte Darstellung einer integralen Schweißkopfeinheit gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG BEISPIELHAFTER AUSFÜHRUNGSFORMEN
Im Folgenden werden nun beispielhafte Ausführungsformen der Erfindung mit Bezug auf die beiliegenden Figuren beschrieben. Die beschriebenen beispielhaften Ausführungsformen sollen das Verständnis der Erfindung vereinfachen und sind nicht dafür gedacht, den Geltungsbereich der Erfindung in irgend einer Weise einzuschränken. Gleiche Bezugszahlen bezeichnen stets gleiche Elemente.
1 zeigt eine typische geschweißte Überlappnaht, wobei ein erstes Werkstück W1 teilweise auf einem zweiten Werkstück W2 angeordnet ist und die beiden mittels einer Schweißraupe WB verschweißt sind. In der Schweißbranche nennt man diese Art der Verbindung gemeinhin eine Überlappnaht. Überlappnähte sind in der Automobilindustrie üblich. Neben Überlappnähten können Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung noch eine Reihe anderer Arten von Nähten schweißen, wie zum Beispiel Kehlnähte, Verschränkungsnähte, Stumpfstöße usw. Wie in 1 gezeigt, hat mindestens eines der Werkstücke eine Beschichtung C1/C2 auf den zu schweißenden Oberflächen, wobei die Beschichtungen eine andere Materialzusammensetzung haben als das Werkstück. Als ein Beispiel kann diese Beschichtung eine korrosionsbeständige Beschichtung sein, wie zum Beispiel eine Galvanisierung. Weil die Werkstücke beschichtet sind, tragen die Oberflächen 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 sind, werden in der Regel entweder durch Abzug der Dämpfe aus der Schweißzone entfernt oder verflüchtigen sich einfach, so dass die Dämpfe nicht den Schweißvorgang behindern. Jedoch werden die Beschichtungen C1/C2, die sich auf den Kontaktflächen S1/S2 befinden, aufgrund der typischen Einbrandtiefe durch die Schweißraupe WB ebenfalls verdampft. Jedoch haben die verdampften Beschichtungen von den Kontaktflächen S1/S2 während des Schweißens einen Abstand von der Oberfläche der Schmelzpfütze und müssen darum die Schmelzpfütze durchqueren, um zu versuchen, aus der Schmelzpfütze zu entweichen, bevor sich die Raupe verfestigt. Wenn jedoch die Schweißgeschwindigkeit zu hoch ist, so verfestigt sich die Pfütze, bevor die verdampften Beschichtungen entweichen können. Dies führt zu Porosität in der Schweißraupe. Diese Porosität kann besonders nachteilig sein, wenn eine Blase eine Spur in der Schmelzpfütze hinterlässt, die sich nicht hinter der Blase schließt. Die Hohlräume, die durch entweichende verdampfte Beschichtungen entstehen, können die Qualität einer Schweißnaht signifikant beeinträchtigen.
Aufgrund dessen Porositätsprobleme muss das Schweißen beschichteter Werkstücks im Vergleich zum Schweißen unbeschichteter Werkstücke signifikant verlangsamt werden. Die langsame Geschwindigkeit lässt ausreichend Zeit, damit die verdampften Beschichtungen aus der Schmelzpfütze entweichen können. Jedoch erhöht sich durch diese langsamen Geschwindigkeiten tendenziell die Wärmezufuhr zu der Schweißnaht, und die Gesamtgeschwindigkeit und -effizienz des Schweißvorgangs verringern sich. Zum Beispiel liegen beim Schweißen von galvanisiertem Stahl die typischen Vorschubgeschwindigkeiten bei 15 bis 25 in/min für Werkstücke mit einer Dicke von etwa 1/16 in (16 gauge). Alternativ mussten die Schweißer bisher oft die Beschichtung von dem Werkstück abschleifen oder absanden, was ebenfalls zeit- und arbeitsintensive Arbeiten sind.
Wie bereits angesprochen, ist eine übliche Beschichtung die Galvanisierung zum Zweck der Korrosionsbeständigkeit. Jedoch gehören zu anderen Beschichtungen, die ähnliche Probleme verursachen können, beispielsweise Farbanstriche, Prägeschmiermittel, Glasauskleidungen, aluminierte Beschichtungen, Oberflächenwärmebehandlungen, Nitridierungs- oder Karbonisierungsbehandlungen, 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 nutzt, um einen Strahl 111 auf eine Oberfläche eines Werkstücks W zu richten, um die Beschichtung C von einer Ablationszone 102 zu ablatieren. Die Ablationszone 102 ist der Bereich, auf dem eine anschließende Schweißnaht angeordnet wird, und ist allgemein durch einen rechteckigen Bereich definiert, der die Vorschublänge und -breite des Strahls 111 auf der Oberfläche des Werkstücks 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 niedrigen Temperaturanforderungen zum Ablatieren oder Entfernen einer Beschichtung ist es nicht notwendig, sehr energiereiche Laser oder Wärmequellen zu verwenden. Solche Laser-/Wärmequellensysteme (einschließlich der Wärmequelle 109 und der Stromversorgung 108) sind bekannt und brauchen hier nicht ausführlich behandelt zu werden.
In beispielhaften Ausführungsformen sollten Energiedichte und -fokus des Strahls 111 nicht zu hoch sein, so dass das darunterliegende Werkstück W erheblich geschmolzen wird, weil ein solches Schmelzen den Lichtbogenschweißprozess behindern kann. In beispielhaften Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung kann ein Laser 109 mit einer Ausgangsleistung von 10 W bis 10 kW verwendet werden. In anderen beispielhaften Ausführungsformen soll der Laserstrahl 111 eine Leistungsdichte 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 werden, dass ein merkliches Schmelzen des Grundwerkstoffs vermieden wird. Weil die Wärme, die zum Ablatieren oder Entfernen der Beschichtungen benötigt wird, in der Regel nicht hoch ist, beeinflusst dieser Reinigungsprozess die Wärmeeinflusszone eines Schweißstoßes nicht mehr als der Schweißprozess selbst. Der Laser kann ein Laser von jeder bekannten Art sein, einschließlich beispielsweise Kohlendioxid-, Nd:YAG-, Yb-Scheiben-, YB-Faser-, fasergekoppelte oder Direktdiodenlasersysteme. Des Weiteren können sogar Weißlicht- oder Quarzlasersysteme verwendet werden, wenn sie ausreichend 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 beispielsweise mindestens eines von Folgendem enthalten: einen Elektronenstrahl, ein Plasmalichtbogenschweiß-Teilsystem, ein Gas-Wolfram-Lichtbogenschweiß-Teilsystem, ein Gas-Metall-Lichtbogenschweiß-Teilsystem, ein Füllelektroden-Lichtbogenschweiß-Teilsystem und ein Unterpulver-Lichtbogenschweiß-Teilsystem, die als die hochenergetische Quelle dienen. Wenn jedoch energiereichere Quellen verwendet werden, so müssen ihre Energiedichte und Wärme so gesteuert werden, dass nur mindestens ein Abschnitt der Beschichtung verdampft wird, nicht aber das darunterliegende Werkstück wesentlich geschmolzen oder angekratzt wird.
Die Laser, die in Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung verwendet werden, können beispielsweise Dauerstrich-, gepulste, gütegeschaltete oder andere Arten von Lasern sein, die ausreichend hohe Spitzenleistungen und Energiedichten haben, um die gewünschten Reinigungsvorgänge auszuführen. Der Strahl 11 aus dem Laser 109 kann durch Optiken oder die Stromversorgung 108 so gesteuert werden, dass er einen Strahlquerschnitt erzeugt, der rund, rechteckig, quadratisch, elliptisch oder von einer sonstigen gewünschten Gestalt sein kann. Des Weiteren können Strahlteiler verwendet werden, um mehrere Strahlen oder Auftreffpunkte auf der Oberfläche zu erzeugen. Der Strahl kann ebenfalls abgetastet oder auf sonstige Weise manipuliert werden, um die gewünschte Leistungsverteilung auf der Oberfläche über eine bestimmte Interaktionsdauer zu erzeugen, um die gewünschte Reinigungsdauer zu erreichen.
Während der Ablation wird die Wärmequelle 109 durch die Stromversorgung 108 mit Strom versorgt und sendet einen Strahl 111 auf die Oberfläche aus. Es ist anzumerken, dass die Wärmequelle 109 in dieser Anmeldung auch als ein „Laser” bezeichnet wird; doch wie oben angemerkt wurde, sind Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung nicht auf die Verwendung nur eines Lasers beschränkt. Vielmehr wird „Laser” lediglich als eine Besprechung von nur 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, ohne aber das Werkstück wesentlich zu schmelzen – was bedeutet, dass keine Schmelzpfütze des Werkstückmaterials auf der Oberfläche des Werkstücks entsteht. Die Breite und die Länge der Ablationszone 102 sind von der auszuführenden Schweißnaht abhängig, und das Entfernen der Beschichtung kann jederzeit vor dem Schweißen stattfinden.
Wie in 2A gezeigt, wird der Strahl 111 während des Prozesses des Entfernens über der Ablationszone 102 hin und her oszilliert, während das Werkstück durch einen Motor in einer Vorschubrichtung bewegt wird. Jedoch gelten für Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung diesbezüglich keinerlei Einschränkungen, da der Laser auch in einer Vorschubrichtung bewegt werden kann, während das Werkstück stationär bleibt. Des Weiteren braucht der Strahl 111 in anderen Ausführungsformen gar nicht verschoben zu werden. Zum Beispiel kann der Strahl 111 eine solche Breite an der Oberfläche haben, dass er die gesamte Breite der Ablationszone ablatiert, ohne oszillieren zu müssen. Für Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung gelten diesbezüglich keinerlei Einschränkungen.
In weiteren Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung ist es nicht erforderlich, dass der Strahl 111 die gesamte Dicke der Beschichtung C entfernt. In einigen Schweißoperationen braucht es lediglich notwendig zu sein, einen teilweisen Betrag der Beschichtung zu entfernen, um eine akzeptable Schweißnaht zu erreichen. Zum Beispiel ist bei einigen Schweißarbeiten ein minimaler Porositätsgehalt akzeptabel. Um den Prozess zu beschleunigen, braucht es darum lediglich notwendig zu sein, maximal 50% der Dicke der Beschichtung auf dem Werkstück W zu ablatieren. In anderen beispielhaften Ausführungsformen kann es erforderlich sein, bis zu 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 ausgeführt, erbringen einige Schweißoperationen akzeptable Schweißraupen mit einem minimalen Porositätsgehalt. Aufgrund dessen braucht es nicht notwendig zu sein, die gesamte Beschichtung C in dem Bereich 102 zu entfernen. Das heißt, in einigen beispielhaften Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung können der Laser 109 und der Strahl 111 einen Bereich der Beschichtung C entfernen, der kleiner ist als der Gesamtablationsbereich 102. Wie in 2B gezeigt, entfernt der Strahl 111 die Beschichtung, so dass Hohlräume 104 (in Gestalt von Nuten) in der Beschichtung C gebildet werden, wodurch eine erste (102A) und eine zweite (102B) Region mit verschiedenen Beschichtungsdicken entstehen. In dieser Ausführungsform ist der Gesamtreinigungsvorgang schneller als das Entfernen der gesamten Beschichtung C. Des Weiteren kann das Erzeugen von Nuten 104 in der Beschichtung das Entfernen von verdampfter Beschichtung aus der Schweißzone während des Schweißens unterstützen. Genauer gesagt, können sich – wie in 2B gezeigt – die Nuten bis zu einem Ende des Werkstücks W erstrecken, so dass, wenn ein anderes Werkstück auf dem Werkstück W zum Schweißen angeordnet wird, die Nuten Hohlräume zwischen den beiden Werkstücken bilden. Diese Hohlräume bilden einen Austrittspfad für die verdampfte Beschichtung, so dass ein minimaler Betrag an verdampfter Beschichtung in die Schmelzpfütze eintritt oder versucht, die Schmelzpfütze zu durchqueren. Das heißt, durch das Bilden von Nuten oder Hohlräumen auf der Beschichtung C kann der Gesamtablationsprozess beschleunigt werden (weil weniger Material entfernt wird), während nach wie vor eine hohe Geschwindigkeit und niedrig-poröse Schweißnähte möglich sind. In beispielhaften Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung entfernt der Strahl 111 die Beschichtung C von mindestens 40% des Bereichs der Ablationszone 102. In anderen beispielhaften Ausführungsformen entfernt der Strahl 111 die Beschichtung C von mindestens 65% des Bereichs der Ablationszone 102.
2C zeigt eine weitere Ausführungsform, wobei der Strahl 111 Hohlräume 106 in der Beschichtung C auf der Schweißoberfläche des Werkstücks W bildet. Die Hohlräume 106 können von jeder beliebigen Gestalt oder Größe sein, um die Reduzierung der Menge an verdampfter Beschichtung zu unterstützen, die in die Schmelzpfütze eintritt oder versucht, die Schmelzpfütze zu passieren, um zu entweichen.
3A und 3B zeigen Werkstücke W1 und W2 nach dem Entfernen der Beschichtung gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung. Wie zu erkennen ist, befindet sich auf den Oberflächen S1 und S2 nicht mehr die gesamte oder ursprüngliche Menge an Beschichtung in der Schweißzone. In diesen Figuren wurde die gesamte Menge der Beschichtung C1/C2 entfernt, aber wie oben beschrieben, muss in einigen Ausführungsformen das komplette Entfernen gar nicht notwendig sein. Wenn diese Werkstücke nun geschweißt werden (3B), so erzeugt der Einbrand der Schweißraupe kein verdampftes Beschichtungsmaterial, so dass die Geschwindigkeit der Schweißoperation erhöht werden kann, ohne die Menge an Spritzern 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 in/min mit den oben beschriebenen Porositäts- und Spritzermengen erreichen. In einigen Ausführungsformen liegt die Geschwindigkeit im Bereich von 50 bis 100 in/min, und in anderen Ausführungsformen liegt die Geschwindigkeit im Bereich von 70 bis 100 in/min. In einigen Ausführungsformen können diese Geschwindigkeiten erreicht werden, während das Entfernen der Beschichtung und das Schweißen gleichzeitig ausgeführt werden.
In den oben besprochenen Ausführungsformen werden die Werkstücke durch den Laser 109 an irgend einem Punkt vor der Schweißoperation gereinigt. Dieser Reinigungsvorgang kann in einer von der Schweißoperation getrennten Arbeitsstation ausgeführt werden, kann aber auch entlang einer gemeinsamen Verarbeitungsstrecke mit einer Schweißstation stattfinden, um die betriebliche Effizienz zu erhöhen. Des Weiteren kann die Reinigung gleichzeitig mit der Schweißoperation stattfinden.
Die oben beschriebenen Ausführungsformen haben das Entfernen und/oder Ablatieren einer Oberflächenbeschichtung auf einem Werkstück W besprochen. Jedoch können andere Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung den Laser 109 und den Strahl 111 zum Verändern der Eigenschaften oder der chemischen Zusammensetzung der Beschichtung vor dem Schweißen verwenden. In einigen Ausführungsformen braucht es nicht notwendig zu sein, die Beschichtung zu entfernen oder zu ablatieren, aber ihre Zusammensetzung oder ihre Eigenschaften zu verändern. Zum Beispiel ist es bekannt, dass die Kohlenwasserstoffe in Farbanstrichen den Lichtbogenschweißprozess behindern können, während die anderen Komponenten von Farbanstrichen nicht so problematisch sind. Insofern können der Laser 109 und der Strahl 111 dafür verwendet werden, die Kohlenwasserstoffe von dem Farbanstrich abzubrennen, wodurch ihre Zusammensetzung verändert wird, während die Gesamtdicke des Farbanstrichs im Wesentlichen die gleiche bleiben kann wie vor der Ablation. Somit können auch andere Ausführungsformen verwendet werden, um die Eigenschaften oder die Zusammensetzung der Beschichtung zu verändern, anstatt sie zu entfernen. Natürlich kann dieser Prozess unter Verwendung ähnlicher Merkmale, Eigenschaften, Verfahrensweisen und Ausrüstungen verwendet werden, wie es im vorliegenden Text für das Entfernen von Beschichtungen beschrieben wurde.
4 zeigt eine Schweißoperation, bei der die Beschichtung(en) unmittelbar vor dem Schweißen der Naht bestrahlt werden. Genauer gesagt, wird in der oberen Figur ein Strahl 111 auf die Naht gerichtet, so 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 erzeugt 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 Struktur der Werkstücke nicht beeinträchtigt wird. Weil die Beschichtungen in dieser Region während der Bestrahlung verdampft werden, kann zumindest etwas Porosität in der Raupe 401 vorhanden sein. Jedoch findet in dieser Ausführungsform unmittelbar nach der Bestrahlung mit dem Strahl eine Lichtbogenschweißoperation an der Verbindungsstelle statt (unteren Figur). Der Prozess des Lichtbogenschweißens erzeugt eine Lichtbogenschweißraupe 403, die mindestens einen Teil der Laserschweißraupe 401 verzehrt; und falls infolge der Strahlschweißraupe 401 Porosität vorhanden war, entweicht diese Porosität aufgrund dieser anschließenden Lichtbogenschweißoperation durch die Lichtbogenschweißraupe 403. Das heißt, in einigen beispielhaften Ausführungsformen können die Laserreinigung und das Lichtbogenschweißen gleichzeitig stattfinden. Solche Ausführungsformen können die Effizienz der Schweißoperation signifikant verbessern.
In allen oben besprochenen Ausführungsformen können – weil der Laser 109 die Beschichtung fast vollständig von der Oberfläche entfernt – Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung Schweißgeschwindigkeiten erreichen, die beim Schweißen beschichteter Materialien bisher nicht erreicht werden konnten. Zum Beispiel können Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung Geschwindigkeiten beim Schweißen beschichteter Materialien erreichen, die denen beim Schweißen unbeschichteter Materialien gleichen. Weil Lichtbogenschweißsysteme allgemein bekannt sind, brauchen solche eigenständigen Systeme hier weder gezeigt noch erläutert zu werden.
Des Weiteren können nicht nur höhere Schweißgeschwindigkeiten erreicht werden, sondern sie können auch mit einem minimalen Grad an Porosität und Schweißspritzern erreicht werden. Die Porosität einer Schweißnaht kann durch Untersuchen eines Querschnitts und/oder eines Längenabschnitts der Schweißraupe ermittelt werden, um die Porositätsverhältnisse festzustellen. Das Querschnittsporositätsverhältnis ist die Gesamtfläche der Porosität in einem bestimmten Querschnitt über die Gesamtquerschnittsfläche des Schweißstoßes an diesem Punkt. Das Längsporositätsverhältnis ist die akkumulierte Gesamtlänge der Poren in einer bestimmten Längeneinheit des Schweißstoßes. Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung können die oben beschriebenen Vorschubgeschwindigkeiten mit einer Querschnittsporosität zwischen 0 und 30% erreichen. Das heißt, eine Schweißraupe ohne Blasen oder Hohlräume hat 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 Porositätsgehalt 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%. Somit 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 mit den oben angegebenen Vorschubgeschwindigkeiten mit nur wenig oder gar keinen Schweißspritzern im Vergleich zu Verfahren des Standes der Technik zum Schweißen beschichteter Materialien (mit vorhandener Beschichtung während des Schweißens) schweißen. Zu Schweißspritzern kommt es, wenn Tröpfchen aus der Schmelzpfütze nach außerhalb der Schweißzone spritzen. Wenn Schweißspritzer auftreten, so können sie die Qualität der Schweißnaht beeinträchtigen und können Produktionsverzögerungen verursachen, da sie in der Regel von den Werkstücken nach dem Schweißprozess beseitigt werden müssen. Das heißt, das Schweißen mit hoher Geschwindigkeit ohne Schweißspritzer ist von großem Vorteil. Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung sind in der Lage, mit den oben beschriebenen 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) im Verhältnis zum Gewicht des verzehrten Fülldrahtes 140 über die gleiche Distanz X (in Kg) ist. Das heißt: Schweißspritzerfaktor = (Schweißspritzergewicht (mg)/verzehrtes Fülldrahtgewicht (Kg))
Die Distanz X sollte eine Distanz sein, die eine repräsentative Probennahme des Schweißstoßes erlaubt. Das heißt, wenn die Distanz X zu kurz ist, zum Beispiel 0,5 Inch, so ist sie möglicherweise für die Schweißnaht nicht repräsentativ. Das heißt, ein Schweißstoß mit einem Schweißspritzerfaktor von 0 würde keine Schweißspritzer des verzehrten Fülldrahtes über die Distanz X haben, und eine Schweißnaht mit einem Schweißspritzerfaktor von 2,5 hätte 5 mg Schweißspritzer auf 2 kg verzehrten Fülldraht. 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 weiteren 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 beim Schweißen beschichteter Materialien erreichen können, wobei die Beschichtung während der Schweißoperation auf dem Werkstück verbleibt, 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 Fülldrahtes überwacht. Nachdem das Schweißen vollendet ist, wird das Schweißspritzerboot mit einer hinreichend genauen Waage 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 Fülldrahtes 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 eine Inertgas- oder Dampfabzugssystem, das oft beim Lichtbogenschweißen verwendet wird. Die Stromversorgung 101 erzeugt einen Schweißlichtbogen zwischen der Elektrode 103 und dem Werkstücks 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 merkliches 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 groß 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 führen. Solche Systeme sind allgemein bekannten und werden hier nicht mehr ausführlich besprochen.
8 zeigt eine weitere beispielhafte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Ein 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 erforderlichenfalls 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 Form des Strahls 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 durch einen Motor 303 nach Bedarf 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 zu dem Werkstück W zu lenken. 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 Schweißdämpfeabzugsdüse, 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 die Struktur oder Konfiguration haben, die 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 dicht 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, und um außerdem zu verhindern, dass eine Dampfabzugsvorrichtung versehentlich Schutzgas von dem Lichtbogenschweißvorgang abzieht. Der Teiler 603 kann sich bis ganz dicht an die Oberfläche des Werkstücks erstrecken.
Es ist anzumerken, dass die in der vorliegenden Anmeldung gezeigten Überlappschweißnähte als beispielhaft anzusehen sind, da Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung zum Schweißen vieler verschiedener Arten von Schweißstößen verwendet werden können. Es gibt viele verschiedene Arten von Schweißstößen, die zum Auffangen verdampfter Beschichtungen in der Schweißraupe führen können, und Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung können auch für jene Arten von Schweißstößen ausgelegt sein und verwendet werden.
Obgleich die Erfindung speziell mit Bezug auf beispielhafte Ausführungsformen gezeigt und beschrieben wurde, ist die Erfindung nicht auf diese Ausführungsformen beschränkt. Dem Durchschnittsfachmann ist klar, dass verschiedene Änderungen in Form und Detail daran vorgenommen werden können, ohne vom Geist und Geltungsbereich der Erfindung, wie er durch die folgenden Ansprüche definiert wird, abzuweichen.
Bezugszeichenliste

100: Reinigungssystem
101: Schweiß- oder Lichtbogenstromversorgung
102: Ablationszone oder Ablationsbereich
102A: erste Region
102B: zweite Region
103: Elektrode
104: Nuten
105: Kontaktspitze
106: Hohlräume
107: Zuführsystem
108: Stromversorgung
109: Wärmequelle oder Laser oder hochenergetische Strahlquelle
110: Schweißbrenner
111: Strahl
200: Schweißsystem
201: Dampfabzugssystem
203: Düse
205: Schutzgaszufuhr
207: Düse
300: System
301: Systemsteuereinheit
303: Motor
305: Optiksteuereinheit
307: Temperatursensor
401: Schweißraupe
403: Schweißraupe
500: Schweißsystem
600: Schweißkopf
601: Gehäusestruktur
603: physischer Teiler
C: Beschichtung oder beschichtete Oberfläche
C1: Beschichtung
C2: Beschichtung
S: Oberfläche
S1: Kontaktfläche
S2: Kontaktfläche
w: Werkstück
W1: erstes Werkstück
W2: zweites Werkstück
WB: Schweißraupe
X: Distanz
Z: Distanz

Claims

Schweißsystem (200, 300, 500), das Folgendes umfasst: eine Lichtbogenschweißstromversorgung (101), die mit einem Lichtbogenschweißbrenner (110) gekoppelt ist, um eine Lichtbogenschweißoperation an einem beschichteten Werkstück (W; W1, W2) auszuführen, um einen Schweißstoß zu erzeugen; und eine hochenergetische Strahlstromversorgung (108), die mit einer Wärmequelle oder einer hochenergetischen Strahlquelle (109) gekoppelt ist, die einen energiereichen Strahl (111) auf eine beschichtete Oberfläche (S) oder Beschichtung (C) des Werkstücks richtet, wobei der energiereiche Strahl (111) stromaufwärts des Lichtbogenschweißbrenners (110) auf die beschichtete Oberfläche (S) gerichtet ist; wobei der energiereiche Strahl (111) eine Energiedichte besitzt, die ausreicht, um mindestens einen Abschnitt der Beschichtung (C) von dem Werkstück zu entfernen, aber nicht das Werkstück (W; W1, W2) wesentlich schmilzt, und wobei die Lichtbogenschweißstromversorgung (101) einen Schweißstoß mit einer Querschnittsporosität im Bereich von 0 bis 30%, einer Längsporosität im Bereich von 0 bis 30% und einem Schweißspritzerfaktor im Bereich von 0 bis 3 erbringt, wobei der Schweißspritzerfaktor das Verhältnis des Schweißspritzergewichts in mg im Vergleich zum verzehrten Füllmetallgewicht in kg für einen Abschnitt des Schweißstoßes ist.
System nach Anspruch 1, das des Weiteren eine Systemsteuereinheit (301) umfasst, die den Betrieb der hochenergetischen Strahlstromversorgung (108) steuert, dergestalt, dass der energiereiche Strahl (111) eine erste Region und eine zweite Region in einem Ablationsbereich (102) erzeugt, wobei eine Dicke der Beschichtung in der ersten Region (102A) größer ist als eine Dicke der Beschichtung in der zweiten Region (102B).
System nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das System dazu vorgesehen und geeignet ist, dass sowohl die Querschnitts- als auch die Längsporosität im Bereich von 0 bis 10% liegen und der Schweißspritzerfaktor im Bereich von 0 bis 1 liegt.
System nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der energiereiche Strahl ein Laserstrahl ist, der insbesondere eine Leistungsdichte von mindestens 105 W/cm² und eine Interaktionsdauer von maximal 5 ms während des Ablationsschrittes aufweist.
System nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung Zink ist.
System nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das System dazu vorgesehen und geeignet ist, dass es einen Teil, bevorzugt bis zu 75%, der Dicke der Beschichtung entfernt.
System nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das System dazu vorgesehen und geeignet ist, dass das Entfernen in einem Bereich auf der beschichteten Oberfläche stattfindet, dergestalt, dass nach dem Entfernen ein erster Bereich oder eine erste Region des Bereichs eine erste Beschichtungsdicke hat, die größer ist als eine zweite Beschichtungsdicke eines zweiten Bereichs oder einer zweiten Region des Ablationsbereichs, und wobei insbesondere in dem zweiten Bereich während des Entfernens die gesamte Beschichtung entfernbar ist.
System nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das System dazu vorgesehen und geeignet ist, dass der zweite Bereich oder die zweite Region mindestens 40% des Bereichs ausmacht, oder der Bereich mindestens 65% des Ablationsbereichs ausmacht.
System nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das System dazu vorgesehen und geeignet ist, dass das Entfernen in einem Bereich auf der beschichteten Oberfläche dergestalt ausführbar ist, dass ein Muster in der Beschichtung erzeugbar ist, wobei das Muster Höhen und Tiefen aufweist, dergestalt, dass die Höhen eine größere Beschichtungsdicke als die Tiefen haben, und wobei insbesondere alle Tiefen in dem Ablationsbereich so ausgerichtet sind, dass sie sich so mit dem Rand des Werkstücks überschneiden, dass verdampfte Beschichtung aus dem Entfernen während des Schweißschrittes von dem Schweißstoß fort gerichtet ist.
System nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das System dazu vorgesehen und geeignet ist, dass der energiereiche Strahl in einem Schweißprozess um eine Distanz im Bereich von 0,5 bis 6 Inch stromaufwärts des Schweißschrittes auf die beschichtete Oberfläche richtbar ist.
System nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass das System dazu vorgesehen und geeignet ist, dass sich eine Leistungsdichte des energiereichen Strahls und/oder eine Größe des energiereichen Strahls und/oder ein durch den energiereichen Strahl erzeugtes Ablationsmuster von einer ersten Eigenschaft zu einer zweiten Eigenschaft ändert, um einen Parameter des Ablatierschrittes während des Schweißens des Werkstücks zu ändern.
System nach einem der Ansprüche 1 bis 10, das des Weiteren Folgendes umfasst: Überwachbarkeit der Oberfläche nach dem Ablatierschritt, und Justieren einer Leistungsdichte und/oder einer Größe des energiereichen Strahls auf der Grundlage der Überwachung, und wobei insbesondere eine Temperatur der Oberfläche während des Überwachungsschrittes überwachbar ist.
System nach einem der Ansprüche 1 bis 12, wobei eine zweite beschichtete Oberfläche eines zweiten Werkstücks ebenfalls während des Ablatierschrittes durch den energiereichen Strahl ablatierbar ist.
System zum Schweißen, dadurch gekennzeichnet, dass das System dazu vorgesehen und geeignet ist, einen energiereichen Strahls auf eine beschichtete Oberfläche eines zu schweißenden Werkstücks zu richten, wobei die beschichtete Oberfläche eine Beschichtung mit einer anderen Zusammensetzung als das Werkstück aufweist; eine chemische Zusammensetzung mindestens eines Abschnitts der Beschichtung mit dem energiereichen Strahl zu ändern, wobei der energiereiche Strahl das Werkstück nicht wesentlich schmilzt; das Werkstück mittels eines Lichtbogenschweißprozesses, dergestalt zu schweißen, dass ein durch den Lichtbogenschweißprozess erzeugter Schweißstoß eine Querschnittsporosität im Bereich von 0 bis 30%, eine Längsporosität im Bereich von 0 bis 30% und einen Schweißspritzerfaktor im Bereich von 0 bis 3 aufweist, wobei der Schweißspritzerfaktor das Verhältnis des Schweißspritzergewichts in mg im Vergleich zum verzehrten Füllmetallgewicht in kg für einen Abschnitt des Schweißstoßes ist.
System nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass das System dazu vorgesehen und geeignet ist, dass die Beschichtung ein Farbanstrich ist und während des Änderungsschrittes zum Ändern der chemischen Zusammensetzung des Farbanstrichs Kohlenwasserstoffe des Farbanstrichs aus dem Farbanstrich entfernbar ist.