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PRIORITÄT
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Die vorliegende Anmeldung beansprucht die Priorität der vorläufigen US-Patentanmeldung Nr. 61/679,465, die hiermit in vollem Umfang durch Bezugnahme in den vorliegenden Text aufgenommen wird.
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TECHNISCHES GEBIET
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Bestimmte Ausführungsformen betreffen die Randformung in Systemen für Plattierungs-, Materialaufbau- und Hartauftragsschweißanwendungen. Insbesondere betreffen bestimmte Ausführungsformen ein System zum Ändern oder Modifizieren des Randprofils von übereinandergelegten Materialien in Plattierungs-, Materialaufbau- und Hartauftragsschweißanwendungen.
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HINTERGRUND
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Beim traditionellen Verfahren des Plattierens wird Pulver oder ein Draht verwendet, um eine Schicht aus Plattierungsmaterial über einem Substrat zu bilden. Die Plattierungsschicht kann das Substrat, d. h. das Werkstück, schützen, wie zum Beispiel vor Korrosion und Verschleiß. Bei einem traditionellen Verfahren zum Plattieren eines Werkstücks wird ein Gas-Wolfram-Lichtbogenschweiß(GTAW)-Verfahren verwendet, um die Plattierungsschicht hinzuzufügen. Die Wolframelektrode wird dafür verwendet, einen Lichtbogen zu erzeugen und einen Teil des Werkstücks zu schmelzen, wodurch eine Schmelzpfütze entsteht, wenn Plattierungsmaterial in Form beispielsweise eines Drahtes zu der Pfütze hinzugegeben wird. Der Draht kann unter Verwendung einer separaten Stromversorgung widerstandserwärmt werden. Der Draht wird durch ein Kontaktrohr in Richtung eines Werkstücks zugeführt und erstreckt sich über das Rohr hinaus. Das Plattierungsmaterial wird geschmolzen, und das Plattierungsmaterial und das Werkstück bilden eine metallurgische Bindung an der Grenzfläche. Weil ein Teil des Werkstückmaterials in das Plattierungsmaterial hinein verdünnt wird, müssen möglicherweise zusätzliche Schichten von Plattierungsmaterial aufgebracht werden, bevor eine „reine” Plattierungsschicht entsteht und ein optimaler Schutz, zum Beispiel Korrosions- und/oder Verschleißfestigkeit, erreicht wird.
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Wie oben angemerkt, werden der Draht und ein Abschnitt des Werkstücks geschmolzen, um die metallurgische Bindung mit bilden. Wie in vielen Anwendungen gibt es keinen Mechanismus, um die Schmelzpfütze auf einen festen Bereich oder innerhalb einer festen Grenze zu beschränken, so dass die Ränder der Plattierungsschicht dazu neigen, über das Werkstück zu fließen, und nach dem Abkühlen kann der Rand rau und/oder unregelmäßig sein. Obgleich Laserplattieren eine bessere Kontrolle über die Schmelzpfütze erlaubt, kann es immer noch schwierig sein, das gewünschte Randprofil auf der Plattierungsschicht unter Verwendung traditioneller Plattierungsverfahren zu erhalten.
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Weitere Einschränkungen und Nachteile von konventionellen, traditionellen und vorgeschlagen Herangehensweisen werden dem Fachmann anhand eines Vergleichs solcher Herangehensweisen mit Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung offenbar, die im übrigen Teil der vorliegenden Anmeldung mit Bezug auf die Zeichnungen dargelegt sind.
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KURZDARSTELLUNG DER ERFINDUNG
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Um das Problem zu lösen und das gewünschte Randprofil auf der Plattierungsschicht zu erhalten, insbesondere bei Verwendung traditioneller Plattierungsverfahren, umfasst die vorliegende Erfindung ein System zum Ändern oder Modifizieren eines Randprofils von übereinandergelegten Materialien in Plattierungs-, Materialaufbau- und Hartauftragsschweißanwendungen nach Anspruch 1. Bevorzugte Ausführungsformen sind in den Unteransprüchen offenbart. Eine weitere bevorzugte Ausführungsform wird offenbart, wobei das Ausbilden der Abscheidungsschicht und die Modifizierung der Abscheidungsschicht in einem einzelnen Durchgang durch das System ausgeführt werden, wobei das Ausbilden der Abscheidungsschicht und die Modifizierung der Abscheidungsschicht in separaten Durchgängen durch das System ausgeführt werden. Gemäß dieser Erfindung enthält das System eine intensitätsstarke Wärmequelle, die ein Werkstück erwärmt und eine Schmelzpfütze erzeugt. Das System enthält außerdem eine Drahtzufuhrvorrichtung, die einen Draht zu der Schmelzpfütze zuführt. Der Draht schmilzt in der Schmelzpfütze und erzeugt eine Bindung mit der Schmelzpfütze, um eine Abscheidungsschicht auf dem Werkstück zu bilden. Das System enthält des Weiteren ein Randformungssystem, das mindestens einen Laser aufweist, der einen Laserstrahl aussendet, der auf einen Oberflächenbereich und/oder einen Randbereich der Abscheidungsschicht auftrifft, um die Abscheidungsschicht zu modifizieren. Der Laser modifiziert die Abscheidungsschicht durch Schmelzen und/oder Verdampfen mindestens eines Abschnitts des Oberflächenbereichs und/oder des Randbereichs.
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Die Arbeitsweise des Systems dieser Erfindung umfasst das Erwärmen eines Werkstücks, um eine Schmelzpfütze zu bilden, und das Zuführen eines Drahtes zu der Schmelzpfütze. Der Draht schmilzt in der Schmelzpfütze und erzeugt eine Bindung mit der Schmelzpfütze, um die Abscheidungsschicht auf dem Werkstück zu bilden. Das Verfahren enthält außerdem das Auftreffen mindestens eines Laserstrahls auf einen Oberflächenbereich und/oder einen Randbereich der Abscheidungsschicht, um die Abscheidungsschicht zu modifizieren. Der Laserstrahl modifiziert die Abscheidungsschicht durch Schmelzen und/oder Verdampfen mindestens eines Abschnitts des Oberflächenbereichs und/oder des Randbereichs.
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Die Arbeitsweise kann außerdem das Anlegen von Energie von einer intensitätsstarken Stromquelle an das Werkstück zum Erwärmen des Werkstücks mindestens während des Anlegens des Flusses des Erwärmungsstroms beinhalten. Die intensitätsstarke Stromquelle kann mindestens eines von Folgendem enthalten: eine Laservorrichtung, eine Plasmalichtbogenschweiß(PAW)-Vorrichtung, eine Gas-Wolfram-Lichtbogenschweiß(GTAW)-Vorrichtung, eine Gas-Metall-Lichtbogenschweiß(GMAW)-Vorrichtung, eine Fülldraht-Lichtbogenschweiß(FCAW)-Vorrichtung und eine Unterpulver-Lichtbogenschweiß(SAW)-Vorrichtung.
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Diese und weitere Merkmale der beanspruchten Erfindung sowie Details von veranschaulichten Ausführungsformen davon werden anhand der folgenden Beschreibung und Zeichnungen besser verstanden.
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KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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Die oben dargelegten und/oder weitere Aspekte der Erfindung werden anhand der ausführlichen Beschreibung beispielhafter Ausführungsformen der Erfindung mit Bezug auf die begleitenden Zeichnungen deutlicher erkennbar, in denen Folgendes zu sehen ist:
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1 veranschaulicht ein Funktionsblockschaubild einer beispielhaften Ausführungsform eines kombinierten Drahtzufuhrvorrichtungs- und Stromquellensystems für Plattierungs-, Materialaufbau- und Hartauftragsschweißanwendungen;
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2 veranschaulicht eine Querschnittsansicht einer Plattierungsschicht in der Breitenrichtung;
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3 veranschaulicht ein Funktionsblockschaubild einer beispielhaften Ausführungsform eines Randformungssystems, das mit dem System von 1 verwendet werden kann;
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4 veranschaulicht eine beispielhafte Ausführungsform eines Randformungssystems, das mit dem System von 1 verwendet werden kann;
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5A–5C veranschaulichen beispielhafte Plattierungsrandprofile; und
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6 veranschaulicht ein Funktionsblockschaubild einer beispielhaften Ausführungsform eines Stromquellen- und Randformungssystems für Plattierungs-, Materialaufbau- und Hartauftragsschweißanwendungen.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
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Beispielhafte Ausführungsformen der Erfindung werden nun im Folgenden unter Bezug auf der beiliegenden Figuren beschrieben. Die beschriebenen beispielhaften Ausführungsformen sollen das Verständnis der Erfindung unterstützen und sollen den Schutzumfang der Erfindung in keiner Weise einschränken. Gleiche Bezugszahlen beziehen sich stets auf gleiche Elemente.
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1 veranschaulicht ein Funktionsblockschaubild einer beispielhaften Ausführungsform eines kombinierten Drahtzufuhrvorrichtungs- und Stromquellensystems 100 zum Ausführen von Plattierungs-, Materialaufbau- und Hartauftragsschweißanwendungen. Das System 100 enthält ein Laser-Teilsystem 130/120, das in der Lage ist, einen Laserstrahl 110 auf ein Werkstück 115 zu fokussieren, um das Werkstück 115 zu erwärmen und eine Schmelzpfütze 145 zu erzeugen. Das Laser-Teilsystem ist eine intensitätsstarke Stromquelle. Das Laser-Teilsystem kann eine beliebige Art einer hochenergetischen Laserquelle sein, wie zum Beispiel Kohlendioxid-, Nd:YAG-, Yb-Disk-, YB-Faser-, Faserleitungs- oder Direktdiodenlasersysteme. Des Weiteren können sogar Weißlicht- oder Quarzlasersysteme verwendet werden, wenn sie genügend Energie haben. Andere Ausführungsformen des Systems können mindestens eines von Folgendem enthalten: einen Elektronenstrahl, ein Plasmalichtbogenschweiß-Teilsystem, ein Gas-Wolfram-Lichtbogenschweiß-Teilsystem, ein Gas-Metall-Lichtbogenschweiß-Teilsystem, ein Fülldraht-Lichtbogenschweiß-Teilsystem und ein Unterpulver-Lichtbogenschweiß-Teilsystem, die als die intensitätsstarke Stromquelle dienen.
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In der folgenden Beschreibung wird wiederholt von Lasersystem, Strahl und Stromversorgung gesprochen. Es versteht sich jedoch, dass diese Nennungen nur beispielhaft sind, da jede beliebige intensitätsstarke Stromquelle verwendet werden kann. Zum Beispiel kann eine intensitätsstarke Stromquelle mindestens 500 W/cm2 erzeugen. Vor allem aber sollten die intensitätsstarken Stromquellen, wie zum Beispiel die im vorliegenden Text besprochenen Laservorrichtungen 120, von einer Art sein, die genügend Leistung bietet, um die nötige Energiedichte für den gewünschten Plattierungs-, Materialaufbau- und Hartauftragsschweißvorgang zu liefern. Das heißt, die Laservorrichtung 120 sollte eine Leistung besitzen, die ausreicht, um eine stabile Schmelzpfütze während des gesamten Plattierungs-, Materialaufbau- oder Hartauftragsschweißprozesses zu erzeugen und beizubehalten. Beispielhafte Laser sollten Leistungskapazitäten im Bereich von 1 bis 20 kW haben und können eine Leistungskapazität im Bereich von 5 bis 20 kW haben. Leistungsstärkere Laser können auch verwendet werden, können aber sehr teuer werden.
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Wie in 1 veranschaulicht, enthält das Laser-Teilsystem 130/120 eine Laservorrichtung 120 und eine Laserstromversorgung 130, die miteinander wirkverbunden sind. Die Laserstromversorgung 130 stellt Strom zum Betreiben der Laservorrichtung 120 bereit. Die Laservorrichtung 120 ermöglicht eine präzise Steuerung der Größe und Tiefe der Schmelzpfütze 145, da der Laserstrahl 110 auf einfache Weise fokussiert und entfokussiert werden kann oder seine Strahlintensität sehr einfach geändert werden kann. Im Allgemeinen sollte die Schmelzpfütze 145 nur tief genug sein, um eine ordentliche metallurgische Bindung zwischen dem Plattierungsmaterial (d. h. dem Draht 140) und dem Basiswerkstück 115 zu bilden. In Abhängigkeit von den Materialien kann eine ordentliche metallurgische Bindung in der Größenordnung weniger Mikrometer (μm) liegen. Durch präzises Steuern des Lasers 120 kann der Laserstrahl 110 eine breite, flache Schmelzpfütze für schnellere Plattierungsoperationen sowie ein Minimieren der Größe der Wärmeeinflusszone auf dem Werkstück 115 erzeugen.
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Das System 100 enthält außerdem ein Drahtzufuhrvorrichtungs-Teilsystem, das in der Lage ist, mindestens einen ohmschen Draht 140 (Plattierungsmaterial) auszugeben, um einen Kontakt zu dem Werkstück 115 in der Nähe des Laserstrahls 110 herzustellen. Natürlich versteht es sich, dass durch Bezug auf das Werkstück 115 im vorliegenden Text die Schmelzpfütze 145 als Teil des Werkstücks 115 angesehen wird, so dass ein Bezug auf einen Kontakt zu dem Werkstück 115 auch ein Kontakt zu der Pfütze 145 gemeint ist. Das Drahtzufuhrvorrichtungs-Teilsystem enthält eine Drahtzufuhrvorrichtung 150, ein Kontaktrohr 160 und eine Drahtstromversorgung 170. Während des Betriebes wird der Draht 140 durch elektrischen Strom von der Stromversorgung 170 widerstandserwärmt, die zwischen dem Kontaktrohr 160 und dem Werkstück 115 wirkverbunden ist. Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist die Stromversorgung 170 eine Gleichstromversorgung, die Gleichstromimpulse erzeugen kann, obgleich auch Wechselstrom- oder andere Arten von Stromversorgungen möglich sind.
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Die Stromversorgung 170, die Drahtzufuhrvorrichtung 150 und die Laserstromversorgung 130 können mit einer Detektions- und Steuereinheit 195 wirkverbunden sein. Die Steuereinheit 195 kann den Schweißvorgang steuern. Zum Beispiel kann die Steuereinheit 195 die Drahtzufuhrgeschwindigkeit über die Drahtzufuhrvorrichtung 150 steuern, um die Abscheidungsrate des Plattierungsmaterials zu steuern. In einigen Ausführungsformen kann die Steuereinheit 195 die Drahttemperatur über die Stromversorgung 170 steuern, dergestalt, dass der Draht 140 schmilzt und eine Bindung mit dem schmelzflüssigen Abschnitt des Werkstücks 115 bildet, aber dann rasch abkühlt, um den Betrag der Verdünnung an der Bindungsgrenzfläche zu begrenzen. Des Weiteren kann in einigen Ausführungsformen die Steuereinheit 195 auch die Schweißpfützentemperatur über die Laserstromversorgung 130 steuern. Die Steuereinheit 195 kann Eingangssignale empfangen, wie zum Beispiel die Leistungsaufnahme der Stromversorgungen 130 und 170, die Spannung am Kontaktrohr 160, der Erwärmungsstrom durch den Plattierungsdraht, die Soll- und die Ist-Temperatur für den Draht, die Temperatur der Schmelzpfütze usw. Anmeldung Nr. 13/212,025 mit dem Titel „Method And System To Start And Use Combination Filler Wire Feed And High Intensity Energy Source for Welding”, eingereicht am 17. August 2011 und veröffentlicht am 8. Dezember 2011, die durch Bezugnahme in ihrer Gesamtheit in den vorliegenden Text aufgenommen wird, offenbart beispielhafte Detektions- und Steuereinheiten, die beispielhafte Überwachungs- und Steuerungsalgorithmen enthält, die in die vorliegende Erfindung integriert werden können. Dementsprechend wird im Interesse der Kürze der Betrieb der Steuer- und Detektionseinheit 195 nicht näher besprochen.
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Während des Betriebes wird der Draht 140 durch die Stromversorgung 170 auf oder nahe ihren Schmelzpunkt erwärmt. Sobald der Draht 140 die Schmelzpfütze 145 berührt, schmilzt der Draht 140 und vermischt sich mit dem schmelzflüssigen Werkstück 115-Material. Weil die Tiefe der Schmelzpfütze 145 auf dem Minimum gehalten wird, das nötig ist, um eine metallurgische Bindung zu bilden, vermischt sich nur ein kleiner Teil des Drahtes 140 mit der Schweißpfütze 145. Nach dem Schmelzen und Abkühlen bildet der Draht 140 eine Plattierungsschicht 117 auf dem Werkstück 115. Durch Beschränken der Bindungsgrenzfläche ist die Oberfläche der Plattierungsschicht 117 im Wesentlichen reines Plattierungsmaterial und bietet den gewünschten Schutz, zum Beispiel Korrosionsfestigkeit, Verschleißfestigkeit usw. 2 veranschaulicht eine Querschnittsansicht der Breite der Plattierungsschicht 117 auf dem Werkstück 115. Wie in 2 veranschaulicht, kann der Rand der Plattierungsschicht 117 rau und unregelmäßig sein, weil der schmelzflüssige Draht 140 aufgrund von Schwerkraft fließt, oder aufgrund des Vorgangs, der zum Abscheiden der Schicht verwendet wird. Außerdem kann die Oberseite der Plattierungsschicht 117 aufgrund einer ungleichmäßigen Abkühlung beim Abscheiden der Plattierungsschicht 117 unregelmäßig sein. Diese Unregelmäßigkeiten können noch ausgeprägter werden, wenn eine einen Lichtbogen erzeugende intensitätsstarke Stromquelle zum Abscheiden des Plattierungsmaterials verwendet wird.
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In einigen beispielhaften Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung, wie in 3 veranschaulicht, enthält das Plattierungssystem von 1 ein Randformungssystem, wie zum Beispiel einen Laser 220 und/oder 320, zum Verändern oder Modifizieren des Randes der Plattierungsschicht 117. Die Laser 220/320 werden durch die Stromversorgungen 230 bzw. 330 betrieben und senden Strahlen 210/310 zu jeder Seite der Plattierungsschicht 117 aus. Die Laser 220/320 können den Rand der Plattierung 117 auf ein gewünschtes Profil schmelzen und/oder verdampfen. Die Laser 220/230 können durch Motoren 225 bzw. 325 in der Breitenrichtung der Plattierungsschicht 117 bewegt werden, wie durch die Pfeile unter den Motoren gezeigt ist. Die Motoren 225/325 positionieren die Laser 220/320 dergestalt, dass die Strahlen 210/310 auf den Abschnitt des jeweiligen Randes auftreffen, der geschmolzen oder verdampft werden muss. In einigen Ausführungsformen können die Motoren 225/325 die Laser 220/320 dergestalt positionieren, dass die Strahlen 210/310 die gesamte Oberfläche der Plattierungsschicht 117 sowie gegebenenfalls die Ränder bedecken. Wenn zum Beispiel die Plattierungsoberfläche geglättet oder neu geformt werden muss, so kann jeder Laserstrahl 210/310 50% bis 100% der Oberfläche der Plattierungsschicht, einschließlich der Ränder, bedecken, um die Oberfläche nach Bedarf zu schmelzen oder zu verdampfen. In einigen Ausführungsformen kann anstelle der (oder zusätzlich zu den) Motoren 225/325 eine zweckmäßige (nicht gezeigte) Optik zum Positionieren der Laserstrahlen 210, 310 verwendet werden, um die Ränder und/oder die Oberfläche der Plattierungsschicht 117 zu bedecken. In anderen Ausführungsformen kann ein einzelner Laser (entweder 220 oder 320) mit 100% Deckungsbereich der Plattierungsschichtoberfläche und der Ränder verwendet werden. Zum Beispiel kann ein einzelner Laserstrahl in Fällen ökonomischer sein, wo eine gleichzeitige Randformung der Plattierungsschicht 117 nicht notwendig ist.
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In einigen Ausführungsformen werden die Laser 220/320 dergestalt betrieben, dass die Laserstrahlen 210/310 das Profil des Randes modifizieren, während die Plattierungsschicht 117 durch das System 100 abgeschieden wird. Das heißt, das Abscheiden der Plattierungsschicht 117 und die Behandlung der Plattierungsoberfläche und/oder der Ränder erfolgen in einen einzigen Durchgang. Natürlich folgen die Laser 220/230 in einem ausreichenden Abstand auf den Plattierungsvorgang, dass genug Zeit bleibt, damit sich die abgeschiedene Plattierungsschicht 117 mindestens teilweises verfestigen kann, bevor die Laserstrahlen 210/310 die Randformung ausführen (siehe 4, die den Laser 220 hinter dem Laser 120 zeigt). In einigen Ausführungsformen kann Kühlluft verwendet werden, um die Plattierungsschicht 117 nach dem Abscheiden rasch abzukühlen. In anderen Ausführungsformen werden die Laserstrahlen 210/310 erst dann über den Plattierungsrand und/oder die Plattierungsoberfläche getastet, nachdem die Plattierungsschicht 117 abgeschieden wurde. Das heißt, die Randformung und/oder Oberflächenbehandlung der Plattierungsschicht 117 erfolgt separat von dem Plattierungsabscheidungsdurchgang.
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In beispielhaften Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung können die Leistung und/oder die Brennpunkte der Laserstrahlen 210/310 dergestalt justiert werden, dass nur eine dünne Schicht der Plattierung geschmolzen oder verdampft wird. Eine solche „Fein”-Steuerung der Laserstrahlen 210/310 erlaubt eine Änderung des Randprofils ohne Auswirkung auf das Werkstück 115 oder den Hauptabschnitt der Plattierungsschicht 117. Natürlich können die Leistung und/oder die Brennpunkte der Laserstrahlen 210/310 auch so justiert werden, dass gewünschtenfalls große Abschnitte des Plattierungsrandes geschmolzen oder verdampft werden. Alternativ oder zusätzlich zum Steuern des Brennpunktes können die Laserstrahlen 210/310 so gepulst werden, dass während jedes Impulses ein zuvor festgelegter Betrag an Energie zu dem Plattierungsrand oder zu der Plattierungsoberfläche übertragen wird. Jeder Laserimpuls schmilzt oder verdampft dann eine zuvor festgelegte Menge Plattierungsmaterial. Natürlich kann jede beliebige Kombination aus Laserstrahlintensität, Frequenz der Laserimpulse, Geschwindigkeit der Motoren 225/325 (oder der Optik) oder der Drahtzufuhrgeschwindigkeit verwendet werden, um das gewünschte Plattierungsprofil zu bilden.
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Zum Beispiel wurde, wie in 5A gezeigt, die Plattierungsschicht 117 so abgeschieden, dass ihre Ränder gerundet sind (Punktlinie) und sie sich über ein gewünschtes Plattierungsschichtprofil hinaus erstreckt (durchgezogene Linie). In diesem Fall muss die schraffierte Region entfernt werden. In einer beispielhaften Ausführungsform positionieren die Motoren 225/325 (und/oder die Optik) die Laser 220/320 über dem schraffierten Abschnitt, und die Strahlen 210/310 tasten über die schraffierten Abschnitte, um das ungewünschte Material zu entfernen. Natürlich sind auch andere Randprofile unter Verwendung der vorliegenden Erfindung möglich. Zum Beispiel hat in 5B der Plattierungsrand ein abgestuftes Profil. In diesem Fall können die Intensität der Laserstrahlen 210/310, die Frequenz der Laserimpulse, die Geschwindigkeit der Motoren 225/325 usw. nach Bedarf variiert werden, um jede Stufe des Profils zu erzeugen. Die oben beschriebenen praktischen Beispiele betreffen das Ändern des Plattierungsprofils durch das Entfernen von Plattierungsmaterial. Jedoch kann die vorliegende Erfindung auch dafür verwendet werden, retuschenartige Endarbeiten auszuführen, bei denen eine dünne Schicht geschmolzen und/oder verdampft wird. Zum Beispiel sind, wie in 5C gezeigt, die Rand- und Plattierungsoberflächen rau und unregelmäßig. Die Laserstrahlen 210/310 der vorliegenden Erfindung können wie oben besprochen justiert oder gepulst werden, um eine dünne Schicht der Oberfläche zu schmelzen und/oder zu verdampfen, um die Rauigkeit zu entfernen und eine fertige, glatte Oberfläche zu hinterlassen. Auf diese Weise können in beispielhaften Ausführungsformen die Laser dafür verwendet werden, einen Polier- oder Abschlussschritt nach dem Abscheiden der Plattierungsschicht auszuführen, und dies kann nahezu unmittelbar nach dem Plattierungsprozess geschehen.
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In einigen beispielhaften Ausführungsformen muss lediglich ein Oberflächenabschnitt der Plattierungsschicht 117 nach dem Plattierungsschritt schmelzflüssig gemacht werden, damit die Oberfläche – die rauer als gewünscht sein kann – flacher und glatter werden kann. Dies kann erreicht werden, indem man einfach die Schwerkraft als die Kraft zum Abflachen oder Glätten nutzt, aber es können auch mechanische Vorrichtungen dafür verwendet werden, wie zum Beispiel Glättmesser, um die Oberfläche zu glätten und/oder überschüssiges Material zu entfernen, um die gewünschte Oberflächenrauigkeit und/oder -form herzustellen. Des Weiteren kann es erwünscht sein, dass die Plattierungsschicht 117 keine glatte Oberfläche aufweist, sondern vielmehr eine genutete oder geriefte Oberfläche mit einer Reihe von Höhen und Tiefen. In solchen Ausführungsformen können der oder die Laser dafür verwendet werden, die Nuten in der Plattierungsschicht 117 zu bilden, und der oder die Laser können dafür verwendet werden, einen Abschnitt der Plattierungsschicht zu verschmelzflüssigen, so dass eine mechanische Vorrichtung die gewünschte Form und/oder die gewünschten Nuten herstellen kann.
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In beispielhaften Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung können die Laser 220/320 gezielt entsprechend dem Plattierungsvorgang angesteuert werden. Wenn zum Beispiel Reihen von Plattierungsmaterial nebeneinander abgeschieden werden, um die Plattierungsschicht auf dem Werkstück zu bilden, so können die Randformungslaser gezielt angesteuert werden, da der Plattierungsreihenrand neben einer zuvor abgeschiedenen Reihe möglicherweise keiner Randformung bedarf.
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In den oben besprochenen Ausführungsformen werden allgemein zwei Laser verwendet: einer für jeden Rand. Jedoch kann die vorliegende Erfindung einen Laser verwenden und gleichzeitig beide Ränder modifizieren, wie in 6 veranschaulicht. Im Interesse der Kürze werden nur die relevanten Unterschiede besprochen. Wie in 6 gezeigt, werden ein Laser 420 und eine Optik 440 verwendet, um die Laserstrahlen 410 und 415 zu erzeugen, die jeweils auf die Plattierungsschichtränder auftreffen. Die Optik 440 kann so justiert werden, dass die Laserstrahlen 410/415 in der Breitenrichtung der Plattierungsschicht bewegt werden können, wie durch die Pfeile angedeutet. In der beispielhaften Ausführungsform von 6 wird eine Lichtbogenvorrichtung 450 als die Wärmequelle zum Erzeugen der (nicht gezeigten) Schmelzpfütze 145 und erforderlichenfalls zum Schmelzen des (nicht gezeigten) Drahtes 140 anstelle eines Lasers verwendet.
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In den obigen Ausführungsformen sind die verschiedenen Stromversorgungen und Steuereinheiten im Interesse einer übersichtlicheren Darstellung getrennt voneinander gezeigt. Jedoch können in Ausführungsformen der Erfindung diese Komponenten auch in einem einzelnen Schweißsystem integriert werden. Aspekte der vorliegenden Erfindung erfordern nicht, dass die oben einzeln besprochenen Komponenten als separate physischen Einheiten oder eigenständige Strukturen beibehalten werden müssen.
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Obgleich die Erfindung mit Bezug auf bestimmte Ausführungsformen beschrieben wurde, ist dem Fachmann klar, dass verschiedene Änderungen vorgenommen werden können und dass Äquivalente an die Stelle von Ausführungsformen treten können, ohne vom Schutzumfang der Erfindung abzuweichen. Außerdem können zahlreiche Modifikationen vorgenommen werden, um eine bestimmte Situation oder ein bestimmtes Material an die Lehren der Erfindung anzupassen, ohne von ihrem Schutzumfang abzuweichen. Darum ist es beabsichtigt, dass die Erfindung nicht auf die konkret offenbarten Ausführungsformen zu beschränken ist, sondern dass die Erfindung alle Ausführungsformen enthält, die in den Schutzumfang der beiliegenden Ansprüche fallen. Zusammengefasst ist das System zur Randformung einer Abscheidungsschicht für Plattierungs-, Materialaufbau- und Hartauftragsschweißanwendungen gemäß der Erfindung insgesamt zu folgenden Arbeitsweisen eingerichtet: Erwärmen eines Werkstücks, um eine Schmelzpfütze zu bilden; Zuführen eines Drahtes zu der Schmelzpfütze, wobei der Draht in der Schmelzpfütze schmilzt und eine Bindung mit der Schmelzpfütze bildet, um die Abscheidungsschicht auf dem Werkstück zu bilden; und Auftreffen mindestens eines Laserstrahls auf einem Oberflächenbereich und/oder einem Randbereich der Abscheidungsschicht, um die Abscheidungsschicht durch Schmelzen und/oder Verdampfen mindestens eines Abschnitts des Oberflächenbereichs und/oder des Randbereichs zu modifizieren.
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Bevorzugter Weise ist das System zur Randformung einer Abscheidungsschicht für Plattierungs-, Materialaufbau- und Hartauftragsschweißanwendungen ferner eingereichtet zum Senden eines Erwärmungsstroms durch einen Abschnitt des Drahtes zum Erwärmen des Abschnitts des Drahtes auf eine oder nahe einer Schmelztemperatur des Drahtes
und/oder zum Positionieren eines Auftreffpunktes eines jeden der mindestens einen Laserstrahlen in einer Breitenrichtung der Abscheidungsschicht
und/oder zum Positionieren des Auftreffpunktes durch Verwenden eines optischen Systems und/oder eines elektromechanischen Systems,
und/oder zum Positionieren des Auftreffpunktes jedes Laserstrahls so dass 50% bis 100% der Abscheidungsschicht in der Breitenrichtung bedeckt werden,
und/oder zum Justieren, für jeden der mindestens einen Laserstrahlen, eines Brennpunktes und/oder einer Intensität und/oder einer Frequenz der Impulse und/oder einer Geschwindigkeit der Positionierung zum Steuern einer Menge der Abscheidungsschicht, die geschmolzen oder verdampft wird,
und/oder zum Ausbilden der Abscheidungsschicht und die Modifizierung der Abscheidungsschicht in einem einzelnen Durchgang oder in separaten Durchgängen,
und/oder zum Erwärmen zum Bilden der Schmelzpfütze durch Verwenden eines Lasers oder die Verwendung einer Lichtbogen-Wärmequelle.
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Bezugszeichenliste
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- 100
- Energiequellensystem
- 110
- Laserstrahl
- 115
- Werkstück
- 117
- Plattierungsschicht oder Abscheidungsschicht
- 120
- Laser oder Laservorrichtung
- 130
- Laserstromversorgung
- 140
- Draht
- 145
- Schmelzpfütze oder schmelzflüssige Pfütze
- 150
- Drahtzufuhrvorrichtung
- 160
- Kontaktrohr
- 170
- Stromversorgung
- 195
- Steuereinheit
- 210
- Laser oder ausgesendeter Strahl
- 220
- Laser
- 225
- Motor
- 230
- Laser
- 310
- Laser oder ausgesendeter Strahl
- 320
- Laser
- 325
- Motor
- 410
- Laserstrahl
- 415
- Laserstrahl
- 420
- Laser
- 440
- Optik
- 450
- Lichtbogenvorrichtung
