DE102008028272A1

DE102008028272A1 - Verfahren und Vorrichtung zum induktiven Reinigen und Entschichten einer metallischen Werkstücksoberfläche

Info

Publication number: DE102008028272A1
Application number: DE102008028272A
Authority: DE
Inventors: Oliver Müllerschön
Original assignee: Trumpf Laser und Systemtechnik GmbH
Current assignee: Trumpf Laser und Systemtechnik GmbH
Priority date: 2008-06-16
Filing date: 2008-06-16
Publication date: 2009-12-17
Anticipated expiration: 2028-06-17
Also published as: WO2009152807A1; DE102008028272B4

Abstract

Es werden ein Verfahren zum Reinigen und Entschichten der Oberfläche eines metallischen Werkstückes von Verschmutzungen, sowie eine zum Durchführen dieses Reinigungsverfahrens geeignete Vorrichtung beschrieben. Die erfindungsgemäße Vorrichtung (1) zum Reinigen einer Schutzschicht (2) auf der Werkstückoberfläche (3) eines Werkstücks (4), umfasst einen Induktor (5) zum induktiven Erwärmen der Werkstückoberfläche (3) und/oder des Werkstücks (4), einen Temperatursensor (7) zur Erfassung der Temperatur auf der Werkstückoberfläche (3) und eine Temperaturregelung (8) zur Einstellung eines gewünschten Temperaturverlaufs auf der Werkstückoberfläche (3) für den Reinigungsprozess, wobei die Werkstückoberflächentemperatur ausreicht, um die Schutzschicht auf der Werkstückoberfläche (3) vollständig oder nahezu vollständig zu verdampfen.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Reinigen und Entschichten der Werkstückoberfläche eines metallischen Werkstückes von Verschmutzungen, insbesondere einer Schutz- oder Funktionsschicht, vor dem Laserschweißprozess, sowie eine zum Durchführen dieses Reinigungsverfahrens geeignete Vorrichtung.
Die Reinigung der Werkstücksoberfläche vor dem Schweißprozess ist erforderlich, wenn das Werkstück, um beim Transport vor z. B. Korrosion geschützt zu sein, mit Ölen oder anderen Schutzschichten überzogen ist. Außerdem kann es beim Transport auch zur Verschmutzung der Werkstückoberfläche kommen. Es können auch andere Funktionsschichten auf der Werkstückoberfläche aufgebracht sein, wie z. B. Phosphatschichten, Farbschichten oder Zinkschichten. Diese Schichten bzw. Verschmutzungen führen beim Schweißprozess zur Bildung von Spritzern und diese können den Laserschweißkopf beschädigen.
Das Reinigen der Werkstückoberfläche vor dem Schweißprozess erfolgt derzeit durch eines der folgenden Verfahren:

1. Entschichten durch Laserreinigen. Hierbei wird die Werkstücksoberfläche punktuell mit einem Laserstrahl aufgeheizt und die Verunreinigung lokal entfernt. Allerdings bringt solch ein Verfahren einen hohen Kostenaufwand mit sich und der Reinigungsprozess ist nicht mehr für alle Anwender wirtschaftlich.
2. Waschvorgang in chemischen Bädern oder im Ultraschallbad, wie es z. B. in Druckschrift DE 103 585 90 A1 erläutert wird. In dieser Druckschrift wird die Reinigung von zu schweißenden Aluminiumwerkstücken beschrieben. Dieses Verfahren liefert teilweise nicht das gewünschte Ergebnis, die chemischen Inhaltstoffe der Bäder müssen den Werkstücksmaterialien und Verschmutzungen angepasst werden und das Werkstück muss vor dem Schweißprozess getrocknet werden.
3. CO₂-Schneestrahlreinigung. Bei diesem Verfahren wird CO₂-Schnee zur Reinigung verwendet. Dieser wird erzeugt, indem flüssiges CO₂ in eine Düse gepumpt und dort auf Umgebungsdruck entspannt wird. Die Reinigung erfolgt mechanisch, da die Schneepartikel mit Druckluft durch eine strahlformende Düse auf die Oberfläche beschleunigt werden. Die mechanische Reinigung wird durch die niedrige Temperatur des CO₂ von –78°C unterstützt. Bei dieser niedrigen Temperatur werden einige Schichttypen spröde und es bilden sich Risse, so dass die Schicht leichter entfernt werden kann. Dieses Verfahren ist nicht für alle Schichttypen geeignet, insbesondere ist das Entfernen einer als Bonderschicht bezeichneten Phosphatschicht nicht möglich.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, bei einem Verfahren der eingangs genannten Art eine wirtschaftlichere Lösung zu finden, die für möglichst viele Funktionsschicht- bzw. Schutzschicht- bzw. Verschmutzungstypen geeignet ist, sowie eine Vorrichtung bereitzustellen, die es ermöglicht, dieses Verfahren umzusetzen und sich direkt in die Produktionslinie integrieren lässt.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass die Werkstückoberfläche induktiv erwärmt wird und dass die dabei erreichte Oberflächentemperatur des Werkstücks ausreicht, um die Verschmutzungen auf der Oberfläche vollständig oder nahezu vollständig zu verdampfen.
Um zu gewährleisten, dass die Verschmutzungen zufriedenstellend entfernt werden, wird die Werkstückoberfläche je nach Verschmutzungstyp auf eine Oberflächentemperatur von mindestens ca. 200°C, vorzugsweise mindestens ca. 400°C und besonders bevorzugt mindestens ca. 650°C induktiv erwärmt.
Um eine erneute Kontamination des Werkstücks mit den verdampften Verschmutzungen zu verhindern, werden vorzugsweise die bei der Reinigung entstehenden Dämpfe von der Werkstückoberfläche fortgeblasen und/oder abgesaugt.
Bevorzugt handelt es sich bei der Funktionsschicht um eine Bonderschicht.
Dem Reinigungsprozess der Werkstückoberfläche folgt vorteilhaft noch während der Abkühlung des erwärmten Werkstücks ein Schweißprozess.
Außerdem wird vorzugsweise das Werkstück, zumindest im Bereich eines nachfolgenden Schweißprozesses, während des Reinigungsprozesses der Oberfläche auf eine für einen unmittelbar nachfolgenden Schweißprozess ideale Temperatur erwärmt. Dies hat gegenüber den bekannten Verfahren zur Reinigung der zu schweißenden Werkstücksoberfläche den Vorteil, dass ein dem Schweißprozess ansonsten vorgelagerter separater Vorwärmprozess, bei dem das Werkstück bzw. die zu schweißende Stelle vorgewärmt wird, entfällt. Bei der erfindungsgemäßen Reinigung handelt es sich im Gegensatz zu den oben genannten Verfahren 2. und 3. um ein berührungsloses Verfahren.
Des Weiteren betrifft die oben genannte Erfindung eine Vorrichtung zum Reinigen und Entschichten der Werkstückoberfläche eines Werkstücks von Verschmutzungen, insbesondere einer Funktionsschicht, wobei die Vorrichtung erfindungsgemäß einen Induktor zum induktiven Erwärmen der Werkstücksoberfläche und/oder des Werkstücks, einen Temperatursensor zur Erfassung der Temperatur auf der Werkstückoberfläche und eine Temperaturregelung zur Einstellung eines für den Reinigungsprozess gewünschten Temperaturverlaufs auf der Werkstückoberfläche aufweist, wobei die beim induktiven Erwärmen erreichte Werkstückoberflächentemperatur ausreicht, um die Verschmutzung auf der Oberfläche vollständig oder nahezu vollständig zu verdampfen.
Vorzugsweise ist bei der Vorrichtung eine Bewegungseinheit vorgesehen, mittels derer das Werkstück und der Induktor während des Reinigungsprozesses relativ zueinander bewegt werden können. Vorzugsweise wird das Werkstück unter dem Induktor vorbeibewegt, z. B. kreisförmig, flächig oder geradlinig. Somit können auch große verschiedenartig ausgebildete Werkstücke gereinigt werden und es wird eine gleichmäßige Erwärmung der Werkstückoberfläche gewährleistet.
Zum Abtransport der bei der Reinigung entstehenden Dämpfe ist die Vorrichtung vorzugsweise mit einer Gasdüse und/oder Absaugvorrichtung, die auf den erwärmten Bereich gerichtet sind, ausgestattet.
Des Weiteren ist die Einheit zum induktiven Reinigen derart ausgebildet, dass die Werkstückoberfläche auf eine Temperatur von mindestens ca. 400°C, vorzugsweise von mindestens ca. 650°C erwärmt werden kann.
Außerdem umfasst die Erfindung eine Anordnung bestehend aus der oben beschriebenen erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Reinigen der Werkstückoberfläche sowie aus einer Laserschweißeinheit mit einem Laserschweißkopf, wobei das Werkstück über eine Fördereinrichtung von der Reinigungsvorrichtung zur Laserschweißeinheit transportiert wird. Auf diese Weise kann ein reibungsloser Übergang von Reinigungs- zu Schweißprozess ohne Wartezeiten oder Umrüstzeiten erfolgen. Außerdem wird durch die zwei separaten Einheiten gewährleistet, dass die verdampften Verschmutzungen auf keinen Fall mit dem Laserschweißkopf in Berührung kommen.
Weitere Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen, der Beschreibung und den Zeichnungen. Die gezeigten und beschriebenen Ausführungsformen sind nicht als abschließende Aufzählung zu verstehen, sondern haben vielmehr beispielhaften Charakter für die Schilderung der Erfindung.
Es zeigen:
1 die erfindungsgemäße Vorrichtung zum induktiven Reinigen und Entschichten der Oberfläche eines runden Werkstücks;
2 die erfindungsgemäße Vorrichtung zum induktiven Reinigen und Entschichten der Oberfläche eines röhrenförmigen Werkstücks;
3 die erfindungsgemäße Vorrichtung zum induktiven Reinigen und Entschichten der Oberfläche eines eckigen Werkstücks; und
4 eine Anordnung zum Reinigen und Entschichten einer Werkstückoberfläche sowie einem nachfolgendem Schweißen eines Werkstücks.
Die in 1 gezeigte Vorrichtung 1 zum induktiven Reinigen und Entschichten dient zum Entfernen einer Schutzschicht 2 von der Werkstückoberfläche 3 eines Werkstücks 4. Sie weist einen Induktor (Spule) 5, der über der zu reinigenden Werkstückoberfläche 3 des Werkstücks 4 platziert wird, auf. Betrieben wird der Induktor 5 mit einem Hochfrequenz-Generator 6 und die Regelung des gewünschten Temperaturverlaufs auf der Werkstückoberfläche 3 erfolgt mittels eines Temperatursensors 7 und eines Temperaturreglers 8. Um ein gleichmäßiges Erwärmen der Werkstückoberfläche 3 zu erreichen, wird das Werkstück 4 unter dem Induktor 5 mit Hilfe einer Bewegungseinheit 9 bewegt. Im Ausführungsbeispiel der 1 handelt es sich, wie durch den Pfeil 9a angedeutet, um eine kreisförmige Bewegung des Werkstücks 4. Die Werkstücksoberfläche 3, und zwar zumindest der Bereich, in dem ein nachfolgender Schweißprozess stattfinden soll, wird dabei so stark erwärmt, dass die Schutzschicht 2 verdampft.
Zum Abdampfen einer Schutzschicht in Form von Ölen/Korrosions-schutzmitteln hat sich ein Erwärmen der Werkstückoberfläche 3 bei einer niedrigen Temperatur ca. von 200°C mit längerer Erwärmungszeit von ca. 6 Sekunden bewährt. Zum Abdampfen von einer auch als Bonderschicht bezeichneten Phosphatschicht, wird die Temperatur höher (von mind. ca. 700°C, bevorzugt mindestens ca. 750°C) und die Erwärmungszeit kürzer (ca. 2 Sekunden) gewählt. Durch entsprechenden Abstand zwischen Induktor 5 und Werkstück 4 können die oben genannten Parameter beeinflusst werden. Damit die Dämpfe das Werkstück 4 nicht erneut kontaminieren können, werden sie, im Fall der in 1 gezeigten Ausführungsform, mit Hilfe von Druckluft 10, welche aus einer Gasdüse 11 austritt, in Richtung eines Absaugtrichter 12 weggeblasen, von wo sie dann in eine Absaugvorrichtung 13 abgesaugt werden.
Beim Reinigungsprozess wie oben beschrieben wird das Werkstück 4 zumindest im Bereich des nachfolgenden Schweißprozesses auch gleichzeitig auf eine für den unmittelbar nachfolgenden Schweißprozess günstige Temperatur, die nicht der Oberflächentemperatur des Werkstücks 4 entspricht, erwärmt. Diese ist z. B. im Fall von zu schweißenden Tellerrädern aus Stahl ca. 70°C.
Die 2 und 3 unterscheiden sich nur in der Werkstücksform und der Bewegungsrichtung von der 1. In 2 ist das Werkstück 4' rohrförmig und die Bewegung erfolgt, wie durch den Pfeil 9b angedeutet, geradlinig. In 3 ist ein quaderförmiges Werkstück 4'' gezeigt, welches, wie durch den Pfeil 9c angedeutet, geradlinig bewegt wird.
Um einen reibungslosen Ablauf des Reinigungs- und Schweißprozesses ohne Wartezeiten oder Umrüstzeiten zu gewährleisten, wird die in 4 schematisch gezeigte Anordnung verwendet. Sie besteht aus einer Beladeeinheit 14 einer Fördereinheit 15, einer Entlade- und Beladeeinheit 16 vor der wie oben beschriebenen Vorrichtung 1 zum induktiven Reinigen und Entschichten, einer Entlade- und Beladeeinheit 16' vor einer Laserschweißeinheit 17 und einer Entladeeinheit 18. Der Prozessablauf wird folgendermaßen gestaltet: Zuerst wird das zu schweißende Werkstück 4 über die Beladeeinheit 14, die Fördereinheit 15 und die Entlade- und Beladeeinheit 16 zur der Reinigungsvorrichtung 1 gebracht. Dort wird es gereinigt und dann über die Entlade- und Beladeeinheit 16, die Fördereinheit 15 und Entlade- und Beladeeinheit 16' zur Laserschweißeinheit 17 transportiert. Von dort wird es nach dem Schweißprozess über die Entlade- und Beladeeinheit 16' und die Fördereinheit 15 zur Entladeeinheit 18 gebracht. Das Be- und Entladen kann z. B. über Roboter erfolgen. Durch die zwei separaten Einheiten 1, 17 wird auch gewährleistet, dass die in der Reinigungsvorrichtung 1 verdampften Verschmutzungen auf keinen Fall mit dem Laserschweißkopf der Laserschweißeinheit 17 in Berührung kommen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- DE 10358590 A1 [0003]

Claims

Verfahren zum Reinigen und Entschichten der Werkstückoberfläche (3) eines metallischen Werkstückes (4, 4', 4'') von Verschmutzungen, insbesondere einer Schutzschicht oder Funktionsschicht (2), dadurch gekennzeichnet, dass die Werkstückoberfläche (3) induktiv erwärmt wird und dass die dabei erreichte Oberflächentemperatur des Werkstücks (4, 4', 4'') ausreicht, um die Verschmutzung auf der Werkstückoberfläche (3) vollständig oder nahezu vollständig zu verdampfen.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Werkstückoberfläche (3) je nach Verschmutzungstyp auf eine Oberflächentemperatur von mindestens ca. 200°C, vorzugsweise mindestens ca. 400°C und besonders bevorzugt mindestens ca. 650°C induktiv erwärmt wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die bei der Reinigung entstehenden Dämpfe von der Werkstückoberfläche (3) fortgeblasen und/oder abgesaugt werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei der Funktionsschicht (2) um eine Bonderschicht handelt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass dem Reinigungsprozess der Werkstückoberfläche (3) während der Abkühlung der erwärmten Werkstückoberfläche (3) ein Schweißprozess folgt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Werkstück (4, 4', 4''), zumindest im Bereich eines nachfolgenden Schweißprozesses, während des Reinigungsprozess der Oberfläche (3) auf eine für einen unmittelbar nachfolgenden Schweißprozess ideale Temperatur erwärmt wird.
Vorrichtung (1) zum Reinigen und Entschichten der Werkstückoberfläche (3) eines Werkstücks (4, 4', 4'') von Verschmutzungen, insbesondere einer Funktions- oder Schutzschicht (2), mit einem Induktor (5) zum induktiven Erwärmen der Werkstückoberfläche (3) und/oder des Werkstücks (4), mit einem Temperatursensor (7) zur Erfassung der Temperatur auf der Werkstückoberfläche (3) und mit einer Temperaturregelung (8) zur Einstellung eines gewünschten Temperaturverlaufs auf der Werkstückoberfläche (3) für den Reinigungsprozess, wobei die beim induktiven Erwärmen erreichte Werkstückoberflächentemperatur ausreicht, um die Verschmutzung auf der Werkstückoberfläche (3) vollständig oder nahezu vollständig zu verdampfen.
Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass eine Bewegungseinheit (9) vorgesehen ist, mittels derer das Werkstück (4, 4', 4'') und der Induktor (5) während des Reinigungsprozesses relativ zueinander bewegt werden können.
Vorrichtung nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass eine Gasdüse (11) und/oder Absaugvorrichtung (12), die auf den von dem Induktor (5) erwärmten Bereich der Werkstückoberfläche (3) gerichtet sind, angebracht ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Einheit zum induktiven Reinigen (1) derart ausgebildet und angesteuert ist, dass die Werkstückoberfläche (3) auf eine Temperatur von mindestens ca. 400°C, vorzugsweise mindestens ca. 650°C, erwärmt werden kann.
Anordnung bestehend aus einer Vorrichtung (1) zum Reinigen und Entschichten der Werkstückoberfläche (3) gemäß den Ansprüchen 7 bis 10 und einer Laserschweißeinheit (17), wobei das Werkstück (4, 4', 4'') über eine Fördereinheit (15) von der Reinigungsvorrichtung (1) zur Laserschweißeinheit (17) transportiert wird.