-
Die Erfindung betrifft eine insbesondere mobile Schweißvorrichtung mit einem Bearbeitungskopf zum Aufbringen eines strangförmigen Schweißzusatzstoffes in eine Prozesszone auf das zu schweißende Werkstück. Weiterhin betrifft die Erfindung ein zur Anwendung bei der Schweißvorrichtung bestimmtes Verfahren.
-
Die Bearbeitung von Werkstücken mit Schweißvorrichtungen ist seit langem bekannt. Zu den Bearbeitungsverfahren zählen das Schneiden und Schweißen von Werkstücken sowie das Härten von Oberflächen. Schweißverfahren können für das Verbinden von metallischen und nichtmetallischen Werkstoffen angewendet werden.
-
Zu den am meisten angewendeten Schweißverfahren für das Verbinden von metallischen Werkstoffen gehören unter anderem das Wolfram-Inertgas-Schweißen (WIG) und das Metall-Inertgas-Schweißen (MIG) beziehungsweise das Metall-Aktivgas-Schweißen (MAG). Bei diesen Schweißverfahren erfolgt die Wärmeeinbringung mittels eines in einer geschützten Atmosphäre erzeugten Lichtbogens.
Zusatzwerkstoffe werden für die Herstellung von schweißtechnischen Verbindungen sowie für Auftragsschichten und Plattierungen eingesetzt. Der Zusatzwerkstoff hat dabei verschiedene Funktionen, insbesondere die Sicherung definierter Werkstoffeigenschaften.
-
In Abhängigkeit des Verfahrens, der geforderten Eigenschaften und der für den Grundwerkstoff oder eine spezifische Anwendung notwendigen Zusammensetzungen werden Zusatzwerkstoffe in unterschiedlichen Formen und Zusammensetzungen angeboten.
-
Am meisten verbreitet und auch hinsichtlich des Werkstoffwirkungsgrades am günstigsten sind Schweißdrähte. Es gibt sehr unterschiedliche Arten. Die WIG-Schweißelektrode ist ein gerader Massivdraht mit Dicken zwischen 0,8 bis 2,4 mm und besteht aus metallischen Werkstoffen angepasst an die Anwendung.
-
Weiterhin zählen Stabelektroden mit Längen bis ca. 400 mm für das E-Handschweißen mit unterschiedlichen Umhüllungen aus zumeist mineralischen Komponenten zu den Schweißdrähten. Sie dienen zur Bereitstellung einer Schutzatmosphäre beim Schweißen sowie der Kompensation des Legierungsabbrandes und der Bildung einer Schlacke auf dem Schweißgut.
-
Die
DE 10 2011 114 262 A1 beschreibt eine Drahtführung, wie sie beim Schweißen, beispielsweise beim Metall-Schutzgasschweißen eingesetzt wird. Bei Metall-Schutzgasschweißverfahren kommen Drahtelektroden zum Einsatz, die über Drahtvorschubgeräte zur Schweißstelle geschoben oder gezogen werden. Dabei soll die Drahtelektrode möglichst gleichmäßig, ohne wesentliche Verformung ihrer Oberfläche und in der erforderlichen Menge zur Schweißstelle gebracht werden. Hierzu wird die Drahtelektrode vor und/oder nach dem Drahtvorschubgerät in der flexiblen Drahtführung geführt. Die Drahtführung hat dabei mehrere Aufgaben. Zum einen soll sie die Drahtelektrode führen und damit sicherstellen, dass die Drahtelektrode ohne abzuknicken zur Schutzgasdüse gelangt. Zum anderen dient die Drahtführung dazu, die Drahtelektrode vor Außeneinflüssen zu schützen.
-
Aus der
DE 37 28 473 A1 ist eine Plasma-Heißdraht-Auftragsschweißung bekannt, bei der das Anschmelzen des Zusatzstoffes, insbesondere eines Schweißdrahtes, durch einen Lichtbogen erfolgt. Der Zusatzstoff bzw. der Schweißdraht wird im Nachlauf des Plasmabrenners zugeführt und im direkten Stromdurchgang mit Hilfe des Heißdrahtprinzips unmittelbar unter der Schmelztemperatur aufgeheizt. Zur Erzielung einer stabilen Prozessführung werden die verfahrenstechnischen Parameter aufeinander abgestimmt.
-
Aus wirtschaftlicher und Anwendungssicht günstigere Verfahren sind die Metall-Schutzgas-Verfahren mit abschmelzender Drahtelektrode im Bereich von 0,6 bis ca. 1,6 mm. Der Schweißdraht liegt in großen Längen als aufgespulter Draht vor, was einen einfachen und vor allem nicht durch Unterbrechungen aufgrund eines Elektrodenwechsels unterbrochenen Prozess erlaubt, der sich dadurch gut automatisieren lässt.
-
Für spezielle Anwendungen aus der Beschichtungstechnik bzw. für die Anwendung im Freien werden außerdem Fülldrähte angeboten, die außen aus dem metallischen Grundwerkstoff bestehen und innen mit unterschiedlichen Zugabestoffen gefüllt werden können. Hierzu zählen ähnliche Zugabestoffe wie sie sich in der Umhüllung von Stabelektroden wiederfinden, die dafür sorgen, dass auch im Freien eine schützende Gasatmosphäre um den Schweißprozess vorhanden ist, da extern zugeführtes Gas vom Wind weggeblasen und der Schweißprozess dadurch instabil werden kann.
-
Außerdem lassen sich in diesem Fülldraht Zusatzstoffe zuführen, die schmelztechnisch nicht im Draht integrierbar sind. Die Herstellung von Fülldrähten ist allerdings sehr kostenintensiv und aufwändig, zudem ist es nicht möglich sehr dünne Drähte herzustellen.
-
Als weitere Form des Zusatzstoffes werden Pulver eingesetzt. Der Vorteil liegt in der freien Wahl der Zusammensetzung, die Nachteile in den sehr hohen Herstellkosten sowie dem geringen Werkstoffwirkungsgrad durch hohe Prozessverluste. Pulver lassen sich in ihrer ursprünglichen Form in den Prozess einbringen, können aber auch gebunden als Paste eingesetzt werden.
-
Eine handführbare Laserschweißvorrichtung ist beispielsweise in der
DE 10 2016 103 526 A1 beschrieben, die entweder eine eigene Laserquelle aufweist oder mittels eines flexiblen Lichtwellenleiters mit einer stationären Laserstrahlquelle koppelbar ist.
-
Gemäß der
DE 198 17 629 A1 sind motorisch antreibbare Rollen vorgesehen, um so eine gleichmäßige Vorschubgeschwindigkeit zu erreichen. Andererseits besteht aber auch die Möglichkeit, die Bearbeitungsvorrichtung von Hand über das Werkstück zu rollen.
-
Eine Schweißvorrichtung mit einer Zuführungseinrichtung für Schweißdraht ist aus der
EP 1 935 552 A2 bekannt. Diese zeigt einen Mehrstrahllaserbearbeitungskopf, bei dem ein Eingangslaserstrahl in mindestens zwei Ausgangslaserstrahlen aufgeteilt wird und diese in einem gemeinsamen Bearbeitungsbereich zusammengeführt werden. Hierbei ist mittig oder koaxial zu den Teilstrahlen und/oder zu den Ausgangslaserstrahlen und/oder koaxial zu dem Eingangslaserstrahl eine Werkzeugspitze angeordnet, die als Drahtzuführung ausgebildet ist.
-
Außerdem beschreibt die
DE 10 2016 006 551 A1 einen 3D-Drucker für Kunststoff- und Metall-Pulver, wobei mittels Laser das Material lokal erhitzt wird, bis sich die Oberflächen benachbarter Partikel miteinander verbinden oder lokal aufgeschmolzen werden, sodass die umliegenden Partikel verschweißt werden. Ist eine Schicht entstanden, wird die Bauteilplattform abgesenkt und es wird oben eine neue Schicht von Pulver aufgetragen. Der Vorgang wiederholt sich so lange bis das 3D-Objekt fertig gestellt ist.
-
Als nachteilig hat sich in der Praxis erwiesen, dass strangförmige Schweißzusatzstoffe hinsichtlich der möglichen Zugabestoffe durch die damit einhergehenden Umformeigenschaften limitiert sind und daher oftmals nicht als Draht hergestellt werden können. Hierdurch gibt es Einschränkungen in der Verfügbarkeit geeigneter Legierungen, insbesondere im Bereich harter metallischer Legierungen, die nur sehr kostenintensiv als Pulver oder unter Umständen als Fülldraht eingesetzt werden müssen.
-
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Schweißvorrichtung zu schaffen, die den Einsatz von strangförmigen Schweißzusatzstoffen in Verbindung mit einem wesentlich erweiterten Spektrum möglicher Zugabestoffe erlaubt. Weiterhin liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Anwendung bei der Schweißvorrichtung zu schaffen, durch welches eine Vielzahl von Zugabestoffen eingesetzt werden können.
-
Die erstgenannte Aufgabe wird erfindungsgemäß mit einer Schweißvorrichtung gemäß den Merkmalen des Anspruches 1 gelöst. Die weitere Ausgestaltung der Erfindung ist den Unteransprüchen zu entnehmen.
-
Erfindungsgemäß ist also die Schweißvorrichtung mit einer Vorrichtung zur Modifikation des Schweißzusatzstoffes durch einen Zugabestoff in unmittelbarer räumlicher Nähe zu der Prozesszone ausgestattet. Erfindungsgemäß wird erstmals eine Möglichkeit geschaffen, mit der durch eine In-Situ-Beschichtung des Schweißzusatzstoffes mit dem Zugabestoff, insbesondere unmittelbar vor dem Auftrag des drahtförmigen Zusatzstoffes auf die Prozesszone, eine nach den jeweiligen Umständen optimale stoffliche Zusammensetzung unabhängig von den gegebenenfalls nachteiligen Auswirkungen auf die Verformbarkeit des Schweißzusatzstoffes zu realisieren. Gegebenenfalls eintretende, die Materialeigenschaften, insbesondere Verformungseigenschaften des Zusatzstoffes nachteilig verändernde, beispielsweise versprödende Effekte, und die damit anderenfalls verbundenen Beeinträchtigungen werden aufgrund der räumlichen Nähe zu der Prozesszone vermieden. Somit lassen sich vor allem auch isotrope Eigenschaften des Schweißzusatzstoffes realisieren, die einen Zugabestoff erfordern, wobei erfindungsgemäß auch solche Kombinationen realisiert werden können, die mit herkömmlichen Verfahren, beispielsweise einer Beschichtung oder durch Einmischen in das Schweißzusatzmaterial bisher nicht möglich waren. Erfindungsgemäß lässt sich durch die Materialbestandteile des Zugabestoffes beispielsweise eine homogene Kornbildung erreichen. Die damit gegebenenfalls einhergehende Versprödung des Schweißzusatzstoffes, durch die sich der Schweißzusatzstoff beispielsweise nicht in Form einer Drahtwicklung zuführen lässt, weil die hierzu erforderliche Drahtdehnung herabgesetzt ist, erweist sich dabei als unproblematisch.
-
Um auch bei anspruchsvollen, nicht ziehbaren Werkstoffen eine Schweißdrahtlösung bereitstellen zu können, wird zunächst ein in seiner Grundzusammensetzung zu dem zu verschweißenden Werkstoff passender Draht als Schweißzusatzstoffes ausgewählt und anschließend über ein Beschichtungsverfahren, beispielsweise durch ein Zerstäubungsverfahren mit den für die Anwendung notwendigen Zugabestoffen beschichtet. Dieser in zwei oder mehr Schichten vorliegende Draht erfüllt dann die für die Anwendung notwendigen Anforderungen. Vorteilhaft ist die Möglichkeit der Verwendung von Standarddrähten, die günstig im Preis sind und die freie Wählbarkeit der Zugabestoffe, die auf die Oberfläche des Drahtes aufgebracht werden. Auch kleine Mengen sind dann ohne großen Aufwand herstellbar. Ergänzend lassen sich prozess- oder eigenschaftsverbessernde Zusatzstoffe aufbringen, die beispielsweise als Mischkristall- oder Feinkornbildner im Gefüge wirken oder durch ihre Ausscheidungsneigung einen weiteren festigkeitssteigernden Effekt durch Dispersionsverfestigung mitbringen.
-
Dabei hat es sich als besonders praxisgerecht erwiesen, wenn die Schweißvorrichtung mit einer Beschichtungsvorrichtung, insbesondere mit einer Sprüheinrichtung ausgestattet ist, um so bedarfsgerecht den Zugabestoff auf den Schweißzusatzstoff aufzubringen. Ein besonderer Vorteil des In-Situ Auftrages des Zugabestoffes besteht dabei auch darin, dass eine feste, insbesondere dauerhafte Verbindung des Zugabestoffes an dem Schweißzusatzstoff nicht erforderlich ist, weil die Weiterverarbeitung in der Prozesszone mit einem sehr geringen zeitlichen Abstand erfolgt und daher eine hohe Haftfestigkeit entbehrlich ist. Weiterhin kann auch die Zusammensetzung oder Stärke der Beschichtung variabel an den Prozess, beispielsweise auch in Abhängigkeit erfasster Messwerte angepasst werden.
-
Hierzu kann die Beschichtungsvorrichtung gemäß einer weiteren besonders Erfolg versprechenden Ausgestaltungsform eine insbesondere koaxiale Düse für die Zuführung eines beispielsweise pulverförmigen Zugabestoffes aufweisen. Indem der Schweißzusatzstoff unmittelbar vor seiner Zuführung in die Prozesszone in der Düse eine konzentrische Schicht des pulverförmigen oder eines pastösen Zugabestoffes erhält, werden die beim Stand der Technik auftretenden Verlustmengen auf ein Minimum reduziert. Dabei kann der beispielsweise pulverförmige Zugabestoff auch dann eingesetzt werden, wenn zwischen dem Zugabestoff und dem Schweißzusatzstoff keine oder nur eine sehr geringen Bindung erreicht wird, weil während der Durchführung des Bearbeitungsprozesses keine Umlenkung des Schweißzusatzstoffes erfolgt.
-
Weiterhin hat es sich als besonders zweckmäßig erwiesen, wenn die Schweißvorrichtung mit einer Zuführeinrichtung für die an den Schweißprozess angepasste Zuführung des strangförmigen Zugabestoffes ausgestattet ist. Hierdurch wird es möglich, einen konstanten Abstand des Schweißzusatzstoffes mit dem damit verbundenen Zugabestoff von der Prozesszone sicherzustellen, sodass insbesondere konstante Schweißbedingungen erreicht werden können.
-
Eine andere, ebenfalls besonders Erfolg versprechende Ausgestaltungsform der Erfindung wird auch dann erreicht, wenn die Schweißvorrichtung als eine 3D-Druckvorrichtung nach dem Prinzip des generativen Laserauftragsschweißens oder des pulverbettbasierten Laserschmelzens ausgeführt ist. Erfindungsgemäß wird so durch die von dem Prozessverlauf abhängige Modifikation des Zugabestoffes und die so erreichbaren isotropen Eigenschaften des Schweißzusatzstoffes die Voraussetzung für die Herstellung von Werkstücken mit der erforderlichen Genauigkeit geschaffen. Selbstverständlich kann eine solche Laserschweißvorrichtung auch vornehmlich stationär eingesetzt werden.
-
Die zweitgenannte Aufgabe wird erfindungsgemäß auch noch mit einem Verfahren dadurch realisiert, dass die Modifikation, insbesondere Beschichtung des Schweißzusatzstoffes durch PVD-/CVD-Verfahren, thermisches Spritzen mit anschließendem Umschmelzen des Zugabestoffes, und/oder Ummantelung in der Düse mit einem gebundenen metallhaltigen Pulver als Zugabestoff durchgeführt wird. Hierdurch kann nahezu jeder Schweißzusatzstoff durch eine entsprechende Modifikation mittels eines Zugabestoffes mit den gewünschten, vor allem isotropen Eigenschaften versehen werden, die zu einer wesentlichen Verbesserung der Materialeigenschaften des so bearbeiteten Werkstückes führen. Erstmals wird so auch die Herstellung ganzer Werkstücke mit weitgehend isotropen Eigenschaften im 3D-Druckverfarhen ermöglicht. Die Beschichtung kann dabei gleichermaßen durch formlose Zugabestoffe, wie Flüssigkeiten, Pulver und dergleichen, oder formneutrale band- oder drahtförmige Zugabestoffe erfolgen.
-
Die Art der Beschichtung kann dabei sehr unterschiedlich sein. Diffusionsgebundene Schichten bspw. durch kathodische Zerstäubungsverfahren sind ebenso anwendbar wie thermische Spritzschichten, galvanische Abscheideverfahren oder pastenförmige Ummantelungen, die eine Verbindung zum Draht durch eine Verklebung an der Oberfläche schaffen.
-
Auch die In-Situ-Ummantelung des Schweißdrahtes unmittelbar vor dem Prozess durch das Aufbringen einer Paste auf den Schweißdraht ist anwendbar, dieses Verfahren erlaubt zudem die Zugabe großer Mengen unterschiedlicher funktionaler Stoffe zum Draht und damit in das Schmelzbad. Durch die Anwendung einer ringförmigen Zuführdüse im Brenner, durch den der Draht mittig durchgeführt wird, wird eine, mittels eines neutralen Bindemittels wie beispielsweise Glyzerin, erzeugte Paste kontinuierlich um den geförderten Draht gelegt und dem Prozess zugeführt. Dies hat den sehr großen Vorteil, dass Standarddrähte verwendet und auch in einem Prozessverlauf unterschiedliche Pasten zugeführt werden können, die eine Gradierung des Werkstoffes zulassen.
-
Obwohl die Modifikation nicht zwingend an den Vorschub des Schweißzusatzstoffes gekoppelt ist, hat es sich bereits als besonders Erfolg versprechend erwiesen, wenn die Modifikation In-Situ während der Zuführung des Schweißzusatzstoffes durchgeführt wird, sodass eine einfache Kontrolle der Art und Menge des Zugabestoffes jederzeit während der Durchführung des Verfahrens problemlos möglich ist. Dabei lassen sich erfindungsgemäß auch solche Kombinationen realisieren, die mit herkömmlichen Verfahren, beispielsweise einer Beschichtung oder durch Einmischen in das Schweißzusatzmaterial nicht erreicht werden können.
-
Die Erfindung lässt verschiedene Ausführungsformen zu. Zur weiteren Verdeutlichung ihres Grundprinzips ist eine davon in der Zeichnung dargestellt und wird nachfolgend beschrieben. Diese zeigt jeweils in einer Prinzipdarstellung in
- 1 eine Seitenansicht einer erfindungsgemäßen Schweißvorrichtung mit einer Beschichtungsvorrichtung und mit einem Bearbeitungskopf;
- 2 die in 1 gezeigte Beschichtungsvorrichtung in einer vergrößerten Darstellung.
-
Die erfindungsgemäße Schweißvorrichtung wird nachstehend anhand der 1 und 2 näher erläutert. Die Schweißvorrichtung ist mit einem Bearbeitungskopf zum Aufbringen eines strangförmigen Schweißzusatzstoffes S auf ein nicht dargestelltes Werkstück in einer Prozesszone und mit einer eine Beschichtungsvorrichtung 2 aufweisenden Vorrichtung zur Modifikation des Schweißzusatzstoffes S durch einen Zugabestoff ausgestattet. Der drahtförmige Schweißzusatzstoff S wird hierzu von einer Drahtspule 1 abgewickelt und mittels eines Drahtvorschubgerätes 3 durch die Beschichtungsvorrichtung 2 geführt. Der so modifizierte Schweißzusatzstoff S wird anschließend einem Brenner 5 zugeführt und in der Schweißzone auf das Werkstück aufgebracht. Hierbei werden während des Schweißprozesses mittels einer Steuerung 7 laufend relevante Parameter und Messwerte insbesondere auch der Beschichtungsvorrichtung 2 und der Prozesszone erfasst und gegebenenfalls die Beschichtung des Schweißzusatzstoffes S entsprechend modifiziert. Die Schweißvorrichtung ist hierzu als eine mobile Einheit mit einer elektrischen Energiequelle 4 sowie gegebenenfalls auch angetriebenen Rädern 6 ausgestattet.
-
In 2 ist die Beschichtungsvorrichtung 2 näher dargestellt. Der Schweißzusatzstoff S ist innerhalb der Beschichtungsvorrichtung 2 durch eine rohrförmige Führung 12 eingeschlossen und wird von einer nicht gezeigten Einrichtung innerhalb der Führung 12 zentriert. Der Auftrag des hier pastenförmigen Zugabestoffes Z erfolgt mittels einer Zuführeinheit 8, die quer zur Vorschubrichtung des Schweißzusatzstoffes S angeordnet ist. Der Zugabestoff Z füllt den Ringspalt zwischen dem Schweißzusatzstoff S und der Führung 12 aus. In einem Beschichtungskanal 9 wird der pastöse Zugabestoff Z mit dem Schweißzusatzstoff S thermisch verbunden. Hierzu ist in einem Grundkörper 13 der Beschichtungsvorrichtung 2 eine Gaszufuhr 11 vorgesehen, die mit einer Gasdüse 10 verbunden ist. Die Temperatur wird dabei ebenso wie die Gaszufuhr durch die Steuerung 7 gesteuert.
-
Erfindungsgemäß wird erstmals eine Möglichkeit geschaffen, mit der durch eine In-Situ-Beschichtung des Schweißzusatzstoffes S mit dem Zugabestoff Z unmittelbar vor dem Auftrag des drahtförmigen Schweißzusatzstoffes S auf die Prozesszone eine nach den jeweiligen Umständen optimale stoffliche Zusammensetzung unabhängig von den gegebenenfalls nachteiligen Auswirkungen auf die Verformbarkeit des Schweißzusatzstoffes S zu realisieren. Gegebenenfalls eintretende, die Materialeigenschaften, insbesondere Verformungseigenschaften des Zusatzstoffes Z, nachteilig verändernde, beispielsweise versprödende Effekte, und die damit anderenfalls verbundenen Beeinträchtigungen werden aufgrund der räumlichen Nähe zu der Prozesszone vermieden. Insbesondere kann auf eine Umlenkung oder Verformung des Schweißzusatzstoffes S in Vorschubrichtung hinter der Beschichtungsvorrichtung 2 verzichtet werden, sodass beispielsweise ein Abplatzen der Beschichtung des Zugabestoffes Z von dem Schweißzusatzstoff S ausgeschlossen werden kann.
-
Bezugszeichenliste
-
- 1
- Drahtspule
- 2
- Beschichtungsvorrichtung
- 3
- Drahtvorschubgerät
- 4
- Energiequelle
- 5
- Brenner
- 6
- Rad
- 7
- Steuerung
- 8
- Zuführeinheit
- 9
- Beschichtungskanal
- 10
- Gasdüse
- 11
- Gaszufuhr
- 12
- Führung
- 13
- Grundkörper
- S
- Schweißzusatzstoff
- Z
- Zugabestoff
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
-
Zitierte Patentliteratur
-
- DE 102011114262 A1 [0007]
- DE 3728473 A1 [0008]
- DE 102016103526 A1 [0013]
- DE 19817629 A1 [0014]
- EP 1935552 A2 [0015]
- DE 102016006551 A1 [0016]
