DE60312323T2 - Verfahren zum hybrid laser-lichtbogenmehrfachdickenschweissen mit kantenschweissung - Google Patents
Verfahren zum hybrid laser-lichtbogenmehrfachdickenschweissen mit kantenschweissung Download PDFInfo
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Description
- Die vorliegende Erfindung betrifft die Anwendung eines Hybridschweißverfahrens, das einen Laserstrahl mit einem Lichtbogen für das Mehrfach-Dicken-Schweißen kombiniert, d.h. für die Zusammenfügung von mehreren Metallstücken, die übereinander gestapelt sind, durch Schweißen, bei dem das Schmelzen auf der Kante erfolgt, d.h. im Bereich der Seitenränder der zu verschweißenden Stücke.
-
US 5 700 989 beschreibt eine Methode zum Laser-Lichtbogen-Hybridschweißen von zwei Stücken Rand an Rand nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1. - Es ist bekannt, dass das Mehrfach-Dicken-Schweißen, d.h. das Schweißen von mehreren übereinander angeordneten Metallstücken, im Allgemeinen mindestens drei übereinander angeordneten Stücken, auf industrieller Ebene nicht einfach durchzuführen ist.
- Wenn derzeit, wie in den
1a bis1c dargestellt, mehrere übereinander angeordnete Stücke1 bis4 durch Schweißen entlang einer Schweißnaht J, beispielsweise durch Laser-, Lichtbogen- oder Elektronenstrahlschweißen, zusammengefügt werden sollen, ist es herkömmlich, ein Schmelzen der Stücke1 bis4 durchzuführen, wobei das Schmelzen F auf der Seitenfläche des ersten Stücks1 angreift, welches sich unmittelbar gegenüber dem Schweißbrenner befindet, der die Schweißenergie ES liefert (z.B. Lichtbogen, Laserstrahl oder Elektronenstrahl, ...), dieses Schmelzen F über die gesamte Dicke dieses ersten Stücks1 , dann über die aufeinander folgenden Dicken der Stücke2 bis4 , die sich unter dem ersten Stück1 befinden, fortzusetzen (Richtung des Pfeils F1), bis ein völliges Schmelzen entlang der Dicke der Stücke1 bis3 und ein völliges oder teilweises Schmelzen des letzten Stücks4 erhalten wird, das sich unter dem Stapel befindet, d.h. des am weitesten vom ersten Stück1 entfernten Stücks. - Wenn dieses Schmelzen durchgeführt ist, werden der Schweißbrenner und die Stücke
1 bis4 in Bezug zueinander verschoben, so dass dieses Schmelzen entlang der gesamten Schweißbahn (Richtung des Pfeils F2) fortgesetzt wird, um die gewünschte Schweißnaht J zu bilden. - Nun bringt diese Art, mehrere übereinander angeordnete Stücke zu verschweißen, mehrere Probleme mit sich.
- Zuerst ist zu verstehen, dass die Notwendigkeit, eine völlige Eindringung gleichsam der Gesamtheit der Stücke durchführen zu müssen, den Einsatz einer umso größeren Schweißenergie erfordert, als die Anzahl von zu verbindenden Stücken groß ist, und vor allem als die zu schmelzende Gesamtdicke hoch ist.
- Aus diesem Grund kann es sein, wenn die Energie nicht ausreichend ist, dass das Schweißen des letzten Stücks, d.h. jenes, das sich unter dem Stapel befindet, unvollständig oder mangelhaft ist.
- Überdies, wenn die zu verschweißenden Stücke feine Bleche sind, typischerweise Bleche mit einer Dicke von 0,3 bis 1,5 mm, sind oft Verformungen der Enden dieser Bleche zu beobachten, auf Grund der großen eingesetzten Energie während des Schweißens, die zu einem Anheben dieser Ränder oder Enden führt, was spätere Korrosionsprobleme hervorrufen und Gefahren für die Benutzer auf Grund des Vorhandenseins von vorspringenden Kanten darstellen kann.
- Andererseits ist das Flanschen, d.h. der Vorgang, der darin besteht, die Bleche dieses Montagetyps aneinander zu drücken und zu halten, nicht einfach durchzuführen, da oft nicht genügend Platz ist, um die Montagebacken auf jeder Seite der Schweißschnur zu positionieren.
- Ziel der vorliegenden Erfindung ist nun, ein Schweißverfahren vorzuschlagen, das es ermöglicht, die oben genannten Probleme zu lösen und ein wirksames und verbessertes Schweißen von mehreren übereinander angeordneten Metallstücken, d.h. ein Mehrfach-Dicken-Schweißen, zu erhalten.
- Die Lösung der Erfindung ist nun ein Laser-Lichtbogen-Hybridschweißverfahren von mehreren zu schweißenden Metallstücken unter Verwendung von mindestens einem Laserstrahl und mindestens einem Lichtbogen, dadurch gekennzeichnet, dass die Metallstücke in einer Mehrfach-Dicken-Anordnung übereinander geschichtet sind, und dass der Laserstrahl und der Lichtbogen die Mehrfach-Dicken-Anordnung an den Kanten schweißen.
- Je nach Fall kann das erfindungsgemäße Verfahren ein oder mehrere der folgenden technischen Merkmale umfassen:
- – der Lichtbogen und der Laserstrahl treffen auf eine selbe, auf der Kante stehende Zone auf und schweißen diese,
- – der Lichtbogen und der Laserstrahl treffen ungefähr auf halber Distanz gemäß der Dicke (E) der Mehrfach-Dicken-Anordnung auf,
- – die Stücke sind metallische Platten oder Folien,
- – der Laserstrahl wird von einem Laseroszillator des Typs CO2 oder YAG erzeugt,
- – die Mehrfach-Dicken-Anordnung umfasst 2 bis 100 Stücke, vorzugsweise 3 bis 10 Stücke,
- – die Mehrfach-Dicken-Anordnung weist eine Gesamtdicke (E) zwischen 0,5 mm und 20 mm, vorzugsweise von 1 bis 10 mm, auf,
- – der Laserstrahl und der Plasma-Lichbogen, die zusammen kombiniert sind, werden durch dieselbe Öffnung einer Schweißdüse abgegeben,
- – während des Schweißens wird ein Gas verwendet, das Argon, Helium oder beides enthält,
- – der Lichtbogen wird von einer schmelzbaren oder nicht schmelzbaren Elektrode erzeugt,
- – die zu schweißenden Stücke bestehen aus einem Material, das aus legierten oder nicht legierten, ferritischen oder austenitischen Stählen ausgewählt wird, die eventuell mit einer Zinkschicht überzogen sind.
- – die Eindringungsdistanz (D) des Kantenschweißens liegt zwischen 0,5 mm und 10 mm, vorzugsweise von 0,5 bis 1 mm.
- Ausführungsbeispiel
- Das Laser-Lichtbogen-Hybridschweißverfahren von mehreren übereinander angeordneten Stücken in einer Mehrfach-Dicken-Anordnung gemäß der Erfindung ist in den
2 bis10 dargestellt. - Wie
2 zeigt, werden erfindungsgemäß die Metallstücke1 bis4 , die durch Schweißen zu verbinden sind und die hier 4 Stahlfolien oder -platten sind, zuerst in der Mehrfach-Dicken-Anordnung, in der sie zu verschweißen sind, übereinander gelegt. - Genauer werden die Stücke
1 bis4 derart positioniert, dass ihre jeweiligen Kanten1a bis4a gegenüber dem Schweißkopf angeordnet sind, durch den der Laserstrahl und der Lichtbogen abgegeben werden. - Der Laserstrahl und der Lichtbogen (schematisch durch den Pfeil
5 dargestellt) treffen nun auf die Kanten1a bis4a der Stücke1 bis4 der Mehrfach-Dicken-Ausführung oder -Anordnung auf, um ein Schmelzen der Kanten1a bis4a und die anschließende Bildung einer Schweißnaht6 zwischen den Metallstücken im Bereich der Kanten (1a bis4a ) durch Verfestigung des geschmolzenen Metalls hervorzurufen, wie in den3 ,9 und10 dargestellt. - Mit anderen Worten beruht das erfindungsgemäße Schweißverfahren auf einer Verbindung der Kanten
1a bis4a der Stücke durch Schmelzen, d.h. der Ränder, die sich an den Enden der zu verbindenden Stücke1 bis4 befinden, und zwar unter der kombinierten Wirkung des Laserstrahls und des Lichtbogens, und nicht auf einem Schmelzen durch völlige Eindringung der Stücke mit Angriff über eine der Seitenflächen der Stücke, wie herkömmlicherweise im Stand der Technik durchgeführt und in den1a bis1c dargestellt. - Die Schweißnaht
6 kann durch völliges Schmelzen er Kante jedes der Stücke1 bis4 , d.h. gemäß der gesamten Dicke E, wie in3 durchgeführt, oder auch durch völliges Schmelzen der Stücke2 ,3 , die sich in der Mitte der Anordnung befinden, und nur teilweises Schmelzen der Kanten der Stücke1 ,4 , die sich beiderseits der Mehrfach-Dicken-Anordnung befinden, gebildet werden, wie in9 dargestellt, in der zu sehen ist, dass obwohl ein Teil der Kanten1a und4a der Stücke1 bzw.4 nicht geschmolzen wurde, dennoch eine wirksame Schweißung6 der Mehrfach-Dicken-Anordnung auf einer geringeren Dicke e (e < E) erzielt wird. - Dank des erfindungsgemäßen Verfahrens, bei dem ein völliges Schmelzen der gesamten Dicke E der Mehrfach-Dicken-Anordnung nicht erforderlich ist (
9 ), ist leicht zu verstehen, dass die einzusetzende Energiemenge geringer als die herkömmlicherweise im Stand der Technik eingesetzte ist (1a bis1c ), wodurch die Gefahr einer Verformung der verschweißten Teil umso geringer wird. - Da ferner das erfindungsgemäße Schweißen an den Kanten erfolgt, können sich die Enden der so verschweißten Stücke
1 bis4 nicht mehr abheben und für die Benutzer gefährliche vorspringende Kanten bilden, die die spätere Korrosion begünstigen. - Andererseits ermöglicht es das Hybridverfahren, sowohl die Eindringung als auch die Ausbreitung der für das Schweißen an den kanten erforderlichen Schnur zu erhalten, da weder der Laser alleine noch der Lichtbogen alleine es ermöglichen, sowohl die Schweißgeschwindigkeit, als auch die Eindringung und die Ausbreitung, die mit einer guten industriellen Produktivität vereinbar sind, zu erhalten. Bei einer Mehrfach-Dicken-Anordnung von 3 mm beispielsweise, bei der 4 Bleche mit Dicken von 1 und 0,5 mm bei einer Leistung des CO2-Lasers von 3kW und bei 130 A Lichtbogenstrom verschweißt werden, werden Schweißgeschwindigkeiten von ungefähr 4 bis 5 m/min erzielt.
- Das erfindungsgemäße Verfahren kann ferner verwendet werden, um Stücke zu schweißen, deren Kanten
1a bis4a in einer selben Ebene enthalten sind, wie in2 gezeigt, aber auch um Stücke zu schweißen, deren Kanten1a bis4a in unterschiedlichen Ebenen liegen, beispielsweise Kanten, die eine treppenartige Montage (4 ) bilden, oder Montagen auf mehreren Ebenen oder in Stufen (5 bis7 ). - Überdies, obwohl das Verfahren im Rahmen des Schweißens einer Mehrfach-Dicken-Anordnung, die von 4 Platten gebildet ist, als Beispiel beschrieben wurde, stellt sich heraus, dass es auch für Ausführungen anwendbar ist, die nur 2 oder 3 Stücke umfassen, beispielsweise eine Ausführung mit 3 Stücken
1 bis3 , wie in8 dargestellt, oder umgekehrt für Ausführungen, die mindestens 5 Stücke umfassen. In jedem Fall ist es wesentlich, dass der Laserstrahl und der Lichtbogen auf die Stücke auf den Kanten eintreffen und sie schmelzen, d.h. in Richtung des Pfeils5 der2 bis8 . - Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht es, Mehrfach-Dicken-Montagen zu verschweißen, deren Gesamtdicke zwischen 0,5 mm und 20 mm beträgt. Die zu schweißenden Stücke können ihrerseits eine selbe Dicke oder unterschiedliche Dicken aufweisen.
- Das Laser-Lichtbogen-Hybridschweißverfahren, das für die vorliegende Erfindung anwendbar ist, ist vollkommen herkömmlich und basiert auf einer Kombination eines Laserstrahls und eines Lichtbogens, die auf einen selben Punkt oder eine selbe Zone treffen, so dass die Energien des Lichtbogens und des Strahls kombiniert werden, um ein wirksames Schmelzen der zu schweißenden Produkte zu erhalten.
- Diese Technik ist dem Fachmann sehr gut bekannt, und Laser-Lichtbogen-Hybridschweißverfahren sind insbesondere in folgenden Dokumenten beschrieben: EP-A-1162026; EP-A-1160047; EP-A-1160046; EP-A-1160048; WO-A-02/16071; EP-A-793558; EP-A-782489; EP-A-800434; US-A-5 006 688; US-A-5 700 989; EP-A-844042; Laser GTA „Welding of aluminium alloy 5052, TP Diebold et CE Albright, 1984, S. 18–24; SU-A-1815085, US-A-4 689 466; Plasma arc augmented laser welding, RP Walduck et J. Biffin, S. 172–176, 1994; oder TIG or MIG arc augmented laser welding of thick mild steel plate, Joining and Materials.
- Das Laser-Lichtbogen-Verfahren besteht darin, einen Lichtbogen zwischen einer schmelzbaren oder nicht schmelzbaren Elektrode und dem oder den zu schweißenden Stücken zu erzeugen und einen starken Laserstrahl, insbesondere einen Laser des Typs YAG oder des Typs CO2, in die Lichtbogenzone zu fokussieren, d.h. auf das Niveau oder in die Ebene der Schweißnaht.
- Der Einsatz eines Laser-Lichtbogen-Hybridschweißverfahrens erfordert die Verwendung eines Schweißkopfes, der es ermöglicht, den Laserstrahl und seine Fokussierungsvorrichtung zu kombinieren, sowie einer entsprechenden schmelzbaren oder nicht schmelzbaren Schweißelektrode. Der Laserstrahl wird gleichzeitig oder nach der Bildung des Lichtbogens entsandt, damit sich der Strahl mit dem Lichtbogen kombiniert.
- Mehrere Ausführungen von Köpfen sind in den oben erwähnten Dokumenten beschrieben, und zusammenfassend kann gesagt werden, dass der Laserstrahl und der Lichtbogen von einem einzigen und selben Schweißkopf ausgegeben werden können, d.h. dass sie durch dieselbe Öffnung austreten, oder auch von zwei getrennten Schweißköpfen, wobei einer den Laserstrahl und der andere den Lichtbogen oder den Plasmastrahl liefert, wobei sich diese in der Schweißzone vereinigen, wie beispielsweise in den Dokumenten WO-A-01/05550 oder EP-A-1084789 beschrieben.
- Bei der Herstellung der Schweißnaht ist es notwendig, ein Unterstützungsgas zu verwenden, um den Laserstrahl zu unterstützen und die Schweißzone vor äußeren Angriffen zu schützen, und ein Gas für den Lichtbogen zu verwenden, insbesondere ein plasmagenes Gas, das dazu dient, den Plasmastrahl im Falle eines Plasmaverfahrens zu erzeugen.
- Der Lichtbogen kann ein Plasmastrahl, ein TIG-Lichtbogen, der von einer nicht schmelzbaren Wolfram-Elektrode erzeugt wird, oder ein MIG-Lichtbogen sein, der am Ende einer schmelzbaren Elektrode gebildet wird und es bei seinem progressiven Schmelzen ermöglicht, das Metallschmelzbad mit zusätzlich zugeführtem Metall zu versorgen. In jedem Fall kombinieren sich der Laserstrahl und der Lichtbogen, um lokal ausreichend Leistungsdichte (Schweißenergie) zu konzentrieren, um die Kanten
1a bis4a der zu schweißenden Stücke1 bis4 zu schmelzen. - Die Erfindung kann verwendet werden, um Metallstücke zu verbinden, die gleiche oder unterschiedliche Dicken und/oder identische oder unterschiedliche metallurgische Zusammensetzungen oder metallurgische Nuancen aufweisen.
- Es versteht sich, dass, um eine vollständige Schweißnaht
6 zu erhalten, wie in10 gezeigt, die zu schweißenden Stücke und der Schweißkopf eine Verschiebebewegung in Bezug zueinander ausführen, d.h. dass entweder die Stücke fest und der Schweißkopf beweglich ist oder umgekehrt. - Überdies ist zu betonen, dass die Schweißphase in einem oder mehreren Durchgängen erfolgen kann.
- Das erfindungsgemäße Verfahren ist für das Schweißen jeder Struktur anwendbar, die von mehreren metallischen Dicken gebildet ist und auf der Kante geschweißt werden kann, und kann beispielsweise verwendet werden, um Teile von Wärmetauschern zu schweißen.
- Das erfindungsgemäße Verfahren ist auch für das Kantenschweißen von angehobenen Rändern von Rohren oder Profilen anwendbar, d.h. von Stücken mit derselben Dicke oder mit unterschiedlichen Dicken, deren Ränder nach außen getrieben werden, wenn sie auf den Kanten nach dem erfindungsgemäßen Verfahren geschweißt werden.
Claims (12)
- Verfahren zum Laser-Lichtbogen-Hybridschweißen von mehreren (
1 bis4 ) zu schweißenden Metallstücken unter Verwendung von wenigstens einem Laserstrahl und wenigstens einem Lichtbogen, dadurch gekennzeichnet, dass die Metallstücke (1 bis4 ) in einer Mehrfach-Dicken-Anordnung übereinander geschichtet sind und dadurch, dass der Laserstrahl und der Lichtbogen die Mehrfach-Dicken-Anordnung (1a ,2a ,3a ,4a ) kanten-(1a bis4a )schweißen. - Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Lichtbogen und der Laserstrahl auf eine gleiche Zone auftreffen und kantenschweißen.
- Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Lichtbogen und der Laserstrahl ungefähr auf halber Distanz gemäß der Dicke (E) der Mehrfach-Dicken-Anordnung auftreffen.
- Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Stücke Metall-Platten oder -Folien sind.
- Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Laserstrahl von einem Laseroszillator des Typs CO2 oder YAG erzeugt wird.
- Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Mehrfach-Dicken-Anordnung 2 bis 100 Stücke umfasst, vorzugsweise 3 bis 10.
- Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Mehrfach-Dicken- Anordnung eine Gesamtdicke (E) zwischen 0,5 und 20 mm aufweist.
- Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Laserstrahl und der Plasma-Lichtbogen, die zusammen kombiniert sind, durch die gleiche Öffnung einer Schweißdüse abgegeben werden.
- Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass während des Schweißens ein Gas verwendet wird, das Argon, Helium oder beides enthält.
- Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Schweißdistanz (D) des Kantenschweißens zwischen 0,5 mm und 10 mm liegt.
- Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Lichtbogen von einer schmelzbaren oder nicht-schmelzbaren Elektrode erzeugt wird.
- Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die zu schweißenden Stücke aus einem Material bestehen, das aus legierten oder nicht-legierten, ferritischen oder austenitischen Stählen ausgewählt wird, die möglicherweise mit einer Zinkschicht überzogen sind.
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