AT410068B

AT410068B - Kühlverfahren

Info

Publication number: AT410068B
Application number: AT80262001A
Authority: AT
Original assignee: Inocon Technologie Gmbh
Priority date: 2000-09-06
Filing date: 2000-09-06
Publication date: 2003-01-27
Also published as: ATA80262001A

Description

AT 410 068 B

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Abführen von Wärme aus dem Verbindungsbereich zweier metallischer Werkstoffe gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Beim Verbinden von metallischen Werkstoffen mittels Wärme, insbesondere beim Schweißen und Löten werden in die beiden zu verbindenden Werkstücke große Wärmemengen eingebracht. Diese Wärme wird in den metallischen Werkstücken durch Wärmeleitung weitergeleitet. Speziell bei großflächigen bzw. großvolumigen Werkstücken, welche den Einsatz von Parallelschweißungen erfordert, also von mehreren parallel zu einander angeordneten Schweißnähten, bereitet die dabei stattfindende Wärmeeinleitung in die Werkstücke große Probleme. So finden beispielweise bei der Fertigung von großen zylindrischen Tanks Parallelschweißungen entlang des Umfangs Anwendung. Die Schweißnähte sind dabei in einem Abstand von 0,5m oder mehr parallel zueinander angeordnet. Jede Schweißnaht ist in der Regel länger als 1m. Die unter diesen Voraussetzungen in die Werkstücke eingebrachte Wärmemenge ist somit sehr groß Gut wärmeleitende metallische Werkstücke, wie beispielsweise Aluminium, Magnesium oder Kupfer begünstigen die innere Wärmeleitung zusätzlich. Die Werkstücke erhitzen sich so stark, dass deren Temperatur auch in nicht geschweißten Bereichen nahe an den Schmelzpunkt des jeweiligen Werkstückmaterials herankommt. Dies kann jedoch zu einem Durchbrechen im Bereich der Schweißnaht führen, womit das Werkstück unbrauchbar wird Es ist deshalb von großer Bedeutung, in jenen Bereich der Werkstücke, die nicht verschweißt werden sollen, das Erreichen der Schmelztemperatur zu verhindern.

Bei Aluminium ist es beispielsweise erforderlich, die Werkstücktemperatur in einem Abstand von mindestens 5°C vom Schmelzpunktzu halten, da sonst ein Durchbrechen nicht verhindert werden kann. Bei Magnesium beispielsweise beträgt dieser Sicherheitsabstand 3°C. bei Kupfer sollte er kleiner als 3°C sein.

Um diese Sicherheitsabstände einhalten zu können, wird nun versucht eine kontrollierte Wärmeabfuhr aus dem Verbindungsbereich durchzuführen. Diese kontrollierte Wärmeabfuhr erfolgt bei bekannten Verfahren beispielsweise durch kühlmitteldurchflossene, den zu verbindenden Werkstücken angepasste Formkörper, welche meistens aus Kupfer gefertigt sind. Diese Formkörper werden eng an die zu verbindenden Werkstücke angedrückt, um die überschüssige Prozesswärme abzuführen.

Als problematisch hat sich dabei jedoch herausgestellt, dass bei unregelmäßig geformten, größeren Werkstücken sehr hohe Kosten für diese angepassten kühlmitteldurchflossenen Formkorper auflaufen

Ein weiteres Problem, das bei der Verwendung solcher Formkörper auftritt sind die Toleranzen der zu verbindenden Werkstücke. Sind diese, wie es zum Beispiel bei Flüssigkeitstanks der Fall ist. groß, dann kann der kühlmitteldurchflossene Formkörper nicht eng an den zu verbindenden Werkstücken bzw Werkstückteilen anliegen und seine volle Kühlleistung nicht entfalten bzw. nur in bestimmten Bereichen voll entfalten. Dies hat zur Folge, dass die Prozesswärme ungleichmäßig abgeführt wird, was wiederum das Verziehen des Werkstücks zur Folge hat und zu einem schlechten Schweißergebnis führt.

Bei weiteren bekannten Verfahren zur Wärmeabfuhr aus dem Bereich der Schweißnaht bzw. der Schweißnähte wird eine Kühlflüssigkeit auf den zu kühlenden Bereich direkt aufgesprüht. Dies ist beispielsweise aus der DE 29 42 868 A, der DE 34 20 376 A1 und der US 5,639,012 bekannt. Die dort offenbarten Verfahren nehmen jedoch keinerlei Rücksicht auf die durch die Schweißung eingebrachte Wärmemenge. Somit sind auch die Abkühlgeschwindigkeit und die Temperatur, auf die abgekühlt werden soll nicht in Abhängigkeit von der durch die Schweißung eingebrachten Wärmemenge regelbar.

Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, diese Nachteile zu verhindern und ein Verfahren zur Wärmeabfuhr vorzuschlagen, das abhängig von der durch die Schweißung eingebrachten Wärmemenge, die wiederum abhängig ist von der Schweiß- und Werkstückgeometrie sowie von der Anzahl der Schweißnähte und deren Abstand zueinander sowie vom zu verschweißenden Material eine Abkühlung des Werkstücks und der Schweißnaht ermöglicht, die optimale Werkstückeigenschaften ergibt.

Erfindungsgemäß wird dies durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 erreicht.

Dadurch können die zu verbindenden Werkstücke sehr genau im gewünschten Temperaturbereich gehalten werden. Somit können insbesonders die unterschiedlichen Eigenschaften und bei der Erwärmung auftretenden Effekte der verschiedenen Materialien berücksichtigt werden. Gleich- 2

AT 41 0 068 B zeitig kann auf die Geometrie der zu verbindenden Teile sowie auf die Schweißnahtanordnung spezifisch eingegangen werden, indem stets die Werkstücktemperatur als Maß für die auf die Werkstücke aufzubringende Kühlflüssigkeitsmenge genommen wird.

Durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 2 können auch größere Bereiche gekühlt werden, was insbesondere bei dünnwandigen, gut wärmeleitenden Werkstücken von Bedeutung ist.

Die kennzeichnenden Merkmale der Ansprüche 3 bis 5 beschreiben je nach Anwendungsfall bevorzugte Positionen zum Aufbringen der Kühlflüssigkeit.

Die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 6 ermöglichen ein sehr effektives Ausnutzen der Verdampfungs- und Verdunstungswärme der eingesetzten Flüssigkeit durch Vergrößerung der Flüssigkeitsoberfläche. Die in kleinsten Tropfen aufgesprühte Flüssigkeit verdampft bzw. verdunstet durch die Werkstücktemperatur und kann so innerhalb kurzer Zeit große Wärmemengen abtransportieren.

Durch das kennzeichnende Merkmal des Anspruchs 7 ist eine besonders umweltfreundliche und kostengünstige Flüssigkeit einsetzbar.

Durch das Kennzeichen des Anspruchs 8 kann ein besonders schneller und effektiver Wärmeabtransport bewerkstelligt werden.

Die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 9 beschreiben eine Ausführungsvariante einer entsprechenden Vorrichtung zur Durchführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens.

Im Anschluss erfolgt nun die Beschreibung eines erfindungsgemäßen Verfahrens anhand konkreter beispielhafter Vorrichtungen zur Durchführung des Verfahrens. Dabei zeigt

Fig. 1 ein Ausführungsbeispiei einer solchen Vorrichtung mit einer Sprühdüse

Fig. 2 ein Ausführungsbeispiel einer solchen Vorrichtung mit mehreren Sprühdüsen

In Fig. 1 werden die beiden zu verbindenden Werkstücke 1,2, welche beide typischerweise eine Dicke von 2,5mm bis 4mm aufweisen und beispielsweise aus Aluminium gefertigt sind mittels eines Schweißvorrichtung 3, beispielsweise mittels eines Plasmaschweißgerätes in Schweißrichtung 4 verschweißt. In Schweißrichtung 4 gesehen vor der Plasmaschweißvorrichtung 3 ist mit einem Abstand von mindestens 10mm eine Sprühdüse 6 einer erfindungsgemäßen Kühlvorrichtung 5 angeordnet, die eine Kühlflüssigkeit auf die Schweißnaht sprüht. Die Kühlflüssigkeit, beispielsweise Wasser oder eine Mischung aus Wasser und Isopropylalkohol, wird über eine Pumpe 7 aus einem Tank 8 gefördert. Der Mindestabstand zur Schweißvorrichtung ist erforderlich, um zu verhindern, dass Feuchtigkeit in die Schweißnaht eindringt.

Durch das Aufsprühen der Kühlflüssigkeit neben die bereits gebildete Schweißnaht in Ausnahmefällen auch auf die bereits gebildete Schweißnaht kann ein schnelles Abkühlen erreicht werden. Die nicht verschweißten Bereiche der beiden Werkstücke werden nicht durch zu hohe Temperaturen nachteilig in ihrem Gefüge verändert. Der bei diesem Vorgang entstehende Dampf wird über eine entsprechende Absaugvorrichtung 12 abgesaugt. Dies ist vor allem bei der Verwendung von einer Mischung aus Wasser und Alkohol als Kühlflüssigkeit wichtig, um ein unbeabsichtigtes Entzünden des Alkohols zu verhindern.

Fig. 2 zeigt eine andere Ausführungsvariante einer Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens in Draufsicht. Bei dieser Vorrichtung sind mehrere Sprühdüsen 9a,9b,9c,9d,9e in einem Abstand von mindestens 10mm von der Schweißvorrichtung 3, welche die Schweißnaht 13 geschaffen hat, um diese herum, genauer gesagt davor, dahinter und daneben in Schweißrichtung 4 gesehen positioniert. Die Sprühdüsen 9a,9b,9c,9d,9e werden wiederum über eine Pumpe 7 und einen Tank 8 mit Kühlwasser versorgt. Mit dieser aus Fig. 2 ersichtlichen Vorrichtung kann der gesamte den momentanen Schweißpunkt umgebende Bereich entsprechend gekühlt werden. Die durch das Schweißen eingebrachte Wärmemenge kann somit nicht auf Bereiche der zu verbindenden Werkstücke übergehen, die nicht durch Schweißen verbunden werden sollen.

Erfindungsgemäß sind einer oder mehrere Temperaturfühler 10a,10b,10c,10d vorgesehen, die mit einer Regeleinheit 11 verbunden sind, welche wiederum die Pumpe 7 steuert. Auf diese Art und Weise kann die Menge der Kühlflüssigkeit und damit der abtransportierten Wärme entsprechend den tatsächlichen Temperaturverhältnissen am Werkstück 2 geregelt werden, wobei diese tatsächlichen Temperaturverhältnisse unter anderem vom Material und der Geometrie der Werkstücke, sowie von der Anordnung und Geometrie der Schweißnähte abhängt. 3

Claims

AT 41 0 068 B PATENTANSPRÜCHE: 1. Verfahren zum Abführen von Wärme aus dem Verbindungsbereich zweier metallischer Werkstoffe, welcher Verbindungsbereich durch Wärme hergestellt wird bzw. wurde, vorzugsweise zum Abführen von Wärme aus dem Schweiß- oder Lötbereich zweier metallischer Werkstücke während des Wärmeeinbringvorgangs, wobei während des Schweißoder Lötvorganges eine Flüssigkeit auf die zu kühlenden Bereiche der Werkstücke aufgebracht wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperatur der zu verbindenden metallischen Werkstoffe als Maß für die eingebrachte Wärme gemessen wird und die Menge der aufgebrachten Flüssigkeit in Abhängigkeit von der abzuführenden Wärme geregelt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Aufbringen der Flüssigkeit an mehreren Positionen der Werkstücke gleichzeitig erfolgt, vorzugsweise in einem Abstand von mindestens 10mm von der entsprechenden Schweiß- oder Lötvorrichtung entfernt.
3 Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Aufbringen der Flüssigkeit in Schweiß- oder Lötrichtung gesehen vor der Schweiß- oder Lötvorrichtung erfolgt.
4. Verfahren nach Anspruch 1 und 2. dadurch gekennzeichnet, dass das Aufbringen der Flüssigkeit in Schweiß- oder Lötrichtung gesehen hinter der Schweiß- oder Lötvorrichtung erfolgt.
5 Verfahren nach Anspruch 1 und 2. dadurch gekennzeichnet, dass das Aufbringen der Flüssigkeit in Schweiß- oder Lötrichtung gesehen neben der Schweiß- oder Lötvorrichtung erfolgt.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Aufbringen der Flüssigkeit durch Aufsprühen erfolgt.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6. dadurch gekennzeichnet, dass die Flüs sigkeit Wasser ist.
8 Verfahren nach Anspruch 1 bis 7. dadurch gekennzeichnet, dass die Flüssigkeit eine Mischung aus Wasser und Alkohol, insbesondere Isopropylalkohol ist.
9. Vorrichtung zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 9 umfassend mindestens einen Behälter (8) zur Speicherung der Kühlflüssigkeit mindestens eine Pumpe (7) mindestens eine Sprühdüse (6,9a,9b,9c,9d) zum Aufbringen der Kühlflüssigkeit auf die zu verbindenden Werkstücke. HIEZU 2 BLATT ZEICHNUNGEN 4