DE10007191C1 - Verfahren und Anordnung zum thermischen Fügen von metallischen Bauteilen - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Anordnung zum thermischen Fügen von metallischen Bauteilen mittels Plasmaschweißen durch einen auf die Schweißstelle gerichteten Plasmastrahl, wobei die Schweißelektrode positiv gepolt ist. Erfindungsgemäß werden die Bauteile im Bereich der Schweißstelle durch eine vor dem Plasmastrahl geführte Wärmequelle bis nahe an die Schmelztemperatur des Werkstoffs der zu verbindenden Bauteile vorgewärmt. Hierzu ist dem Plasmabrenner ein Wolfram-Inertgas(WIG)-Schweißkopf vorgeschaltet.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum thermischen Fügen von metallischen Bauteilen mittels Plasmaschweißen sowie eine Anordnung zur Durchführung des Verfahrens.

Das Plasmaschweißen mit positiv gepolter Elektrode ist bekannt (BOHLEN, Christoph: Lehrbuch des Schutzgasschweißens, 2. Auflage, Verlag W. Girardet, Essen, 1982, Seite 229, 245). Dieses Verfahren zeichnet sich gegenüber anderen Verfahren durch eine sehr gute Reinigungswirkung und eine hohe Nahtqualität aus. Aufgrund dieser Vorteile ist das Plasma- Pluspolverfahren besonders geeignet für Schweißverbindungen bei hoch beanspruchten Konstruktionen aus Aluminium, beispielsweise von Kraftfahrzeugbauteilen, sowie für Schweißverbindungen, die in nachgeschalteten Bearbeitungsschritten starke Umformungen erfahren, z. B. durch Biegen oder Hydroformen.

Beim Plasma-Pluspolschweißen unterliegt die Schweißelektrode jedoch außergewöhnlich hohen thermischen Belastungen. Aus diesem Grund muss die Schweißstromstärke auf ca. 120 A begrenzt werden. Hieraus resultiert eine entsprechend geringere Schweißleistung und eine verhältnismäßig niedrige Schweißgeschwindigkeit von ca. 0,4 m/min. Das bekannte Plasma- Pluspolschweißen stößt damit an seine Grenzen, insbesondere für eine breite Anwendung bei einer hoch automatisierten und hoch produktiven Massenfertigung, z. B. bei der Herstellung von Fahrwerkskomponenten für Kraftfahrzeuge aus Aluminiumwerkstoffen.

Der Erfindung liegt daher ausgehend vom Stand der Technik die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Anordnung zum thermischen Fügen von metallischen Bauteilen mittels Plasma-Pluspolschweißen aufzuzeigen, wel­ che bei mindestens gleichen Qualitätsparametern der Schweißverbindungen wesentlich höhere und damit produktivere Schweißgeschwindigkeiten er­ möglichen.

Die Lösung des verfahrensmäßigen Teils der Aufgabe besteht in einem Verfahren gemäß Anspruch 1, bei dem die zu verbindenden Bauteile im Be­ reich der Schweißstelle durch eine vor dem Plasmastrahl geführte Wärme­ quelle erwärmt werden.

Die Erfindung sieht vor, im Bereich der Schweißzone vor dem eigentlichen Plasmaschweißvorgang zusätzlich ausreichend Wärme zuzuführen, wo­ durch die Wärmeleistung des Plasma-Pluspolverfahrens erheblich ergänzt wird. Hierdurch kann pro Flächeneinheit eine wesentlich höhere Wärme­ menge eingebracht werden, die entsprechend eine höhere Schweißge­ schwindigkeit zulässt, und zwar bei zulässigen Schweißstromstärken wie bisher. Folglich kann die Schweißleistung erheblich gesteigert werden.

Für die Praxis erscheinen Vorwärmtemperaturen, die zwischen 50% bis 99% der Schmelztemperatur des jeweiligen Werkstoffs der Bauteile liegen, als zweckmäßig, wie dies Anspruch 2 vorsieht.

Vorzugsweise werden die Bauteile im Bereich der Schweißzone bis in die Nähe des Schmelzpunkts vorgewärmt. Hierdurch wird die in die Bauteile abgeleitete Wärme spürbar kompensiert. Der Plasmabrenner bzw. Plasma- Pluspolschweißkopf trifft in der Folge auf nahe an die Schmelztemperatur vorgewärmte Fügematerialien ebenso wie auf vorgewärmte Zusatzmateria­ lien, wie beispielsweise Schweißdraht, der gesondert zugeführt wird.

Um die Schweißparameter zweckentsprechend aufeinander abzustimmen sieht Anspruch 3 vor, dass die Höhe der Vorwärmtemperatur regelbar ist. Auf diese Weise kann die Vorwärmtemperatur in die Nähe des Schmelz­ punkts der Fügematerialien gebracht werden. Beim Fügen von Aluminium­ bauteilen beispielsweise wird eine Vorerwärmung der Bauteile auf Tempe­ raturen zwischen 500°C und 650°C als zweckmäßig angesehen.

Der gegenständliche Teil der der Erfindung zugrundeliegenden Aufgabe wird durch eine Anordnung nach Anspruch 4 gelöst. Danach ist vor dem Plasmabrenner eine Vorwärmquelle angeordnet. Als Vorwärmquelle kommt vorzugsweise ein Wolfram-Inertgas(WIG)-Schweißkopf zum Einsatz (An­ spruch 5).

Eine für die Praxis vorteilhafte Ausführungsform besteht mithin in einer An­ ordnung, bei der vor dem Plasmabrenner bzw. Plasmaschweißkopf ein kon­ ventioneller WIG-Schweißkopf angeordnet ist. Der WIG-Schweißkopf reali­ siert eine steuerbare Wärmezufuhr. Da die Leistung des WIG-Schweißkopfs aufgrund von zulässigen Stromstärken, die über 400 A betragen können, wesentlich höher liegen, erfolgt die Vorwärmung der Schweißzone in verfah­ rensgerechter kurzer Zeit auf zweckentsprechende Temperaturen nahe der Schmelztemperaturen der jeweiligen Werkstoffe.

Der nachfolgende Plasmastrahl trifft mit hoher Energie auf die bereits stark erwärmte Schweißstelle. Durch die erfindungsgemäß vorgenommene Ener­ giekonzentration erfolgt dann das Aufschmelzen der Bauteile im Bereich der Schweißstelle und deren innige Verbindung in kurzer Zeit. Hierdurch wird eine hohe Schweißgeschwindigkeit erreicht, welche zudem den Verzug und die Spannungen im Werkstück verringert. Die Schweißnahtqualität ent­ spricht derjenigen einer konventionellen Plasma-Pluspolverschweißung.

Das erfindungsgemäße Verfahren und die Anordnung sind besonders ge­ eignet für den Einsatz in einer leistungsstarken Massenproduktion, vorzugs­ weise bei der Fertigung von Fahrwerkskomponenten aus Leitmetallwerk­ stoffen, insbesondere Aluminium. Die Steigerung der Schweißgeschwindig­ keit führt hierbei zu einer bedeutenden Kostenreduktion.

Claims (5)

1. Verfahren zum thermischen Fügen von metallischen Bauteilen mittels Plasmaschweißen durch einen auf die Schweißstelle gerichteten Plasmastrahl, wobei die Schweißelektrode positiv gepolt ist, da­ durch gekennzeichnet, dass die Bauteile im Bereich der Schweißstelle durch eine vor dem Plasmastrahl geführte Wärme­ quelle erwärmt werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorwärmtemperaturen zwischen 50% und 99% der Schmelztemperatur des Werkstoffs der Bauteile liegen.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeich­ net, dass die Höhe der Vorwärmtemperatur regelbar ist.

4. Anordnung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprü­ che 1 bis 3, welche einen Plasmabrenner mit positiv gepolter Schweißelektrode umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass dem Plasmabrenner eine Vorwärmquelle vorgeschaltet ist.

5. Anordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorwärmquelle ein Wolfram-Inertgas(WIG)-Schweißkopf ist.