DE10047492A1

DE10047492A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Schweißen metallischer Werkstoffe mit induktiver Vorwärmung

Info

Publication number: DE10047492A1
Application number: DE2000147492
Authority: DE
Inventors: Gernot Sitte; Joerg Herrmann; Martin Stroefer
Original assignee: SCHWEISTECHNISCHE LEHR und VER
Current assignee: SCHWEISTECHNISCHE LEHR und VER
Priority date: 2000-09-26
Filing date: 2000-09-26
Publication date: 2002-04-25

Abstract

Mit dem Verfahren und der zur Durchführung des Verfahrens in Varianten entwickelten Vorrichtung ist mittels der gezielt einwirkenden Vorwärmung eine Verbesserung des Einbrandes, der Nahtgeometrie innen wie außen und eine Vermeidung von Aufhärtung im Nahtbereich und ggf. möglicher Rißbildung erreichbar. DOLLAR A Das Verfahren mit den konzipierten Induktoren ist für das mechanisierte Lichtbogenschweißen am Schweißportal für Verbindungs-, Auftragsschweiß- sowie für Rollennahtschweißprozesse nutzbar. DOLLAR A Die induktive Erwärmung erfolgt über Koaxialtransformatoren bei einer Leistungsaufnahme von bis zu 30 kW und der Kopplung mit Frequenzumrichtern, die im Bereich der MF von ca. 9 bis 23 kHz arbeiten. DOLLAR A Besondere Vorteile des Verfahrens mit den vorrichtungsgemäß benutzten Induktoren sind: DOLLAR A - Erhöhung der Schweißgeschwindigkeit und Abschmelzleistung, DOLLAR A - Verbesserung der Gefügestruktur, insbesondere Vermeidung von Härtespitzen, DOLLAR A - nur lokale Erwärmung ist notwendig, die eine sonst insgesamt erforderliche Wärmebehandlung ganzer Bauteile (z. B. Behälter) überflüssig macht.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren mit einer in Varianten verwendbaren Vorrichtung zum vollmechanisierten Lichtbogen- und Rollennahtschweißen, unter gleichzeitiger Vorwärmung von vorzugsweise warmfesten und Aluminiumwerkstoffen.

Aus der Patent- und Fachliteratur ist eine Vielzahl von Verfahren bekannt, die ein Aufhärten von Schweißverbindungen während des Fügens verhindern oder beseitigen sollen. Beispiels weise wird die Induktionserwärmung deshalb zu Wärmenachbehandlungen oder parallel beim Laserauftragschweißen verwendet. Bekannt ist auch, daß induktiv gelötet werden kann und die Induktionserwärmung ebenso beim Umschmelzen von Bördelnähten zum Einsatz kommt. Unter Verwendung von gleichzeitigem, seitlichem Rollendruck wird der Fügeprozeß längs zu schweißender Rohre oder ein ggfs. nachfolgendes Schweißnahtglühen mittels anderer Verfahren geschweißter Rohre unterstützt. Diese Art des Fügens und Nachbehandelns erfolgt meist im hochfrequenten Bereich.

Auch auf dem Gebiet des Hochstromschweißens (MAG; MIG; UP) wurden Versuche unternommen, die Schweißgeschwindigkeit mittels der Kombination mehrerer Lichtbögen oder Kathodenanordnungen entscheidend zu verbessern, was aber letztlich die "äußere" und "innere" Nahtform nicht zufriedenstellend ausbildete.

So wird z. B. in der Patentschrift JP 010 40 194 A ein vorheriges Induktionserwärmen beim Laserschweißen beschrieben, wodurch die Gefügeausbildung im Schweißnahtbereich mittels hochfrequenter Induktionserwärmung keine Aufhärtung erfahren soll.

Mit der Konzeption ist es offenbar nicht möglich, entsprechend der unterschiedlichsten Nahtformen ein befriedigendes Ergebnis auch bei Lichtbogenschweißverfahren zu erreichen.

Ebenso entwickelte das Institut für Werkstoff- und Strahltechnik der Fraunhofer Gesellschaft ein Hybridverfahren, in welchem die Kombination des Laserschweißens mit der Induktions erwärmung hergestellt wurde. Damit wurde es möglich, die rißfreie Laserstrahlschweißung von Stählen mit Kohlenstoffgehalten < 0,2% zu erreichen. Die als Zusatzenergiequelle zu be zeichnende Induktionserwärmung sorgt dabei für eine gestaffelte und steuerbare Temperatur absenkung in der Schweißnaht, wodurch Martensitbildungen vermieden werden.

Gemäß der DE 196 37 465 C1 wird ein Verfahren zum Strahlschweißen von härtbaren Stählen mittels Kurzzeitwärmebehandlung vorgeschlagen. Die Kurzzeitwärmebehandlung geschieht hier durch die Strahlschweißquelle selbst (Elektronenstrahl) oder mittels zusätzlicher induktiver Wärmequelle. Einwirkungstiefe und -zeit werden so gesteuert, daß die Schweißnaht min destens die Qualität einer Vergütung der Ausgangswerkstoffe nachweist und ferritisch perlitische Verhältnisse sowie die Bildung von Zementit unterstützt werden. In der Wärme einflußzone sollte dabei eine HV < 350 erreicht werden.

Mit dem dargestellten Stand der Technik ist festzustellen, daß ein variables Wärme-Vor- Behandeln der Nahtflanken zu verbindender Werkstücke mit unterschiedlicher Nahtgeometrie und auch speziell unterschiedlich dicken Blechstärken noch nicht bekannt ist und dies ganz besonders nicht für das Lichtbogenschweißen.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Lösung anzubieten die es gestattet, auch bei Verfahren des Lichtbogen- und Rollennahtschweißens eine optimale, gesteuerte Vorwärmung unter Zuhilfenahme speziell angepaßter Induktoren, vorzugsweise für die Stumpf- und Kehlnaht- sowie Überlappnahtschweißung, zu erreichen und ggfs. bei Vorhandensein von Werkstückdicken in unterschiedlicher Stärke einen günstigeren Einbrand entsprechend der Nahtgeometrie zu erzielen, wobei auch die Rißempfindlichkeit von warm testen Stählen und niedriglegierten Kohlenstoffstählen positiv beeinflußt wird.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch die im Kennzeichen des ersten Anspruches genannten Merkmale gelöst.

Die weitere Ausgestaltung der Erfindung erfolgt sodann in den Ansprüchen 2 bis 10.

Beim Lichtbogenschweißen mit offenem oder verdecktem Lichtbogen wird im Nahtbereich, dem Brenner vorlaufend, ein konzentriert auf die Werkstückoberfläche gerichtetes elektromagnetisches Feld eingekoppelt. Dies führt zur Induktion von Wirbelströmen und in deren folge zur Widerstandserwärmung der betroffenen Bereiche. Es kommt darauf an, daß die Erwärmung induktiv nicht nur die Oberflächenbereiche erfaßt, sondern auch, abhängig von der anliegenden Induktorleistung, die Nahtgeometrie insgesamt mit angrenzenden Arealen vorgewärmt wird. Dazu eignet sich besonders ein im MF-Bereich betriebener Frequenzumrichter, der mit einem Koaxialtransformator gekoppelt ist. Dabei muß unterschieden werden, ob Stahl oder Aluminiumlegierungen mit dem Verfahren des Verbindungs- oder Auftragschweißens bearbeitet werden. Beim Schweißen von Stählen im Behälterhau, beispielsweise von warmfesten Stählen, kann im Hinblick auf die vorliegende Nahtvorbereitung mit einer Induktorleistung von ca. 15 kW bis 21 kW ausreichend vorgewärmt werden, was einer erreichbaren Temperatur von etwa bis zu 300°C im Nahtbereich entspricht. Die Eignung der induktiven Erwärmung wird hauptsächlich so effektiv nutzbar beim Verbindungsschweißen mit Lichtbogen bzgl. von MIG-, MAG- und UP-Verfahren, wobei hier wiederum Kehl- und Stumpfnähte als, I, V, HIV, Y oder X-Nahtformen vorgewärmt und nachfolgend mit nichtabschmelzender Elektrode oder abschmelzender Massiv- oder Fülldrahtelektrode bearbeitbar sind. Mittels kontinuierlicher Temperaturmessung werden die Vorwärmtemperaturen so gesteuert, daß in Abhängigkeit von der Schweißgeschwindigkeit v_s stets gleiche Verhältnisse herrschen.

In diesem Zusammenhang soll auf die ständige Wechselbeziehung mit der induktiven Erwärmung stehenden Parameter verwiesen werden. Dazu zählen insbesondere:

- Die räumlich-zeitlich begrenzte Temperaturerhöhung.
- Der Abstand des Induktors zum Brenner und zur Werkstück-/Bauteiloberfläche.
- Die Bewegungsgeschwindigkeit des Brenners bzw. die Schweißgeschwindigkeit.
- Die Wärmeableitungsbedingungen im Werkstoff der zu fügenden Bauteile.

Beim Auftragschweißen von Stählen wird hingegen zum Erreichen einer höheren Ab schmelzleistung mit Induklorleistungen von bis zu 24 kW gearbeitet, wobei theoretisch bei einer Schweißgeschwindigkeit v_s von ca. 3 m.min^-1 noch Vorwärmtemperaturen von ca. 260°C erreicht werden.

Während beim Schweißen von Stählen die Schweißgeschwindigkeit höher und die notwendige Induktorleistung geringer als beim Schweißen von Al-Legierungen ist, werden bei letzterem Werte von 30 kW-Induktorleistung und mehr sowie ein Abstand des Induktors zur Werkstück/Bauteiloberfläche von max. 1 mm notwendig.

Die verschiedenartig geformten Induktoren werden im Regelfall dem Brenner vorlaufend angeordnet was aber nicht ausschließt, daß bei starken Blechen oder unterschiedlich starken eine Parallel- oder einseitige Führung durchgeführt wird.

Die zum Einsatz kommenden Induktoren sind als ein- oder zweiwindige Schleifen der entsprechenden Nahtgeometrie (Kehlnaht, Stumpfnaht, Auftragschweißen und Rollen nahtschweißen) konstruktiv so angepaßt, daß der Nahtbereich in seiner Tiefe durchwärmt wird. Sie sind dabei gewölbt, gebogen oder gerade mit rechtwinkliger Abknickung und ggfs. mit eingesetztem Weicheisenpaket gestaltet. Letzteres dient zur Verstärkung des elektro magnetischen Feldes im unmittelbar induktiv erwärmten Nahtbereich oder der Oberfläche beim Auftragschweißen.

Die Erfindung soll nachfolgend an Ausführungsbeispielen näher erläutert werden, wobei zur Erklärung auf einzelne Figuren zurückgegriffen wird. Dabei zeigen:

Fig. 1 Darstellung angepaßter Induktorformen

Fig. 2 Querschnitt Auftragschweißung ohne (a) und mit (b) induktiver Vorwärmung

Fig. 3 Querschnitt Kehlnahtschweißung ohne (a) und mit (b) induktiver Vorwärmung

Fig. 4 Querschnitt Stumpfnahtschweißung ohne und mit induktiver Vorwärmung (UP-Schweißen)

Die in den einzelnen Figuren verwendeten Bezugszeichen haben die folgende Bedeutung: 1 Induktor für Kehlnahtschweißung
2 Induktor für Kehlnaht-(Wurzelschweißung)
3 Induktor für Decklagenschweißung
4 Induktor für Kehlnahtschweißung
5 Schmelzprofil ohne Induktor beim Auftragschweißen
6 Schmelzprofil mit Induktor beim Auftragschweißen
7 Schmelzprofil ohne Induktor beim Kehlnahtschweißen
8 Schmelzprofil mit Induktor beim Kehlnahtschweißen
9.1 Schmelzprofil Stumpfstoß Lage 1 (ohne indukt. Vorwärmung)
9.2 Schmelzprofil Stumpfstoß Lage 2 (ohne indukt. Vorwärmung)
10.1 Schmelzprofil Stumpfstoß Lage 1 (ohne indukt. Vorwärmung)
10.2 Schmelzprofil Stumpfstoß Lage 2 (mit indukt. Vorwärmung)

Verfahrensgemäß wird unterschieden, daß die induktive Vorwärmung vorzugsweise für das Verbindungsschweißen mil offenem oder verdecktem Lichtbogen von warmfesten Stählen im Behälter-, Rohrleitungs- und Schienenfahrzeugbau sowie zum Schweißen von Al-Guß- und Al-Knetlegierungen eingesetzt wird. Als Beispiel seien der Stahl 13 CrMo 45 bzw. AlMgSiO5 oder AlMg3 genannt.

Aber auch Auftragschweißungen und die besondere Form des Verbindungsschweißens- das Rollennahtschweißen werden durchgeführt.

Energetisch wird bzgl. der Induktorleistung beim Verbindungs- und Auftragschweißen sowie auch Rollennahtschweißen mit 15 bis 30 kW gearbeitet, wobei beim Stumpfnahtschweißen von I, V, Y-Nähten im UP-Verfahren eine Induktorleistung von ca. 21 kW schon ausreicht. Wesentlich zur Herbeiführung des Vorwärmeffektes in den v. g. Verfahren ist es, daß die speziellen Ausführungsformen der Induktoren 1 bis 4 sehr nahe an die Bauteiloberfläche oder auch an die Nahtflanken zu schweißender Wurzellagen geführt werden, um Aufhärtungen und mögliche Rißbildungen beim Schweißen zu vermeiden sowie den Einbrand in den Grundwerkstoff zu erhöhen.

Die Induktorleislung selbst wird über einen Koaxialtransformator erzeugt, der mit einem Frequenzumrichter gekoppelt ist, wobei letzterer im MF-Bereich mit Frequenzen von ca. 9 bis 23 kHz arbeitet.

Die angegebenen Leistungsparameter des/der Induktors/-en entsprechen vorliegenden Blech stärken von < 6 mm.

Da sich die induktive Vorwärmung auch für die gezielte Beeinflussung eines gleichmäßigen Einbrandes zu fügender Bauteile mit unterschiedlichen Blechstärken eignet (Überbrückung von 10 bis 30 mm) wird der jeweilige Induktor ggfs. einseitig führbar gestaltet.

Es ist die Regel, daß ein Induktor vorteilhafterweise bis zu 100 mm vor dem Brenner bewegt wird.

Die Arbeitshöhe des Induktors liegt beim Schweißen von Stählen zwischen 1 und 2 mm und beim Schweißen der v. g. Al-Legierungen möglichst nahe 1 mm oder noch darunter.

Kehlnahtschweißungen beispielsweise 10 mm dicker Bleche können mittels Induktoren und integriertem Weicheisenpaket bei 15 kW Leistung des Induktors und Vorwärmtemperaturen von 250 bis 300°C mit Schweißgeschwindigkeiten von 40 bis 120 cm.m^-1 ausgeführt werden.

Im Querschnitt des Schmelzprofils mit Induktor beim Kehlnahtschweißen 8 ist eine deutliche Erweiterung des Einbrandes gegenüber dem Querschnitt des Schmelzprofils ohne Induktor beim Kehlnahtschweißen 7 erkennbar.

Auch beim Auftragschweißen von Stählen mit einer Induktorleistung von 24 kW, einer Vorwärmtemperatur von bis zu 260°C und einer theoretischen Schweißgeschwindigkeit von bis zu 3 m.m^-1, beides erreichbar beim mechanisierten Schweißen am Schweißportal, ist die Nahtüberhöhung beim Schmelzprofil ohne Induktor 5 deutlich markanter ausgeprägt als es die Nahtüberhöhung beim Schmelzprofil mit Induktor 6 nachweist.

Al-Guß- und Al-Knetwerkstoffe benötigen aufgrund der besseren elektrischen und Wärme leitfähigkeit den Eintrag einer Induktorleistung von ca. 30 kW oder mehr mit geringst möglichem Induktorabstand.

Beim Stumpfnahtschweißen mittels UP-Verfahren kann die Induktorleistung 21 kW betragen, wobei die Stumpfnahtschweißung Lage 1 und 2 ohne induktiver Vorwärmung gemäß 9.1, 9.2 sowie 10.1, gegenüber der Stumpfnahtschweißung Lage 2 mit induktiver Vorwärmung gemäß 10.2 deutlich schlechtere Einbrandverhältnisse aufweist.

Folgende zusammengefaßt dargestellte Vorteile sollen das Lichtbogenschweißen mit induktiver Vorwärmung bewerten:

- Lokale Erwärmung der Schweißnahtzone vermeidet eine spätere Wärmenachbehandlung zum Abbau von Härtespitzen durch Reduzierung der Abkühlgeschwindigkeit.
- Leistungssteigerung von Lichtbogenschweißprozessen (MIG, MAG, DP) durch Erhöhung der Schweißgeschwindigkeit und Abschmelzleistung.
- Positive Einflußnahme auf die äußere und innere Nahtgeometrie, wie gewollt besserer Einbrand zum Grundwerkstoff, geringere Kerbwirkung und Nahtüberhöhung.
- Anpassung der Induktoren auch für das Auftragschweißen und Rollennahtschweiß verfahren in konstruktiver Variabilität möglich.

Claims

1. Verfahren zum Schweißen metallischer Werkstoffe mit induktiver Vorwärmung, gekenn zeichnet dadurch, daß übliche Schweißwerkzeuge wie z. B. Lichtbogenbrenner oder Rollenelektroden mil einem oder mehreren Induktoren gekoppelt werden, wobei in Abhängigkeit der zu verbindenden Werkstoffe bzgl. ihrer elektrischen und Wärme leitfähigkeit sowie ihrer Dicke eine Induktorleistung von ca. 15 bis 30 kW vorgehalten und in einem Mittelfrequenzbereich des eingesetzten Frequenzumrichters von ca. 9 bis 23 kHz gearbeitet sowie der jeweils eingesetzte Induktor zur partiell gezielten Vorwärmung beim Stumpf- oder Kehlnahtschweißen bzw. Auftrag- oder Überlappschweißen speziell angepaßt ist.

2. Verfahren zum Schweißen metallischer Werkstoffe mit induktiver Vorwärmung nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß der angepaßte Induktor, dem Brenner vorlaufend, im Abstand von ca. 100 mm angeordnet ist und der Abstand zur Werkstückoberfläche zwischen 1 und 2 mm beträgt.

3. Verfahren zum Schweißen metallischer Werkstoffe mit induktiver Vorwärmung nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß beim Schweißen von unterschiedlich starken Werkstücken und/oder Werkstoffkombinationen ein Induktor, in Schweißrichtung gesellen, neben dem Schweißwerkzeug geführt wird.

4. Verfahren zum Schweißen metallischer Werkstoffe mit induktiver Vorwärmung nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß eine fortlaufende Temperaturmessung im Bereich des induktiven Vorwärmens vorgenommen wird, die für eine ständig nachregelbare und auf gleichem Niveau haltbare Einbringung der Streckenenergie nutzbar ist.

5. Verfahren zum Schweißen metallischer Werkstoffe mit induktiver Vorwärmung gekenn zeichnet dadurch, daß vorzugsweise warmfeste Stähle und Al-Legierungen behandelt werden.

6. Vorrichtung zum Schweißen metallischer Werkstoffe mit induktiver Vorwärmung, gekennzeichnet dadurch, daß Induktoren für die Kehlnaht-, Kehlnahtwurzel- und Decklagenschweißung (1, 2, 3, 4) als ein- oder zweiwindige Hohlleiterschleifen in gewölbter oder gerader Form ausgebildet sind.

7. Vorrichtung zum Schweißen metallischer Werkstoffe mit induktiver Vorwärmung nach Anspruch 6, gekennzeichnet dadurch, daß im Bereich der unmittelbaren Wärmeemission am Induktor (3) ein Weicheisenpaket integriert sein kann.

8. Vorrichtung zum Schweißen metallischer Werkstoffe mit induktiver Vorwärmung nach Anspruch 6 und 7, gekennzeichnet dadurch, daß der jeweilige Induktor (1, 2, 3, 4) starr mit einem Brenner bzw. einer Rollennahtschweißeinrichtung gekoppelt ist.

9. Vorrichtung zum Schweißen metallischer Werkstoffe mit induktiver Vorwärmung nach Anspruch 6 und 8, gekennzeichnet dadurch, daß ein Induktor (1, 2, 3, 4) konzentrisch zu einem Schweißwerkzeug angeordnet bzw. sein Wirkungsmittelpunkt mit diesem identisch ist.

10. Vorrichtung zum Schweißen metallischer Werkstoffe mit induktiver Vorwärmung nach Anspruch 6, gekennzeichnet dadurch, daß beim Verbindungs- oder Auftragschweißen Induktoren (1, 2, 3, 4), in Schweißrichtung gesehen, auch neben einem Schweißwerkzeug angeordnet sind.