DE102004039006A1

DE102004039006A1 - Schweißverfahren

Info

Publication number: DE102004039006A1
Application number: DE102004039006A
Authority: DE
Inventors: Hans Hornig; Clemens Pletzenauer
Original assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Current assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Priority date: 2004-08-11
Filing date: 2004-08-11
Publication date: 2006-02-23
Anticipated expiration: 2024-08-12
Also published as: DE102004039006B4

Abstract

Verfahren zum Verschweißen eines Endes eines Abgasrohrs einer Fahrzeugabgasanlage mit einer Flanschplatte, mit folgenden Schritten:
- Bereitstellen einer Flanschplatte, die eine Durchgangsöffnung aufweist,
- Bereitstellen eines Abgasrohrs, dessen Ende eine Außenkontur aufweist, die im Wesentlichen komplementär zur Innenkontur der Durchgangsöffnung ist,
- Einführen des Endes des Abgasrohrs in die Durchgangsöffnung,
- Bereitstellen einer Schweißvorrichtung,
- Ansetzen der Schweißvorrichtung an die durch eine Innenseite der Durchgangsöffnung und das Ende des Abgasrohrs gebildete Stoßstelle und
- umlaufendes Verschweißen der Stoßstelle, so das das Ende des Abgasrohrs fluiddicht mit der Flanschplatte verbunden ist.
Die Schweißvorrichtung ist eine Laserschweißvorrichtung mit zwei Laserstrahlen, die auf die Stoßstelle gerichtet sind, wobei der Stoßstelle ein Zusatzwerkstoff zugeführt wird.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Verschweißen eines Endes eines Abgasrohrs mit einer Flanschplatte gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.

Krümmerrohre von Fahrzeugabgasanlagen sind üblicherweise in eine Durchgangsöffnung einer Flanschplatte eingeschweißt. Bislang erfolgt das Verschweißen des Krümmerrohrs mit der Flanschplatte üblicherweise im Lichtbogenschmelzschweißverfahren. Beim Lichtbogenschmelzschweißen ist es unvermeidlich, dass Schweißspritzer entstehen. Diese können sowohl auf die Flanschplatte als auch die Innenseite des Krümmerrohres gelangen. Von der Flanschplatte müssen Schweißspritzer entfernt werden, um später Dichtigkeitsprobleme zu vermeiden. Von der Innenseite des Abgasrohrs müssen sie entfernt werden, da ansonsten die Gefahr besteht, dass sie während des Betriebs der Abgasanlage vom Abgasstrom mitgerissen und auf den Katalysator geschleudert werden, was zur Beschädigung des Katalysators führen kann. Die Entfernung von Schweißspritzern ist mit erheblicher Nacharbeit verbunden. Will man verhindern, dass Schweißspritzer auf die Dichtfläche der Flanschplatte bzw. auf die Innenseite des Abgasrohres treffen, können diese Flächen zwar abgedeckt werden. Dies ist jedoch ebenfalls mit relativ großem Aufwand verbunden. Ein weiterer Nachteil des Lichtbogenschmelzschweißens ist in dem hohen Wärmeeintrag in die Flanschplatte zu sehen, was zu einem Bauteilverzug und somit ebenfalls zu Dichtigkeitsproblemen führen kann. Im Lichtbogenschmelzschweißverfahren sind außerdem nur relativ große Nahtvolumen herstellbar. Ferner dauert der Schweißvorgang relativ lange. Das Lichtbogenschmelzschweißen stellt außerdem ein relativ störanfälliges Verfahren dar, da die Schweißvorrichtung aufgrund von Verschleiß im Kontaktrohr und am Brennerdüseneingang regelmäßig gewartet werden muss.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein verbessertes Verfahren zum Verschweißen eines Endes eines Abgasrohr mit einer Flanschplatte anzugeben.

Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Patentanspruches 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind den Unteransprüchen zu entnehmen.

Die Erfindung geht von einem Verfahren zum Verschweißen eines Endes eines Abgasrohrs einer Fahrzeugabgasanlage mit einer Flanschplatte aus, bei dem ausgehend von einer Flanschplatte, die eine Durchgangsöffnung aufweist, und eines Abgasrohrs, dessen Ende eine Außenkontur aufweist, die im Wesentlichen komplementär zur Innenkontur der Durchgangsöffnung ist, das Ende des Abgasrohrs in die Durchgangsöffnung eingeführt wird. Anschließend wird mit einer Schweißvorrichtung, die an die durch die Innenseite der Durchgangsöffnung und das Ende des Abgasrohrs gebildete Stoßstelle angesetzt wird, das Ende des Abgasrohrs umlaufend in die Durchgangsöffnung der Flanschplatte eingeschweißt, so dass das Ende des Abgasrohrs fluid- bzw. gasdicht mit der Flanschplatte verbunden ist.

Der Kern der Erfindung besteht darin, dass das Verschweißen mittels einer Laserschweißvorrichtung erfolgt, die zwei auf die Stoßstelle gerichtete Laserstrahlen aufweist, wobei der Stoßstelle ein Zusatzwerkstoff zugeführt wird. Das Abgasrohr ist vorzugsweise aus einem chromhaltigen Edelstahl hergestellt. Durch Zuführen eines geeigneten Zusatzwerkstoffs, z.B. eines Stahls mit hohem Chromanteil, wird interkristalline Korrosion und eine Bauteilversprödung im Schweißbereich weitgehend vermieden.

Vorzugsweise wird das Abgasrohr vor dem Verschweißen nur teilweise in die Durchgangsöffnung eingeführt, d.h. es verbleibt ein Abstand zwischen dem Ende des Abgasrohrs und einer später als Dichtfläche fungierenden Grundfläche der Flanschplatte.

Die Laserstrahlen der Schweißvorrichtung schließen eine spitzen Winkel miteinander ein. Sie sind auf die Stoßstelle gerichtet. Die Mittellinien der Laserstrahlen brauchen sich nicht unbedingt exakt in der momentan zu verschweißenden Stoßstelle schneiden. Zweckmäßiger kann es sein, dass sich die Laserstrahlen nur teilweise überlappen. Dadurch wird eine prozesssichere Erhitzung des Grundwerkstoffs der Flanschplatte und des Abgasrohrendes im Stoßbereich sichergestellt. Im Überlappungsbereich der Laserstrahlen erfolgt eine besonders starke Erhitzung, was zum Aufschmelzen des Grundwerkstoffs führt. Vorzugsweise wird der Zusatzwerkstoff in Form eines Drahts der Stoßstelle im Bereich zwischen den Laserstrahlen, d.h. im Überlappungsbereich der Laserstrahlen, zugeführt. Dadurch ist sichergestellt, dass der Zusatzwerkstoff optimal aufschmilzt.

Die Laserschweißvorrichtung kann in Bezug auf die Flanschplatte bzw. in Bezug auf die Durchgangsöffnung in unterschiedlicher Weise positioniert sein. Eine Möglichkeit besteht darin, die Laserschweißvorrichtung so zu positionieren, dass die Winkelhalbierende des von den Laserstrahlen eingeschlossenen Winkels schräg zur normalen der Dicht- bzw. Grundfläche der Flanschplatte steht. In diesem Fall muss die Laserschweißvorrichtung zur Herstellung einer umlaufenden ringförmigen Schweißnaht dreidimensional verschwenkt bzw. geführt werden.

Kinematisch einfacher gestaltet sich die Führung der Laserschweißvorrichtung, wenn sie so positioniert ist, dass die Winkelhalbierende des von Laserstrahlen eingeschlossenen Winkels parallel zur Normalen der Dicht- bzw. Grundfläche der Flanschplatte ist. Vorzugsweise weist die Durchgangsöffnung in diesem Fall auf der dem Abgasrohr abgewandten Seite der Flanschplatte eine Fase auf. Durch die Fase wird sichergestellt, dass die Laserstrahlen ungehindert die Stoßstelle erreichen können. Wenn die Laserschweißvorrichtung so positioniert ist, dass die Winkelhalbierende des von den Laserstrahlen eingeschlossenen Winkels parallel zur Normalen der Dicht- bzw. Grundfläche der Flanschplatte ist, braucht die Laserschweißvorrichtung zur Herstellung der ringförmigen Schweißnaht lediglich zweidimensional entsprechend der Kontur der Schweißnaht geführt werden. Diese Art der Führung der Laserschweißvorrichtung wird als "Wannenlage" bezeichnet.

Unabhängig von der Art der Positionierung bzw. Führung der Laserschweißvorrichtung kann durch das Laserstrahlschweißen eine sehr hochwertige Kehlnaht hergestellt werden. Ein wesentlicher Vorteil gegenüber dem bislang üblicherweise angewandten Lichtbogenschmelzschweißverfahrens besteht darin, dass stromlos gearbeitet wird und somit keine Zündprobleme, die zwangsweise zu Schweißspritzern führen, auftreten können. Die bislang erforderlichen Maßnahmen, mit denen vermieden werden sollte, dass Schweißspritzer auf die Innenseite des Abgasrohrs bzw. die Dichtfläche der Flanschplatte auftreffen sowie Nacharbeiten zur Entfernung von Schweißspritzern, erübrigen sich mit der Erfindung.

Die Möglichkeit, den Schweißkopf in Wannenlage zu führen, ermöglicht eine einfache Bewegungskinematik, was eine hohe Prozesssicherheit gewährleistet. Da beim Laserstrahlschweißen stromlos gearbeitet wird, fällt auch weniger Ausschuss an. Im Vergleich zu den bislang angewandten Lichtbogenschmelzschweißverfahren kann eine Schweißnaht mit geringerem Nahtvolumen hergestellt werden, was die von der Schweißnaht ausgehende Kerbwirkung verringert. Durch das Verschweißen im Laserschweißverfahren verkürzt sich im Vergleich zum Lichtbogenschmelzschweißen die Prozesszeit.

Im Folgenden wird die Erfindung im Zusammenhang mit der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:
1 Das Grundprinzip der Erfindung;
2 das Prinzip des Schweißens in Wannenlage; und
3 das Schweißprinzip bei schräggehaltener Schweißvorrichtung.
Abgasanlagen weisen üblicherweise einen Krümmer mit mehreren Abgasrohren auf, an deren Enden eine Flanschplatte angeordnet ist. 1 zeigt in schematischer Darstellung ein Abgasrohr 1, dessen Ende 2 in eine Durchgangsöffnung 3 einer Flanschplatte 4 eingeführt ist. Die Flanschplatte 4 weist eine erste Grundfläche 5 auf, die dem Abgasrohr 1 zugewandt ist und eine dem Abgasrohr 1 abgewandte zweite Grundfläche 6, die später als Dichtfläche fungiert. Die Dichtfläche 6 muss plan und frei von Verunreinigungen sein, um später die Dichtheit der Abgasanlage sicherzustellen. Eine Innenseite 7 des Abgasrohrs muss ebenfalls frei von Verunreinigungen, insbesondere frei von Schweißspritzern sein, um im späteren Betrieb eine Beschädigung des im Abgassystems angeordneten Katalysators (nicht dargestellt) zu vermeiden. Im Folgenden wird die Verbindung des Endes 2 des Abgasrohrs 1 mit der Flanschplatte 4 näher erläutert. Die Verbindung erfolgt durch Laserschweißen mit einer hier nur schematisch dargestellten Laser schweißvorrichtung 8. Die Laserschweißvorrichtung 8 weist z.B. einen CO₂-Laser 9 auf. Alternativ dazu kann selbstverständlich auch ein Festkörperlaser verwendet werden. Der CO₂-Laser 9 erzeugt einen Laserstrahl 10, der durch einen ersten Umlenkspiegel 11 auf einen "Dachspiegel" 12 umgelenkt wird. Der Dachspiegel 12 fungiert als Strahlteiler. Er teilt den umgelenkten Laserstrahl 10' in einen Laserstrahl 10a und einen Laserstrahl 10b auf. Die Laserstrahlen 10a, 10b werden durch zugeordnete Fokussierspiegel 13, 14 auf die "Stoßstelle 152 fokussiert, die durch das Ende 2 des Abgasrohrs 1 und die Durchgangsöffnung 3 in der Flanschplatte 4 gebildet ist. Mittig im Bereich zwischen den von den Fokussierspiegeln 13, 14 umgelenkten Laserstrahlen 10a', 10b' ist eine Zuführvorrichtung 16 angeordnet, über die ein aus einem Zusatzwerkstoff bestehender Draht 17 der Stoßstelle 15 zugeführt wird. Der Draht 17 kann beispielsweise aus einem hochlegierten chromhaltigen Stahl bestehen.
Zur Herstellung einer sauberen, umlaufenden, ringförmigen Schweißnaht muss die Schweißvorrichtung 8 relativ zu dem Abgasrohr 1 bzw. zur Flanschplatte 4 verfahren werden. Durch die auf die Stoßstelle 15 fokussierten Laserstrahlen 10a', 10b' werden die Grundwerkstoffe des Abgasrohrs 1 und der Flanschplatte 4 sowie der Werkstoff des Drahts 17 aufgeschmolzen und sauber miteinander verschweißt.
Von Vorteil ist es, wenn, wie in 2 dargestellt, die Durchgangsöffnung 3 an der dem Abgasrohr 1 abgewandten Seite eine Fase 18 aufweist. Eine solche Fase ermöglicht es, die Schweißvorrichtung 8 (vgl. 1) in "Wannenlage" zu führen. D.h., die Schweißvorrichtung kann so positioniert werden, dass die Winkelhalbierende 19 des von den beiden Laserstrahlen 10a', 10b' eingeschlossenen Winkels α parallel zur Normalen 20 der Dichtfläche 6 der Flanschplatte 4 ist. Die Laserschweißvorrichtung 8 braucht also lediglich zweidimensional verfahren werden.
Ohne eine derartige Fase 18 muss die Laserschweißvorrichtung so positioniert werden, dass die Winkelhalbierende 19 schräg zur Normalen 20 steht, was in 3 dargestellt ist. In diesem Fall muss die Laserschweißvorrichtung dreidimensional im Raum bewegt werden.

Claims

Verfahren zum Verschweißen eines Endes (2) eines Abgasrohrs (1) einer Fahrzeugabgasanlage mit einer Flanschplatte (4), mit folgenden Schritten: – Bereitstellen einer Flanschplatte (4), die eine Durchgangsöffnung (3) aufweist, – Bereitstellen eines Abgasrohrs (1), dessen Ende (2) eine Außenkontur aufweist, die im Wesentlichen komplementär zur Innenkontur der Durchgangsöffnung (3) ist, – Einführen des Endes (2) des Abgasrohrs (1) in die Durchgangsöffnung (3), – Bereitstellen einer Schweißvorrichtung (8), – Ansetzen der Schweißvorrichtung (8) an die durch eine Innenseite der Durchgangsöffnung (3) und das Ende (2) des Abgasrohrs (1) gebildete Stoßstelle (15), – umlaufendes Verschweißen der Stoßstelle, so dass das Ende (2) des Abgasrohrs (1) fluiddicht mit der Flanschplatte (4) verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Schweißvorrichtung (8) eine Laserschweißvorrichtung mit zwei Laserstrahlen (10a, 10b, 10a', 10b') ist, die auf die Stoßstelle (15) gerichtet sind und dass der Stoßstelle (15) ein Zusatzwerkstoff (17) zugeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Abgasrohr (1) nur soweit in die Durchgangsöffnung (3) eingeführt ist, dass noch ein Abstand zwischen dem Ende (2) des Abgasrohrs und einer Grundfläche (6) der Flanschplatte (4) verbleibt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, wobei die Laserstrahlen (10a', 10b') einen spitzen Winkel miteinander einschließen.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei der Zusatzwerkstoff in Form eines Drahtes (17) der Stoßstelle (15) im Bereich zwischen den Laserstrahlen (10a', 10b') zugeführt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die Laserschweißvorrichtung (8) in Bezug auf die Flanschplatte (4) so positioniert ist, dass die Winkelhalbierende (20) des von den Laserstrahlen (10a', 10b') eingeschlossenen Winkels schräg zu einer Normalen (20) der Grundfläche (6) der Flanschplatte (4) steht.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die Durchgangsöffnung (3) auf der dem Abgasrohr (1) abgewandten Seite der Flanschplatte (4) eine Fase (18) aufweist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4 oder 6, wobei die Laserschweißvorrichtung (8) in Bezug auf die Flanschplatte (4) so positioniert ist, dass die Winkelhalbierende (19) des von den Laserstrahlen (10a', 10b') eingeschlossenen Winkels (α) parallel zur Normalen (20) der Grundfläche (6) der Flanschplatte (4) ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei das Abgasrohr aus einem chromhaltigen Edelstahl hergestellt ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei die Laserschweißvorrichtung (8) einen CO₂-Laser (9) aufweist.