DE102006039842A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Verschweißen eines Bauteils mit einem Werkstück nach dem Lichtbogenverfahren unter Schutzgas - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine entsprechende Vorrichtung zum Verschweißen eines Bauteils (3) mit einem Werkstück (2) nach dem Lichtbogenverfahren unter Schutzgas (7), insbesondere mit Hubzündung. Um die Dauer der Einwirkung des Schutzgases auf die Schweißnaht zu verkürzen und die Menge des benötigten Schutzgases zu verringern und dabei mit einer möglichst breiten Palette von Bauteilen verwendbar zu sein, wird das Schutzgas (7) der Schweißnaht (11) durch mindestens eine Düse (6), die der äußeren Kontur des Bauteils (3) an der Schweißnaht (11) angepasst ist, so zugeführt, dass es gezielt auf die Schweißnaht (11) trifft.

Description

• Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Verschweißen eines Bauteils mit einem Werkstück nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
• Bei dem Hubzündungsverfahren wird das zu verschweißende Bauteil an das Werkstück angelegt und unter Bildung eines Lichtbogens zwischen dem Bauteil und dem Werkstück von letzterem abgehoben. Nach Erzeugung von Schmelzzonen am Bauteil und am Werkstück wird das Bauteil unter Löschung des Lichtbogens an das Werkstück erneut herangeführt, in das Schweißbad eingetaucht, an das Werkstück angedrückt und bis zum Erstarren der Schmelze in seiner Lage gehalten. Dieser ganze Vorgang findet im Millisekunden Bereich statt.
• Aus der DE 195 24 490 A1 und der DE 195 49 787 B4 sind entsprechende Schweißverfahren und die Abhängigkeit deren Qualität von der Hubhöhe, Stromstärke, Schweißzeit, Lichtbogenspannung usw. bekannt.
• Ein weiterer Parameter, um fehlerfreie Schweißungen hohe Güte zu erzielen, ist die Beseitigung von Oxidationen an der Schweißnaht. Dazu ist es bekannt und üblich, das Schweißen unter Schutzgas, z. B. Argon, durchzuführen, um eine Sauerstoffarme oder -freie Umgebung zu schaffen.
• So ist es z. B. aus dem Lichtbogenschweißen bekannt, Schutzgas von außen auf die Schweißnaht zu Blasen, wie dies aus der EP 0 030 2 333 A1 hervorgeht.
• Um die Wirkung des Schutzgases zu verbessern, ist es weiterhin bekannt, die Schweißnaht durch glockenartige Abdeckungen abzuschirmen, wobei das Schutzgas in die Abdeckung eingeleitet wird. Das ungezielt eingeleitete Schutzgas kann dann durch Öffnungen zwischen der Abdeckung und dem betreffenden Werkstück austreten und somit die in der Abdeckung vorher enthaltene Luft austreiben; vergleiche z. B. DE 26 47 845 , DE 31 49 835 , DE 196 25 886 A1 und DE 199 25 628 A1 .
• Auch sind Vorrichtungen bekannt, bei denen das Schutzgas etwa parallel zum zu verschweißenden Teil (z. B. Bolzen) ringförmig im Schweißkopf ungezielt auf das Werkstück geleitet wird und dort die Schweißnaht umspült. Anschließend wird das Schutzgas nach oben umgelenkt und tritt dort wieder aus dem Schweißkopf aus und vertreibt somit die an der Schweißnaht vorhandene Luft; vgl. z. B. DE 20 2004 001 667 U1 .
• Diese Arten der Zuführung des Schutzgases haben einen erheblichen Gasverbrauch zur Folge, da, wenn keine Abdeckung verwendet wird, das Gas auch Luft mit in die Schweißnaht hinein wirbelt. Dies muss mit einer entsprechend höheren Gaszufuhr ausgeglichen werden. Im Fall der Verwendung einer Abdeckung muss deren Innenraum zunächst von Luft frei gespült werden, was ebenfalls in einem entsprechend erhöhten Gasverbrauch resultiert. Außerdem führt dieser Spülvorgang zu einer entsprechenden Verzögerung der Einleitung der Schweißung, da mit dieser gewartet werden muss, bis im Wesentlichen alle Luftreste in der Abdeckung ausgespült sind.
• Um den Gasverbrauch zu senken, ist es aus der DE 42 00 199 A1 bekannt, das Gas durch eine auf die Schweißnaht weisende durchgehende Bohrung in dem zu verschweißenden Bauteil der Schweißnaht so zuzuführen, dass das Gas radial zu der Bohrung die Schweißnaht überstreicht. Allerdings ist hierfür eine besondere Bearbeitung der zu verschweißende Bauteile notwendig, nämlich das Vorsehen einer durchgehenden Bohrung, und das Verfahren ist daher nicht auf jegliche Bauform der Bauteile anwendbar, z. B. bei solchen, in denen eine durchgehenden Bohrung nicht herstellbar ist. Das Verfahren ist somit im Wesentlichen auf eine Bolzenverschweißung beschränkt.
• Die Gesamtschweißzeit beim Lichtbogenschweißen mit Hubzündung unters Schutzgas ergibt sich aus der Vorströmzeit des Schutzgases, der Lichtbogenzeit und der Nachströmzeit des Schutzgases. Während der Vorströmzeit wird der Gasschutz aufgebaut. Danach erfolgt das eigentliche Schweißen, wobei auch der Gasfluss des Schutzgases aufrechterhalten wird. Um nach Ende der Lichtbogenzeit die Schweißzone während der Abkühlphase von Sauerstoff freizuhalten, ist ein Nachströmen des Schutzgases erforderlich.
• Übliche Vorströmzeiten bei ungezielter ringförmiger Schutzgaszuführung liegen im Bereich von mehreren Sekunden, bevorzugt bei 3 Sekunden, wobei eine Gasflussmenge von etwa 15 l pro Minute verbraucht wird, so dass sich ein Gasverbrauch von etwa 0,75 l pro Schweißung für die Vorströmzeit ergibt. In entsprechender Weise ergibt sich für die Nachströmzeit im Bereich von etwa 1 Sekunde ein Gasverbrauch von etwa 0,25 l. Der Gasverbrauch während der eigentlichen Schweißzeit selbst, die weniger als 100 ms, meistens etwa 70 ms dauert, ist hierbei vernachlässigbar.
• Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es demgegenüber, ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Verschweißen eines Bauteils und eines Werkstücks nach dem Lichtbogenverfahren mit Hubzündung unter Schutzgas bereitzustellen, bei dem die Dauer der Einwirkung des Schutzgases auf die Schweißnaht verkürzt und die Menge des benötigten Schutzgases verringert wird.
• Diese Aufgabe wird durch das in Anspruch 1 wiedergegebene Verfahren gelöst.
• Bei diesem Verfahren ist eine Düse ist auf einer Seite und eine zweite Düse auf der anderen Seite der Breite des flachen Bauteils angeordnet, wobei beide Düsen auf die längliche Schweißnaht ausgerichtet sind. D. h., zwei oder mehr Düsen sind auf beiden Seiten der Breite des flachen Bauteils angeordnet und beidseitig auf die Schweißnaht ausgerichtet. Bei der Verschweißung des flachen Bauteils entsteht zwischen Bauteil und Werkstück eine längliche Schweißnaht entlang der Breite des flachen Bauteils. Die Schweißnaht entsteht dabei auf beiden Seiten des flachen Bauteils am Übergang zwischen Bauteil und Werkstück. Indem mindestens einer Düse auf die Schweißnaht von der einen Seite des Bauteils und eine andere Düse auf die Schweißnaht von der anderen Seite des Bauteils gerichtet ist, wird um die Schweißnaht mit geringstmöglichem Schutzgaseinsatz eine Schutzatmosphäre bzw. der Gasschutz erzeugt.
• Dieser Vorteile der Erfindung ergibt sich daraus, daß Schutzgas für den Schutz der Schweißnaht durch die erfindungsgemäßen Düsen zugeführt wird und damit die Vorströmzeit zum Entfernen von Luft an der Schweißnaht stark verkürzt wird, da das Schutzgas unmittelbar an der Schweißnaht austritt und nicht erst ein größerer Schutzraum um die Schweißnaht mit dem Schutzgas gefüllt werden muß. Weiterhin kann die notwendige Schutzgas-Flussmenge reduziert werden, da nur eine kleine Schutzatmosphäre entlang der länglichen Schweißnaht erzeugt wird. Somit ergibt sich neben der Schutzgasersparnis auch eine Zeitersparnis, die zu einem beschleunigten und kostengünstigerem Schweißverfahren führt.
• Das Schutzgas wird also direkt an den Bereich zwischen Bauteil und Werkstück geblasen, wo sich zunächst der Lichtbogen und anschließend die Schweißnaht ausbilden. Im Vergleich zu dem oben angegebenen Beispiel der Vorströmzeiten bei ringförmiger Schutzgaszuführung verringert sich die Gasflussmenge nach der erfindungsgemäßen direkten Zuführung bei gleichem Bauteil auf etwa 5 l pro Minute bei einer Zeitdauer von lediglich etwa 0,5 Sekunden.
• Mit diesem Verfahren ist es auch möglich, mehrere längliche Schweißnähte entlang der Breite des Bauteils entstehen zu lassen, wenn z. B. das Bauteil eine oder mehrere Aussparungen im Bereich der Schweißnaht aufweißt. Je nach Geometrie der Düse kann dabei eine Düse zur Erzeugung des Gasschutzes ausreichend sein. Es kann aber auch vorteilhaft sein, dass mehrere Düsen entlang der Breite auf einer Seite des flachen Bauteils angeordnet sind. Diese erzeugen dann genau an den Stellen der Schweißnaht eine entsprechend kleine, lokale Schutzatmosphäre.
• Besonders vorteilhaft ist bei diesem Verfahren, wenn die Düsen schlitzförmig sind. Dann kann eine einzelne schlitzförmige Düse, die sich entlang der Breite des Bauteils erstreckt, die Schutzgasversorgung gewährleisten. Vorteilhaft sind dabei die schlitzförmigen Düsen als Flachdüsen ausgeführt und die Schlitze sind überwiegend parallel zur Schweißnaht ausgerichtet. Damit wird eine gleichmäßige Schutzatmosphäre entlang der Schweißnaht erreicht, da überall entlang der Schweißnaht die gleiche Schutzgasmenge mit gleichem Abstand aus der Düse austritt.
• Die Düsen sind bevorzugt in einem Winkel zwischen 20° und 70° zum Werkstück ausgerichtet. Dann trifft das austretende Schutzgas in steilem Winkel auf die Oberfläche der Schweißnaht. Damit kann der Schutzgaseinsatz weiter reduziert werden.
• Üblicherweise befinden sich die Düsen innerhalb der Abdeckung des Schweißkopfes, sind also von einer Abdeckung des Schweißraums bzw. der Schweißnaht umgeben. Damit wird ein zu schnelles Entweichen des Schutzgases aus dem Schweißraum bzw. ein Verdrängen des Schutzgases durch die Umgebungsluft verhindert bzw. verringert.
• Nach einer bevorzugten Ausführungsform sind die Düsen mit einem derart geringen Abstand zur Schweißnaht angeordnet, dass diese das Schutzgas direkt an die Schweißnaht abgeben und dennoch so weit beabstandet sind, dass sie nicht durch den Lichtbogen angegriffen werden. Die Anordnung ist dabei so zu wählen, daß ein möglichst günstiger Gasschutz erreicht wird bei kleinstmöglichem Schutzgasverbrauch und möglichst keinem bis geringem Düsenverschleiß durch den Schweißvorgang selbst.
• Als zu verschweißende Bauteile kommen übliche flache metallische Bauteile wie Laschen, Winkel oder Bügel in Betracht.
• Weitere Merkmale, Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der ^` nachfolgenden Beschreibung und Figuren. Es zeigen:
• 1 einen Querschnitt durch eine Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens; und
• 2 eine perspektivische Ansicht von Düsen und Bauteil.
• 1 zeigt einen Querschnitt der erfinderischen Vorrichtung mit Bauteil und Werkstück. Der Schweißkopf 1 dient zum Verschweißen einer rechteckigen, flachen Lasche 3 mit einem Blech 2 einer Fahrzeugkarosserie. Die Lasche 3 wird im Schweißkopf von einer auf das Blech 2 zu und weg bewegbaren Halterung 4 während des Schweißvorgangs gehalten.
• Der Schweißkopf 1 umfasst eine zylindrische Abdeckung 5 für den Schweißraum 12, die den Bereich um die Schweißnaht 11 bzw. den Lichtbogen zwischen der Lasche 3 und dem Blech 2 umgibt und abdeckt. Die Abdeckung 5 wird während des Schweißvorgangs auf das Blech 2 angelegt. Der Schweißkopf 1 umfasst ferner zwei Flachdüsen 6 zum Einbringen von Schutzgas, die etwa einen Winkel mit dem Blech 2 von ca. 20° ausbilden und nahe bis an die Schweißnaht 11 reichen sowie auf die Schweißnaht 11 gerichtet sind. Sie sind schlitzförmig ausgebildet und besitzen in etwa eine Breite, also Erstreckung in Blickrichtung auf die 1, die der Breite der Lasche 3 entspricht.
• Die Düsen 6 werden mit Schutzgas entsprechend der Pfeile 7 durch einen Ringkanal 10 versorgt, der mit Schutzgas-Einlässen 8 im oberen Bereich des Schweißkopfes verbunden ist. Das Schutzgas strömt während des Schweißvorgangs, also in der Vorströmzeit, dem eigentlichen Schweißvorgang und in der Nachströmzeit, zunächst von den Einlässen 8 durch den Ringkanal 10 in die Düsen 6, die das Schutzgas direkt an die Schweißnaht 11 bzw. den Lichtbogen blasen. Anschließend fließt das Schutzgas nach oben entlang der Halterung 4 zu im oberen Bereich des Schweißkopfes versehenen Auslässen 9, so dass Luft im Schweißraum 12 entfernt bzw. dieser gespült wird.
• Da die Düsen 6 das Schutzgas direkt an die Schweißnaht 11 an den Umfang bzw. entlang der Breite der Lasche 3 blasen, kann insbesondere die Vorströmzeit im Vergleich zu konventionellen Schweißköpfen verringert werden und gleichzeitig mit einem verkleinerten Durchfluss von Schutzgas durchgeführt werden, ohne das die Qualität der hergestellten Schweißnaht leidet. Mit dem Schweißkopf 1 lassen sich also der Schweißraum 12 und insbesondere der Bereich des Schweißraums 12 direkt an der Schweißnaht 11 bzw. dem Lichtbogen von Luft/Sauerstoff befreien und freihalten, obwohl die Vorströmzeit verkürzt und der Schutzgasfluss in dieser Zeit verringert ist.
• Aus 2 ist die räumliche Anordnung von Düsen 6 und Bauteil 3 zu sehen.
• Zwischen der flachen Lasche 3 und dem Werkstück 2 bildet sich die längliche Schweißnaht 11. Parallel zur länglichen Schweißnaht 11 sind die schlitzförmigen Flachdüsen 6 angeordnet, wobei die Ausrichtung der Düsen 6 so ist, daß die Oberfläche der länglichen Schweißnaht 11 beidseitig der flachen Lasche 3 möglichst senkrecht mit Schutzgas angeströmt wird – dazu weisen die Düsen 6 einen bestimmten Winkel α relativ zur Oberfläche des Bauteils 2 auf – wodurch sich beidseitig der flachen Lasche 3 die Schutzgasatmosphäre 13 entlang der Schweißnaht 11 aufbaut.

1

Schweißkopf

2

Blech

3

Lasche

4

Halterung

5

Abdeckung

6

Düse

7

Schutzgasfluss

8

Einlass

9

Auslass

10

Ringkanal

11

Schweißnaht bzw. Lichtbogen

12

Schweißraum

13

Schutzgasatmosphäre

Claims (11)

1. Verfahren zum Verschweißen eines flachen Bauteils (3) mit einem Werkstück (2) nach dem Lichtbogenverfahren unter Schutzgas (7), insbesondere mit Hubzündung, bei dem eine überwiegend längliche Schweißnaht entlang einer Breite (b) des flachen Bauteils (3) entsteht, und wobei in einen die Schweißnaht (11) umgebenden Schweißraum (12) durch Düsen (6) Schutzgas (7) zugeführt wird, dadurch gekennzeichnet dass eine Düse (6) auf einer Seite und eine zweite Düse (6) auf der anderen Seite der Breite (b) des flachen Bauteils (3) angeordnet ist, wobei beide Düsen (6) auf die längliche Schweißnaht (11) ausgerichtet sind.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Düsen (6) entlang der Breite (b) auf einer Seite des flachen Bauteils (3) angeordnet sind.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass Düsen (6) schlitzförmig sind.
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die schlitzförmigen Düsen Flachdüsen sind und die Schlitze überwiegend parallel zur Schweißnaht (11) ausgerichtet sind.
5. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Düsen (6) von einer Abdeckung (5) umgeben sind.
6. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Düsen in einem Winkel zwischen 20° und 70° zum Werkstück ausgerichtet sind.
7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Düsen (6) mit einem derart geringen Abstand zur Schweißnaht (11) angeordnet werden, dass diese das Schutzgas (7) direkt an die Schweißnaht (11) abgeben und dennoch so weit beabstandet sind, dass sie nicht durch den Lichtbogen angegriffen werden.
8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Bauteile Laschen (3), Halter, Winkel oder Bügel sind.
9. Vorrichtung zum Verschweißen eines flachen Bauteils (3) mittels eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 8.
10. Bauteil (3), verschweißt mit einem Werkstück (2) nach einem Verfahren der Ansprüche 1 bis 8.
11. Bauteil (3) nach Anspruch 10, wobei das Werkstück ein Blech einer Fahrzeugkarosserie ist.