DE102006048580A1

DE102006048580A1 - Verfahren und Vorrichtung zum rissfreien Schweißen, Reparaturschweißen oder Auftragsschweißen heißrissanfälliger Werkstoffe

Info

Publication number: DE102006048580A1
Application number: DE102006048580A
Authority: DE
Inventors: Berndt Prof. Brenner; Gunther GÖBEL
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 2006-10-13
Filing date: 2006-10-13
Publication date: 2008-05-08
Anticipated expiration: 2026-10-14
Also published as: DE102006048580B4; EP2076615B1; EP2076615A2; DE102006048580C5; WO2008046542A3; WO2008046542A2; US20100032413A1

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zum rissfreien Schweißen, Reparaturschweißen oder Auftragsschweißen von metallischen Bauteilen aus heißrissanfälligen Werkstoffen. Objekte, bei denen ihre Anwendung zweckdienlich und vorteilhaft ist, sind alle Bauteile, die aus mehrphasig erstarrenden Legierungen mit einem breiten Erstarrungsintervall bestehen oder aus Legierungen aufgebaut sind, die Legierungselemente oder Verunreinigungselemente enthalten, die ein niedrig schmelzendes Eutektikum mit einem oder mehreren Hauptlegierungselementen bilden und die mittels Schmelzschweißverfahren hoher Leistungsdichte gefügt werden sollen. Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren erfolgt die mitlaufende örtliche Temperaturbeaufschlagung durch zwei parallel oder nahezu parallel verlaufende und sich zur Schweißrichtung längs erstreckende elektromagnetisch durch eine Volumenenergiequelle im Inneren der Bauteile erzeugte Temperaturfelder, die beide in Schweißrichtung vor der Schweißzone beginnen und deren Temperaturmaxima sich außerhalb der Wärmeeinflusszone und in Schweißrichtung hinter der Erstarrungszone befinden, wobei die Tiefe der Temperaturfelder am Ort des Temperaturmaximums mindestens die Schweißnahttiefe erreicht. Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist die Zusatzenergiequelle eine Volumenenergiequelle und mit dem Schweißkopf verbunden und sie folgt der Bewegung des Schweißkopfes.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf das Schweißen von metallischen Bauteilen aus heißrissanfälligen Werkstoffen. Objekte, bei denen ihre Anwendung zweckdienlich und vorteilhaft ist, sind alle Bauteile, die aus mehrphasig erstarrenden Legierungen mit einem breiten Erstarrungsintervall bestehen oder aus Legierungen aufgebaut sind, die Legierungselemente oder Verunreinigungselemente enthalten, die ein niedrig schmelzendes Eutektikum mit einem oder mehreren Hauptlegierungselementen bilden und die mittels Schmelzschweißverfahren hoher Leistungsdichte gefügt werden sollen. Solche Werkstoffe, die bisher nur unzureichend rissfrei geschweißt werden können, sind z. B. ferritische, ferritisch-perlitische oder austenitische Automatenstähle, aushärtbare Al-Legierungen, heißrissgefährdete austenitische Stähle, Nickellegierungen u. s. w.. Besonders vorteilhaft ist die Erfindung für alle die Schweißaufgaben einsetzbar, bei denen aus verfahrenstechnischen, eigenschaftsmäßigen oder betriebswirtschaftlichen Gründen kein Schweißzusatzwerkstoff zur Sicherstellung der heißrissfreien Schweißbarkeit angewendet werden kann oder der Einsatz von Schweißzusatzwerkstoff nicht ausreicht, um die Heißrisse prozesssicher zu vermeiden.
Weitere potenzielle Einsatzfelder sind das Vermeiden von so genannten Mittelrippendefekten beim Laserstrahlschweißen von dickeren Blechen aus Baustählen, von Mittelrippenrissen in der Schweißzone von dünnen Blechen aus austenitischen Edelstählen sowie von sehr steifen oder sehr hart eingespannten Bauteilen.
Darüber hinaus kann das Verfahren auch zur Vermeidung von Heißrissen im Schweißgut beim Reparatur- oder Auftragschweißen eingesetzt werden.
Stand der Technik:
Heißrisse sind ein schwerwiegendes schweißtechnisches Problem, das den Einsatz von wirtschaftlich wichtigen und einsatztechnisch vorteilhaften Legierungen in einer Reihe von Schweißkonstruktionen verhindert. Sie treten überwiegend in mehrphasig erstarrenden Legierungen, bei Legierungen mit Nebenlegierungs- oder Verunreinigungselementen, die ein niedrig schmelzendes Eutektikum mit einem oder mehreren Legierungselementen bilden, sowie in Fällen sehr schneller, in Richtung der Blechebene verlaufender Erstarrung oder bei sehr steifen Schweißnahtumgebungen auf.
Dem entsprechend umfangreich und vielfältig sind die Bemühungen und bisher bekannten Lösungsansätze, um das Problem der Heißrissigkeit zu lösen.
So versucht man z. B. durch die Verwendung von geeigneten Schweißzusatzwerkstoffen die metallurgischen Ursachen der Heißrissbildung – die Bildung niedrig-schmelzender Phasen oder von Korngrenzenfilmen – zu beseitigen. Dieses Verfahren ist jedoch trotz seiner breiten technischen Anwendung nicht in jedem Fall geeignet. So gibt es z. B. nicht für jede heißrissanfällige Legierung geeignet abgestimmte Schweißzusatzwerkstoffe. Darüber hinaus wird in der Regel der Schweißprozess teurer. Nachteilig kann sich weiterhin auswirken, dass bei höchstfesten Werkstoffen durch die Verwendung von Schweißzusatzwerkstoffen, die die Zusammensetzung des Schweißgutes in Richtung eutektische Erstarrung verschieben, die mechanische Belastbarkeit der Schweißnaht sinken kann. Weiterhin ist es generell unvorteilhaft, dass damit nicht die primäre Ursache der Heißrissbildung – das Überschreiten von kritischen Zugdehnungen bzw. kritischen Dehnungsraten während der Erstarrung im Zweiphasengebiet – bekämpft wird.
Zur Vermeidung von kritischen Dehnungen und/oder Dehnungsraten während der Erstarrung im Zweiphasengebiet sind verschiedene Verfahren bekannt geworden. So wird z. B. in WO 03/031108 (W. Kurz, J.-D. Wagniere, M. Rappaz, F. de Lima: "Process for Avoiding Cracking in Welding") ein Verfahren beschrieben, mit dessen Hilfe die beim Laserstrahlschweißen von Al-Legierungen auftretende Heißrissigkeit bekämpft wird, indem eine zweite Wärmequelle – vorzugsweise ein Laser – einer ersten Wärmequelle – vorzugsweise ebenfalls ein Laser – in einem konstanten Abstand folgt, die zweite Wärmequelle direkt auf die Erstarrungszone gerichtet ist und die Leistung der zweiten Wärmequelle so eingestellt wird, dass die lokale Abkühlrate oberflächennaher Bereiche der Erstarrungszone reduziert wird oder diese sogar noch einmal lokal kurz erwärmt werden. Die zusätzliche nachlaufende Wärmequelle kann dabei aus einer Elektronenstrahl-, Laserstrahl-, Bogen- oder Plasmaquelle oder auch einer Kombination zweier Quellen bestehen und arbeitet mit einer geringeren Leistungsdichte als die erste Wärmequelle.
Unter Anwendung eines 1,7 kW CO₂-Lasers als Schweißlaser und eines 1,2 kW gepulsten Nd:YAG-Lasers als zweite Wärmequelle konnten 1,0 mm dicke Bleche aus der Al-Legierung 6016 heißrissfrei im l-Stoß verschweißt werden. Die besten Resultate wurden erreicht, wenn bei einer Vorschubgeschwindigkeit von v_s = 3,6 m/min der auf einen Fokusdurchmesser von d_f = 0,6 mm fokussierte Nd:YAG-Laserstrahl in einem Abstand von 3 mm hinter dem Mittelpunkt des CO₂-Laserstrahles angeordnet wurde. Durch den lokalen zweiten Energieeintrag mit einer Pulsenergie von 8 J, einer Pulsintensität von 30 W/cm² und einer Frequenz von 150 Hz wurde ein vergrößertes Schmelzbad und eine Reduzierung der lokalen Abschreckrate von 2600 K/s auf 1500 K/s erreicht. Als entscheidend für den Wirkmechanismus wird herausgestellt, dass der zweite Laserstrahl direkt auf die Erstarrungszone wirkt. Damit werden nach Erkenntnis der Erfinder folgende Effekte erreicht, die der Heißrissbildung entgegenwirken:

– Verringerung des Temperaturgradienten und der Abkühlgeschwindigkeit an der Oberfläche der Erstarrungszone,
– Vergrößerung der Zeitdauer, in der Schmelze in die Erstarrungszone nachgespeist werden kann,
– Entstehung eines gleichachsigen Gefüges in der Mittelebene der Schweißzone

Der anwendungstechnische Nachteil dieser Lösung besteht darin, dass damit nur dünne Bleche heißrissfrei geschweißt werden können. Die Ursache dafür liegt darin, dass die Laserenergie des zweiten Lasers nur an der Oberfläche absorbiert wird und die Wärmeeindringtiefe während der sehr kurzen Wechselwirkungszeit des Laserstrahles mit der Oberfläche der Erstarrungszone von maximal
nur sehr klein ist. Deshalb ist die Tiefe der Zone mit verringerter Abkühlgeschwindigkeit sehr klein. Ähnlich verhält es sich bei der Anwendung der anderen beanspruchten Energiequellen für die zweite Wärmequelle. Die Tiefe der Zone mit verringerter Abkühlgeschwindigkeit wird noch kleiner, wenn Stähle mit ihrer viel geringeren Wärmeleitfähigkeit nach diesem Verfahren verschweißt werden sollen.
In Analogie zu dieser oben aufgeführten Lösung des Standes der Technik ist gleichfalls für das heißrissfreie Verschweißen von dünnen Al-Blechen bekannt geworden (siehe z. B.: V. Ploshikhin, A. Prikhodovsky, M. Makhutin, A. Ilin, H.-W. Zoch "Integrated Mechanical-Metallurgical Approach to Modelling of Solidification Cracking in Welds" in: Th. Böllinghaus, H. Herold (Hrsg.): Hot Cracking Phenomena in Welds, Springer Verlag 2005, ISBN 3-540-22332-0, Seiten 223-244), neben dem stark fokussierten Laserstrahl zum Schweißen einen zweiten defokussierten Laserstrahl anzuordnen und diesen parallel zum ersten Laserstrahl und mit der gleichen Geschwindigkeit zu bewegen. Ein einseitig fest eingespanntes 2,0 mm dickes Al-Blech der Legierung AA6056 wurde dabei mit einer Laserleistung von 1,8 kW und einer Vorschubgeschwindigkeit von 2,8 m/min verschweißt. Bei einem Abstand der Schweißnaht von ca. 25 mm vom seitlichen Probenrand tritt nach dem Schweißen durch längs verlaufende Heißrisse eine komplette Probentrennung ein. Wird mit dem zweiten Laser, der sich in einem Abstand von ca. 20 mm neben der Schweißnaht an der freien, nicht eingespannten Blechseite befindet, das Blech mitlaufend mit einer Laserleistung von 750 W lokal erwärmt, lassen sich Heißrisse vermeiden.
Auch bei dieser Lösung wirkt sich nachteilig aus, dass das Verfahren nur für dünne Bleche geeignet ist. Die Ursache für diesen Mangel ist ebenso wie im o. a. ersten Beispiel dass auch bei diesem Verfahren der Laser nur als Oberflächenenergiequelle wirkt. Darüber hinaus ist auch diese Lösung zur Rissvermeidung für viele praktische Anwendungsfälle zu teuer. Die Ursache liegt darin, dass auch für die zweite Wärmequelle ein teurer Laser verwendet werden muss.
Aus dem Bereich des Elektronenstrahlschweißens ist bekannt geworden (siehe GB 2.283.448 A , Th. K. Johnson, Al. L. Pratt: "Improvements in or relating to electron beam welding") Risse in der Wärmeeinflusszone zu verhindern, indem das Schweißen und eine Erwärmung der Schweißnahtumgebung quasi simultan durch den gleichen Elektronenstrahl bewerkstelligt wird, indem in sehr schneller Folge der fokussierte Elektronenstrahl pulsförmig mit einer hohen Leistungsdichte schweißt und dann zur Wärmebehandlung defokussiert und ausgelenkt wird. Dadurch können die Oberflächentemperaturen vor, neben und hinter der Schweißzone gezielt eingestellt werden.
Auch hier wirkt sich nachteilig aus, dass die Energiequelle zur Erzeugung der sekundären Temperaturfelder eine Oberflächenenergiequelle darstellt, deren Wirksamkeit nicht weit genug in das Material hineinreicht, um für den Fall der Vermeidung von Heißrissen in der Schweißzone auch bei tieferen Schweißnähten und Werkstoffen schlechterer Wärmeleitfähigkeit ausreichend wirksam zu sein. Die Ursache dafür liegt wieder darin, dass die Energie des Elektronenstrahles vollständig in den obersten Randschichten absorbiert wird und sich, in Relation zur hohen Schweißgeschwindigkeit der Strahlschweißverfahren zu langsam in die Tiefe ausbreitet. Wenn dagegen die Positionen der zur Wärmebehandlung mit dem Elektronenstrahl beaufschlagten Gebiete so weit vor die Schweißposition gelegt werden, dass das zusätzliche Temperaturfeld in der Position der Schweißzone auch die Nahtwurzel erreicht, dann wirkt das Temperaturfeld nicht mehr lokal, sondern mehr wie eine allgemeine homogene Vorwärmung. Aus eigenen Experimenten ist jedoch bekannt, dass eine homogene Vorwärmung zur Heißrissvermeidung nicht ausreichend effektiv ist. Darüber hinaus ist es nachteilig, dass diese Methode nur für das Elektronenstrahlschweißen unter Vakuum genutzt werden kann.
Das Ziel der Erfindung ist es daher, ein neues und effektives Verfahren und eine neuartige Vorrichtung zum rissfreien Schweißen, Reparaturschweißen oder Auftragschweißen heißrissanfälliger Werkstoffe anzugeben, das auch für größere Schweißnahttiefen und größere Blechdicken geeignet, für mehrere – auch insbesondere an Atmosphäre einsetzbare – Schweißverfahren nutzbar, für eine breitere Palette metallischer Werkstoffe und dabei besonders auch solche mit schlechter Wärmeleitfähigkeit einsetzbar ist und sich darüber hinaus deutlich kostengünstiger darstellen lässt als der bekannte Stand der Technik.
Aufgabenstellung:
Der Erfindung liegt nunmehr die Aufgabe zugrunde, ein Schweißverfahren und eine dafür nutzbare Vorrichtung anzugeben, die es gestattet, in der Erstarrungszone die während der Abkühlung im Temperaturintervall der Sprödigkeit auftretenden Zugdehnungen zu vermeiden oder zumindest auf ein unschädliches Niveau herabzudrücken.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch ein neues Verfahren zum rissfreien Schweißen, Reparaturschweißen oder Auftragschweißen heißrissanfälliger Werkstoffe, wie in Anspruch 1 beschrieben, sowie einer entsprechenden Vorrichtung, wie in Anspruch 10 angegeben, gelöst.
Entsprechend Anspruch 1 besteht die erfindungsgemäße Lösung für Schweißverfahren mit hoher Leistungsdichte darin, dass als Zusatzenergiequelle anstelle der nach dem Stand der Technik verwendeten Oberflächenenergiequellen elektromagnetische Volumenquellen dergestalt verwendet werden, dass sie im Inneren des Bauteils zwei speziell ausgebildete, mit der Schweißzone mit laufende inhomogene Temperaturfelder erzeugen, die beidseitig parallel oder nahezu parallel zur Schweißrichtung verlaufen und sich längs zur Schweißrichtung erstrecken. Die beiden Temperaturfelder beginnen dabei in der Schweißrichtung betrachtet vor der Schweißzone. Ihre Temperaturmaxima befinden sich außerhalb der Wärmeeinflusszone und in Schweißrichtung hinter der Erstarrungszone der Schweißnaht wobei ihre Tiefe am Ort des Temperaturmaximums mindestens die Schweißnahttiefe erreicht.
In den Ansprüchen 2 bis 4 werden Schweißverfahren angegeben für die das erfindungsgemäße Verfahren verwendet werden kann.
Der Erfindungsgedanke ist nicht nur darauf beschränkt, dass so wie in Anspruch 2 ausgeführt, das Schweißverfahren hoher Leistungsdichte ein Laserstrahlschweißverfahren ist. Genauso gut können, wie in den Ansprüchen 3 und 4 angegeben, auch Plasma-, TIG-, WIG- oder Non-vac-Elektronenstrahlschweißanlagen verwendet werden.
Anspruch 5 beinhaltet eine besonders vorteilhafte Variante zur Erzeugung der zusätzlichen Temperaturfelder mittels einer induktiven Erwärmung. Wie in Anspruch 6 ausgeführt, kann das erfindungsgemäße Temperaturfeld aber auch mit einer konduktiven Erwärmung erzeugt werden.
Im Anspruch 7 werden Verfahrenseinflussgrößen zur Einstellung der Tiefe und Ausdehnung der zusätzlichen Temperaturfelder mittels der Wahl der Induktionsfrequenz, der Länge, Form und Ausdehnung der beiden Induktoräste, der Anbringung von Feldverstärkungselementen und der Induktionsfrequenz angegeben.
Die Ansprüche 8 und 9 geben Hinweise zur Ausgestaltung der Temperaturfelder in Abhängigkeit von der Bauteilgeometrie und im Falle der Verwendung unterschiedlicher miteinander zu verschweißender Werkstoffe.
Der Vorrichtungsanspruch 10 führt aus, dass die Zusatzenergiequelle eine Volumenquelle ist, die mit dem Schweißkopf dergestalt verbunden ist, dass sie der Bewegung des Schweißkopfes mit der gleichen Geschwindigkeit folgt. In Anspruch 16 wird dargelegt, dass die Vorrichtung vorteilhaft zur Durchführung des Verfahrens gemäß mindestens einem der Ansprüche von 1 bis 9 eingesetzt werden kann.
Die Ansprüche 11 bis 13 bilden den Erfindungsgedanken für den Fall weiter aus, dass die Zusatzenergiequelle ein Induktor ist. Eine dazu alternative Lösung durch die Nutzung einer konduktiven Erwärmung wird in den Ansprüchen 14 und 15 näher ausgeführt.
Die Vorteile der erfindungsgemäßen Lösung liegen gegenüber dem Stand der Technik darin, dass sie

– geeignet ist, sehr kritische und stark heißrissempfindliche Werkstoffe heißrissfrei zu schweißen,
– eine größere Flexibilität in der Gestaltung der zusätzlichen zielgerichteten Beeinflussung des Dehnungszustandes in der Erstarrungszone im Temperaturbereich der Heißrissigkeit aufweist,
– für größerer Schweißnahttiefen, Blechdicken sowie auch für sehr hohe Schweißgeschwindigkeiten geeignet ist,
– gestattet, eine breitere Palette heißrissanfälliger Werkstoffe ohne die Verwendung von Schweißzusatzwerkstoffen heißrissfrei zu schweißen,
– auch für metallische Werkstoffe mit sehr schlechter Wärmeleitfähigkeit einsetzbar ist,
– deutlich kostengünstiger als die nach dem Stand der Technik vorgeschlagenen Lösungen zur Heißrissvermeidung durch Zusatzenergiequellen wie Laser oder Elektronenstrahl ist.

Ausführungsbeispiele
Die Erfindung wird an den nachfolgenden Ausführungsbeispielen näher erläutert. In den Figuren sind gleiche Merkmale mit gleichen Bezugszeichen versehen.
Es zeigt
1: eine erfindungsgemäße Anordnung von Schweißenergiequelle und Zusatzenergiequelle
2a: eine erfindungsgemäße Temperaturfeldausbildung zur Vermeidung der Heißrissbildung
2b: einen Längsschnitt AA durch eines der beiden durch die Zusatzenergiequelle erzeugten Temperaturfelder sowie einen zughörigen Längsschnitt BB entlang der Symmetrielinie der Schweißnaht
2c: einen Querschnitt CC durch die Schweißnaht und die überlagerten Temperaturfelder von Schweißenergiequelle und Zusatzenergiequelle in einer Ebene durch die Erstarrungszone
3: Heißrisse in Quer- und Längsschliffen einer laserstrahlgeschweißten Naht
4: erfindungsgemäß erzeugte heißrissfreie Schweißnaht
5: Reduzierung der Neigung zur Heißrissbildung in Abhängigkeit von der Temperatur in der Nähe der Schweißzone (T_pre – Temperatur in der Fügelinie vor der Schweißzone (4), T_post – Temperatur in der Schweißnaht (7) nach der Schweißzone (4)) für verschiedene Zusatzenergiequellen: homogene Vorwärmung der gesamten Probe im Ofen; Linieninduktor symmetrisch über der Fügelinie direkt vor der Schweißzone (4), Linieninduktor über der Schweißnaht (7) direkt nach der Erstarrungszone (6); erfindungsgemäße Induktoranordnung
6 erfindungsgemäße Anordnung von Schweißenergiequelle sowie Volumenenergiequelle in Form einer konduktiv wirksamen Zusatzenergiequelle
Beispiel 1:
Die erfinderische Lösung soll anhand des prinzipiellen Aufbaues der Vorrichtung und der generellen Verfahrensschritte erläutert werden.
Zwei Bleche (1, 2) aus einem heißrissempfindlichen Werkstoff sollen durch einen l-Stoß schweißtechnisch miteinander verbunden werden (siehe 1). Als Schweißenergiequelle (32) kann ein CO₂-Laser, ein Nd:YAG-Laser, ein Faserlaser, ein Hochleistungsdiodenlaser, eine nonvac-Elektronenstrahlkanone oder ein Plasmaschweißbrenner verwendet werden. Mit dem Schweißkopf (23) fest verbunden ist eine Volumenenergiequelle (22) als Zusatzenergiequelle. Dazu können eine induktive oder eine konduktive Energieeinkopplung verwendet werden. Im Ausführungsbeispiel wird eine induktive Energieeinkopplung mittels eines Mittelfrequenzgenerators gewählt. Die Zusatzenergiequelle besteht in diesem Fall aus einem Induktor (15), der aus zwei parallel zur Schweißnaht (7) angeordneten Induktorästen 1 und 2 (18, 19), einem Induktorverbindungsstück (20), sowie der Stromzuführung (16) und der Stromabführung (17) aufgebaut ist. Zur Erhöhung der Energieübertragungseffizienz sowie der Variation der Position, Höhe und Ausdehnung der Temperaturfeldmaxima T_max1 (13') und T_max2 (13'') können sich auf einem oder beiden Induktorästen 1 bzw. 2 (18 bzw. 19) Magnetfeldverstärkungselemente (21) befinden.
Nach dem Einschalten der Zusatzenergiequelle (22) und der Schweißenergiequelle (32) wird der Schweißprozess gestartet. Im allgemeinen bewegt sich die Zusatzenergiequelle (22) mit der gleichen Vorschubgeschwindigkeit v_s wie die Schweißenergiequelle (32). Während der Bewegung erzeugt die Zusatzenergiequelle (22) zwei zusätzliche Temperaturfelder 1 und 2 (9, 10), siehe 2a. Sie befinden sich beidseitig der Schweißnaht (7) und erstrecken sich von einer Position vor der Schweißzone (4) bis mindestens hinter die Erstarrungszone (6). Die Temperaturfeldmaxima T_max1 und T_max2 (13', 13'') der beiden Temperaturfelder (9, 10) befinden sich in Schweißrichtung SR (8) hinter der Erstarrungszone (6) und außerhalb der Wärmeeinflusszone (siehe 2b und 2c). Die Lage der Temperaturfeldmaxima T_max1 und T_max2 (13', 13'') wird quer zur Schweißrichtung SR (8) durch den Abstand der beiden Induktoräste (18, 19), und längs der Schweißrichtung SR (8) durch die Positionierung des Induktors (15) relativ zum Energiestrahl des Schweißverfahrens (3), die Länge und Form der Induktoräste (18, 19), die Anbringung, Ausbildung und Positionierung von Magnetfeldverstärkungselementen (21) und den Kopplungsabstand zwischen Bauteil (1, 2) und den Induktorästen (18, 19) eingestellt. Die Höhe der Temperaturmaxima T_max1 und T_max2 (13', 13'') wird durch die Wahl des Induktorstromes vorgegeben.
Im allgemeinen Fall gekrümmter Schweißnähte (7), unterschiedlicher Blechdicken oder unterschiedlicher Werkstoffe der beiden zu verschweißenden Bauteile 1 und 2 (1, 2) brauchen die Temperaturfelder (9 und 10) sowie die Höhe der Temperaturfeldmaxima T_max1 und T_max2 (13, 13'') nicht notwendiger Weise gleich sein und völlig symmetrisch zur Schweißnaht (7) liegen. Die Induktionsfrequenz wird in Abhängigkeit von der Blechdicke und den elektromagnetischen Eigenschaften der Werkstoffe so gewählt, dass die Tiefe der Temperaturfelder (9, 10) am Ort der Temperaturfeldmaxima T_max1 und T_max2 (13', 13'') mindestens die Schweißnahttiefe t_s (12) erreicht (siehe auch 2b und 2c).
Beispiel 2:
Automatenstähle besitzen zur Verbesserung der Zerspanbarkeit und der Bildung kurz brechender Drehspäne einen erhöhten Schwefelgehalt. Dieser Schwefel bildet beim Aufschmelzen mit dem Eisen niedrig schmelzende Eutektika, die beim Schweißen zu einer Heißrissbildung führen. Automatenstähle gelten deshalb als nicht schweißbar. In verstärktem Maße trifft das auf die vergütbaren Automatenstähle zu, die zur Sicherstellung ihrer Härtbarkeit zusätzlich einen Kohlenstoffgehalt größer als etwa 0,3 % aufweisen. Obwohl die erfindungsgemäße Vorgehensweise vorteilhaft auch auf andere heißrissgefährdete Werkstoffe wie z. B. austenitische Stähle, Al-Legierungen und Ni-Legierungen angewendet werden kann, soll wegen der besonderen Schwierigkeit und des Fehlens von geeigneten alternativen Lösungen, wie z. B. heißrissvermeidende Schweißzusatzwerkstoffe, die Eignung des Verfahrens am Beispiel von vergütbaren Automatenstählen nachgewiesen werden.
Zwei 250 mm lange, 100 mm breite und 6 mm dicke Platten aus dem vergütbaren Automatenstahl 45S20 (chemische Zusammensetzung: ca. 98 % Fe; 0,43 % C; 0,201 % S; 0,25 % Si; 0,94 % Mn; 0,018 % P) sollen an ihrer Längsseite mittels Laserstrahlschweißen gefügt werden. Zum Laserstrahlschweißen wird als Schweißenergiequelle (32) ein quergeströmter 6 kW-CO₂-Laser verwendet. Die Laserstrahlleistung wird auf 5,5 kW eingestellt. Die Schweißgeschwindigkeit v_s beträgt v_s = 1,5 m/min. Als Schutzgas wird Helium in einer Menge von 15 l/min mittels einer schleppenden Düsenanordnung zugeführt.
Obwohl die Schweißnaht gut ausgebildet ist, weist sie, wie Quer- und Längsschliff zeigen (siehe 3), eine Vielzahl von quer und längs liegenden Heißrissen auf, die die Verwendung solcherart hergestellter Platten unmöglich machen.
Zur Vermeidung der Heißrissigkeit wird als Zusatzenergiequelle (22) eine induktive Energiequelle verwendet. Der Induktionsgenerator hat eine Frequenz von 9 kHz. Der doppelarmige Induktor (schematische Darstellung in 1) besteht aus zwei geraden Induktorästen 1 und 2 (18, 19) mit einem Querschnitt von 8 × 8 mm². Beide Induktoräste (18, 19) sind l_i = l_i1 = l_i2 = 60 mm lang, haben einen Abstand von b_i = 20 mm und werden antiparallel vom Strom durchflossen. Der Kopplungsabstand beträgt 2,0 mm und ist über die gesamt Induktorlänge konstant. Die Magnetfeldverstärkungselemente (21) für beide Induktoräste (18, 19) bestehen aus U-förmig ausgearbeiteten, 44 mm langen Fluxtrol^® – Stücken.
Der Induktor wird mittig zur Schweißnaht (7) positioniert. Als Abstand a_x zwischen dem Beginn der Temperaturfelder 1 und 2 (18, 19) und dem Mittelpunkt der Schweißzone (4), näherungsweise gemessen als geringsten Abstand zwischen der Mittellinie des Energiestrahles des Schweißverfahrens (3) und der Verbindungslinie zwischen den beiden vorderen Kanten der Induktoräste 1 und 2 (18, 19) wird ein Wert a_x ≈ 20 mm gewählt. Die induktive Leistung wird auf eine Effektiv-Leistungsanzeige am Induktionsgenerator von 20 kW eingestellt.
Die Länge l_SEZ der Schweißzone (4) und der Erstarrungszone (6) beläuft sich auf l_SEZ ≈ 22 mm. Zur Durchführung der Schweißungen werden die gleichen Schweißparameter wie bei den Schweißungen ohne Zusatzenergiequelle eingestellt. Der Induktor (15) wird simultan mit dem Schweißkopf (23) bewegt. Beim Erreichen der Startposition wird der Induktor (15) und zeitverzögert der Laserstrahl eingeschaltet.
Mit diesen Einstellparametern wird ein Temperaturmaximum T_max = T_max1 = T_max2 = 850°C erreicht. Die Temperaturmaxima T_max1 und T_max2 liegen etwa b_x + c_x ≈ 32 mm hinter der Position des Mittelpunktes des Energiestrahles des Schweißverfahrens (3). Der Abstand b_x zwischen dem Mittelpunkt der Schweißzone (4) und dem Ende der Erstarrungszone (6) beträgt etwa b_x ≈ 20 mm. Damit gilt für die gewählte Länge der Induktoräste l_i1 = l_i2 ≈ 3·l_SEZ und für den Abstand b_i zwischen den Induktorästen b_i ≈ 5·b_SZ.
4 zeigt einen Querschliff und einen Längsschliff einer nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten Schweißnaht. Die Naht ist völlig rissfrei. Die Rissfreiheit geht einher mit einer drastischen Verbesserung der mechanischen Eigenschaften der geschweißten Platten. So wird die Zugfestigkeit der Schweißnaht im Querzugversuch von 281 MPa auf 535 MPa angehoben. Gleichzeitig steigt der Wert der Wechselfestigkeit im Zugschwellversuch (R = 0) von ca. 40 MPa auf ca. 130 MPa.
Die Ursache für die Vermeidung der Heißrissbildung besteht darin, dass es während der Erstarrung und Abkühlung der Schweißnaht zumindest im heißrisskritischen Temperaturintervall ΔT_IS gelingt, die thermischen Schrumpfungen der Schweißnaht (7) durch die thermischen Volumenzuwächse der beiden durch die Volumenenergiequelle (22) erzeugten Temperaturfelder (9, 10) ausreichend zu kompensieren. Dass wirklich dieser Effekt dafür verantwortlich ist und nicht ein Eingriff in die Abkühlgeschwindigkeit oder die Gefügeumwandlung in der Schweißnaht, wird in 5 bewiesen. Mit dem gleichen Werkstoff, Probenabmessungen, Schweißparametern wurden auch die Auswirkungen homogener zusätzlicher Temperaturfelder (Probenerwärmung im Ofen) sowie symmetrischer lokaler Temperaturfelder mit einem Temperaturmaximum in der Fügeebene (33) oder der Schweißnaht (7) direkt vor der Schweißzone (4) oder hinter der Erstarrungszone (6) untersucht. Als Maß für die Rissbildungsneigung wurde der Wert des relativen Ultraschallechos verwendet. Eine abnehmende Rissanzahl korreliert mit einer Zunahme des Wertes des relativen Ultraschallechos; ab einem Wert von 85 % sind die Proben rissfrei. Aus 5 ist zu entnehmen, dass ein induktives Nachwärmen erwartungsgemäß überhaupt keinen Einfluss auf die Vermeidung von Heißrissen hat und dass weder mit einer Ofenvorwärmung noch mit einer induktiven Vorwärmung mit einem Temperaturmaximum in der Fügeebene (33) rissfreie Zustände erreicht werden können. Da mit den alternativ getesteten zusätzlichen Temperaturfeldern die Abschreckgeschwindigkeit, die lokale Temperatur in der Umgebung der Schweißzone und die Gefügeumwandlungen in einem ähnlichen Wertebereich jedoch ohne einen entscheidenden Einfluss auf die Rissvermeidung geändert werden konnten wie bei der erfindungsgemäßen Lösung, ist nachgewiesen, dass die Absenkung der thermischen Zugdehnungen in der Erstarrungszone entscheidend ist.
Beispiel 3:
Rohrförmige Teile aus einem heißrissanfälligen austenitischen rostfreien Stahl sollen durch Laserstrahlschweißen verbunden werden. Das konventionelle Laserstrahlschweißen lässt eine sichere Heißrissvermeidung nicht zu.
Die Rohrwandstärke beträgt 6 mm. Da die induktive Energieeinkopplung in den austenitischen Werkstoff nicht so effektiv möglich ist wie in ein ferritisches Material, aber andererseits der elektrische Widerstand und die erzeugbare Joule'sche Wärme relativ groß sind, bietet sich für diesen Fall eine konduktiv wirkende Zusatzenergiequelle als Volumenenergiequelle an. Dazu werden, wie in 6 dargestellt, zwei rollenförmige Stromabnehmer (24, 25), die mit dem Schweißkopf mechanisch verbunden sind und aus einer Kupferlegierung bestehen federnd gegen die Oberfläche der Bauteile 1 und 2 gepresst. In Vorschubrichtung (8) gesehen, befinden sich die beiden Stromabnehmer (24, 25) ca. 3 mm vor der Mittellinie des Laserstrahles (3). Die beiden unteren Stromabnehmer (26, 27) befinden sich ca. 5 mm hinter der Position der beiden oberen Stromabnehmer (24, 25).
Vor dem Start des Schweißprozesses wird der konduktive Stromfluss durch die Stromabnehmer (24–26 bzw. 25–27) und die Bauteile (1) und (2) gestartet. Entlang des etwa schlauchförmigen Strompfades werden durch die Joule'sche Wärme zwei die Blechdicke d durchgreifende und geneigt zur Oberfläche liegende Temperaturfelder erzeugt, die zu einer thermischen Ausdehnung der erwärmten Volumina der Bauteile (1) und (2) führen. Wenn die gewünschte Solltemperatur erreicht ist, wird der als Schweißenergiequelle (32) verwendete Laser zugeschaltet und der Vorschub mit der Geschwindigkeit v_s gestartet. Die beiden so erzeugten Temperaturfelder (9, 10) führen zu einer Abminderung der Zugdehnungen in der Erstarrungszone (7) während des Durchschreitens des Temperaturintervalls der Sprödigkeit ΔT_IS und gestatten damit ein heißrissfreies Schweißen.

1: zu verschweißendes Bauteil 1
2: zu verschweißendes Bauteil 2
3: Energiestrahl des Schweißverfahrens
4: Schweißzone
5: Keyhole
6: Erstarrungszone
7: erstarrte Schweißraupe, Schweißnaht
8: Schweißrichtung SR
9: Temperaturfeld 1
10: Temperaturfeld 2
11: Isothermen der Temperaturfelder
12: Schweißnahttiefe t_s
13: Temperaturmaximum des elektromagnetisch erzeugten Temperaturfeldes
13': Temperaturmaximum T_max1 des Temperaturfeldes 1 (9)
13'': Temperaturmaximum T_max2 des Temperaturfeldes 2 (10)
14: Wärmeeinflusszone WEZ
15: Induktor
16: Stromzuführung
17: Stromabführung
18: Induktorast 1
19: Induktorast 2
20: Induktorverbindungsstück
21: Magnetfeldverstärkungselemente
22: Volumenenergiequelle, Zusatzenergiequelle
23: Schweißkopf
24: Stromabnehmer auf Oberseite des Bauteils 1
25: Stromabnehmer auf Unterseite des Bauteils 1
26: Stromabnehmer auf Oberseite des Bauteils 2
27: Stromabnehmer auf Unterseite des Bauteils 2
28: Oberseite des Bauteils 1
29: Unterseite des Bauteils 1
30: Oberseite des Bauteils 2
31: Unterseite des Bauteils 2
32: Schweißenergiequelle
33: Fügeebene
34: Strompfad

a_x

– Abstand zwischen Beginn der Temperaturfelder 1 und 2 und dem Mittelpunkt der Schweißzone (4); a_x zählt positiv wenn die Schweißzone vorläuft

b_i

– geringster Abstand zwischen Induktorast 1 (18) und Induktorast 2 (19)

b_SZ

– Breite der Schweißzone (4) an der Oberseite der Bauteile 1 und 2 (1, 2)

b_x

– Abstand zwischen Mittelpunkt der Schweißzone (4) und dem Ende der Erstarrungszone (6)

c_x

– Abstand zwischen Ende der Erstarrungszone (6) und dem Temperaturmaximum (13) der Temperaturfelder 1 bzw. 2 (9, 10)

d

– Blechdicke

d_f

– Fokusdurchmesser des Laserstrahles

l_i

– Länge des Induktoräste

l_i1;2

– Länge des Induktorastes 1 (18) bzw. 2 (19)

l_SEZ

– Länge von Schweißzone (4) und Erstarrungszone (6) in Schweißrichtung SR

t_S

– Schweißnahttiefe (12)

v_S

– Vorschubgeschwindigkeit, Schweißgeschwindigkeit

x

– Koordinate längs zur Schweißrichtung (8)

y

– Koordinate quer zur Schweißrichtung (8)

z_i1;2;3

– Kopplungsabstand, d. h. Abstand der beiden Induktoräste 1 (18) bzw. 2 (19) bzw. des Induktorverbindungsstückes (20) zum Bauteil 1 (1) bzw. 2 (2)

RT

– Raumtemperatur

SR

– Schweißrichtung

T Ez / max

– Temperaturmaximum in der Erstarrungszone (6)

T_max1;2

– Temperaturmaximum der Temperaturfelder 1 und 2 (9, 10)

T_pre

– Temperatur in der Fügelinie direkt vor der Schweißzone (4)

T_post

– max. Temperatur in der Schweißnaht (7) nach der Schweißzone (4) unter einem symmetrisch über der Schweißnaht angeordneten Induktor

WEZ

– Wärmeeinflusszone

ΔT_IS

– Temperaturintervall der Sprödigkeit

Claims

Verfahren zum rissfreien Schweißen, Reparaturschweißen oder Auftragschweißen heißrissanfälliger Werkstoffe mittels eines Schweißverfahrens hoher Leistungsdichte und einer weiteren, mit der Schweißgeschwindigkeit in einem konstanten Abstand zur Schweißzone mitlaufenden örtlichen Temperaturbeaufschlagung, dadurch gekennzeichnet, dass die mitlaufende örtliche Temperaturbeaufschlagung durch zwei parallel oder nahezu parallel zur Schweißrichtung (8) verlaufende und sich zur Schweißrichtung (8) längs erstreckende elektromagnetisch, durch eine Volumenenergiequelle im Inneren der Bauteile 1 und 2 (1, 2) (22) erzeugte Temperaturfelder (9, 10) erfolgt, die beide in Schweißrichtung (8) vor der Schweißzone (4) beginnen und deren Temperaturmaxima (13) sich außerhalb der Wärmeeinflusszone (14) und in Schweißrichtung (8) hinter der Erstarrungszone (6) befinden und die Tiefe der Temperaturfelder (9, 10) am Ort des Temperaturmaximums (13) mindestens die Schweißnahttiefe erreichen.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als Schweißverfahren hoher Leistungsdichte ein Laserstrahlschweißen verwendet wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als Schweißverfahren hoher Leistungsdichte ein Plasma-, TIG-, oder WIG-Verfahren dient.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als Schweißverfahren hoher Leistungsdichte ein non-vac-Elektronenstrahlschweißverfahren Anwendung findet.
Verfahren nach Anspruch 1 oder einem der Ansprüche von 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperaturfelder (9, 10) durch induktive Erwärmung erzeugt werden.
Verfahren nach Anspruch 1 oder einem der Ansprüche von 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperaturfelder (9, 10) durch konduktive Erwärmung hervorgerufen werden.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Tiefe der beiden Temperaturfelder (9, 10), ihr Abstand und ihre Ausdehnung durch die Induktionsfrequenz, die Länge und Abstand der beiden Induktoräste (18, 19), die Anbringung von Magnetfeldverstärkungselementen (21) und die induktive Leistung eingestellt wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass bei symmetrischen Wärmeableitungsbedingungen der beiden Bauteile 1 und 2 (1, 2) und bei gleichen Werkstoffen die beiden Temperaturfelder 1 und 2 (9, 10) symmetrisch zur Lage der Schweißnaht (7) angeordnet werden.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass bei unterschiedlichen Werkstoffen und/oder unsymmetrischen Wärmeableitungsbedingungen der beiden Bauteile 1 und 2 (1, 2) die beiden Temperaturfelder 1 und 2 (9, 10) in ihrer Ausdehnung, Tiefe und Höhe der Temperaturmaxima T_max1 bzw. T_max2 unterschiedlich ausgebildet werden.
Vorrichtung zum rissfreien Schweißen, Reparaturschweißen oder Auftragschweißen, bestehend aus einer Schweißenergiequelle und einer Zusatzenergiequelle, dadurch gekennzeichnet, dass die Zusatzenergiequelle eine Volumenenergiequelle (22) ist und diese mit dem Schweißkopf (23) verbunden ist und der Bewegung des Schweißkopfes (23) folgt.
Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Volumenenergiequelle (22) zur Erzeugung der beiden Temperaturfelder (9, 10) durch einen Induktor (15) gebildet wird, der aus zwei Induktorästen 1 und 2 (18, 19) besteht, die längs oder nahezu längs der Schweißnaht (22) verlaufen und die eine Länge l_i von 0,7 l_SEZ = l_i = 30 l_SEZ und einen Abstand b_i voneinander von 1,5 b_SZ = b_i = 20 b_SZ haben.
Vorrichtung nach den Ansprüchen 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Induktorverbindungsstück (20) der beiden Induktoräste 1 (18) und 2 (19) einen mindestens um den Faktor zehn größeren Kopplungsabstand z₃ als die Induktoräste 1 (18) bzw. 2 (19) aufweist.
Vorrichtung nach den Ansprüchen 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Induktoräste 1 (18) und 2 (19) dergestalt unterschiedlich aufgebaut sind, dass sie einen unterschiedlichen Querschnitt, Kopplungsabstand z₁ bzw. z₂, eine unterschiedliche Länge l_i1 bzw. l_i2 aufweisen oder unterschiedlich lang mit Magnetfeldverstärkungselementen (21) versehen sind.
Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Volumenenergiequelle (22) durch mindestens 4 mit dem Schweißkopf mitlaufende Stromabnehmer (24, 25, 26, 27) gebildet wird, die sich in elektrisch leitendem Kontakt auf der Oberseite (28, 30) und der Unterseite (29, 31) der zu verschweißenden Bauteile 1 und 2 (1, 2) außerhalb der Wärmeeinflusszone (14) und in Schweißrichtung (8) hinter der Erstarrungszone (6) befinden.
Vorrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die auf den Oberseiten (28, 30) der Bauteile 1 und 2 (1, 2) befindlichen Stromabnehmer (24, 26) den auf den Unterseiten (29, 31) der Bauteile 1 und 2 (1, 2) angeordneten Stromabnehmern (25, 27) vorlaufend angeordnet sind.
Vorrichtung nach mindestens einem der Ansprüche von 10 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass sie zur Durchführung des Verfahrens nach mindestens einem der Ansprüche von 1 bis 9 verwendet wird.