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Die
Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Fügen von Werkstückteilen
mittels eines Lichtbogens, mit einem der Führung des Lichtbogens entlang
eines Fügestoßes dienenden
Tastfinger, dessen Spitze vorlaufend zur Führungsrichtung des Lichtbogens
angeordnet ist, wobei der Tastfinger aus Material gebildet ist,
das einer Dauertemperaturbelastung von mindestens 400°C standhält.
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Die
DE 100 06 852 C5 offenbart
eine vorteilhafte Vorrichtung zum Fügen von Werkstückteilen mittels
eines Energiestrahls, insbesondere Laserstrahls, unter Verwendung
von Zusatzdraht, bei der der Zusatzdraht als mechanisches Tastelement
zur Nahtführung
verwendet wird. Der Bezugspunkt der Nahtführung liegt dort also im Wesentlichen
am Schmelzbadrand, das heißt
am Rand der momentanen Schweiß-
bzw. Lötstelle.
Diese Vorrichtung hat allerdings ihre Grenzen und bringt gewisse
Probleme mit sich. Denn die kraftschlüssige Führung des Zusatzdrahtes entlang
der Kontur des von den zu verbindenden Werkstückteilen definierten Stoßes führt zu einer
prinzipbedingten Durchbiegung des Zusatzdrahtes sowie zu einer Verlagerung
des Zusatzdrahtes in dem Drahtzuführkanal, da dessen Innendurchmesser
notwendigerweise etwas größer sein
muss als der Durchmesser des Zusatzdrahtes. Hierdurch wird der Energiestrahl
in Kraftrichtung verlagert, während
die Zusatzdrahtspitze am Stoß anliegt.
Dieses kann zwar grundsätzlich
durch einen so genannten Offset kompensiert werden. Problematisch
ist allerdings, dass die zusätzliche
Verlagerung von verschiedenen Einflussgrößen abhängig ist; insbesondere von
der Andruckkraft, wodurch man bei der Einrichtung der bekannten
Vorrichtung zwei verkoppelte Einstellgrößen erhält, was die Einrichtung sehr
komplex gestaltet und dementsprechend die Anforderungen an das Bedienpersonal
erhöht;
ferner von der Temperatur, die sich während des Bearbeitungs prozesses
relativ stark ändert;
sowie von dem Verschleißzustand
der Drahtzuführeinrichtung,
der sich laufend ändert.
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Ein
weiteres Problem bei der aus der
DE 100 06 852 C5 bekannten Vorrichtung besteht
darin, dass der Energiestrahl, wenn es sich dabei beispielsweise um
einen Lichtbogen handelt, eine Beeinflussung erfährt, wenn nicht potentialfreie
Gegenstände
in die Nähe
des Energiestrahls bzw. Lichtbogens gelangen. In diesem Fall kann
es dann auf Grund des Potentials des als taktiles Führungselement
verwendeten Zusatzdrahtes zu einer unkontrollierten und unerwünschten
Bewegung des Lichtbogens kommen.
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Im Übrigen ist
das aus der
DE 100
06 852 C5 bekannte Nahtführungssystem in Fügeprozessen,
in denen kein Zusatzdraht erwünscht
ist, nicht einsetzbar. Dies kann etwa der Fall sein, weil der Fügeprozess
keinen kalten Zusatzdraht zulässt
oder empfindlich auf dessen Zuführung
reagiert. Ferner auch aus Kostengründen, wobei sowohl die Materialkosten
als auch die Investitions- und
Betriebskosten für
das Drahtzuführsystem
zu nennen sind.
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Bekannt
sind ferner Vorrichtungen zum Laserschweißen von Werkstückteilen,
die einen festen, vorlaufenden Führungsfinger
zur Nahtführung
aufweisen. Da sich dieser kraftschlüssig entlang der Kontur des
Fügestoßes geführte Führungsfinger nicht
nennenswert durchbiegt, treten bei diesen Vorrichtungen die der
Vorrichtung gemäß der
DE 100 06 852 C5 inhärenten Probleme
nicht auf. Auch kommt es durch den relativ großen Vorlauf des Führungsfingers,
das heißt
durch den Abstand des Führungsfingers
zum Energiestrahl zu keinerlei elektromagnetischen Beeinflussung
des Energiestrahls (Lichtbogens). Jedoch liefern diese Vorrichtungen
aufgrund des erheblichen Vorlaufes des festen Führungsfingers nur bei im Wesentlichen
gerade verlaufendem Fügestoß und minimalen
Winkelabweichungen von der programmierten Führungsbahn eine einwandfreie
Fügenahtqualität, da es ansonsten
aufgrund des Vorlaufes des Führungsfingers
zu Positionierfehlern für
den Wirkpunkt (Wirkort) des Energiestrahls kommt.
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Die
US 3 080 472 offenbart eine
Lichtbogenschweiß-vorrichtung
mit einer eine Schweißelektrode führenden
Schweißdüse und einem
der Führung
der Schweißdüse entlang
eines Fügestoßes dienenden mechanischen
Tastfinger. Der Tastfinger ist mit einer hitzebeständigen und
abriebfesten Beschichtung versehen, um ihn möglichst nah an der Elektrodenspitze
anordnen zu können.
Der Abstand zwischen Tastfinger und Elektrodenspitze ist mit einem
halben inch (ca. 12,7 mm) angegeben. Als Materialien für die hitzebeständige und
abriebfeste Beschichtung sind Wolfram und Wolfram-Karbid angegeben.
Der Tastfinger weist zudem eine Wasserkühlung auf.
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Vor
diesem Hintergrund liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe
zugrunde, mit relativ geringem zusätzlichen Aufwand eine Vorrichtung
der eingangs genannten Art dahingehend zu verbessern, dass diese
auch zum Lichtbogenschweißen
einsetzbar ist und dabei eine sehr genaue taktile Nahtführung sicherstellt.
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Diese
Aufgabe wird durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs
1 gelöst.
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Die
erfindungsgemäße Vorrichtung
ist dadurch gekennzeichnet, dass ihr Tastfinger, dessen Spitze vorlaufend
zur Führungsrichtung
des Lichtbogens angeordnet ist, aus elektrisch isolierendem Material
gebildet ist, das einer Dauertemperaturbelastung von mindestens
400°C standhält.
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Durch
die erfindungsgemäße Ausgestaltung des
Tastfingers ist es möglich,
diesen mit geringstmöglichem
Vorlauf vor der Wirkstelle des Lichtbogens anzuordnen, so dass sich
eine sehr genaue taktile Nahtführung
des Lichtbogens ergibt, und dies ohne eine negative Beeinflussung
des Lichtbogens.
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Nach
einer bevorzugten Ausgestaltung ist allerdings vorgesehen, dass
der Tastfinger gänzlich elektrisch
isolierend ausgebaut ist, d. h. sein elektrisch isolierendes Material
wirkt isolierend gegenüber
dem Lichtbogen, den Werkstückteilen
sowie der Vorrichtung.
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In
einer bevorzugten Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung
ist der Tastfinger in Bezug auf den Lichtbogen so angeordnet, dass
die Spitze des Tastfingers vom äußeren Rand
der Wirkstelle des Lichtbogens beabstandet ist, wobei der Abstand
nicht mehr als 3 mm beträgt.
Hierdurch wird eine sehr genaue taktile Nahtführung des Lichtbogens sichergestellt.
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Besonders
bevorzugt ist eine Ausgestaltung, bei der Tastfinger in Bezug auf
den Lichtbogen so angeordnet ist, dass die Spitze des Tastfingers
den äußeren Rand
der Wirkstelle des Lichtbogens antastet. Die Nahtführung des
Lichtbogens ist dann optimal.
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Hinsichtlich
eines möglichst
geringen Vorlaufs des Tastfingers vor der Wirkstelle des Lichtbogens
schlägt
die Erfindung insbesondere vor, den Tastfinger aus einem keramischen
Werkstoff oder einem einen keramischen Werkstoff umfassenden Werkstoffverbund
herzustellen. Insbesondere kann der Tastfinger der erfindungsgemäßen Vorrichtung eine
keramische Beschichtung aufweisen.
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Eine
vorteilhafte Weiterbildung der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist dadurch
gekennzeichnet, dass deren Tastfinger aktiv temperiert wird. Diese
Ausgestaltung ist insbesondere bei thermisch empfindlichen Fügeprozessen von
Vorteil, wenn eine Wärmeabfuhr
(Wärmeentzug)
von den miteinander zu verbindenden Werkstückteilen auf den Tastfinger vermieden
werden soll. Die erfindungsgemäße Temperierung
des Tastfingers kann auf verschiedene Weise erfolgen. Eine bevorzugte
Möglichkeit
besteht darin, dass in dem Tastfinger eine Heizeinrichtung integriert
ist. Alternativ oder ergänzend
kann der Tastfinger auch an einer eine Heizeinrichtung aufweisenden
Halterung montiert sein, wobei der Tastfinger dann mittels der Heizeinrichtung
durch Wärmeleitung temperierbar
ist.
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Als
weitere Möglichkeit
zur Temperierung des Tastfingers wird vorgeschlagen, dem Tastfinger eine
Aufnahme, insbesondere eine Kammer zuzuordnen, welche eine Heizeinrichtung
zur Temperierung des Tastfingers aufweist, wobei der Tastfinger nach
erfolgter Vorwärmung
aus der Aufnahme herausbewegbar ist. Die Temperierung (Vorwärmung) des
Tastfingers in der Aufnahme bzw. Kammer kann durch Wärmeleitung,
Wärmestrahlung
und/oder Induktion erfolgen.
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Hinsichtlich
einer hohen Dauertemperaturbelastung des Tastfingers kann es gegebenenfalls auch
zweckmäßig sein,
wenn in dem Tastfinger eine Kühleinrichtung
integriert ist. In weiterer Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung
kann insbesondere vorgesehen sein, dass der Tastfinger an einer
eine Kühleinrichtung
aufweisenden Halterung montiert ist, wobei der Tastfinger mittels
der Kühleinrichtung
kühlbar
ist.
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Eine
andere vorteilhafte Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung
ist dadurch gekennzeichnet, dass der Tastfinger mit einer Randstrahlen des
Lichtbogens zurückhaltenden
Blende versehen ist. Mittels der Blende lässt sich der Energieeintrag
in die miteinander zu verbindenden Werkstückteile gezielt verringern,
insbesondere lateral zur Führungsrichtung
des Lichtbogens. Diese Ausgestaltung bietet somit die Möglichkeit,
die Breite der Fügenaht
zu verringern.
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Besonders
bevorzugt ist dabei eine Ausgestaltung, bei der die Öffnungsweite
der Blende einstellbar ist.
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Ferner
wird vorgeschlagen, die Blende mit mindestens einem magnetischen
oder elektromagnetischen Element zur gezielten Beeinflussung bzw. Einschnürung des
Lichtbogens zu versehen.
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Eine
weitere bevorzugte Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung
besteht darin, dass der Tastfinger mit einer Einrichtung zur Zuführung von
Schutzgas versehen ist, die mit dem Tastfinger fest verbunden oder
verbindbar ist. Die Einrichtung ist dabei vorzugsweise so ausgebildet,
dass sie das Schutzgas ringförmig,
koaxial oder ringsegmentförmig,
koaxial zum Lichtbogen zuführt.
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Weitere
vorteilhafte und bevorzugte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Vorrichtung
sind in den Unteransprüchen
angegeben.
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Nachfolgend
wird die Erfindung anhand einer mehrere Ausführungsbeispiele darstellenden Zeichnung
näher erläutert. Es
zeigen in schematischer Darstellung:
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1 einen
Abschnitt einer erfindungsgemäßen Vorrichtung
zum Fügen
von Werkstückteilen mittels
eines Lichtbogens in Seitenansicht;
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2 einen
Abschnitt einer weiteren erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Fügen von
Werkstückteilen
mittels eines Lichtbogens in Seitenansicht;
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3 den
Abschnitt der Vorrichtung gemäß 2 in
Führungsrichtung
des Lichtbogens entlang des von den zu verbindenden Werkstückteilen
definierten Fügestoßes betrachtet;
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4 eine
perspektivische Darstellung des Abschnitts der Vorrichtung der 2;
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5 den
Abschnitt der Vorrichtung gemäß 2 in
Draufsicht;
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6 einen
Abschnitt einer weiteren erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Fügen von
Werkstückteilen
mittels eines Lichtbogens in Seitenansicht; und
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7 den
Abschnitt der Vorrichtung gemäß 6 in
Draufsicht.
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Bei
den in der Zeichnung schematisch dargestellten Vorrichtungen 1, 1', 1'' handelt es sich jeweils um eine
Vorrichtung zum Fügen
von Werkstückteilen 2.1, 2.2 mittels
eines Lichtbogens 3. Die zu verbindenden Werkstückteile 2.1, 2.2 bilden
in den hier dargestellten Beispielen einen Überlappstoß 4, an dem eine Kehlnaht 5 hergestellt
werden soll.
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Die
Vorrichtung 1 umfasst einen der Führung des Lichtbogens 3 entlang
des Fügestoßes (Überlappstoßes) dienenden
Tastfinger 6, dessen Spitze vorlaufend zur Führungsrichtung
F des Lichtbogens 3 angeordnet ist. Der Tastfinger 6 kann
auch als Führungsfinger
oder Führspitze
bezeichnet werden. Es handelt sich dabei um ein taktiles Tastelement,
das kraftschlüssige
entlang eines von den zu verbindenden Werkstückteilen 2.1, 2.2 definierten
Fügestoßes 4 bewegt
wird und den Lichtbogen 3 seitlich und in Abstandsrichtung
führt.
Man kann daher insoweit auch von einer taktilen Nahtführung sprechen.
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Der
Tastfinger 6 der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist aus elektrisch
isolierendem Material gebildet, das eine hohe Verschleißfestigkeit
besitzt und einer Dauertemperaturbelastung von mindestens 400°C, vorzugsweise
mindestens 500°C
standhält.
Das elektrisch isolierende Material des Tastfingers 6 wirkt
isolierend gegenüber
dem Lichtbogen 3 und auch isolierend gegenüber den
Werkstückteilen 2.1, 2.2.
Bei dem elektrisch isolierenden Material des Tastfingers 6 handelt
es sich vorzugsweise um ein hoch verschleißfestes Material, beispielsweise
um einen hoch verschleißfesten
keramischen Werkstoff. Alternativ kann der Tastfinger 6 auch
aus einem elektrisch isolierenden Materialverbund, beispielsweise aus
einem einen keramischen Werkstoff umfassenden Werkstoffverbund gebildet
sein. Insbesondere kann die Isolierung in Form einer keramischen
Beschichtung des Tastfingers 6 realisiert sein.
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Der
Tastfinger 6 ist in Bezug auf den Lichtbogen 3 so
angeordnet, dass seine Spitze mit möglichst geringem Vorlauf vor
dem äußeren Rand
der Wirkstelle W des Lichtbogens 3 angeordnet ist, wobei
dieser Vorlauf nicht mehr als 3 mm beträgt. In den hier dargestellten
Ausführungsbeispielen
ist der Tastfinger 6 vorzugsweise so angeordnet, dass seine
Spitze den äußeren Rand
der Wirkstelle W des Lichtbogens 3 antastet.
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Der
Tastfinger 6 ist vorzugsweise mit einer Heizeinrichtung
(nicht gezeigt) versehen. Die Heizeinrichtung ist beispielsweise
in dem Tastfinger 6 integriert. Sie kann beispielsweise
aus einem in dem Tastfinger eingebetteten oder eingegossenen Heizdraht
bestehen.
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Alternativ
kann die Temperierung des Tastfingers 6 auch durch Wärmeleitung über die
Aufnahme (Halterung) des Tastfingers erfolgen. Die Aufnahme (nicht
gezeigt) des Tastfingers 6 weist in diesem Fall eine entsprechende
Heizeinrichtung auf.
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Eine
weitere Variante der erfindungsgemäßen Vorrichtung besteht darin,
den Tastfinger 6 in einer Kammer oder Aufnahme (nicht gezeigt)
durch Wärmeleitung,
Wärmestrahlung
und/oder Induktion zu erwärmen.
Der so erwärmte
Tastfinger 6 wird dann für die taktile Nahtführung aus
der Kammer herausbewegt. Diese Variante sieht somit eine Vorwärmung des
Tastfingers 6 in der Kammer bzw. Aufnahme vor.
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Eine
andere Variante der erfindungsgemäßen Vorrichtung besteht darin,
den Tastfinger 6 aktiv zu kühlen. Hierzu kann in dem Tastfinger 6 eine
Kühleinrichtung
integriert oder der Tastfinger an einer eine Kühleinrichtung aufweisenden
Halterung montiert sein (nicht gezeigt).
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Das
in den 2 bis 5 dargestellte Ausführungsbeispiel
unterscheidet sich von dem Ausführungsbeispiel
der 1 dadurch, dass der Tastfinger 6 mit
einer Blende (Prozessblende) 7 versehen ist. Die Blende 7 hält Randstrahlen
des Lichtbogens 3 zurück,
so dass der Energieeintrag in die Werkstückteile 2.1, 2.2 im
Bereich der Fügestelle
gezielt verringert ist (vgl. insbesondere 3). Hierdurch
wird auch eine Verringerung der Nahtbreite erzielt.
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In
dem in 4 dargestellten Ausführungsbeispiel ist die Blende 7 einseitig
offen, nämlich
im Wesentlichen U-förmig
ausgebildet. Ihre offene Seite liegt in Führungsrichtung F des Lichtbogens 3 betrachtet
hinten. Die Blende 7 bzw. der Tastfinger ist an einer Halterung
(nicht gezeigt) befestigt, die mit der Einrichtung zur Zuführung des
Lichtbogens 3 verbunden ist.
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Die
Blende 7 ist wärmeleitend
mit dem Tastfinger 6 verbunden. Sie ist aus einem hochtemperaturfesten
Material gebildet, das einer Dauertemperaturbelastung von mindestens
400°C, vorzugsweise von
mindestens 500°C
standhält.
Vorzugsweise ist auch die Blende 7 aus einem keramischen
Werkstoff oder einem einen keramischen Werkstoff umfassenden Werkstoffverbund
gebildet.
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Die 6 und 7 zeigen
ein weiteres Ausführungsbeispiel
der erfindungsgemäßen Vorrichtung.
Hier ist der Tastfinger 6 mit einer Einrichtung 8 zur
Zuführung
von Schutzgas versehen, die mit dem Tastfinger fest verbunden ist.
Die Einrichtung 8 zur Schutzgaszuführung ist in der Blende integriert. Die
Blende 7 dient hier somit nicht nur der Einengung des Lichtbogens 3 durch
Zurückhaltung
von Randstrahlen, sondern auch der gezielten Zuführung von Schutzgas und dessen
Halten (Konzentrieren) oberhalb der frisch hergestellten Schweißnaht bzw.
Fügenaht 5.
Das Schutzgas ist in den 6 und 7 durch
bogenförmige
Pfeile 9 angedeutet.
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Bei
dem in den 6 und 7 dargestellten
Ausführungsbeispiel
ist die Blende 7 geschlossen ausgebildet, wobei ihre den
Lichtbogen 3 begrenzende Öffnung 7.1 im Wesentlichen
oval ausgebildet ist. Alternativ kann die Öffnung 7.1 der Blende
gegebenenfalls auch im Wesentlichen kreisförmig, rechteckig oder quadratisch
ausgebildet sein.
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Die
Einrichtung 8 zur Schutzgaszuführung ist in diesem Ausführungsbeispiel
so ausgebildet, dass das Schutzgas ringsegmentförmig, koaxial und nachlaufend
zum Lichtbogen 3 zugeführt
wird. Ebenso liegt es aber auch im Rahmen der Erfindung, die Einrichtung 8 zur
Schutzgaszuführung
so auszubilden, dass das Schutzgas ringförmig, koaxial zum Lichtbogen 3 zugeführt wird.
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Die
Ausführung
der Erfindung ist nicht auf die vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiele
beschränkt.
Vielmehr sind eine Vielzahl weiterer Varianten möglich, die auch bei abweichender
Gestaltung von der in den beiliegenden Ansprüchen angegebenen Erfindung
Gebrauch machen. So kann die dem Lichtbogen 3 zugeordnete
Blende 7 beispielsweise auch nach zwei Seiten hin offen
ausgebildet sein, wobei eine offene Seite in Führungsrichtung F des Lichtbogens 3 betrachtet
hinten und eine zweite offene Seite dazu quer, d. h. in Führungsrichtung
F des Lichtbogens 3 betrachtet seitlich gelegen ist. Auch liegt
es Rahmen der Erfindung, die Blende 7 so auszuführen, dass
ihre Öffnungsweite
einstellbar ist. Hierdurch lässt
sich der Energieeintrag bzw. die Nahtbreite gezielt beeinflussen.
Ferner umfasst die vorliegende Erfindung eine Ausführung, bei
der die Blende 7 mit einem oder mehreren magnetischen oder
elektromagnetischen Elementen zur gezielten Beeinflussung des Lichtbogens 3 ausgestattet
ist. Auch diese Ausgestaltung ermöglicht eine gezielte Verringerung
der Nahtbreite. Schließlich
kann die Blende 7 auch eine Kühleinrichtung aufweisen, um ihre
Dauertemperaturbelastbarkeit zu erhöhen.