DE102008033797A1

DE102008033797A1 - Vorrichtung und Verfahren zum thermischen Verbinden und/oder Trennen von metallischen Werkstücken

Info

Publication number: DE102008033797A1
Application number: DE200810033797
Authority: DE
Inventors: Dieter Rebhan; Martin Blanke; Gerald Dr. Wilhelm; Matthias Hauner
Original assignee: Linde GmbH
Current assignee: Linde GmbH
Priority date: 2008-07-18
Filing date: 2008-07-18
Publication date: 2010-01-21

Abstract

Erfindungsgemäß sind eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Verbinden oder Trennen von metallischen Werkstücken vorgesehen, wobei die Naht bzw. wenigstens die Flanken oder der Umgebungsbereich der Trennfuge oder/und ein Bereich unmittelbar vor der Wärmezuführungsstelle mittels kompakten Trockeneises gekühlt wird.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zum thermischen Verbinden und/oder Trennen von metallischen Werkstücken.
Beim thermischen Verbinden werden Bauteile unter Anwendung von Wärme mit oder ohne Zusätzen unlösbar miteinander verbunden. Schweißverfahren, die mit Wärme arbeiten, sind beispielsweise Feuerschweißen, Gasschmelzschweißen, Lichtbogenhandschweißen, Widerstandsschweißen, Laserstrahlschweißen, aluminothermisches Schweißen und Elektronenstrahlschweißen. Die Lötverfahren umfassen Weichlöten, Hartlöten und Hochtemperaturlöten.
Von den thermischen Trennverfahren sind hier im Wesentlichen autogenes Brennschneiden, Plasmaschneiden, Laserstrahlbrennschneiden, Laserstrahlschmelzschneiden und Laserstrahlsublimierschneiden von Belang; all diese Schneideerfahren kommen auch in der Variante eines Bohrverfahrens zum Einsatz.
Beispielhaft wird im Folgenden von Schweißverfahren, insbesondere von Schutzgas-Lichtbogenschweißverfahren, ausgegangen. Die aufgezeigten Probleme sind wenigstens zum Teil auf andere thermische Füge- und Trennverfahren übertragbar.
Die Schweißtemperatur liegt bei Vergütungsstählen und Edelstählen oberhalb von 800°C, bei nichtrostenden Stählen wie z. B. ferritischen und austenitischen Stählen, die mit enormer Energie geschweißt werden müssen, oberhalb von 1200°C. Bei diesen Temperaturen kann es zur Veränderung der mechanischen und technischen Eigenschaften des Gefüges kommen. Insbesondere kann es zur Grobkornbildung im Bereich der Schweißnaht kommen, wodurch das Gefüge porös werden kann. Weiterhin kann eine unerwünschten Phasenbildung eintreten. Eine hohe Temperatur im Bereich der Schweißnaht begünstigt auch die Oxidation in diesem Bereich und kann zum Verziehen des geschweißten Bauteils führen, was dessen weiteren Gebrauch einschränkt oder aufwändiges Richten erfordert. Aufgrund all dieser Probleme ist die in das Bauteil eingebrachte Leistung beschränkt, was auch unmittelbar eine Grenze für die schweißbare Dicke der Teile setzt. Ebenso schränkt die hohe in der Schweißnaht verbleibende thermische Energie die Schweißbarkeit von Mehrphasenstählen ein. Schließlich verzögert eine lang anhaltende hohe Temperatur im Bereich der Schweißnaht zeitlich nachgeordnete Bearbeitungsvorgänge.
Aufgrund all dieser Probleme wird angestrebt, dass der Bereich der Schweißnaht schnell abgekühlt wird. Kühlverfahren werden unter anderem anhand ihrer Abkühlgeschwindigkeit charakterisiert, ausgedrückt durch die sogenannte T-8-5-Zeit, d. i. die Zeit, die benötigt wird, um den geschweißten Gegenstand von 800°C auf 500°C abzukühlen. Bei nichtrostenden Stählen ist auch die T-12-8-Zeit von Bedeutung, also die Zeit, die benötigt wird, um den geschweißten Gegenstand von 1200°C auf 800°C abzukühlen.
Es ist bekannt, Schweißnähte mit kalten Gasen oder dampfförmigen Stoffen zu kühlen. Dabei wird das Gas oder das cryogene Material mit hoher Strömungsgeschwindigkeit auf die Schweißnaht gesprüht. Dies bringt jedoch Effekte mit sich, die sich beispielsweise beim Schutzgas-Lichtbogenschweißen ungünstig auswirken. Beim Schutzgasschweißen wird mit hohem Aufwand eine bestimmte Zusammensetzung an Schutzgas eingestellt, um eine möglichst optimale Schweißnaht zu erzielen. Wird nun ein Kühlgas mit hoher Geschwindigkeit auf die Schweißnaht gesprüht, wird dieses durch Temperatur- und Strömungseffekte stark verwirbelt, weist eine hohe Strömungsgeschwindigkeit entlang der Oberfläche des Werkstücks auf und kann sich mit dem Schutzgas vermischen. Dadurch kann der Lichtbogen, der ja selbst ein ionisiertes Gas ist, gestört werden, was die Qualität der Schweißnaht beeinträchtigt. Auch ohne Schutzgas kann eine hohe Gasgeschwindigkeit den Lichtbogen etwa allein durch Blaswirkung beeinträchtigen. Die Blaswirkung selbst kann sich auch auf Flammstrahlen ungünstig auswirken. Abgesehen davon erfordert die Bereitstellung großer Mengen an kalten Gasen oder dampfförmigen Stoffen und deren Handhabung einen erheblichen verfahrenstechnischen Aufwand sowie große Lagervolumina.
Andere Kühlmethoden, z. B. eine indirekte Kühlung oder Kühlung mit Wasserstrahl, sind nur bedingt anwendbar.
In der WO 2007/080372 A1 wird eine Einrichtung zum Zuführen eines flüssigen Kühlmittels auf eine Schweißnaht vorgeschlagen, wobei das Kühlmittel auf der Oberfläche des Werkstücks verdampft, wobei der Kühlmittelauslass gegen die Oberfläche des Werkstücks abgedichtet ist und wobei das entstehende Gas über in der Zuführungseinrichtung ausgebildete Abzüge von dem Werkstück weg geführt wird. Bei dieser Einrichtung ist zur Abdichtung ein hoher Aufwand zu treiben. So muss die Dichtung nicht nur enorme Temperaturen im heißen Bereich der Schweißnaht ertragen, sondern auch im Hinblick auf ein erhebliches Temperaturgefälle zwischen vorlaufendem und nachlaufendem Teil ausgelegt sein. Die gesamte Einrichtung einschließlich der Dichtung muss einen Phasenwechsel des flüssigen Kühlmittels in Dampf oder Gas mit der damit verbundenen Volumenvergrößerung handhaben können. Die Handhabung flüssiger Kältemittel unterliegt hohen Sicherheitsanforderungen. Diese Lösung erfordert also einen erheblichen baulichen und verfahrenstechnischen Aufwand.
Nach der EP 1 356 890 A1 wird zur schnellen Abkühlung von umherspritzenden geschmolzenen Teilchen beim Elektroschweißen oder von abtropfenden geschmolzenen Teilchen beim Lasertrennschweißen oder Laserbohren ein Kühlmittel als Spray flüssiger oder fester Teilchen, wie flüssiger Stickstoff oder Kohlendioxidschnee, verwendet. Hierbei treten die gleichen Probleme auf, wie sie vorstehend erörtert wurden.
Die vorstehenden Überlegungen treffen auch auf eine Kühlung des Bereichs unmittelbar vor der Schweißstelle zu. Auch hier hat die Anmelderin in der noch nicht veröffentlichten europäischen Patentanmeldung EP 07022615.4 Kühlverfahren wie z. B. die Kühlung mit CO₂-Schneedüsen in Betracht gezogen. Auch hier gilt, dass Verfahren unter Ausnutzung von Gas-, Flüssigkeits-, Dampf- oder Partikelströmen zu hohen Strömungsgeschwindigkeiten parallel zu der Oberfläche des Werkstücks im Bereich der Schweißstelle führen können und sich die entstehenden Gase mit dem Schutzgas vermischen und/oder den Lichtbogen mechanisch stören können. Eine Vermischung von Kühl- und Schutzgas beeinflusst die Ausbildung der Schweißnaht negativ.
Bei Lötverfahren kann es bei Düsenkühlung ferner zu unerwünschten Abkühleffekten im Bereich der Lötstelle oder Wechselwirkungen mit einem Flussmittel kommen.
Bei Trennverfahren kann es bei Düsenkühlung ferner zu unerwünschten Verwirbelungen und unkontrolliertem Transport des ausgeworfenen Überschussmaterials kommen.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren und eine Vorrichtung bereitzustellen, mit denen es möglich ist, eine Schweißnaht bzw. eine Trennfuge oder/und deren Einzugsbereich unmittelbar vor dem Verbindungs- oder Trennvorgang mit gut einstellbarer, vorzugsweise hoher Abkühlgeschwindigkeit und mit verringertem baulichen und verfahrenstechnischen Aufwand wirksam zu kühlen.
Weiters ist es Aufgabe der Erfindung, ein solches Verfahren und eine solche Vorrichtung bereitzustellen, bei welchen die Bildung von schnell entlang der Oberfläche des geschweißten Gegenstands strömendem Gas oder Dampf vermieden wird.
Insbesondere ist es Aufgabe der Erfindung, ein solches Verfahren und eine solche Vorrichtung bereitzustellen, bei welchen eine Vermischung des Kühlgases mit einem Schutzgas und/oder eine Beeinträchtigung eines Lichtbogens, Flammstrahls oder dergleichen ausgeschlossen oder zumindest herabgesetzt sind.
Im Übrigen ist es Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Kühlung einer durch thermische Verbindung hergestellten Naht bzw. des Einzugsbereichs der Naht unmittelbar vor dem Verbindungsvorgang bereitzustellen, bei wel chen die Qualität, insbesondere die Gefügestruktur, die Kerbschlagfestigkeit eine Naht oder ihres Umgebungsbereichs bzw. der Fugenflanken verbessert ist, die Oxidation im Bereich der Naht bzw. Fuge und der Verzug des Werkstücks verringert und/oder die verbindbare bzw. trennbare Werkstückdicke vergrößert ist.
Wenigstens ein Teil der vorstehend genannten Aufgaben wird durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung bilden den Gegenstand der Unteransprüche.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird vorgeschlagen, die Nähte bzw. Fugen oder/und einen Bereich unmittelbar vor der Wärmezuführungsstelle mit kompaktem Trockeneis zu kühlen. Die Kühlleistung von Trockeneis ist sehr hoch (571 kJ/kg Sublimationsenergie). Das entstehende gasförmige Kohlendioxid entweicht von der heißen Stelle weg und mit geringer Strömungsgeschwindigkeit. D. h., das Trockeneis sublimiert auf der Oberfläche und verursacht keine derart starken Gasströmungen, wie es bei herkömmlichen Verfahren der Fall ist. Dadurch werden z. B. der Lichtbogen und die den Lichtbogen umgebende Schutzgasatmosphäre nicht gestört. Bei Kühlung einer Schweißnaht kann die T-8-5-Zeit bzw. die T-12-8-Zeit sehr kurz gehalten werden. Daher wird verhindert, dass die Schweißnaht oder das Gefüge im Bereich der Schweißnaht oder Lötstelle bzw. Trennfuge versprödet, und erreicht, dass das Material dort eine hohe Kerbschlagzähigkeit aufweist. Weiterhin wird die Oxidation im Bereich der Verbindungs- bzw. Trennstelle vermindert. Da die Wärme schnell abgeführt wird, können nachfolgende Bearbeitungsschritte früher, unter Umständen unmittelbar im Anschluss an den Verbindungs- bzw. Trennvorgang folgen. Eine Kühlung des Einzugsbereichs der Naht bzw. Fuge unmittelbar vor dem Verbindungs- bzw. Trennvorgang kann die Qualität der Naht bzw. der Fugenflanken zusätzlich verbessern. In beiden Fällen können Verzugserscheinungen besser kontrolliert und minimiert werden, sodass Richtarbeiten am fertigen Werkstück nur in geringerem Umfang erforderlich sind oder völlig entfallen können. Wird sowohl die Naht bzw. Fuge als auch der Bereich vor der Wärmezuführungsstelle gekühlt, können die Vorteile beider Alternativen kombiniert werden bzw. vorteilhaft aneinander angepasst werden. Manchmal ist jedoch vorgesehen dem Schweißvorgang vorauseilend die Werkstücke zu Erwärmen, um ein besseres Schweißergebnis zu erzielen, und nach dem Schweißvorgang die Schweißnaht zu kühlen.
Vorzugsweise wird das Trockeneis in Form von Schüttgut, insbesondere Pellets, Nuggets oder dergleichen, verwendet. Das Schüttgut kann von einer entfernten Lagerstätte zur Kühlungsstelle gefördert werden. Das Schüttgut kann auch zunächst in einem Behälter aufgenommen werden und von dort an die Kühlungsstelle abgegeben werden. Auf diese Weise kann das Trockeneis besonders einfach auf die zu kühlende Stelle aufgebracht werden.
Alternativ kann das Trockeneis in Form von Körpern, insbesondere Stangen, Pellets, Nuggets, Riegeln, Blöcken, Tafeln, Platten oder dergleichen, verwendet werden, die in einer vorbestimmten maximalen Anzahl oder einem vorbestimmten maximalen Volumen in einem Magazin gespeichert werden und unter Reduzierung des Volumens des Magazins in Richtung einer Austrittsöffnung des Magazins ausgetrieben werden. Das Magazin kann eine Kälteisolierung und/oder eine aktive Kühlung aufweisen. Vorzugsweise ist die Länge der Trockeneiskörper größer als deren maximale Abmessung in Querschnittsrichtung und entspricht die Querschnittsform des Magazins im Wesentlichen der Querschnittsform der Trockeneiskörper. Besonders bevorzugt weist das Magazin eine Einrichtung zum Nachbefüllen bei laufendem Betrieb auf.
In einer weiteren Alternative wird aus einer Trockeneismasse ein Extrusionskörper erzeugt. Auf diese Weise kann ein kontinuierlicher Betrieb etwa durch Extrusion durch eine Matrize besonders zuverlässig sichergestellt werden. Die Einrichtung zur Herstellung des Extrusionskörpers kann eine Kälteisolierung und/oder eine aktive Kühlung aufweisen.
Das Trockeneis kann entweder direkt auf die zu kühlende Stelle oder alternativ auf einen Kontaktkörper, etwa eine Walze, aufgebracht werden, der die zu kühlende Stelle berührt. Die erste Alternative ist besonders einfach zu verwirklichen, etwa durch bloßes Schütten oder Ablegen auf der Oberfläche. Die zweite Alternative mit Kontaktkörper schafft einen größeren Abstand des Lichtbogens von dem sublimie renden Trockeneis, ermöglicht eine genaue Temperatursteuerung an der zu kühlenden Stelle und erlaubt auch die Kühlung bei Überkopfschweißungen.
Vorzugsweise wird das Trockeneis mit voreingestellter Rate kontinuierlich nachgeführt. Damit kann die Abkühlgeschwindigkeit sehr genau eingestellt werden und können die gewünschten Eigenschaften des Gefüges und der Naht präzise beeinflusst werden. Die Rate kann z. B. über die Vorschubgeschwindigkeit eines Extrudats oder eines Austreibers oder durch die Massenzufuhrrate des Schüttguts eingestellt werden.
Alternativ wird das Trockeneis mit einem vorbestimmten Anpressdruck zugeführt. Hierdurch wird eine Selbstregelung des Kühlmittelverbrauchs bei trotzdem erzwungener Zufuhr erzielt.
Das Verfahren eignet sich sowohl für Gasschmelzschweißen als auch für Lichtbogenschweißen oder Laserschweißen. Es ist auch für Lötungen wie auch für thermische Trennverfahren geeignet.
Besonders bevorzugt ist der Einsatz eines Roboters mit einer Werkzeugaufnahme, wobei als Werkzeug sowohl die Wärmequelle als auch die Kühleinrichtung in Betracht kommen.
Weitere Aufgaben, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden aus der Beschreibung der beispielhaften Ausführungsformen ersichtlich, die in den beigefügten Zeichnungen dargestellt sind.
1 zeigt eine erste Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
2 zeigt eine zweite Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
3 zeigt eine dritte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
4 zeigt eine vierte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
Es folgt eine Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung anhand der Zeichnungen im Einzelnen.
Es versteht sich, dass die beigefügten Zeichnungen in jeder Hinsicht schematisch sind und nur zur Erläuterung der Funktionsprinzipien gedacht sind.
1 zeigt als erste Ausführungsform der vorliegenden Erfindung eine Schweißvorrichtung 1 als Beispiel einer Vorrichtung zum thermischen Verbinden metallischer Werkstücke. Es sind zwei Werkstücke bzw. Halbzeuge 2 und 3 dargestellt, die mittels einer Schweißeinrichtung 4 zu verschweißen sind bzw. bereits teilweise miteinander verschweißt sind. Zur Vereinfachung der Darstellung ist im Wesentlichen ein Abschnitt dargestellt, in welchem die beiden Halbzeuge 2 und 3 bereits verschweißt sind.
Die Schweißeinrichtung 4 wird in der Vorschubrichtung (vgl. Pfeilrichtung 5) bewegt und erzeugt an der Wärmezuführungsstelle einen Lichtbogen 6, der von einem Schutzgasstrom 7 umgeben ist. Die Einzelheiten von derartigen Schweißvorrichtungen sind allgemein bekannt und bedürfen daher keiner Erläuterung im Einzelnen. Durch die auf einen Verbindungsspalt (nicht näher dargestellt) der beiden Halbzeuge 2 und 3 mittels des Lichtbogens eingebrachte thermische Energie werden diese aufgeschmolzen und verbinden sich bei Erkalten des geschmolzenen Materials an einer Schweißnaht 8 unlösbar miteinander.
Die Schweißvorrichtung weist neben der Schweißeinrichtung 4 eine Kühleinrichtung 9 auf. Diese besteht hier aus einer Zuführung 10, durch welche Trockeneis 11 als stückiges Schüttgut auf den Bereich der Schweißnaht unmittelbar hinter der Stelle der momentanen Schweißung aufgebracht wird. Das Schüttgut 11 kann bei kleinen Werkstück- und Schweißnahtabmessungen in der Form von Pellets von typischerweise 1,5 mm bis 3 mm Durchmesser vorliegen; bei größeren Dimensionen kann es auch in der Form von Nuggets oder sog. Slabs, deren Form an Riegel oder Barren erinnert, oder auch von Platten vorliegen. Die Abmessungen der Trockeneisstücke hängen von den Dimensionen des Werkstückes und der Schweißnaht 8 ab. Im lau fenden Betrieb wird die Kühleinrichtung 9 der Schweißeinrichtung 4 in idealerweise konstantem, gegebenenfalls einstellbarem Abstand nachgeführt.
Die Trockeneisstücke, die über die Zuführung vorzugsweise kontinuierlich nachgeliefert werden, sublimieren durch die in der Schweißnaht gespeicherte Wärme und kühlen diese dadurch ab. Sie weisen selbst keine anfängliche Bewegung parallel zur Werkstückoberfläche auf. Das entstehende Kohlendioxid weicht vergleichsweise langsam wabernd von der Schweißnaht weg und beeinflusst weder die Schutzgasatmosphäre noch den Lichtbogen. Da das entstehende Kohlendioxid einige Zeit auf der Werkstückoberfläche verbleibt, schützt es die noch heiße Schweißnaht wirksam vor Oxidation. Dieser Schutz erfolgt auch dann noch, wenn die Schutzgas behaftete Schweißdüse den Arbeitsbereich bereits verlassen hat.
Die Zuführung 10 kann auch ein Bandförderer sein, der z. B. Blöcke von Trockeneis auf der Oberfläche des Werkstücks 2, 3 im Bereich der Schweißnaht 8 ablegt. Eine Führungseinrichtung zur Führung der abgelegten Stücke kann ebenfalls vorgesehen sein, um zu verhindern, dass letztere von der zu kühlenden Steile abwandern, ohne vollständig sublimiert zu sein.
Die Schweißeinrichtung 4 ist eine Wärmezuführungseinrichtung im Sinne der vorliegenden Erfindung.
2 zeigt eine Kühlvorrichtung 13 gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zusammen mit den durch die Naht 8 miteinander verbundenen Werkstückhälften 2 und 3. Die Schweißeinrichtung ist zur Vereinfachung der Darstellung weggelassen. Soweit die gleichen Bezugszeichen wie in der ersten Ausführungsform verwendet werden, bezeichnen diese Bauteile und Elemente, die bereits im Zusammenhang mit der ersten Ausführungsform erläutert wurden und hier nicht erneut erläutert werden.
Die Kühleinrichtung 13 kann anstelle der Kühleinrichtung 9 der ersten Ausführungsform zusammen mit der dort gezeigten Schweißeinrichtung 4 eingesetzt werden. Sie weist ein Magazin 14 mit einer umhüllenden Kälteisolierung 15 auf, in welchem Tro ckeneis 16 einer bestimmten Menge enthalten ist. Über einen Stempel 17 wird das Trockeneis 16 in Richtung der Naht 8 gedrückt (Austreibrichtung 18).
Das Trockeneis 16 ist in 2 in der Form von Stangen dargestellt; je nach Querschnitt können die einzelnen Stücke auch als Platten oder Slabs vorliegen. Idealerweise weisen die einzelnen Stücke 16 eine größere Länge als deren größte Abmessung in Querschnittsrichtung auf und stimmt der Querschnitt des Magazins mit dem Querschnitt der Trockeneisstücke 16 überein. So können die Stücke 16 in definierter Lage in das Magazin 14 eingeführt werden.
Es können aber auch Trockeneisstücke verwendet werden, die beträchtlich kleinere Abmessungen als den Querschnitt des Magazin 14 aufweisen, wie etwa Pellets oder Nuggets. In diesem Fall kann das Trockeneis einfach in das Magazin geschüttet werden, wo es durch den Stempel 17 verdichtet und die Masse insgesamt dem Querschnitt des Magazins 14 angepasst wird.
Mit Hilfe des Stempels 17 kann ein vorbestimmter Druck auf das Trockeneis 16 ausgeübt werden. Durch Entfernen des Stempels 17 kann eine vorbestimmte Menge an Trockeneis 16 nachgefüllt werden. Dies kann auch während des laufenden Betriebs geschehen.
Der Stempel 17 ist ein Austreiber im Sinne der Erfindung und ist gleichzeitig eine Einrichtung zum Nachbefüllen im laufenden Betrieb.
3 zeigt eine Schweißvorrichtung 19 mit einer Schweißeinrichtung 4 und einer Kühleinrichtung 20 als dritte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Sie entspricht der Perspektive der 1; soweit die gleichen Bezugszeichen verwendet werden, wie sie bereits verwendet wurden, bezeichnen diese gleiche Bauteile und Elemente, die bereits in anderem Zusammenhang erläutert wurden und hier nicht erneut erläutert werden.
Die Kühleinrichtung 20 weist eine Schütte 21 zur Aufnahme von Trockeneis 11 in Form stückigen Schüttguts auf. Die Schütte 21 kann manuell oder über eine Zufüh rung ähnlich der Zuführung 10 der ersten Ausführungsform chargenweise oder kontinuierlich mit Trockeneis 11 beschickt werden.
Die Kühleinrichtung 20 weist ferner eine Walze 22 auf, die in Lastrichtung 23 auf die Schweißnaht 8 drückt, der Schweißeinrichtung 4 in idealerweise konstantem Abstand nachgeführt wird und dabei auf der Schweißnaht 8 abwälzt (Drehrichtung 24). Die Walze 21 nimmt Wärme von der Schweißnaht 8 auf und wird ihrerseits durch das aus dem Behälter 21 abgegebene Trockeneis 11 gekühlt. Mit anderen Worten, die Kühlung der Schweißnaht 8 durch das Trockeneis 11 erfolgt mittelbar über die Walze 22.
Bei dieser Ausführungsform sublimiert das Trockeneis 11 an der Walze 22 und wird damit noch wirksamer von der Wärmezuführungsstelle mit dem Lichtbogen 6 und der Schutzgasatmosphäre 7 ferngehalten. Wechselwirkungen mit letzteren sind daher praktisch ausgeschlossen. Innerhalb der Walze 22 und über ihren Umfang besteht zwischen der Naht 8 und der Stelle, an welcher das Trockeneis 11 aufgebracht wird, ein Temperaturgefälle. Daher kann die Temperatur und die Abkühlgeschwindigkeit an der Naht 8 durch Auswahl der Dimension der Walze 22 in Abhängigkeit von der Bewegungsgeschwindigkeit der Gesamtvorrichtung gut eingestellt werden. Insbesondere kann eine zu abrupte Abkühlung der Naht vermieden werden und können die Eigenspannungen im Gefüge gut beherrscht werden.
Die Walze 22 ist ein Kontaktkörper im Sinne der vorliegenden Erfindung, und die Schütte 21 ist eine Auftragseinrichtung im Sinne der vorliegenden Erfindung.
4 zeigt eine Schweißvorrichtung 25 mit einer Schweißeinrichtung 4, einer ersten Kühleinrichtung 26 und einer zweiten Kühleinrichtung 27 als vierte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Sie entspricht der Perspektive der 1, wobei aber zusätzlich ein Abschnitt gezeigt ist, in welchem die beiden miteinander zu verbindenden Halbzeuge noch nicht verbunden sind. Soweit die gleichen Bezugszeichen verwendet werden, wie sie bereits verwendet wurden, bezeichnen diese gleiche Bauteile und Elemente, die bereits in anderem Zusammenhang erläutert wurden und hier nicht erneut erläutert werden.
Die erste Kühleinrichtung 26 dient der Kühlung der Schweißnaht 8, wie es in der ersten bis dritten Ausführungsform der Fall ist. Die zweite Kühleinrichtung 27 dient der Kühlung eines Einzugsbereichs der Schweißnaht 8 vor der Wärmezuführungsstelle und wird weiter unten beschrieben werden.
Die erste Kühleinrichtung 26 weist einen Behälter 28 auf, der mit Trockeneis 29 als lockerem Geschütt gefüllt ist. Das Geschütt kann beispielsweise als Pellets oder als Granulen vorliegen; denkbar ist auch eine Beschickung mit Trockeneisschnee. Jedenfalls muss das Trockeneis 29 in einer Form vorliegen, die es erlaubt, es durch Druck zu einem einzigen kompakten Körper zu verbacken. An der Unterseite des Behälters 28 befindet sich ein Schneckengehäuse 30 mit einer darin gelagerten Schnecke 31. Die Schnecke 31 kann, obschon dies in der Figur nicht näher dargestellt ist, ein Stück in den Behälter 28 hineinragen. Die Schnecke 31 wird über nicht näher dargestellte Antriebsmittel angetrieben (Drehrichtung 32) und fördert und verdichtet hierdurch das Trockeneis 29 in Förderrichtung 33 der Schnecke 31 gegen eine Matrize 34, die sich am unteren Ende des Schneckengehäuses 30 befindet. Durch die Matrize 34 hindurch wird das Trockeneis in die Form eines Strangs oder Extrudats 35 gebracht, das unter der Wirkung des nachrückenden Trockeneises in Austreibrichtung 36 gedrückt wird. Zur Erhaltung der Stabilität des Extrudats 35 ist eine Führung 37 vorgesehen, deren Querschnitt im Wesentlichen dem Querschnitt des Extrudats 35 entspricht. Das Extrudat 35 verlässt die Führung 37 an deren unterem Ende und gelangt so auf die Oberfläche der Schweißnaht 8, wo das Trockeneis wie oben erläutert sublimiert und die Schweißnaht 8 kühlt. Die Schnecke 31 kann so geregelt werden, dass das Extrudat unter vorgegebenem Anpressdruck und/oder vorgegebener Geschwindigkeit auf die zu kühlende Stelle gelangt. Eine Kälteisolierung der eisführenden Bauteile kann vorhanden sein, ist in der Figur aber nicht näher dargestellt. Weitere Einzelheiten und Maßnahmen, die zur Erzeugung eines stabilen Extrudats von Trockeneis vorteilhaft sind, sind dem Fachmann bekannt und bedürfen hier keiner weiteren Erläuterung.
Die zweite Kühleinrichtung 27 befindet sich dort, wo die zu verbindenden Werkstücke 2 und 3 noch nicht verbunden sind, d. h., vor der Wärmezuführungsstelle. Wie in der Figur dargestellt, sind die gegenüberliegenden Kanten 38, 39 der Halbzeuge 2, 3 in an sich bekannter Weise abgeschrägt, um einen Keilspalt 40 zu bilden. Eine Schütte 41 nimmt eine bestimmte Menge Trockeneis 11 in der Form von Pellets oder dergleichen auf und gibt dieses an seiner Unterseite auf die Oberfläche der Halbzeuge 2, 3 und/oder in den Keilspalt 40 ab. Dort sublimiert das Trockeneis 11 durch die von der herannahenden Schweißeinrichtung 4 abgegebenen Wärme in den Werkstücken 2, 3 und bewirkt so eine Vorkühlung derselben. In der Figur ist auch beispielhaft eine Förderungs- und Zuführungseinrichtung für das Trockeneis 11 dargestellt, die aus einem Schlauchförderer 42 mit einer Mündung 43 besteht. Die Mündung 43 kann verschließbar sein, um vorbestimmte Chargen an Trockeneis abzugeben. Innerhalb des Schlauchförderers 42 wird das Trockeneis 11 in Förderrichtung 44 bewegt. Eine Kälteisolierung der eisführenden Bauteile kann vorhanden sein, ist in der Figur aber nicht näher dargestellt.
Mit der vorliegenden Ausführungsform ist es möglich, sowohl die Schweißnaht 8 selbst als auch ihren Einzugsbereich vor der Wärmezuführungsstelle wirksam zu kühlen. Sowohl die erste Kühleinrichtung 26 als auch die zweite Kühleinrichtung 27 bewegen sich vorzugsweise in vorbestimmten, konstanten Abständen hinter bzw. vor der Schweißeinrichtung 4. Die Abstände können einstellbar sein und müssen nicht gleich sein.
Es versteht sich, dass die vorstehende Beschreibung in vielen Belangen beispielhaft ist und die Erfindung in keiner Weise einschränkt, sondern nur zur Erläuterung ihres Funktionsprinzips dient. Es sind viele Abwandlungen und Erweiterungen denkbar, die alle von dem Erfindungsgedanken umfasst sind.
So wurde in den vorstehenden Ausführungsformen eine Schweißvorrichtung, insbesondere zum Schutzgas-Lichtbogenschweißen, als Beispiel einer Vorrichtung zum thermischen Verbinden metallischer Werkstoffe beschrieben. Die Erfindung ist jedoch gleichermaßen auf andere Schweißverfahren, wie etwa Laserschweißen, Strahlschweißen, sowie auf Lötverfahren anwendbar. D. h., die Schweißeinrichtung kann auch eine Lötvorrichtung sein. Insbesondere kann eine Wärmezufuhreinrichtung im Sinne der Erfindung sowohl als Schweißeinrichtung beliebiger Art als auch als Löteinrichtung beliebiger Art ausgebildet sein, wobei die Wärmezufuhreinrichtung gegebe nenfalls Mittel zum Zuführen eines Lots und/oder eines Flussmittels sowie, wie im Fall der Schweißeinrichtung 4, optional eine Einrichtung zum Erzeugen einer Schutzgasatmosphäre umfasst.
Alle hier beschriebenen Kühlvorrichtungen können auch in Trennvorrichtungen eingesetzt werden, bei welchen mittels eines Brenners oder Lasers oder dergleichen eine im Allgemeinen durchgehende Fuge in einen metallischen Körper eingebracht wird. Es ist jedoch darauf zu achten, dass, wenn das Trockeneis in stückiger Form lose auf dem Werkstück abgelegt wird, die Stücke groß genug sind, um nicht ungenutzt durch die Fuge zu fallen. Alternativ kann bei Verwendung eines Trockeneis-Extrudats, dessen Querschnittsbreite der Breite der Fuge angepasst ist, das Extrudat mit derart voreingestellter Geschwindigkeit durch die Fuge hindurch geführt werden, dass die Flanken der Fuge optimal gekühlt werden.
Die Erfindung ist sowohl auf automatische wie auf manuelle Verfahren anwendbar. So kann ein Roboter mit einer Werkzeugaufnahme vorgesehen sein, der sowohl die Schweiß-, Löt- oder Schneideinrichtung (Wärmezufuhreinrichtung) als auch die Kühleinrichtung(-en) trägt und in gleichbleibendem Abstand verfährt. Alternativ kann eine Kühleinrichtung manuell auf der Schweiß- oder Lötnaht oder Trennfuge einer Handschweiß- oder Handlöt- oder Handschneideinrichtung nachgeführt werden und/oder vor der entsprechenden Wärmezuführungsstelle her geführt werden. Hierzu können mehrere Bedien- oder Hilfspersonen erforderlich sein. Eine solche manuelle Bedienung kann vorteilhaft sein, wo die räumlichen oder sonstigen Einsatzbedingungen die Verwendung eines Automaten erschweren oder nicht als wirtschaftlich erscheinen lassen. Die Kühlvorrichtung 13 eignet sich besonders für Handbetrieb.
In allen Fällen kann eine Einrichtung vorgesehen sein, die dafür sorgt, dass das Trockeneis mit vorbestimmter, insbesondere konstanter Geschwindigkeit bzw. Rate oder vorbestimmtem, insbesondere konstantem Druck nachgeführt wird. Eine solche Einrichtung kann z. B. als Mikrocomputer oder -prozessor im Zusammenwirken mit Sensoren zur Ermittlung von Prozessparametern und Stellern zum Einstellen von Vorgabeparametern implementiert sein, deren Funktionsprinzipien bekannt sind und hier nicht weiter erläutert werden.
Es versteht sich, dass einzelne Elemente, die in den verschiedenen Ausführungsformen beschrieben wurden, unter diesen ausgetauscht werden können. So kann etwa jede der in den 1, 2 und 4 beschriebenen Kühlvorrichtungen selbst als Aufbringungseinrichtung im Sinne der Erfindung verstanden werden und erst zusammen mit einer Walze ähnlich der in 3 beschriebenen Walze 22 eine Kühleinrichtung zur mittelbaren Kühlung der Schweißnaht oder der Vorkühlung des Werkstücks bilden. Die Walze 22 kann der Form der Naht 8 oder der Nut 40 oder einer Trennfuge und ihrer Umgebung angepasst sein. Wenn die Walze 22 in Kombination mit dem Magazin 40 der zweiten Ausführungsform oder der ersten Kühleinrichtung 26 der vierten Ausführungsform verwendet wird, sind in besonders bevorzugter Weise Schweißungen überkopf möglich.
Ferner kann jede der vorstehend beschriebenen Kühlvorrichtungen als eine der ersten und zweiten Kühlvorrichtung im Sinne der vierten Ausführungsform, also zur Kühlung entweder der Naht oder Fuge oder zur Kühlung des Bereichs vor der Stelle des Wärmeeintrags verwendet werden.
Erfindungsgemäß ist eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Verbinden oder Trennen von metallischen Werkstücken vorgesehen, wobei die Naht bzw. wenigstens die Flanken oder der Umgebungsbereich der Trennfuge oder/und ein Bereich unmittelbar vor der Wärmezuführungsstelle mittels kompakten Trockeneises gekühlt wird. Allen Ausführungsformen ist gemeinsam, dass das Trockeneis mit geringer bis verschwindender Eigengeschwindigkeit auf die zu kühlende Stelle aufgebracht wird, also nicht in einem Partikel-, Flüssigkeits-, Dampf- oder Gasstrom, sondern als kompakte(-r) Körper.

1: Schweißvorrichtung (1. Ausführungsform)
2, 3: Werkstück (Halbzeuge)
4: Schweißeinrichtung
5: Vorschubrichtung
6: Lichtbogen
7: Schutzgasstrom
8: Schweißnaht
9: Kühleinrichtung (1. Ausführungsform)
10: Zuführung
11: Trockeneis (Schüttgut)
12: Zuführungsrichtung
13: Kühleinrichtung (2. Ausführungsform)
14: Magazin (Hülle)
15: Isolierung
16: Trockeneis (Stangen oder Barren)
17: Stempel
18: Austreibrichtung
19: Schweißvorrichtung (3. Ausführungsform)
20: Kühleinrichtung (3. Ausführungsform)
21: Schütte
22: Walze
23: Andrückrichtung
24: Drehrichtung
25: Schweißvorrichtung (4. Ausführungsform)
26: Erste Kühleinrichtung
27: Zweite Kühleinrichtung
28: Vorratsbehälter
29: Trockeneis als lose Schüttung
30: Schneckengehäuse
31: Schnecke
32: Drehrichtung der Schnecke
33: Vorschubrichtung der Schnecke
34: Matrize
35: Trockeneis (Extrudat)
36: Vorschubrichtung (Extrudat)
37: Führung
38, 39: abgeschrägte Kanten
40: Keilspalt
41: Schütte
42: Schlauchförderer
43: Mündung
44: Förderrichtung (Schüttgut)

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

- WO 2007/080372 A1 [0009]
- EP 1356890 A1 [0010]
- EP 07022615 [0011]

Claims

Vorrichtung zum thermischen Verbinden von metallischen Werkstücken, mit einer Wärmezufuhreinrichtung (4) zum Erzeugen einer Naht (8) aus erstarrtem Schmelzgut auf Werkstücken (2, 3) und einer Kühleinrichtung (9; 13; 20; 26; 27) zum Kühlen einer Stelle auf der Naht (8) oder/und eines Bereichs (40) unmittelbar vor der Wärmezuführungsstelle mittels kompakten Trockeneises (11; 16; 35).
Vorrichtung zum thermischen Trennen von metallischen Werkstücken, mit einer Wärmezufuhreinrichtung zum Erzeugen einer Fuge in Werkstücken und einer Kühleinrichtung zum Kühlen wenigstens der Flanken oder des Umgebungsbereichs der Fuge oder/und eines Bereichs unmittelbar vor der Wärmezuführungsstelle mittels kompakten Trockeneises.
Vorrichtung gemäß Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühleinrichtung (9; 27) eine Fördereinrichtung (10; 42) zum Fördern des Trockeneises (11) in Form von Schüttgut, insbesondere Pellets, Nuggets oder dergleichen, oder von Einzelstücken, insbesondere Riegeln, Blöcken, Barren Tafeln, Platten oder dergleichen, aufweist.
Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühleinrichtung einen Behälter (21; 41) zum Aufnehmen des Trockeneises in Form von Schüttgut, insbesondere Pellets, Nuggets oder dergleichen, aufweist.
Vorrichtung gemäß Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühleinrichtung ein Magazin (14) zum Aufnehmen des Trockeneises (16) in einer vorbestimmten maximalen Anzahl oder eines vorbestimmten maximalen Volumens von Körpern (16), insbesondere Stangen, Pellets, Nuggets, Riegeln, Blöcken, Barren, Tafeln, Platten oder dergleichen, und einen Austreiber (17) aufweist, der die Trockeneiskörper (16) unter Reduzierung des Volumens des Magazins (14) in Richtung (18) einer Austrittsöffnung des Magazins drückt.
Vorrichtung gemäß Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Länge der Trockeneiskörper (16) größer als deren maximale Abmessung in Querschnittsrichtung ist und die Querschnittsform des Magazins (14) im Wesentlichen der Querschnittsform der Trockeneiskörper (16) entspricht.
Vorrichtung gemäß Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Magazin (14) eine Einrichtung zum Nachbefüllen bei laufendem Betrieb aufweist.
Vorrichtung gemäß Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühleinrichtung (26) eine Einrichtung (28, 30, 31, 34, 37) zum Erzeugen eines Extrusionskörpers (35) aus einer Trockeneismasse aufweist.
Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühleinrichtung zum direkten Aufbringen des Trockeneises auf die zu kühlende Stelle eingerichtet ist.
Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühleinrichtung (20) einen Kontaktkörper (22), der die zu kühlende Stelle berührt, und eine Auftragseinrichtung (21) zum Aufbringen des Trockeneises (11) auf den Kontaktkörper (22) aufweist.
Vorrichtung gemäß Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Kontaktkörper ein Wälzkörper (22) ist, der auf der zu kühlenden Stelle abwälzt.
Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühleinrichtung eine Nachführeinrichtung zum Nachführen des Trockeneises mit voreingestellter Rate aufweist.
Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühleinrichtung eine Nachführeinrichtung zum Nachführen des Trockeneises unter einem voreingestellten Druck aufweist.
Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung einen Roboter umfasst.
Vorrichtung gemäß Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass am Roboter ein Wechselsystem ausgebildet ist, um wenigstens ein Werkzeug aufzunehmen.
Vorrichtung gemäß Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass das wenigstens eine Werkzeug die Wärmezuführungseinrichtung (4) umfasst.
Vorrichtung gemäß Anspruch 15 oder 16, dadurch gekennzeichnet, dass das wenigstens eine Werkzeug wenigstens einen Teil der Kühleinrichtung (9; 13; 20; 26; 27) umfasst.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder einem der Ansprüche 3 bis 17, soweit auf Anspruch 1 zurückbezogen, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmezuführungseinrichtung (4) als Einrichtung zum Schweißen, insbesondere Gasschmelzschweißen, Lichtbogenschweißen oder Laserstrahlschweißen, vorzugsweise unter Schutzgas, ausgebildet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder einem der Ansprüche 3 bis 17, soweit auf Anspruch 1 zurückbezogen, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmezuführungseinrichtung (4) als Einrichtung zum Löten, insbesondere Hartlöten oder Hochtemperaturlöten, mit oder ohne Zufuhr von Schutzgas, ausgebildet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 2 oder einem der Ansprüche 3 bis 17, soweit auf Anspruch 2 zurückbezogen, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmezuführungseinrichtung (4) als Einrichtung zum thermischen Schneiden, insbesondere autogenen Brennschneiden, Plasmaschneiden, Laserstrahlbrennschneiden, Laserstrahlschmelzschneiden oder Laserstrahlsublimierschneiden, oder zum thermischen Bohren, insbesondere autogenen Brennbohren, Plasmabohren, Laserstrahlbrennbohren, Laserstrahlschmelzbohren oder Laserstrahlsublimierbohren ausgebildet ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühleinrichtung (9; 13; 20; 26; 27) der Wärmezuführungseinrichtung (4) in einem vorbestimmten Abstand folgt oder/und vorläuft.
Verfahren zum thermischen Verbinden von metallischen Werkstücken, wobei mittels Wärmezufuhr eine Naht (8) aus erstarrtem Schmelzgut auf einem Werkstück (2, 3) erzeugt wird, und die Naht (8) oder/und ein Bereich (40) unmittelbar vor der Wärmezuführungsstelle mittels kompakten Trockeneises (11; 16; 35) gekühlt wird.
Verfahren zum thermischen Trennen von metallischen Werkstücken, wobei mittels Wärmezufuhr eine Fuge in einem Werkstück erzeugt wird und wenigstens die Flanken oder der Umgebungsbereich der Fuge oder/und ein Bereich unmittelbar vor der Wärmezuführungsstelle mittels kompakten Trockeneises gekühlt wird.
Verfahren gemäß Anspruch 22 oder 23, dadurch gekennzeichnet, das Trockeneis (11) in Form von Schüttgut, insbesondere Pellets, Nuggets oder dergleichen, oder von Einzelstücken, insbesondere Riegeln, Blöcken, Barren, Tafeln, Platten oder dergleichen, verwendet wird.
Verfahren gemäß Anspruch 22 oder 23, dadurch gekennzeichnet, dass das Trockeneis in Form von Körpern (16), insbesondere Stangen, Pellets, Nuggets, Riegeln, Blöcken, Barren, Tafeln, Platten oder dergleichen, verwendet wird, das in einer vorbestimmten maximalen Anzahl oder einem vorbestimmten maximalen Volumen in einem Magazin (14) gespeichert wird und unter Reduzierung des Volumens des Magazins (14) in Richtung (18) einer Austrittsöffnung des Magazins ausgetrieben wird.
Verfahren gemäß Anspruch 22 oder 23, dadurch gekennzeichnet, das Trockeneis ein aus einer Trockeneismasse (29) erzeugter Extrusionskörper (35) ist.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 22 bis 26, dadurch gekennzeichnet, das Trockeneis direkt auf die zu kühlende Stelle aufgebracht wird.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 22 bis 28, dadurch gekennzeichnet, dass das Trockeneis auf einen Kontaktkörper (22) aufgebracht wird, der die zu kühlende Stelle berührt.
Verfahren gemäß Anspruch 28, dadurch gekennzeichnet, dass der Kontaktkörper (22) auf der zu kühlenden Stelle abwälzt.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 22 bis 29, dadurch gekennzeichnet, dass das Trockeneis mit voreingestellter Rate kontinuierlich nachgeführt wird.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 22 bis 29, dadurch gekennzeichnet, dass das Trockeneis unter einem voreingestellten Druck nachgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 22 oder einem der Ansprüche 24 bis 31, soweit auf Anspruch 22 rückbezogen, dadurch gekennzeichnet, dass die Naht durch Schweißen, insbesondere Gasschmelzschweißen, Lichtbogenschweißen oder Laserstrahlschweißen, vorzugsweise unter Schutzgas, erzeugt wird.
Verfahren nach Anspruch 22 oder einem der Ansprüche 24 bis 31, soweit auf Anspruch 23 rückbezogen, dadurch gekennzeichnet, dass die Naht durch Löten, insbesondere Hartlöten oder Hochtemperaturlöten, vorzugsweise unter Schutzgas, erzeugt wird.
Verfahren nach Anspruch 23 oder einem der Ansprüche 24 bis 31, soweit auf Anspruch 23 rückbezogen, dadurch gekennzeichnet, dass die Fuge durch thermisches Schneiden, insbesondere autogenes Brennschneiden, Plasmaschneiden, Laserstrahlbrennschneiden, Laserstrahlschmelzschneiden oder Laserstrahlsublimierschneiden, oder zum thermischen Bohren, insbesondere autogenes Brennbohren, Plasmabohren, Laserstrahlbrennbohren, Laserstrahlschmelzbohren oder Laserstrahlsublimierbohren erzeugt wird.