DE102010018354A1 - Influencing weld pool in a weld seam, comprises stimulating a quickly changeable magnetic field, whose field lines are directed transversely to a direction of the weld seam - Google Patents

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Abstract

The method for influencing weld pool in a weld seam (10), comprises stimulating a quickly changeable magnetic field (B), whose field lines are directed transversely to a direction of the weld seam. The frequency of the magnetic field is 5-30 kHz. The field strength and/or the frequency of the magnetic field is changed. The magnetic field is excited in a section of the weld seam in which a seam material is present in a molten-liquid. The magnetic field is carried by a process of welding along a weld seam course. A horizontal seam position of the magnetic field is excited below the weld seam. The method for influencing weld pool in a weld seam (10), comprises stimulating a quickly changeable magnetic field (B), whose field lines are directed transversely to a direction of the weld seam. The frequency of the magnetic field is 5-30 kHz. The field strength and/or the frequency of the magnetic field is changed. The magnetic field is excited in a section of the weld seam in which a seam material is present in a molten-liquid. The magnetic field is carried by a process of welding along a weld seam course. A horizontal seam position of the magnetic field is excited below the weld seam. The field strength and/or the frequency of the magnetic field is regulated according to an electrical conductivity of an air gap (S) between liquid seam materials in a root area of the weld seam. The strength of the welding current produced by a welding arc, the intensity of the laser or the intensity of the electron beam is regulated according to the electrical conductivity of the air gap between the liquid seam material in the root area of the weld seam and the magnetic field produced by a coil (4) during an application arc, laser- or electron beam welding. An independent claim is included for an arrangement for influencing weld pool in a weld seam.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Beeinflussung des Schweißbades in einer Schweißnaht und eine Anordnung zur Durchführung des Verfahrens. Ein bevorzugtes Anwendungsgebiet der Erfindung ist die Schweißbadsicherung zur Abstützung des schmelzflüssigen Nahtwerkstoffes im Wurzelbereich einer Schweißnaht bei Schweißverfahren, bei denen ein Werkstoff durch eine Wärmequelle, wie eine Flamme, einen Lichtbogen, einen Laser oder einen Elektronenstrahl, aufgeschmolzen wird. Ein besonders bevorzugtes Anwendungsgebiet der Erfindung ist die Schweißbadsicherung beim Lichtbogenschweißen mit im Wesentlichen waagerechtem Verlauf der Schweißnaht.The invention relates to a method for influencing the weld pool in a weld and to an arrangement for carrying out the method. A preferred field of application of the invention is the weld pool fuse for supporting the molten seam material in the root area of a weld in welding processes, in which a material is melted by a heat source, such as a flame, an arc, a laser or an electron beam. A particularly preferred field of application of the invention is the weld pool fuse during arc welding with a substantially horizontal course of the weld.

Es ist bekannt, zur Sicherung von Schweißnähten, besonders bei waagerechtem Verlauf der Schweißnaht, aus Metall oder Keramik bestehende, meist schienenförmige Schweißbadsicherungsbänder oder -stäbe oder Schweißbadsicherungen bestehend aus Pulverkissen einzusetzen. Diese werden unterhalb der zu verschweißenden Werkstückteile, den Spalt zwischen den Werkstückteilen überdeckend angeordnet und verhindern das Austreten oder unerwünschte Ausformen des flüssigen Schweißbades im Bereich der sich ausbildenden Schweißnaht aus dem Schweißspalt infolge der Wirkung der Schwerkraft. Das schmelzflüssige Nahtmaterial liegt auf der Schweißbadsicherung auf, kühlt ab und erstarrt. Oft bestehen diese Schweißbadsicherungsbänder oder -stäbe aus Keramikmaterial oder einem gut wärmeleitfähigem Metall wie Kupfer. Beschrieben werden derartige Lösungen beispielsweise in der DE 19808530 C1 oder in einer besonderen Ausgestaltung für das Verschweißen von Rohren oder gebogenen Stahlblechen in der DE 401 19484 C2 . Den bekannten Schweißbadsicherungen haften jedoch eine Reihe von Nachteilen an. Keramikmaterialien sind mechanisch empfindlich und können daher insbesondere beim Kontakt mit dem schmelzflüssigen Nahtwerkstoff bzw. während der anschließenden Abkühlphase leicht mechanisch beschädigt werden. Zudem kann es beim Lichtbogenschweißen zur Unterbrechung des Schweißlichtbogens bei dessen Kontakt mit dem Keramikmaterial, beispielsweise infolge von Toleranzen in der Breite des Schweißspaltes im Wurzelbereich, kommen. Die Folge sind Fehlstellen in der Wurzellage der Schweißnaht.It is known to use for securing welds, especially in horizontal course of the weld, made of metal or ceramic, usually rail-shaped Schweißbadsicherungsbänder or rods or Schweißbadsicherungen consisting of powder pads. These are arranged below the workpiece parts to be welded, the gap between the workpiece parts overlapping and prevent the escape or undesirable molding of the liquid weld pool in the region of the forming weld from the weld gap due to the effect of gravity. The molten suture rests on the weld pool, cools and solidifies. Often these Schweißbadsicherungsbänder or rods made of ceramic material or a good heat conductive metal such as copper. Such solutions are described for example in the DE 19808530 C1 or in a particular embodiment for the welding of pipes or bent steel sheets in the DE 401 19484 C2 , The known weld pool but adhere to a number of disadvantages. Ceramic materials are mechanically sensitive and can therefore easily be mechanically damaged, especially during contact with the molten metal material or during the subsequent cooling phase. In addition, in arc welding, interruption of the welding arc may occur upon its contact with the ceramic material, for example due to tolerances in the width of the welding gap in the root area. The result is defects in the root pass of the weld.

Bei Schweißbadsicherungsbändern oder -schienen aus einem metallischen Werkstoff, wie beispielsweise Kupfer, besteht die Gefahr des Eintrages von Kupferpartikeln in die sich bildende Schweißnaht und damit der Ausbildung eines ungünstigen Gefüges im Wurzelbereich der Schweißnaht. Rissbildungen während des Abkühlprozesses können die Folge sein.When Schweißbadsicherungsbändern or rails of a metallic material, such as copper, there is a risk of entry of copper particles in the forming weld and thus the formation of an unfavorable microstructure in the root area of the weld. Cracks during the cooling process can be the result.

Außerdem sind diese Schweißbadsicherungsbänder oder -schienen nur mit hohem Aufwand an unterschiedliche Nahtverläufe anpassbar und besitzen bedingt durch die enorme thermische Belastung beim Kontakt mit dem schmelzflüssigen Nahtwerkstoff nur eine begrenzte Lebensdauer.In addition, these Schweißbadsicherungsbänder or rails are adaptable only with great effort to different seam courses and have due to the enormous thermal load on contact with the molten metal material only a limited life.

Es ist darüber hinaus aus der EP 0 832 710 B1 ( DE 697 21 421 T2 ) bekannt, auf die Ausbildung der Schweißnaht bei Überkopfschweißverfahren mittels Magnetkräften Einfluss zu nehmen. Dazu wird über in das Schweißbad eintauchende Hilfselektroden entlang der Richtung der Schweißlinie im Schweißbad ein unidirektionaler Stromfluss erzeugt, auf den durch einen oberhalb der Schweißnaht angeordneten Permanent- oder Elektromagneten eine Anziehungskraft ausgeübt wird, die ein Durchsacken des schmelzflüssigen Nahtwerkstoffes infolge der Wirkung der Schwerkraft verhindert und so die Ausbildung einer schweißspaltfüllenden Schweißnaht ermöglicht. Diese Lösung ist infolge der sich verbrauchenden Hilfselektroden sehr aufwendig und in der vorstehend beschriebenen Form nicht zur Sicherung des Schweißbades im Wurzelbereich einer überwiegend waagerecht verlaufenden Schweißnaht anwendbar.It is beyond that EP 0 832 710 B1 ( DE 697 21 421 T2 ) known to influence the formation of the weld in overhead welding by means of magnetic forces. For this purpose, via the auxiliary electrodes immersed in the welding bath, a unidirectional current flow is generated along the direction of the welding line in the weld pool, to which an attraction force is exerted by a permanent magnet or electromagnet arranged above the weld, which prevents sagging of the molten metal due to the effect of gravity and so the formation of a weld gap filling weld allows. This solution is due to the consuming auxiliary electrodes very expensive and not applicable in the form described above to secure the weld pool in the root area of a predominantly horizontal weld.

Aus der DE 19732008 C2 ist ein Verfahren zum Bearbeiten eines Werkstückes mit einem Laserstrahl bekannt, bei dem über mit dem Werkstück galvanisch verbundene Kontaktmittel entlang der Richtung der Schweißlinie in das durch den Laserstrahl aufgeschmolzene Schweißbad ein elektrischer Gleichstrom eingeleitet wird, der in Wechselwirkung mit einem quer zur Richtung der Schweißlinie durch die Schweißnaht erzeugten Magnetfeld eine Volumenkraftwirkung auf das durch den Laserstrahl aufgeschmolzene Material bewirkt, die zu einer Stabilisierung der Schmelze in der Schweißnaht führt. Dieses Verfahren ist jedoch ebenfalls nicht zur Sicherung des Schweißbades im Wurzelbereich einer überwiegend waagerecht verlaufenden Schweißnaht bei nach unten offenem Schweißspalt geeignet, weil im Bereich der sich bildenden Schmelze deren Kontaktierung mit einem Kontaktmittel zur Einleitung des Gleichstromes kaum möglich ist. Hinzu kommt der hohe Verschleiß an den Kontaktelementen bei der Kontaktierung des schmelzflüssigen Schweißnahtmaterials sowie des stark erhitzten Werkstückes.From the DE 19732008 C2 a method for machining a workpiece with a laser beam is known, in which a direct electrical current is introduced via contact means galvanically connected to the workpiece along the direction of the weld line into the weld pool melted by the laser beam, which interacts with a direction transverse to the direction of the weld line The magnetic field generated by the weld causes a volume force effect on the material melted by the laser beam, which leads to a stabilization of the melt in the weld seam. However, this method is likewise not suitable for securing the weld pool in the root area of a predominantly horizontal weld seam with the welding gap open at the bottom, because contacting with a contact means for introducing the direct current is scarcely possible in the region of the forming melt. In addition, there is the high wear on the contact elements in the contacting of the molten weld material and the highly heated workpiece.

Die Erfindung hat das Ziel, ein Verfahren zur Beeinflussung des Schweißbades in einer Schweißnaht, bevorzugt zur Schweißbadsicherung, d. h. zur Abstützung des schmelzflüssigen Nahtmaterials im Wurzelbereich einer Schweißnaht bei im Wesentlichen waagerechtem Verlauf der Schweißnaht, zu schaffen. Die Erfindung hat darüber hinaus das Ziel, eine Anordnung zur Durchführung des Verfahrens zu schaffen. Das erfindungsgemäße Verfahren und die erfindungsgemäße Anordnung sollen vielseitig anwendbar sein und eine hohe Lebensdauer besitzen. Dazu besteht die Aufgabe, ein Verfahren und eine Anordnung zu entwickeln, die eine Kraftwirkung auf das schmelzflüssige Nahtmaterial in der Schweißnaht ermöglichen, ohne das Material galvanisch zu kontaktieren.The object of the invention is to provide a method for influencing the weld pool in a weld seam, preferably for weld pool protection, ie for supporting the molten seam material in the root area of a weld seam with an essentially horizontal course of the weld seam. The invention also aims to provide an arrangement for carrying out the method. The inventive method and the inventive arrangement should be versatile be applicable and have a long life. The object of this is to develop a method and an arrangement which allow a force to act on the molten suture material in the weld without galvanically contacting the material.

Diese Aufgabe wird mit einem Verfahren gemäß dem 1. Patentanspruch gelöst. Die Ansprüche 2 bis 8 beschreiben vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens. Die Aufgabe wird weiterhin mit einer Anordnung, die die Merkmale des 9. Patentanspruchs aufweist, gelöst. Die Ansprüche 10 bis 14 beschreiben vorteilhafte Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Anordnung.This object is achieved by a method according to the first claim. Claims 2 to 8 describe advantageous embodiments of the method according to the invention. The object is further achieved with an arrangement having the features of the 9th claim. The claims 10 to 14 describe advantageous developments of the inventive arrangement.

Das Wesen der Erfindung besteht in der Anregung eines schnell veränderlichen Magnetfeldes an der Schweißnaht, wobei die Feldlinien quer zur Richtung der Schweißnaht gerichtet sind. Durch dieses schnell veränderliche Magnetfeld wird in der Schweißnaht eine Spannung induziert, die in der Schweißnaht in Richtung der Schweißnaht fließende Wirbelströme antreibt. Diese Wirbelströme sind nach der Lenzschen Regel so gerichtet, dass das mit ihnen verkettete Magnetfeld eine abstoßende Kraftwirkung zum angeregten Magnetfeld zur Folge hat. Die resultierende Lorenzkraft drückt die Wirbelströme und damit das schmelzflüssige Nahtmaterial, in dem sie fließen, weg vom angeregten Magnetfeld.The essence of the invention is the excitation of a rapidly changing magnetic field at the weld, the field lines are directed transversely to the direction of the weld. As a result of this rapidly variable magnetic field, a voltage is induced in the weld seam which drives eddy currents flowing in the weld seam in the direction of the weld seam. According to Lenz's rule, these eddy currents are directed in such a way that the magnetic field interlinked with them results in a repulsive force effect on the excited magnetic field. The resulting Lorenz force pushes the eddy currents and thus the molten suture they flow away from the excited magnetic field.

Bei der bevorzugten Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Schweißbadsicherung wird das schnell veränderliche Magnetfeld unterhalb der Schweißnaht angeregt. Die, wie vorstehend beschrieben, erzeugten Lorenzkräfte innerhalb des schmelzflüssigen Nahtmaterials wirken dann der Schwerkraft entgegen und verhindert das Austreten des schmelzflüssigen Nahtmaterials aus dem Schweißspalt. Die erzeugten Kräfte auf das schmelzflüssige Nahtmaterial dienen darüber hinaus der Formung der Schweißnaht insbesondere im Wurzelbereich.In the preferred application of the method according to the invention for welding pool protection, the rapidly changing magnetic field is excited below the weld seam. The Lorence forces generated within the molten suture, as described above, then counteract gravity and prevent leakage of the molten suture from the weld gap. The forces generated on the molten suture also serve to shape the weld, especially in the root area.

Die Stärke der erzeugten Kräfte ist neben den Materialkennwerten sowie der räumlichen Ausbildung von Magnetfeld und Schweißnaht abhängig von der Feldstärke des angeregten Magnetfeldes und dessen Frequenz. Beide Größen sollten veränderbar sein, um mit dem Verfahren unterschiedlichen Gegebenheiten in Bezug auf die Form und Größe der Schweißnaht Rechnung tragen zu können oder auch eine Regelung des Prozesses zur Beeinflussung des Schweißbades in einer Schweißnaht, beispielsweise zur Schweißbadsicherung, realisieren zu können.The strength of the generated forces is in addition to the material characteristics and the spatial formation of magnetic field and weld depending on the field strength of the excited magnetic field and its frequency. Both sizes should be changeable in order to be able to use the method to take account of different conditions with regard to the shape and size of the weld or to be able to realize a regulation of the process for influencing the weld pool in a weld seam, for example for weld pool protection.

Um für die Praxis ausreichend große Wirbelströme, verbunden mit ausreichend hohen Kraftwirkungen, erzeugen zu können, sollte die Frequenz des Magnetfeldes zwischen 3 kHz und 100 kHz, bevorzugt zwischen 5 kHz und 30 kHz, betragen. Da die Menge und Beschaffenheit sowie die räumliche Verteilung des schmelzflüssigen Nahtmaterials im Schweißspalt und insbesondere auch im Wurzelbereich der sich ausbildenden Schweißnaht nicht exakt konstant und homogen ist, kann es notwendig sein, die Stärke der vom schnell veränderlichen Magnetfeld im schmelzflüssigen Nahtmaterial bewirkten Kräfte während des Schweißprozesses zu verändern und den Erfordernissen für die Ausbildung einer gleichmäßig geformten Schweißnaht im Wurzelbereich anzupassen. Dazu sind die Feldstärke und/oder die Frequenz des schnell veränderlichen Magnetfeldes während des Schweißprozesses zu regeln.In order to be able to generate sufficiently large eddy currents for the practice, combined with sufficiently high force effects, the frequency of the magnetic field should be between 3 kHz and 100 kHz, preferably between 5 kHz and 30 kHz. Since the amount and nature as well as the spatial distribution of the molten suture material in the weld gap and in particular in the root area of the forming weld is not exactly constant and homogeneous, it may be necessary to determine the strength of the quickly changing magnetic field in the molten suture forces during the welding process to adapt and adapt to the requirements for the formation of a uniformly shaped weld in the root area. For this purpose, the field strength and / or the frequency of the rapidly changing magnetic field during the welding process to be regulated.

Es wurde gefunden, dass die elektrische Leitfähigkeit des Luftspaltes zwischen der das schnell veränderliche Magnetfeld erzeugenden Spule und dem flüssigen Nahtmaterial im Wurzelbereich der sich ausbildenden Schweißnaht eine geeignete Größe zur Regelung der Feldstärke und/oder Frequenz des schnell veränderlichen Magnetfeldes ist. Die elektrische Leitfähigkeit des Luftspalts kann einfach und mit hinreichender Genauigkeit anhand einer einfachen Widerstandsmessung bestimmt werden, da der Widerstand der Luft im Luftspalt zwischen der das schnell veränderliche Magnetfeld erzeugenden Spule und den zu verschweißenden Teilen bzw. dem Wurzelbereich der sich ausbildenden Schweißnaht nur sehr lokal begrenzt im Bereich des schmelzflüssigen Nahtmaterials einen real messbaren Wert annimmt. Außerhalb dieses lokal begrenzten Bereiches wirkt die Luft im Luftspalt praktisch als Isolator und besitzt einen elektrischen Widerstand im Bereich einiger Megaohm. Lediglich im Bereich des schmelzflüssigen Nahtmaterials ist die Luft im Luftspalt soweit ionisiert bzw. in einen plasmaähnlichen Zustand versetzt, dass ihre elektrische Leitfähigkeit im Bereich zwischen 7·10–12 A/Vm bis 10·10–3 A/Vm liegt. Eine Veränderung der elektrischen Leitfähigkeit des Luftspaltes bedeutet dann eine Veränderung der Lage und/oder räumlichen Ausbreitung des schmelzflüssigen Nahtmaterials im Wurzelbereich der sich ausbildenden Schweißnaht. Dieser Veränderung der Lage und/oder räumlichen Ausbreitung des schmelzflüssigen Nahtmaterials im Wurzelbereich kann dann durch eine Veränderung der durch das angeregte schnell veränderliche Magnetfeld bewirkten Kräfte im schmelzflüssigen Nahtmaterial begegnet werden. Es kann daher zweckmäßig sein, die vom schnell veränderlichen Magnetfeld bewirkten Kräfte im schmelzflüssigen Nahtmaterial in Abhängigkeit der elektrischen Leitfähigkeit des Luftspaltes zwischen der das schnell veränderliche Magnetfeld erzeugenden Spule und dem flüssigen Nahtmaterial im Wurzelbereich der sich bildenden Schweißnaht zu regeln.It has been found that the electrical conductivity of the air gap between the rapidly changing magnetic field generating coil and the liquid suture in the root region of the forming weld is an appropriate size for controlling the field strength and / or frequency of the rapidly varying magnetic field. The electrical conductivity of the air gap can be determined easily and with sufficient accuracy by means of a simple resistance measurement, since the resistance of the air in the air gap between the rapidly changing magnetic field generating coil and the parts to be welded or the root area of the forming weld only very local limits in the area of the molten suture assumes a real measurable value. Outside of this localized area, the air in the air gap acts practically as an insulator and has an electrical resistance in the range of a few megohms. Only in the region of the molten suture, the air in the air gap is ionized or placed in a plasma-like state that its electrical conductivity in the range between 7 · 10 -12 A / Vm to 10 · 10 -3 A / Vm. A change in the electrical conductivity of the air gap then means a change in the position and / or spatial spread of the molten suture material in the root region of the forming weld. This change in the position and / or spatial spread of the molten suture in the root region can then be counteracted by a change in the forces in the molten suture caused by the excited rapidly changing magnetic field. It may therefore be expedient to regulate the forces caused by the rapidly changing magnetic field in the molten suture as a function of the electrical conductivity of the air gap between the rapidly changing magnetic field generating coil and the liquid suture in the root region of the forming weld.

Ebenso kann es zur Beeinflussung des Schweißbades, insbesondere des flüssigen Nahtmaterials im Wurzelbereich einer sich bildenden Schweißnaht, zweckmäßig sein, die Menge, die Beschaffenheit sowie die räumliche Verteilung des sich bildenden schmelzflüssigen Nahtmaterials durch eine Regelung des Schweißstromes beim Lichtbogenschweißen oder eine Regelung der Intensität eines Lasers oder eines Elektronenstrahles in Abhängigkeit der elektrischen Leitfähigkeit des Luftspaltes zwischen der das schnell veränderliche Magnetfeld erzeugenden Spule und dem flüssigen Nahtmaterial im Wurzelbereich der sich bildenden Schweißnaht zu regeln, um so primär, d. h. von der Menge des sich bildenden schmelzflüssigen Nahtmaterials her, Einfluss auf die sich ausbildende Schweißnaht, insbesondere die Form und Ausdehnung des Wurzelbereiches, zu nehmen.Likewise, it can influence the weld pool, in particular the liquid suture in the root area of a forming Weld, be appropriate, the amount, nature and spatial distribution of the forming molten suture by controlling the welding current during arc welding or controlling the intensity of a laser or electron beam as a function of the electrical conductivity of the air gap between the rapidly changing magnetic field generating To regulate coil and the liquid suture in the root area of the forming weld so as to primarily, ie from the amount of forming molten suture forth, influence on the forming weld, in particular the shape and extent of the root area to take.

Zweckmäßig wird das schnell veränderliche Magnetfeld jeweils nur in dem Abschnitt der Schweißnaht angeregt, in dem das Nahtmaterial gerade schmelzflüssig ist und einer Beeinflussung, z. B. zum Zwecke der Schweißbadsicherung, bedarf. Mit dem Fortgang einer Schweißung sollte dann das schnell veränderliche Magnetfeld mit dem schmelzflüssigen Abschnitt der Schweißnaht mitgeführt werden.Suitably, the rapidly changing magnetic field is excited only in the portion of the weld in which the suture is just molten and an influence, for. B. for the purpose of Schweißbadsicherung required. With the progress of a weld, the rapidly changing magnetic field should then be carried along with the molten portion of the weld.

Ein entsprechendes schnell veränderliches Magnetfeld kann durch eine Spule angeregt werden, die wie in Anspruch 9 beschrieben, an der Schweißnaht angeordnet ist. Die Windungen der Spule verlaufen mindestens in dem Abschnitt, in dem das Magnetfeld angeregt werden soll, parallel zur Schweißnaht. Sie sollten entlang dieses Abschnitts möglichst nahe an der Schweißnaht positioniert sein, da die Feldstärke des von der Spule erzeugten Magnetfeldes und damit die Induktionswirkung in der Schweißnaht mit steigendem Abstand quadratisch zum Abstand abnimmt.A corresponding rapidly changing magnetic field can be excited by a coil, which is arranged on the weld as described in claim 9. The turns of the coil extend parallel to the weld at least in the section in which the magnetic field is to be excited. They should be positioned as close as possible to the weld along this section, since the field strength of the magnetic field generated by the coil and thus the induction effect in the weld decreases with increasing distance square to the distance.

Die Spule ist elektrisch mit einem Generator zur Erzeugung eines elektrischen Wechselstromes verbunden. Der Generator sollte mit Mitteln zur Veränderung der Stromstärke und/oder der Frequenz des Wechselstromes ausgestattet sein.The coil is electrically connected to a generator for generating an alternating electrical current. The generator should be equipped with means for varying the amperage and / or the frequency of the alternating current.

Die Spule kann zwischen 1 bis 20 Windungen aufweisen, wobei die Anzahl der Windungen von den elektrischen Parametern des Generators und der zu realisierenden Frequenz des schnell veränderlichen Magnetfeldes abhängt.The coil may have between 1 to 20 turns, the number of turns depending on the electrical parameters of the generator and the frequency of the rapidly changing magnetic field to be realized.

Die Spule kann ein magnetisches Rückschlussjoch zur Leitung des Magnetflusses aufweisen. Das Rückschlussjoch kann U-förmig ausgeführt sein, wobei es so angeordnet sein sollte, dass seine beiden offenen Schenkel in Richtung der zu verschweißenden Werkstücke, z. B. Blechtafeln, weisen, um das gewünschte Magnetfeld mit quer zur Schweißnaht gerichteten Magnetfeldlinien zu bewirken.The coil may have a magnetic return yoke for conducting the magnetic flux. The return yoke may be U-shaped, wherein it should be arranged so that its two open legs in the direction of the workpieces to be welded, z. B. metal sheets, have to effect the desired magnetic field with transverse to the weld magnetic field lines.

Da sich die Spule, wie vorstehend beschrieben, in unmittelbarer Nähe des schmelzflüssigen Nahtmaterials befindet, kann es zweckmäßig sein, die Spule mit einer Kühleinrichtung zu versehen. Dazu können die Windungen der Spule aus einem Hohlprofilmaterial gefertigt sein und Anschlüsse zur Leitung einer Kühlflüssigkeit durch die Spulenwindungen aufweisen.Since the coil, as described above, in the immediate vicinity of the molten suture, it may be appropriate to provide the coil with a cooling device. For this purpose, the turns of the coil can be made of a hollow profile material and have connections for the conduction of a cooling fluid through the coil turns.

Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht eine zuverlässige und unkomplizierte Beeinflussung des Schweißbades in einer Schweißnaht, insbesondere eine zuverlässige Schweißbadsicherung. Eine erfindungsgemäße Anordnung ist vielseitig anwendbar und zeichnet sich durch eine hohe Lebensdauer aus.The method according to the invention enables a reliable and uncomplicated influencing of the weld pool in a weld seam, in particular a reliable weld pool fuse. An arrangement according to the invention is versatile applicable and is characterized by a long service life.

Die Erfindung soll nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispieles zur Schweißbadsicherung einer waagerecht liegenden Schweißnaht beim elektrischen Lichtbogenschweißen weiter erläutert werden. Die zugehörigen Zeichnungen veranschaulichen inThe invention will be explained below with reference to an embodiment of the weld pool of a horizontally lying weld during electric arc welding on. The accompanying drawings illustrate in

1 die Anordnung einer erfindungsgemäßen Spule an einer Schweißnaht im Querschnitt der Schweißnaht, in 1 the arrangement of a coil according to the invention at a weld in the cross section of the weld, in

2 die Anordnung einer erfindungsgemäßen Spule an einer Schweißnaht in Richtung der Schweißnaht und in 2 the arrangement of a coil according to the invention at a weld in the direction of the weld and in

3 ein Schemata zur Regelung der Schweißbadsicherung. 3 a scheme for controlling the weld pool.

1 zeigt zwei waagerecht angeordnete Blechtafeln 1 und 2, die an ihren Stirnselten miteinander zu verschweißen sind. Der Schweißspalt 3 ist V-förmig ausgeführt. Unterhalb des Schweißspaltes 3 ist eine Spule 4 angeordnet. Die Spule 4 ist als Einwindungsspule ausgeführt. Der elektrische Leiter der Spule 4 ist innen hohl zur Durchleitung eines Kühlmediums. Die Spule ist elektrisch an einen in den 1 und 2 nicht dargestellten Generator 5 angeschlossen. In der Spule 4 befindet sich ein U-förmiges Rückschlussjoch 6, dessen offene Schenkel in Richtung der zu verschweißenden Blechtafeln 1 und 2 weisen. 2 zeigt die gleiche vorstehend beschriebene Anordnung, jedoch in Richtung des Schweißspaltes 3. Auf der Stirnseite der Blechtafel 2 sind drei Abschnitte 7, 8 und 9 dargestellt. Abschnitt 7 zeigt eine ausgebildete Schweißnaht 10 mit erstarrtem Nahtmaterial im Längsschnitt. Abschnitt 8 veranschaulicht den Abschnitt der Schweißnaht 10, in dem gerade geschweißt wird, d. h. in dem das Nahtmaterial noch schmelzflüssig ist, und Abschnitt 9 zeigt die noch unverschweißte Stirnseite der Blechtafel 2. Die Schweißung erfolgt von links nach rechts, d. h. in positiver Richtung der dargestellten z-Achse. Die Spule 4 ist so gestaltet und angeordnet, dass der obere Windungsabschnitt 4.1 der Windung der Spule 4 in einem Abstand von ca. 3 mm parallel zur Schweißnaht 10 verläuft. 1 shows two horizontally arranged metal sheets 1 and 2 , which are to be welded together at their Stirnselten. The welding gap 3 is designed V-shaped. Below the welding gap 3 is a coil 4 arranged. The sink 4 is designed as a winding coil. The electrical conductor of the coil 4 is hollow inside for the passage of a cooling medium. The coil is electrically connected to one in the 1 and 2 not shown generator 5 connected. In the coil 4 there is a U-shaped yoke yoke 6 , whose open legs in the direction of the metal sheets to be welded 1 and 2 point. 2 shows the same arrangement described above, but in the direction of the welding gap 3 , On the front side of the metal sheet 2 are three sections 7 . 8th and 9 shown. section 7 shows a trained weld 10 with solidified suture in longitudinal section. section 8th illustrates the section of the weld 10 in which is being welded, ie in which the suture is still molten, and section 9 shows the still unwelded front side of the metal sheet 2 , The welding takes place from left to right, ie in the positive direction of the illustrated z-axis. The sink 4 is designed and arranged so that the upper winding section 4.1 the winding of the coil 4 in one Distance of about 3 mm parallel to the weld 10 runs.

Die Spule 4 ist so bemessen, dass der obere Windungsabschnitt 4.1 den Abschnitt 8 mit dem flüssigen Nahtmaterial in Richtung der Schweißnaht 10 überdeckt. Jeweils am oberen Windungsabschnitt 4.1 der Spule 4 und der Schweißnaht 10 bzw. den der Spule 4 zugewandten Bereichen der zu verschweißenden Blechtafeln 1 und 2 sind Sensoren 11 zur Bestimmung der elektrischen Leitfähigkeit des Luftspaltes s zwischen dem oberen Windungsabschnitt 4.1 der Spule 4 und der Schweißnaht 10 angeordnet.The sink 4 is sized so that the upper turn section 4.1 the section 8th with the liquid suture in the direction of the weld 10 covered. Each at the upper turn section 4.1 the coil 4 and the weld 10 or the coil 4 facing areas of the metal sheets to be welded 1 and 2 are sensors 11 for determining the electrical conductivity of the air gap s between the upper winding section 4.1 the coil 4 and the weld 10 arranged.

Zur Schweißbadsicherung wird mittels des Generators 5 durch die Spule 4 ein schnell veränderlicher Spulenstrom IS angetrieben. Dieser schnell veränderliche Spulenstrom IS erzeugt ein schnell veränderliches Magnetfeld, das im Rückschlussjoch 6 als magnetische Flussdichte B dargestellt ist. Die Feldlinien des schnell veränderlichen magnetischen Feldes schließen sich über die offenen Schenkel des Rückschlussjoches 6 durch den Schweißspalt 3 bzw. die Schweißnaht 10. Im schmelzflüssigen Nahtmaterial wird eine Spannung induziert, die im Nahtmaterial Wirbelströme IW antreibt. Infolge des Skin-Effektes fließen diese Wirbelströme IW überwiegend im unteren, d. h. der Spule 4 zugewandten Bereich des flüssigen Nahtmaterials, also im Wurzelbereich der entstehenden Schweißnaht 10. Die Wirbelströme IW fließen in Richtung der Schweißnaht 10 parallel zum Windungsabschnitt 4.1 der Spule 4. Ihre Richtung ist im unteren, der Spule 4 zugewandten Bereich des flüssigen Nahtmaterials entgegengesetzt zur Richtung des durch die Spule fließenden Spulenstrom IS (Lenzsche Regel). Die Wirbelströme IW sind ihrerseits mit einem schnell veränderlichen Magnetfeld verkoppelt, dessen Feldlinien denen des durch die Spule 4 angeregten Magnetfeldes entgegengesetzt gerichtet sind. Beide Magnetfelder stoßen sich ab, wodurch auf das die Wirbelströme IW führende Nahtmaterial von der Spule 4 weggerichtete Kräfte FL ausgeübt werden. Die Kräfte FL werden als Lorenzkräfte bezeichnet. Im dargestellten Beispiel der Schweißbadsicherung sind diese Kräfte FL der Schwerkraft entgegengerichtet und verhindern so ein Austreten des schmelzflüssigen Nahtmaterials aus dem Wurzelbereich der sich bildenden Schweißnaht 10.To weld pool is by means of the generator 5 through the coil 4 a fast-changing coil current I S driven. This fast-changing coil current I S generates a rapidly changing magnetic field in the yoke 6 is shown as magnetic flux density B. The field lines of the rapidly changing magnetic field close over the open legs of the yoke 6 through the welding gap 3 or the weld 10 , In the molten suture, a voltage is induced which drives eddy currents I W in the suture. As a result of the skin effect, these eddy currents I W flow mainly in the lower, ie the coil 4 facing region of the liquid suture, ie in the root area of the resulting weld 10 , The eddy currents I W flow in the direction of the weld 10 parallel to the winding section 4.1 the coil 4 , Their direction is in the lower, the coil 4 facing region of the liquid suture opposite to the direction of the current flowing through the coil coil current I S (Lenz's rule). The eddy currents I W are in turn coupled with a rapidly changing magnetic field, the field lines of which by the coil 4 excited magnetic field are oppositely directed. Both magnetic fields repel each other, causing the suture currents I W leading suture from the coil 4 directed forces F L are exercised. The forces F L are called Lorenz forces. In the example of the weld pool protection illustrated, these forces F L are directed counter to the force of gravity and thus prevent leakage of the molten suture material from the root area of the forming weld seam 10 ,

Zur Schweißbadsicherung von zwei zu verschweißenden Stahlblechtafeln 1 und 2 einer Dicke von 16 mm wird die Spule in einem Abstand von 3 mm zur Unterseite der Stahlblechtafeln 1 und 2 angeordnet. Der Wurzelbereich des Schweißspaltes 3 ist 4 mm breit. Durch die dargestellte einwindige Spule 4 wird ein Strom von ca. 3500 A mit einer Frequenz von ca. 25 kHz angetrieben. Die Spule 4 wird entsprechend der Fortschrittsgeschwindigkeit der Schweißung mit gleicher Geschwindigkeit unter dem Schweißspalt 3 bzw. der Schweißnaht 10 verfahren, so dass sie sich jeweils unterhalb des schmelzflüssigen Abschnittes 8 der Schweißnaht 10 befindet.For welding pool protection of two steel sheets to be welded 1 and 2 a thickness of 16 mm, the coil is at a distance of 3 mm to the underside of the steel sheet panels 1 and 2 arranged. The root area of the welding gap 3 is 4 mm wide. Through the illustrated single-coil 4 a current of about 3500 A is driven at a frequency of about 25 kHz. The sink 4 is at the same speed under the welding gap according to the speed of progress of the welding 3 or the weld 10 proceed so that they are each below the molten section 8th the weld 10 located.

3 zeigt ein Schemata zur Regelung der Schweißbadsicherung. Ein Regler 12 ist eingangsseitig mit einem Sollwertrechner 13 zur Erzeugung eines den Abstand zwischen dem Wurzelbereich der sich ausbildenden Schweißnaht 10 und dem parallel dazu liegenden Windungsabschnitt 4.1 der Spule 4 abbildenden Sollwert w sowie einer Einrichtung 14 zur Bestimmung der elektrischen Leitfähigkeit des Luftspaltes s zwischen dem Wurzelbereich der sich ausbildenden Schweißnaht 10 und dem parallel dazu liegenden Windungsabschnitt 4.1 der Spule 4, die ein Maß für den tatsächlichen Abstand zwischen dem Wurzelbereich der sich ausbildenden Schweißnaht 10 und dem Windungsabschnitt 4.1 ist, verbunden. Die Einrichtung 14 wird von den Sensoren 11 und einer Widerstandsmesseinrichtung gebildet. Der Regler 12 generiert eine Stellgrößer für den Generator 5 zur Generierung des Spulenstromes IS. Die Stärke des Spulenstromes IS wird erhöht, wenn sich der tatsächliche Abstand zwischen dem Wurzelbereich der sich ausbildenden Schweißnaht 10 und dem Windungsabschnitt 4.1 verringert, sie wird verringert, wenn sich dieser Abstand erhöht. Letztlich werden damit in Abhängigkeit der Lage der Wurzel der sich ausbildenden Schweißnaht 10 die Stärke des unterhalb des Schweißspaltes 3 bzw. der Schweißnaht 10 angeregten schnell veränderlichen Magnetfeldes und damit die im flüssigen Nahtmaterial erzeugten Lorenzkräfte FL verändert und zwar derart, dass eine gleichmäßige, parallel zum Windungsabschnitt 4.1 der Spule 4 verlaufende Schweißnaht 10 gebildet wird. 3 shows a scheme for controlling the weld pool. A regulator 12 is input side with a setpoint calculator 13 for generating a distance between the root area of the forming weld 10 and the winding section parallel thereto 4.1 the coil 4 imaging setpoint w and a device 14 for determining the electrical conductivity of the air gap s between the root area of the forming weld 10 and the winding section parallel thereto 4.1 the coil 4 , which is a measure of the actual distance between the root area of the forming weld 10 and the winding section 4.1 is connected. The device 14 is from the sensors 11 and a resistance measuring device formed. The regulator 12 generates a manipulator for the generator 5 for generating the coil current I S. The strength of the coil current I S is increased as the actual distance between the root region of the forming weld 10 and the winding section 4.1 decreases, it decreases as this distance increases. Ultimately, depending on the position of the root of the forming weld 10 the strength of the below the welding gap 3 or the weld 10 excited rapidly changing magnetic field and thus the Lorenzkräfte F L generated in the liquid suture changed in such a way that a uniform, parallel to the winding section 4.1 the coil 4 extending weld 10 is formed.

Das Anwendungsgebiet der Erfindung ist nicht auf die im Ausführungsbeispiel näher erläuterte Schweißbadsicherung beim Lichtbogenschweißen mit waagerechter oder überwiegend waagerechter Lage des Schweißspaltes 3 bzw. der Schweißnaht 10 begrenzt. Die Erfindung kann auch bei in einem Winkel zum waagerecht gelegenen Schweißspalt 3 bzw. zur Schweißnaht 10 zur Beeinflussung des Schweißbades oder zur Formung der Schweißnaht 10 bzw. bei anderen Schweißverfahren mit einem den Spalt zwischen den zu verschweißenden Teilen ausfüllenden Schweißbad mit Vorteil angewendet werden.The field of application of the invention is not explained in more detail in the exemplary embodiment welding pool fuse in arc welding with horizontal or predominantly horizontal position of the welding gap 3 or the weld 10 limited. The invention may also be at an angle to the horizontal welding gap 3 or to the weld 10 for influencing the weld pool or for forming the weld 10 or be used with other welding methods with a gap between the parts to be welded filling welding pool with advantage.

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

11
Blechtafelmetal sheet
22
Blechtafelmetal sheet
33
Schweißspaltwelding gap
44
SpuleKitchen sink
4.14.1
parallel zur Schweißnaht liegender Windungsabschnitt der Spule 4 winding section of the coil lying parallel to the weld seam 4
55
Generatorgenerator
66
Rückschlussjochreturn yoke
7 7
Abschnitt der ausgebildeten SchweißnahtSection of trained weld
88th
Abschnitt der Schweißnaht, in dem geschweißt wirdSection of the weld being welded
99
unverschweißte Stirnseite einer Blechtafelunwelded front side of a metal sheet
1010
SchweißnahtWeld
1111
Sensorensensors
1212
Reglerregulator
1313
SollwertrechnerSetpoint calculator
1414
Einrichtung zur Bestimmung der elektrischen LeitfähigkeitDevice for determining the electrical conductivity
BB
Magnetfeld/magnetische FlussdichteMagnetic field / magnetic flux density
FL F L
LorenzkraftLorentz force
IS I S
Spulenstromcoil current
IW I W
Wirbelströmeeddy currents
ss
Luftspalt zwischen dem oberen Windungsabschnitt 4.1 und dem Abschnitt 8 der Schweißnaht 10, in dem geschweißt wirdAir gap between the upper winding section 4.1 and the section 8th the weld 10 in which welding is done
ww
Sollwertsetpoint

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Claims (14)

Verfahren zur Beeinflussung des Schweißbades in einer Schweißnaht, dadurch gekennzeichnet, dass an der Schweißnaht (10) ein schnell veränderliches Magnetfeld (B) angeregt wird, dessen Feldlinien quer zur Richtung der Schweißnaht (10) gerichtet sind.Method for influencing the weld pool in a weld, characterized in that at the weld ( 10 ) a rapidly changing magnetic field (B) is excited whose field lines transverse to the direction of the weld ( 10 ) are directed. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Frequenz des schnell veränderlichen Magnetfeldes (B) zwischen 3 kHz und 100 kHz, bevorzugt zwischen 5 kHz und 30 kHz, beträgt.A method according to claim 1, characterized in that the frequency of the rapidly changing magnetic field (B) between 3 kHz and 100 kHz, preferably between 5 kHz and 30 kHz. Verfahren nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Feldstärke und/oder die Frequenz des schnell veränderlichen Magnetfeldes (B) veränderbar ist.Method according to one of the preceding claims, characterized in that the field strength and / or the frequency of the rapidly changing magnetic field (B) is variable. Verfahren nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das schnell veränderliche Magnetfeld (B) nur in dem Abschnitt (8) der Schweißnaht (10) angeregt wird, in dem der Nahtwerkstoff schmelzflüssig ist.Method according to one of the preceding claims, characterized in that the rapidly changing magnetic field (B) only in the section ( 8th ) of the weld ( 10 ), in which the sewing material is molten. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das schnell veränderliche Magnetfeld (B) mit den Fortgang der Schweißung entlang des Schweißnahtverlaufes mitgeführt wird.A method according to claim 4, characterized in that the rapidly changing magnetic field (B) is carried along with the progress of the weld along the weld seam. Verfahren nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei nahezu waagerechter Nahtlage das schnell veränderliche Magnetfeld (B) unterhalb der Schweißnaht (10) angeregt wird.Method according to one of the preceding claims, characterized in that, when the seam position is nearly horizontal, the rapidly changing magnetic field (B) below the weld seam ( 10 ) is stimulated. Verfahren nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Feldstärke und/oder Frequenz des schnell veränderlichen Magnetfeldes (B) in Abhängigkeit der elektrischen Leitfähigkeit des Luftspaltes (s) zwischen dem flüssigen Nahtmaterial im Wurzelbereich der entstehenden Schweißnaht (10) und der das schnell veränderliche Magnetfeld (B) erzeugenden Spule (4) geregelt wird.Method according to one of the preceding claims, characterized in that the field strength and / or frequency of the rapidly changing magnetic field (B) in dependence of the electrical conductivity of the air gap (s) between the liquid suture in the root region of the resulting weld ( 10 ) and the fast-changing magnetic field (B) generating coil ( 4 ) is regulated. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass beim Anwendungsfall Lichtbogen-, Laser- oder Elektronenstrahlschweißen die Stärke des den Schweißlichtbogen erzeugenden Schweißstromes, die Intensität des Lasers oder die Intensität des Elektronenstrahles in Abhängigkeit der elektrischen Leitfähigkeit des Luftspaltes (s) zwischen dem flüssigen Nahtmaterial im Wurzelbereich der entstehenden Schweißnaht (10) und der das schnell veränderliche Magnetfeld (B) erzeugenden Spule (4) geregelt wird.Method according to one of claims 1 to 6, characterized in that in the application of arc, laser or electron beam welding, the strength of the welding arc generating welding current, the intensity of the laser or the intensity of the electron beam in dependence on the electrical conductivity of the air gap (s) between the liquid suture in the root area of the resulting weld ( 10 ) and the fast-changing magnetic field (B) generating coil ( 4 ) is regulated. Anordnung zur Beeinflussung des Schweißbades in einer Schweißnaht, dadurch gekennzeichnet, dass an der Schweißnaht (10) eine elektrische Spule (4) angeordnet ist, deren elektrische Leiter mindestens in einem Abschnitt (4.1) parallel zur Schweißnaht (10) verlaufen und die elektrisch mit einem Generator (5) zur Erzeugung eines elektrischen Wechselstromes (IS) verbunden ist.Arrangement for influencing the weld pool in a weld, characterized in that at the weld ( 10 ) an electric coil ( 4 ) whose electrical conductors are arranged in at least one section ( 4.1 ) parallel to the weld ( 10 ) and electrically connected to a generator ( 5 ) is connected to generate an alternating electrical current (I S ). Anordnung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Spule (4) nahe der Schweißnaht (10), jedoch zu dieser mit einem Abstand (s) zwischen 0,5 mm bis 6 mm, bevorzugt zwischen 2 mm bis 3 mm, beabstandet, angeordnet ist.Arrangement according to claim 9, characterized in that the coil ( 4 ) near the weld ( 10 ), but at a distance (s) between 0.5 mm to 6 mm, preferably between 2 mm to 3 mm, spaced apart, is arranged. Anordnung nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Spule ein Rückschlussjoch (6) zur Führung des Magnetfeldes (B) aufweist.Arrangement according to claim 9 or 10, characterized in that the coil is a yoke yoke ( 6 ) for guiding the magnetic field (B). Anordnung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Rückschlussjoch (6) U-förmig ausgeführt ist und mit seinen offenen Schenkeln in Richtung der zu verschweißenden Werkstücke (1, 2) weist.Arrangement according to claim 11, characterized in that the yoke ( 6 ) Is U-shaped and with its open legs in the direction of the workpieces to be welded ( 1 . 2 ). Anordnung nach einem der Ansprüche 9 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Spule (4) zwischen 1 und 20 Windungen aufweist.Arrangement according to one of claims 9 to 12, characterized in that the coil ( 4 ) has between 1 and 20 turns. Anordnung nach einem der Ansprüche 9 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Windungen der Spule (4) aus einem Hohlprofil gefertigt sind und an der Spule (4) Mittel zur Leitung einer Kühlflüssigkeit durch die Windungen der Spule (4) angeordnet sind.Arrangement according to one of claims 9 to 13, characterized in that the turns of the coil ( 4 ) are made of a hollow profile and on the coil ( 4 ) Means for conducting a cooling fluid through the turns of the coil ( 4 ) are arranged.
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