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Die Erfindung betrifft eine Prozessgashaube zur Beaufschlagung eines Schweißbereichs einer Schweißvorrichtung mit wenigstens einem Prozessgas und ein entsprechendes Schweißverfahren.
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Stand der Technik
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Zum manuellen, mechanisierten oder automatischen Schweißen von metallischen Werkstoffen sind unterschiedlichste Schweißverfahren bekannt.
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Beim Metallschutzgasschweißen (MSG) handelt es sich um ein Lichtbogenschweißverfahren, bei dem eine abschmelzende, kontinuierlich nachgeführte Schweißelektrode verwendet wird. Zusammen mit der Schweißelektrode wird ein entsprechendes Schutzgas, wahlweise ein Inertgas (beim Metallinertgasschweißen – MIG) oder ein Aktivgas (beim Metallaktivgasschweißen – MAG) zugeführt.
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Das Wolframinertgasschweißen (WIG) umfasst im Gegensatz dazu die Verwendung einer nichtabschmelzenden(Wolfram-)Elektrode. Als Schutzgas wird in der Regel eine Edelgasmischung, beispielsweise mit Argon und Helium, verwendet.
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Beim Plasmaschweißen kommt eine wassergekühlte, den Lichtbogen einschnürende Plasmadüse zum Einsatz. Zusätzlich kann der Lichtbogen mit einem kalten Gas bespült werden, um eine weitere Fokussierung zu erzielen.
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Es sei betont, dass die vorliegende Erfindung nicht auf die genannten Schweißverfahren beschränkt ist, sondern auch in anderen Einsatzgebieten Verwendung finden kann, in denen eine Schweißdüse und entsprechende Prozessgase verwendet werden. Hierbei sei unter einem ”Prozessgas” jedes Gas verstanden, das einer Schweißdüse oder einem durch diese bearbeiteten Schweißbereich zugeführt wird. Insbesondere kann es sich hierbei um ein Schutzgas, jedoch auch um ein Plasmagas oder um ein unten näher erläutertes sogenanntes Schlepp- bzw. Formiergas handeln.
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In der industriellen Fertigung ist die Stabilität des Schweißprozesses von entscheidender Bedeutung. Es wurde festgestellt, dass (unerwünschte) Änderungen im Schweißprozess überwiegend durch eine Störung der Abdeckung des Schweißbereichs durch das Schutzgas in Form einer Kontamination durch Luftsauerstoff verursacht werden. Entsprechende Störungen verändern die Eigenschaften des Lichtbogens sowie die Eigenschaften des Schmelzbades. Insbesondere kann es zum Auftreten von Spritzern, Poren und Einbrandkerben und zu einem Durchsacken kommen.
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Zur Vermeidung entsprechender Nachteile wird in der Praxis häufig die Schutzgasdurchflussmenge erhöht, um die Prozesssicherheit zu verbessern. Naturgemäß erfolgt dies jedoch auf Kosten der Prozessökonomie. Wie erwähnt, werden als Schutzgase häufig Edelgasmischungen mit einem nicht unbeträchtlichen Heliumanteil eingesetzt, so dass der Schutzgasverbrauch reduziert werden sollte.
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Insbesondere bei der Bearbeitung hochlegierter Stähle kommt es durch Oxidation der heißen Blechoberflächen nach dem eigentlichen Schweißen zu Verfärbungen. Um hierdurch erforderliche Nachbearbeitungsschritte durch Beizen oder Bürsten zu minimieren, können zusätzlich zur Schutzgasdüse adaptive Schleppgasdüsen eingesetzt werden, durch die die Schweißnaht durch Bereitstellung eines Gasvorhangs vor der Reaktion mit Luftsauerstoff geschützt werden soll, insbesondere beim Schweißen dicker Bleche wird jedoch eine derart große Wärmemenge in das Bauteil eingebracht, dass ein entsprechender Gasvorhang nicht in einem ausreichenden Maße verlängert werden kann. Auch erhöht sich naturgemäß der Gasverbrauch mit zunehmender Länge des Gasvorhangs.
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Insbesondere in WIG- und Plasmaschweißvorrichtungen, bei denen sowohl mit Schutzals auch mit Schleppgas gearbeitet wird, kommt es zu Strömungsinhomogenitäten beim Übergang zwischen dem Schutz- und Schleppgasstrom durch die wechselseitige Beeinflussung der Gasströme und hierdurch bewirkte Verwirbelungen. Damit kann keine kontinuierliche Gasabdeckung gewährleistet werden und es ergeben sich die zuvor erläuterten Nachteile durch Gaskontamination.
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Es besteht daher der Bedarf nach Verbesserungen beim Schweißen, insbesondere beim Schweißen mit zwei Prozessgasen, beispielsweise mit Schutz- und Schleppgas.
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Offenbarung der Erfindung
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Vor diesem Hintergrund schlägt die vorliegende Erfindung eine Prozessgashaube zur Beaufschlagung eines Schweißbereichs einer Schweißvorrichtung mit wenigstens einem Prozessgas und ein entsprechendes Schweißverfahren mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche vor. Bevorzugte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche sowie der nachfolgenden Beschreibung.
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Vorteile der Erfindung
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Die zuvor erläuterten Probleme werden erfindungsgemäß durch eine Prozessgashaube gelöst, die zur Beaufschlagung eines Schweißbereichs einer Schweißvorrichtung mit wenigstens einem Prozessgas eingerichtet ist.
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Die Prozessgashaube weist eine längliche Kammer mit einer unteren Kammerlängsseite, einer der unteren Kammerlängsseite gegenüberliegenden oberen Kammerlängsseite, einem vorderen Kammerende und einem hinteren Kammerende auf.
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Die Angaben ”oben” und ”unten” sowie ”vorne” und ”hinten” sind im Rahmen dieser Anmeldung auf ein Werkstück bzw. eine Schweißrichtung bezogen. Eine entsprechende Prozessgashaube liegt dabei mit ihrer ”unteren”, offenen Längsseite an einem Werkstück an, die ”obere” Längsseite ist hingegen in einem Abstand zum Werkstück angeordnet. Das ”vordere” Kammerende liegt in einer Schweißrichtung vor, das ”hintere” Kammerende in einer Schweißrichtung nach einem Schweißbereich. Eine ”Kammer” sei im Rahmen dieser Anmeldung als zumindest auf einer Seite geöffneter Raum verstanden. Eine derartige Kammer weist zumindest einen Kammerinnenraum auf, der im Rahmen dieser Anmeldung auch als ”Lumen” bezeichnet wird.
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Die untere Kammerlängsseite weist eine längliche Öffnung auf und ist auf den Schweißbereich ausrichtbar. Die Kammer wird dabei in Längsrichtung entlang der Schweißrichtung angeordnet und beim Schweißen eines Werkstücks entlang der Schweißrichtung bewegt. Wie unten erläutert, steht dabei die Öffnung der unteren Kammerlängsseite in engem Kontakt mit einem Schweißbereich, so dass sich ein geschlossener Gasraum bildet, der nur in geringem Umfang durch äußere Störeinflüsse wie Umgebungsluft beeinträchtigt werden kann. Die obere Kammerlängsseite besitzt eine Durchführung zur Einführung einer Schweißdüse in die Kammer und damit zur Ausrichtung auf einen Schweißbereich eines Werkstücks. Ferner umfasst die Kammer wenigstens eine in der Kammer endende Gaszuführung zum Einbringen des wenigstens einen Prozessgases. Wie unten näher erläutert, kann es sich hierbei um Schutz- und/oder Schlepp- bzw. Formiergas handeln. Erfindungsgemäß wird damit eine kombinierte Schutz- und Schleppgasbeaufschlagung eines Schweißbereichs ermöglicht, die ohne Strömungsinhomogenitäten erfolgen kann.
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Der Gasverbrauch einer entsprechenden Schutzgashaube ist nicht höher als bei herkömmlichen Schutzgasschweißverfahren ohne Schleppgas, jedoch bedeutend geringer als bei herkömmlichen Schleppgasdüsen. Durch den erfindungsgemäßen Gasschutz wird die Prozessstabilität eines entsprechenden Schweißverfahrens erheblich verbessert. Insbesondere wird im Bereich des Schmelzbades ein Durchsacken und Durchfallen der Schweißnaht vermieden sowie das Auftreten von Spritzern reduziert. Ferner wird die Porenbildung erheblich verringert.
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Vorteilhafterweise weist eine erfindungsgemäße Prozessgashaube eine Kammer auf, die ein erstes (unteres) Längslumen entlang der unteren Kammerlängsseite und ein zweites (oberes) Längslumen entlang der oberen Kammerlängsseite besitzt. Das erste Längslumen und das zweite Längslumen sind vorteilhafterweise durch einen teildurchlässigen Lumentrenner getrennt. Die wenigstens eine in der Kammer endende Gaszuführung endet in dem zweiten Längslumen. Vorteilhafterweise wird hierdurch der Schweißbereich nicht direkt mit einem anströmenden Gas beaufschlagt und Verwirbelungen können nahezu vollständig vermieden werden.
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Im einfachsten Fall kann als Lumentrenner zur Trennung des ersten und des zweiten Längslumens ein Lochblech verwendet werden, das eine Lochung aufweist, die einen homogenen, insbesondere strömungsspitzenfreien Gasfluss aus dem zweiten Längslumen in das erste Längslumen, das direkt mit dem zu schweißenden Werkstoff in Kontakt steht, bewirkt. Die Lochung des Lochblechs kann homogen ausgebildet sein, in bestimmten Fällen kann es jedoch auch vorteilhaft sein, eine Lochung, beispielsweise in der Nähe der Schweißdüse, für einen größeren Gasdurchfluss auszubilden als an einem hinteren Kammerende, an dem, wie unten näher erläutert, eine Schweißnaht gegebenenfalls schon weitgehend abgekühlt ist. Dies kann durch unterschiedliche Lochdichten und/oder -größen bewirkt werden. Andere Lumentrenner können ebenfalls vorgesehen sein, beispielsweise in Form von Siebplatten, Gittern, Netzen und dergleichen. Das zweite Längslumen kann, um eine homogene Gasströmung zu gewährleisten, auch entsprechend gefüllt sein, z. B. mit Mineral- und/oder Stahlwolle.
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Besonders bevorzugt ist eine Prozessgashaube, bei der die Durchführung für die Schweißdüse in der Nähe des vorderen Kammerendes, also in Schweißrichtung vorne, angeordnet ist. Eine erste (vordere) Gaszuführung endet hierbei zwischen der Durchführung und dem vorderen Kammerende, eine zweite (hintere) Gaszuführung endet, bevorzugt in der Nähe der Schweißdüse, zwischen der Durchführung dem hinteren Kammerende. Erfindungsgemäß können hierdurch die Eigenschaften des Lichtbogens, der durch die Schweißdüse bereitgestellt wird, durch die Gaszusammensetzung der vorderen Zuführung beeinflusst werden und analog ein Schlepp- bzw. Formiergasschutz bzw. Abkühlverhalten der heißen Schweißnaht über die Gasauswahl und die Gasmenge der hinteren Zuführung. In bestimmten Fällen kann es auch vorteilhaft sein, jeweils mehrere Gaszuführungen bereitzustellen oder jeweils eine Gaszuführung, beispielsweise in Form von Düsen, an mehreren Orten der Kammer enden zu lassen. Beispielsweise können mehrere Schutzgasdüsen kranzartig um die Schweißdüse oder mehrere Schlepp- bzw. Formiergasdüsen linear entlang einer Schweißnaht, also in Längsrichtung der Kammer, angeordnet sein.
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Vorteilhafterweise weist eine entsprechende Prozessgashaube wenigstens zwei Gaszuführungen zum Einbringen eines Schutz- und eines Schleppgasstroms auf. Der Schutz- und der Schleppgasstrom müssen dabei nicht notwendigerweise unterschiedliche Gaszusammensetzungen aufweisen. Es können alle üblichen Gase eingesetzt werden, wie beispielsweise Argon, Helium, Stickstoff, Kohlendioxid, Sauerstoff, Wasserstoff und Mischungen daraus. Auch ein Zumischen von weiteren molekularen Gasen Ist möglich. Mit Vorteil wird als Schutzgas eine Gasmischung verwendet werden, die Argon, Helium oder Wasserstoff bzw. Gemische daraus aufweist, der Schleppgasstrom umfasst beispielsweise leicht reduzierende Gasgemische mit Argon, Stickstoff und Wasserstoff als mögliche Komponenten. Wie erwähnt, können die Eigenschaften des Lichtbogens der Schweißgasdüse spezifisch durch die Gaszusammensetzung der vorderen Zuführung beeinflusst werden. Ein Oxidationsschutz kann, insbesondere auch materialspezifisch, durch die geeignete Anpassung des Schleppgases bewirkt werden.
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Die Erfindung ist, wie erwähnt, nicht auf die Bereitstellung jeweils eines Schutz- und Schleppgasstroms beschränkt. Falls zweckmäßig, können insbesondere zwischen der Durchführung für die Schweißdüse und dem hinteren Kammerende mehrere Formiergasdüsen, beispielsweise auch mit unterschiedlichen Strömungsquerschnitten, bereitgestellt werden, so dass eine vollständige Abdeckung einer Schweißnaht und eine gezielte Anpassung an die jeweiligen lokalen Gegebenheiten und Abkühlbedingungen erzielt werden kann.
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Als besonders vorteilhaft wird angesehen, wenn die Kammer der Prozessgashaube an der unteren Kammerlängsseite, d. h. öffnungsseitig, eine Verjüngung aufweist. Mit anderen Worten kann entlang der unteren Kammerlängsseite eine Verengung der Kammer vorgesehen sein. Durch eine Verjüngung verengt sich die Querschnittsfläche für den Gasdurchtritt zunächst und verbreitert sich nach dem Austritt aus der Öffnung wieder, so dass die Strömung des Gases homogenisiert wird. Dies führt zu einer Laminarisierung des Gasstroms.
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Als vorteilhaft wird auch eine Prozessgashaube angesehen, bei der die Kammer an dem hinteren Kammerende eine Abflachung aufweist. Hierdurch wird ein relativ großes Kammervolumen in der Nähe der Schweißdüse bereitgestellt, so dass der Strömung im Bereich der Schweißdüse der geringste Widerstand entgegengebracht wird. Die Strömung kann damit außerhalb der Haube das heiße Blech abschließen.
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Zur weiteren Homogenisierung und/oder Laminarisierung des Gasstroms können weitere Elemente vorgesehen werden. Beispielsweise können Prallbleche verwendet werden, die ein entsprechender Gasstrom anströmt und die diesen homogenisieren.
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Als besonders vorteilhaft werden Prozessgashauben mit Andruckmitteln vorgesehen, die zum flexiblen Andrücken der Kammer mit der Öffnung an ein Werkstück bereitgestellt sind. Durch ein entsprechendes Andrücken der Haube auf das Werkstück, beispielsweise durch eine Feder oder einen Metallbalg als Andruckmittel, kann auf ein zeitaufwendiges vertikales Ausrichten der Haube verzichtet werden, so dass die Rüstzeiten beim Einrichten einer Schweißaufgabe oder beim Wechseln von Bauteilen bzw. dem Auswechseln von Verschleißteilen erheblich reduziert werden können. Ferner können Unregelmäßigkeiten wie Kantenversatz oder ein unterschiedlicher Brennerabstand aufgrund thermischer Ausdehnung der Bauteile oder ungenaue Postionierung ausgeglichen werden. Durch eine entsprechend angedrückte Prozessgashaube wird ferner der Schweißbrenner bei Kollisionen mit den Bauteilen oder mit Vorrichtungen der Peripherie geschützt, so dass dieser Brenner kleiner dimensioniert werden kann.
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Zur nochmals verbesserten Kühlung einer Schweißnaht kann erfindungsgemäß auch eine Kühleinrichtung zum Kühlen des geschweißten Werkstücks vorgesehen sein. Hierbei kann es sich beispielsweise um kufenartige, wassergekühlte Kupferschienen handeln, die zumindest entlang der Öffnung entlang der unteren Kammerlängsseite angeordnet sind. Die gekühlten Schienen tragen zu einem verbesserten Abkühlverhalten des geschweißten Bauteils bei. Die Kühleinrichtung kann dabei entlang der gesamten unteren Kammerlängsseite angeordnet sein oder sich auf einen Teil, der entsprechend effizienter Kühlung bedarf, beschränken. Beispielsweise kann im Bereich der Schweißdüse auf eine Kühleinrichtung verzichtet werden. Insbesondere bei dicken Blechen (hoher Energieeintrag) kann eine nachträgliche Oxidation der heißen Schweißnaht reduziert oder ganz verhindert werden, indem dem Bauteil nach der Schmelzbadausbildung durch Aufsetzen der Kühlschienen Wärme entzogen wird. Der Wärmeentzug kann aktiv durch Regulierung des Kühlwasserdurchsatzes (oder Durchsatzes eines anderen Kühlmittels) gesteuert werden. Zudem kann das Schmelzbadvolumen durch die Kühlwirkung beeinflusst werden, so dass die Prozessstabilität besonders bei dicken Blechen verbessert wird.
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Vorteilhafterweise weist die Prozessgashaube auch eine Kamera auf, die einem Bediener die Kontrolle des Schweißprozesses ermöglicht und/oder eine Automatisierung auf Grundlage einer automatischen Erfassung des Schweißprozesses erlaubt. Bei manuellem Arbeiten kann die Haube fest montiert werden, so dass sich ein konstanter Abstand zwischen Brenner und Werkstück ergibt. Ein Bediener verwendet eine entsprechende Schweißvorrichtung derart, dass er den Brenner über das Bauteil gleiten lässt, wodurch die oben erläuterten Vorteile ausgenutzt werden können. Der Prozess wird optisch durch die Kamera beobachtet, so dass keine Belastung des Bedieners durch die Strahlung des Lichtbogens verursacht wird.
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Vorteilhafterweise besitzt eine Prozessgashaube, insbesondere eine Prozessgashaube für eine manuelle Schweißvorrichtung, eine Rauchgasabsaugung, so dass die Belastung durch Dämpfe, Rauch und Ruße für den Bediener minimiert werden kann.
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Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
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Die Erfindung ist anhand eines Ausführungsbeispieles in der Zeichnung schematisch dargestellt und wird im Folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnung ausführlich beschrieben.
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Figurenbeschreibung
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1 zeigt eine oberhalb eines Werkstücks angeordnete Prozessgashaube gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung.
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2 zeigt eine Prozessgashaube gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung in perspektivischer Ansicht von unten.
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3 zeigt eine Prozessgashaube gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung im Querschnitt.
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In den Figuren sind gleiche Komponenten mit identischen Bezugszeichen angegeben. Auf eine wiederholte Erläuterung wird der Übersichtlichkeit halber verzichtet.
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In 1 ist eine Prozessgashaube gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung dargestellt und insgesamt mit 100 bezeichnet. Die Prozessgashaube 100 ist im Längsschnitt dargestellt. Die Prozessgashaube 100 verfügt über eine längliche Kammer 10, die unteranderem durch eine untere Kammerlängsseite 11, eine obere Kammerlängsseite 12, ein vorderes Kammerende 13 und ein hinteres Kammerende 14 definiert ist. Die seitlichen Kammerlängsseiten sind in der Längsschnittdarstellung nicht dargestellt.
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Entlang der unteren, dem Werkstück 90 zugewandten Kammerlängsseite 11 ist eine längliche Öffnung 15 vorgesehen. Die Kammer 10 verschmälert sich in Richtung der länglichen Öffnung 15 in Form einer Verjüngung 15'. An der oberen, dem Werkstück 90 abgewandten Kammerlängsseite ist eine Durchführung 16 zur Einführung einer Schweißdüse 20 in die Kammer 10 vorgesehen. Die Kammer 15 umfasst ein erstes (unteres) Längslumen 17 und ein zweites (oberes) Längslumen 18, die durch einen teildurchlässigen Lumentrenner 19, beispielsweise, wie erläutert, eine Siebplatte oder ein Lochblech, voneinander getrennt sind.
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Die bereits erwähnte Schweißdüse 20 wird beispielsweise mittels einer Aufnahme 21 und/oder einer Dichtung 22 in der Durchführung 16 gehalten. Eine erste Gaszuführung 31 und eine zweite Gaszuführung 32 sind vorgesehen, die jeweils in der Kammer 10, genauer in dem zweiten Längslumen 18, enden. Durch die erste und die zweite Gasführung 31, 32, wird, wie erwähnt, entsprechendes Prozessgas zugeführt, Vorzugsweise wird über die erste Gaszuführung 31 ein Schutzgas, über die zweite Gaszuführung 32 ein Schlepp- bzw. Formiergas bereitgestellt. Die entsprechenden Gasströme strömen mit relativ hoher Geschwindigkeit in das zweite Längslumen 18 ein, werden dort homogenisiert bzw. laminarisiert, gelangen durch den teildurchlässigen Lumentrenner 19 in das erste Längslumen 17 und geraten damit in Kontakt mit einem unterhalb der Prozessgashaube 100 angeordneten Werkstück.
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Zur Verminderung der Oxidation durch Verdrängung von Luftsauerstoff kann bei allen Werkstoffen z. B. Argon oder Argon/Helium eingesetzt werden, Argon/Wasserstoff-Gemische eignen sich z. B. für austenitische nichtrostende Stähle und bewirken eine Verminderung der Oxidation durch Verdrängung von Luftsauerstoff einerseits und chemische (reduzierende) Wirkung des Wasserstoffs andererseits. Auch wird eine Verbesserung des Fließverhaltens des Werkstoffs bewirkt. StickstofflWasserstoff-Gemische eignen sich insbesondere für austenitische nichtrostende Stähle und unlegierte Baustähle (weniger für hochfeste Feinkornstähle) und wirken in entsprechender Weise.
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Die Prozessgashaube 100 verfügt ferner über Andruckmittel 40, die, wie erwähnt, als Metallbalg und/oder – wie dargestellt – als Feder ausgebildet sein können, und dafür eingerichtet sind, die Formiergashaube 100 an das Werkstück 90 anzudrücken. Eine Halterung 50 zum Halten der Formiergashaube und der Schweißdüse 20 an einer entsprechenden Schweißeinrichtung ist ebenfalls vorgesehen.
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Ferner ist schematisch eine Kühleinrichtung 60, die zum Kühlen eines entsprechenden Werkstücks 90 eingerichtet ist, dargestellt. Eine Schweißrichtung ist mit 95 bezeichnet.
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2 zeigt die Formiergashaube 100 der 1 in einer teilperspektivischen, schematischen Ansicht von unten. Die Darstellung ist gegenüber der 1 vereinfacht und es sind nicht sämtliche Merkmale bezeichnet. In der Figur ist ersichtlich, wie der Lumentrenner 19 in Form des ersten Längslumens 17 eine abgeschlossene Einheit schafft, in welcher ein homogener Gasstrom bereitstellbar ist.
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3 zeigt die erfindungsgemäße Prozessgashaube 100 im Querschnitt. 3 veranschaulicht insbesondere die Kühleinrichtung 60, die als Kühlschiene 61 mit einem Kühlmittelkanal 62 ausgebildet ist, durch den ein Kühlmittel wie Kühlwasser geleitet werden kann.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- längliche Kammer
- 11
- untere Kammerlängsseite
- 12
- obere Kammerlängsseite
- 13
- vorderes Kammerende
- 14
- hinteres Kammerende
- 15
- längliche Öffnung
- 15
- Verjüngung
- 16
- Durchführung
- 17
- erstes Längslumen
- 18
- zweites Längslumen
- 19
- Lumentrenner
- 20
- Schweißdüse
- 21
- Aufnahme
- 22
- Dichtung
- 31
- Gaszuführung
- 32
- Gaszuführung
- 40
- Andruckmittel
- 50
- Halterung
- 60
- Kühleinrichtung
- 61
- Kühlschiene
- 62
- Kühlmittelkanal
- 100
- Prozessgashaube
