DE102013015367A1

DE102013015367A1 - Verfahren zum Lichtbogenfügen von Werkstoffen mit reduziertem Energieeintrag

Info

Publication number: DE102013015367A1
Application number: DE102013015367.0A
Authority: DE
Inventors: Robert Schulze; Karsten Günther; Jean-Pierre Bergmann
Original assignee: Technische Universitaet Ilmenau
Current assignee: Technische Universitaet Ilmenau
Priority date: 2013-09-11
Filing date: 2013-09-11
Publication date: 2015-03-12

Abstract

Mit der vorliegenden Erfindung soll neuartiges Verfahren zum Lichtbogenfügen von Werkstoffen bereitgestellt werden, mit dem die Abschmelzleistung einfacher und nahezu unabhängig von der Aufmischung geregelt werden kann. Erfindungsgemäß wird von einer externen Energiequelle eine zusätzliche Wärme (Energie) in die MSG-Schweißelektrode eingekoppelt und folglich diese stärker abgeschmolzen, wobei bei konstant beibehaltenen Lichtbogenparametern das Werkstück nicht stärker aufgeschmolzen wird.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Lichtbogenfügen (z. B. Schweißen oder Löten) von gleichen oder unterschiedlichen Werkstoffen mit reduziertem Energieeintrag.
Es ist bekannt, dass das Schweißen mittels Lichtbogen eine sehr vielfältige Anwendung in der modernen Fertigungstechnik findet. So wird beim Metall-Schutzgas (MSG) Verfahren eine abschmelzende Elektrode verwendet. Zwischen dieser und dem Werkstück brennt ein Lichtbogen, welcher einerseits das Werkstück und andererseits gleichzeitig die Schweißelektrode (Schweißzusatzwerkstoff) aufschmilzt. Infolge des Tropfenüberganges kommt es zwischen dem abgeschmolzenen Zusatzwerkstoff und dem Grundwerkstoff zu einer stoffschlüssigen Verbindung. Beim Wolfram-Inert-Gas (WIG) Schweißen brennt ein Lichtbogen zwischen einer nicht abschmelzenden Wolfram-Elektrode und dem Werkstück. Dieser schmilzt einerseits das Werkstück auf und schmilzt andererseits den von außen zusätzlich zugeführten Schweißstab (Schweißzusatzwerkstoff) ab, der dann mit dem Werkstück eine stoffschlüssige Verbindung eingeht. Beide oben angeführte Schweißverfahren haben gemein, dass ein Schutzgas die Schweißelektroden und das Schweißbad vor unerwünschtem Luftzutritt abschirmt.
Aus dem Stand der Technik sind für das MSG- oder WIG-Schweißen verschiedene Verfahren zur Erhöhung der Abschmelzleistung bekannt. So wird z. B. mit dem Patent DE4333306A1 ein Verfahren vorgeschlagen, bei dem die Abschmelzleistung in Bezug auf die Aufmischung im Werkstoff erhöht wird. Dies wird durch einen brennenden Lichtbogen zwischen zwei gleichwertigen, abschmelzenden MSG-Elektroden oder zwei gleichwertigen, nicht abschmelzenden WIG-Elektroden mit zusätzlicher Schweißgutzufuhr und dem Werkstück realisiert. Als Stromquelle wird hier ein 3-Phasen-Drehstromnetz verwendet. Allerdings kann die Abschmelzleistung nicht unabhängig von der Aufmischung geregelt werden. Zudem kann die Wirkung der Lichtbögen nicht getrennt und ihre gegenseitige Beeinflussung nicht ausgeschlossen werden.
Daneben werden in weiteren Patentanmeldungen bzw. Patenten MSG- und WIG-Schweißbrenner kombiniert eingesetzt, jedoch brennen hier die Lichtbögen separat. So läuft im Patent US6693252B2 der WIG-Lichtbogen dem MSG-Lichtbogen vor um bei verzinktem Stahl das Zink für den eigentlichen MSG-Schweißprozess vorzubereiten. In der Patentanmeldung WO2012022895A1 wird ein Verfahren vorgestellt, bei dem der WIG-Lichtbogen dem MSG-Lichtbogen nachläuft um Fehler in der Schweißnaht zu minimieren. Schließlich wird in der Patentanmeldung US20060054603A1 ein Hybridschweißverfahren vorgestellt, welches einen MSG-Schweißprozess mit einem Laserschweißprozess kombiniert. Dabei wird der Laserstrahl dem Lichtbogen überlagert um die MSG-Schweißstromquelle mit normalerweise maximal 500 A Schweißstromstärke bei der Wärmezufuhr zu unterstützen. Somit sind höhere Abschmelzleistungen und Prozessgeschwindigkeiten erreichbar.
Bei allen diesen bekannten Verfahren wirken jedoch der oder die Lichtbögen direkt auf das Werkstück ein. Dadurch erfolgt bei einer Erhöhung der eingebrachten Schweißenergie auch ein höherer Wärmeeintrag und Einbrand in das Werkstück. Dies kann zu unerwünschten Erscheinungen am Werkstück, wie Verzug, Aufhärtungs- oder Versprödungserscheinungen führen.
In der Patentanmeldung US20100059485A1 wird dagegen ein Schweißverfahren beschrieben, bei dem zwei MSG-Brenner und zwei Lichtbögen verwendet werden. Der erste Lichtbogen brennt zwischen der ersten MSG-Elektrode und dem Werkstück. Der zweite Lichtbogen brennt zwischen den beiden MSG-Elektroden. Diese schmelzen beide ab, wobei die Lichtbögen kontinuierlich brennen. Dadurch kann es einerseits zu unerwünschten Wechselwirkungseffekten zwischen den Lichtbögen kommen. Andererseits ist ein definierter Materialauftrag durch zwei abschmelzende Elektroden nur bedingt möglich, was vor allem das Fügen von kleineren, filigraneren Bauteilen erschwert.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es deshalb, die aufgezeigten Nachteile der aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren zu überwinden und ein neuartiges Verfahren zum Lichtbogenfügen von Werkstoffen bereitzustellen, mit dem die Abschmelzleistung einfacher und nahezu unabhängig von der Aufmischung geregelt werden kann.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe mit den Merkmalen des ersten Patentanspruchs gelöst. Bevorzugte weitere Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens sind in den Unteransprüchen angegeben.
Einzelheiten und Vorteile der Erfindung sind der nachfolgenden Beschreibung zu entnehmen, in der die Erfindung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher erläutert wird. Es zeigt:
1 – das Funktionsprinzip des erfindungsgemäßen Verfahrens
2 – ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens mit einer WIG-Schweißstromquelle
3 – Beispiele für erfindungsgemäß zu verwendende Schweißstrom-Zeit-Kennlinien
4 – ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens mit einem Laser
Um den in das Werkstück eingebrachten Wärmeeintrag bzw. die Aufmischung klein zu halten, aber trotzdem die Abschmelzleistung zu erhöhen, wird mit der vorliegenden Erfindung ein Verfahren vorgeschlagen, mit dem die stufenlose Regulierung der Abschmelzleistung unabhängig von der Aufmischung realisiert werden kann. Erfindungsgemäß wird von einer externen Energiequelle eine zusätzliche Wärme (Energie) in die MSG-Schweißelektrode eingekoppelt und folglich diese stärker abgeschmolzen, wobei bei konstant beibehaltenen Lichtbogenparametern das Werkstück nicht stärker aufgeschmolzen wird. Somit können große Abschmelzleistungen mit, im Vergleich zu konventionellen MSG-Schweißverfahren, geringen Aufmischungen erreicht werden.
1 zeigt das grundsätzliche Prinzip des erfindungsgemäßen Verfahrens basierend auf der Erzeugung eines Aufschmelzlichtbogens (4) zwischen einer abschmelzenden MSG-Elektrode (1a, Schweißzusatzwerkstoff) und dem Werkstück (3). Der Aufschmelzlichtbogen (4) wird durch eine MSG-Schweißstromquelle (5) mit Energie versorgt. Um nun bei gleichbleibender Aufmischung die Abschmelzleistung zu erhöhen, wird durch eine externe Energiequelle (6), zusätzlich zum Aufschmelzlichtbogen (4), Energie (2a) in die abschmelzende MSG-Elektrode (1a) eingebracht. Je nach Intensität des Aufschmelzlichtbogens (4) und nach Menge der zusätzlich eingebrachten Energie (2a) kann das Verhältnis zwischen Abschmelzleistung und Aufmischung eingestellt werden.
In 2 ist ein erstes Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens mit einer WIG-Schweißstromquelle dargestellt. Dabei wird zusätzlich zum Aufschmelzlichtbogen (14), welcher zwischen der abschmelzenden MSG-Elektrode (11a) und dem Werkstück (13) brennt, ein Abschmelzlichtbogen (16) erzeugt, der zwischen der MSG-Elektrode (11a) und einer WIG-Elektrode (12a) brennt. Der Aufschmelzlichtbogen (14) wird durch die MSG-Schweißstromquelle (15) erzeugt und dient dem Aufschmelzen des Werkstücks, wobei je nach Wahl der entsprechenden MSG-Schweißparameter, der gewünschte Tropfenübergang eingestellt wird. Der Abschmelzlichtbogen (16) wird durch die WIG-Schweißstromquelle (17) erzeugt und dient ausschließlich dem Abschmelzen der MSG-Schweißelektrode (11a). Die Winkel (21, 22) zwischen den beiden Schweißelektroden (11a, 12a) und zwischen der MSG-Schweißelektrode (11a) und dem Werkstück (13), die Längen der Lichtbögen (19, 20) sowie die Schweißrichtung (23) und Schweißgeschwindigkeiten sind variabel einstellbar. Auch können bei diesem Verfahren verschiedenste Schutzgase bzw. Schutzgaskombinationen verwendet werden.
Die Energien beider Lichtbögen sind unabhängig voneinander regelbar. Durch die gezielte Energieerhöhung im Abschmelzlichtbogen bei einem gleichbleibenden Energieniveau im Aufschmelzlichtbogen, kann z. B. eine höhere Abschmelzleistung bei gleichbleibender Aufmischung erreicht werden.
Die Lichtbögen werden einerseits durch die WIG-Schweißstromquelle und andererseits durch die MSG-Schweißstromquelle mit Energie versorgt. Die elektrische Beschaltung von Elektroden und Schweißstromquellen ist in 2 dargestellt, wobei die MSG-Elektrode eine gemeinsame Elektrode beider Schweißstromquellen bildet. Um die Wahrscheinlichkeit einer gegenseitigen Beeinflussung der Lichtbögen so gering wie möglich zu halten und eine definierte Lichtbogenform zu erreichen, brennen in einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens die Lichtbögen abwechselnd mit ihren Arbeitsstromstärken (I_{Impuls MSG}, I_{Impuls WIG}) (s. 3). Dies wird durch Pulsen der Lichtbögen, ähnlich der Impulslichtbogentechnik, realisiert. In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform sind beide Schweißstromquellen zueinander synchronisiert (die Pulslängen und Pulszeiten sind aufeinander abgestimmt). Dies kann entweder über ein externes Steuergerät (18) oder über eine in die Schweißstromquellen integrierte Steuerung erfolgen. 3 zeigt zwei mögliche Schweißstrom-Zeit-Kennlinien. Hier wechseln die Stromstärke des Aufschmelzlichtbogens (14) (Volllinie) und die Stromstärke des Abschmelzlichtbogens (16) (Strichlinie) abwechselnd zwischen ihrem Grundniveau und ihrem Impulsniveau. Die Energien der Lichtbögen verhalten sich proportional zur Fläche unter den jeweiligen Kennlinien. So ist in 3a der Energiegehalt von Aufschmelz- und Abschmelzlichtbogen ähnlich. Dies wird durch gleiche Impulsstromstärken und gleiche Pulsweiten der Ströme hervorgerufen. In 3b sind dagegen die Schweißstrom-Zeit-Kennlinien mit reduzierten Impulsstromstärken und Pulsweiten vom Strom des Aufschmelzlichtbogens (14) (I_{Impuls MSG}, t_MSG) und erhöhten Impulsstromstärken und Pulsweiten vom Strom des Abschmelzlichtbogens (16) (I_{Impuls WIG}, t_WIG) dargestellt. In der Folge sinkt bei erhöhter Abschmelzleistung der Aufmischungsgrad signifikant, ohne dass es zu einer gegenseitigen Beeinflussung der Lichtbögen kommt.
Die Aufschmelz- bzw. Abschmelzleistung und die Stabilität der Lichtbögen können mit den Schweißstromquellen durch Variation von Pulsweiten, Periodendauer, Impuls- und Grundstromstärken und eventuellen Überlappungen bzw. Pausen zwischen den MSG- und WIG-Impulsen unabhängig voneinander und stufenlos eingestellt werden. Bei der Variation der Grundströme kann es im oberen Grenzfall (I_Grund = I_Impuls) zum Brennen von kontinuierlichen Lichtbögen und im unteren Grenzfall (I_Grund = 0) zum ständigen Neuzünden der Lichtbögen kommen. Werden Grund- und Impulsstrom der MSG-Impulse null gesetzt, besteht außerdem die Möglichkeit, auch metallisch nicht leitende Werkstoffe (z. B. Keramiken) zu fügen bzw. zu beschichten, da in diesem Fall keine Kontaktierung des Werkstückes vorhanden sein muss.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird in die abschmelzende MSG-Elektrode (31a) die von einer Laserquelle (36) emittierte Energie eingekoppelt (s. 4). Zwischen der MSG-Elektrode (31a) des MSG-Brenners (31) und dem Werkstück (33) brennt der Aufschmelzlichtbogen (34). Er wird durch die MSG-Schweißstromquelle (35) mit Energie versorgt und dient dem Aufschmelzen des Werkstückes (33) und dem Abschmelzen der MSG-Elektrode (31a) (Schweißzusatzwerkstoff). Dabei wird beim MSG-Schweißprozess, je nach Wahl der entsprechenden Schweißparameter, der gewünschte Tropfenübergang eingestellt. Eine Laservorrichtung (32) ist so angeordnet, dass das Laserlicht (32a) auf die MSG-Elektrode (31a) fokussiert ist, um durch Absorption des Laserlichtes (32a) in der MSG-Elektrode (31a), zusätzlich zum Aufschmelzlichtbogen (34), Wärmeenergie einzubringen. Die Winkel (39, 40) zwischen der Emissionsrichtung des Laserlichtes (32a) und der MSG-Elektrode (31a) bzw. der MSG-Elektrode (31a) und dem Werkstück (33), die Lichtbogenlänge (38), die Schweißrichtung (41) und Geschwindigkeiten sind variabel einstellbar. Auch können mit diesem Verfahren verschiedenste Schutzgase verwendet werden. Durch die Wahl des Lasers und der Laserparameter kann der gewünschte Energieeintrag in die MSG-Elektrode eingestellt werden. Auch hier kann bei konstanter Lichtbogenenergie und steigendem Energieeintrag durch den Laser, die Abschmelzleistung bei gleichbleibender Aufmischung erhöht werden. Durch die erfindungsgemäß getrennt regelbaren Energiequellen (MSG-Schweißstromquelle und Laserquelle), lassen sich Abschmelzleistung und Aufmischung unabhängig voneinander einstellen. Ebenso können durch abwechselnd gepulste MSG-Schweißstromquelle und Laserquelle, eine gegenseitige Beeinflussung von Lichtbogen und Laserlicht ausgeschlossen und die Vorteile eines Impulslichtbogens genutzt werden. Dabei sind beide Energiequellen zueinander synchronisiert um die Pulslängen und Pulszeiten aufeinander abzustimmen. Dies wird durch die Steuerung (37) realisiert. Diese Möglichkeit wurde bereits für das kombinierte MSG-WIG-Schweißverfahren detaillierter beschrieben.
Wie bereits erwähnt, kann das erfindungsgemäße Verfahren neben der Verwendung für Schweißanwendungen ebenfalls zum Lichtbogenlöten von Mischverbindungen eingesetzt werden. Durch einen geringeren Energie- und damit Wärmeeintrag, kann im Werkstück die Bildung intermetallischer Phasen eingegrenzt oder eventuell beseitig werden.
Mit dem vorgestellten Verfahren kann durch getrenntes Einstellen der Abschmelz- und Aufschmelzenergie die Abschmelzleistung einfacher und nahezu unabhängig von der Aufmischung geregelt werden. Auch kann durch die zeitlich getrennte Wirkung der Lichtbögen die Lichtbogenform sicherer definiert und eine gegenseitige Beeinflussung ausgeschlossen werden. Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht darin, dass nur eine abschmelzende Elektrode verwendet wird und es damit nur eine geometrisch definierte Werkstoffübertragung gibt. Die Zusatzwerkstoffzuführung kann daher mit höherer Präzision realisiert werden. Somit ist das erfindungsgemäße Verfahren auch für kleinere, filigranere Anwendungsbereiche, mit der Anforderung nach minimalen Aufmischungen, geeignet.
Bezugszeichenliste

1, 11, 31: MSG-Schweißvorrichtung
1a, 11a, 31a: abschmelzende MSG-Schweißelektrode
2, 12, 32: Vorrichtung zur Zuführung zusätzlicher Energie
2a, 32a: zusätzliche Energie
3, 13, 33: Werkstück
4, 14, 34: Aufschmelzlichtbogen
5, 15, 35: MSG-Schweißstromquelle
6: zusätzliche Energiequelle
12a: nichtabschmelzende WIG-Schweißelektrode
16: Abschmelzlichtbogen
17: WIG-Schweißstromquelle
18, 37: externes Steuergerät
19, 38: Länge des Aufschmelzlichtbogens
20: Länge des Abschmelzlichtbogens
21, 39: Winkel zwischen MSG-Schweißelektrode und Werkstück
22: Winkel zwischen MSG- und WIG-Schweißelektrode
23, 41: Schweißrichtung
36: Laserquelle
40: Winkel zwischen Emissionsrichtung des Laserlichts und MSG-Schweißelektrode

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

DE 4333306 A1 [0003]
US 6693252 B2 [0004]
WO 2012022895 A1 [0004]

Claims

Verfahren zum Lichtbogenfügen von Werkstoffen mit reduziertem Energieeintrag, bei dem ein Aufschmelzlichtbogen (4, 14, 34) zwischen einer abschmelzenden Elektrode (1a, 11a, 31a) und einem Werkstück (3, 13, 33) erzeugt wird, dadurch gekennzeichnet, dass in die abschmelzende Elektrode (1a, 11a, 31a) über eine nichtstoffübertragende Energiequelle (6, 12, 36) zusätzliche Energie eingebracht wird.
Verfahren nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass die Aufschmelzlichtbogenstromquelle (5, 15, 35) und die nichtstoffübertragende Energiequelle (6, 12, 36) unabhängig voneinander betrieben und reguliert werden.
Verfahren nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass die Aufschmelzlichtbogenstromquelle (5, 15, 35) und die nichtstoffübertragende Energiequelle (6, 12, 36) synchronisiert betrieben und reguliert werden.
Verfahren nach Anspruch 3 dadurch gekennzeichnet, dass die Aufschmelzlichtbogenstromquelle (5, 15, 35) und die nichtstoffübertragende Energiequelle (6, 12, 36) mit zeitlich versetzten Energiepulsen arbeiten.
Verfahren nach Anspruch 4 dadurch gekennzeichnet, dass die Pulshöhe und Pulsweite der von der Aufschmelzlichtbogenstromquelle (5, 15, 35) und der nichtstoffübertragende Energiequelle (6, 12, 36) eingebrachten Energie mit einer Steuereinheit (18, 37) eingestellt werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5 dadurch gekennzeichnet, dass als nichtstoffübertragende Energiequelle eine WIG-Schweißstromquelle (12) verwendet wird, mit der zwischen der nicht abschmelzenden WIG-Elektrode (12a) und der abschmelzenden Elektrode (11a) ein Abschmelzlichtbogen (16) erzeugt wird.
Verfahren nach Anspruch 6 dadurch gekennzeichnet, dass der Aufschmelzlichtbogen (4, 14, 34) und der Abschmelzlichtbogen (16) mit unterschiedlichen Schutzgasen abgeschirmt werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5 dadurch gekennzeichnet, dass als nichtstoffübertragende Energiequelle ein Laser (36) verwendet wird, dessen Licht von der abschmelzenden Elektrode (31a) absorbiert und in Wärme umgewandelt wird.