-
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur umforminduzierten Schweißnahtbehandlung nach dem Oberbegriff des 1. Patentanspruchs.
-
ln der stahlverarbeitenden Industrie erfolgt das Fügen von Blechen und anderen Geometrien bei geeigneten chemischen, metallurgischen und physikalischen Eigenschaften z.B. durch das stoffschlüssige Fügeverfahren Schweißen. Dabei entsteht eine dauerhafte Verbindung zwischen zwei oder mehreren Bauteilen, wobei das Schweißen die Spezifikation "Herstellung einer unlösbaren Verbindung" erfüllt. Das hierbei stattfindende Zusammenbringen der losen Ausgangsbauteile vollzieht sich durch Anwendung von Wärme und/oder Druck mit oder ohne Schweißzusätzen. Je nach Ausgangsgeometrie und Material werden unterschiedliche Schweißverfahren angewandt, wobei bei den meisten die Fügezone partielle und bei Verwendung von Zusatzmaterial auch dieses selbst mit verflüssigt werden, um einen Werkstoffzusammenhalt zu erreichen. Bei allen Schweißvorgängen kommt es zu einem Wärmeeintrag, was vor allem bei dem Werkstoff Stahl im Bereich der Schweißnaht zur Umwandlung/Veränderung des Gefüges führt. Bei den Schweißverbindungen besteht zwischen Grund- und Schweißzusatzwerkstoff ein Unterschied in der chemischen Zusammensetzung. Im schmelzflüssigen Zustand vermischen sich die beiden Werkstoffe und bilden eine neue Stahlzusammensetzung aus. Je nach Schweißverfahren bildet sich eine charakteristisch große Wärmeeinflusszone aus, die durch einen deutlichen Temperaturgradienten gekennzeichnet ist. Dabei wird beim Gasschweißen im Vergleich zum Lichtbogenschweißen ein viel größerer Bereich des Werkstücks erwärmt. Dazu muss eine höhere Wärmemenge in das Werkstück eingebracht werden, das deswegen in Folge langsamer abkühlt. Beim Erstarren des Schmelzbades herrschen neben dem hohen Temperaturgradienten (Überhitzung des Schmelzbades) infolge der Energieeinwirkung durch die Wärmequelle auch schnelle Abkühlgeschwindigkeiten, was zu einer unregelmaßigen Verteilung der Mikrostruktur (Seigerung und Dendriten) führt. Das dabei entstehende "Schweißnahtgefüge" ähnelt somit einem globularen Gussgefüge und die Bildung der festen Phase geht von einer Keimbildung mit anschließendem Keimwachstum aus. Die Temperatureinflusszone hat nicht nur Einfluss auf die Schweißnahteigenschaften, sondern auch auf die des Grundmaterials. Somit treten je nach Entfernung orthogonal von der Schweißraupe weg, Rekristallisationserscheinungen oder Grobkornbildung und Poren bzw. andere Gefügeveränderungsprozesse auf, die zu einer unerwünschten Festigkeitsänderung (Härtesack) führen. Die Fügeverbindung weist somit insgesamt schlechtere Dauerfestigkeitseigenschaften auf als Materialien mit nahezu konstanter/homogener Mikrostruktur. Die Bereiche mit den größten Mikrostrukturunterschieden sind die beim Schweißen partiell aufgeschmolzene Zone und die Grobkornzone. Die erst genannte, nur wenige Mikrometer große Zone schließt sich unmittelbar an die Schweißraupe an und je nach Legierungszusammensetzung, Verunreinigungen und Gasen des Grundmaterials schmelzen diese Bereiche am ehesten auf. Die sich daran anschließende Zone ist durch ein sehr grobkörniges Gefüge gekennzeichnet. Je nach chemischer Zusammensetzung des Grundmaterials wächst das Grobkorn und je mehr Kohlenstoff im Stahl enthalten ist, um so höher ist die Gefahr des Aushärtens in diesem Bereich, was wiederum zum Abfall von Zähigkeit und Versprödung führen kann.
-
Bleche, Profile oder andere, auf umformtechnischen Weg erzeugte, Halbzeuge besitzen ein typisches Umformgefüge mit verschieden großen Körnern. Werden diese geschweißt, wird der Schweißzusatzstoff aufgeschmolzen und weist damit eine Gussstruktur mit mehr oder weniger gut ausgebildeten Dendriten (je nach Abkühlung) auf. Bei weiterführenden Bearbeitungsstufen bis hin zum Fertigteil oder bei Belastungen des geschweißten Bauteils im Einsatzgebiet ist der mikrostrukturelle Unterschied der Auslöser für mögliches Materialversagen, weil beide Gefüge diverse, stark voneinander abweichende mechanische Eigenschaften (z.B. Dehnung, Zugfestigkeit) besitzen. Meistens werden diese Erscheinungen noch von Schlackeresten, Oxyden und Poren überlagert. Wie bereits aufgeführt, variiert zwischen den verschiedenen Schweißverfahren die Art des physikalischen Ablaufes. Die meisten, nicht behandelten, Schweißnahtkonstruktionen versagen allerdings im Bereich der Wärmeeinflusszone, weil dort sehr grobes Korn ausgebildet ist, wodurch geringe Festigkeiten die Folge sind. Die vorliegende Erfindungsmeldung bezieht sich auf die aufschmelzenden Schweißverfahren, die sich wiederum durch ihre Funktionsweise bzgl. des Schmelzens der Elektrode unterscheiden. Durch eine stattfindende Gasentladung, die letztendlich zur Ausbildung eines Lichtbogens führt, wird z.B. beim Metall-Schutzgasschweißen (MSG) der Schweißzusatzwerkstoff in Form eines Drahtes abgeschmolzen. Je nach dem, welches Schutzgas verwendet wird, lässt sich das MSG bei Verwendung eines aktiven Gases (z.B. C02) – deshalb als MAG-Schweißen bezeichnet – oder bei Zuführungen eines Inertgases (z. B. Ar, He) – das sogenannte MIG-Schweißen – einteilen. Bei beiden Verfahren ist es notwendig, dass die Schutzgaszuleitung mit einem notwendigen Volumenstrom und der Drahtvorschub aufeinander abgestimmt sind, um Begleitreaktionen zu vermeiden. Bisher werden die nebeneinander existierenden Verfahren Schweißen und Umformung durch geeignete Verfahrensparameter kombiniert. Beide Verfahren zeichnen sich die unterschiedliche Merkmale aus, die jeweils Einfluss auf die Qualität der Halbzeuge ausüben. Es ist bereits aus der Literatur bekannt, dass die nachträgliche Umformung die mechanischen Eigenschaften positiv beeinflusst werden.
-
Das Potenzial der konventionellen Schweißverfahren zur Verbesserung der Lebensdauerverlängerung ist aus technologischer Sicht fast ausgeschöpft weshalb heute zunehmend an der Schweißnahtnachbehandlung (gezielte Gefügebeeinflussung) geforscht wird. So können beispielsweise durch höherfrequente Hammerschlage Randschichtverfestigungen und umforminduzierte Druckeigenspannungen erzeugt werden, die eine Steigerung der Spannungsschwingbreite bei gleicher Lastspielzahl zur Folge haben. Jedoch erfolgt die Umformung der Schweißnaht in diesem Fall nicht unmittelbar nach dem Setzen der Naht. Es handelt sich hierbei um eine Kaltverfestigung die eventuell weiterer thermischer Nachbehandlungen (z.B. Rekristallisationsglühen etc.) bedarf und somit eine Verlängerung der Prozesskette zur Folge hat. Die für den abschließenden Erwärmungsschritt notwendige Energie verursacht zusätzliche Kosten und ist in Hinblick auf die Gesamtressourceneffizienz des Prozesses negativ zu bewerten.
-
Beispielsweise ist es aus der Druckschrift
DE 1 515 222 A bekannt, zwei Bauteile in einem überlappenden Bereich miteinander zu verschweißen und diese anschließend in kaltem Zustand durch Hämmern oder durch Plättrollen zu bearbeiten. Die Plättrollen wirken dabei auch auf gegenüberliegende Flächen der Überlappung ein. Dadurch soll eine Schweißnaht ermöglicht werden, deren Dicke der Dicke des Ausgangsmaterials entspricht und die frei von Welligkeiten und Verzerrungen sowohl in der Schweißzone als auch im umgebenden Material ist. Allerdings erfährt bei diesem Verfahren neben dem das gefügte/angeschrägte Grundmaterial eine direkte Umformung. Damit sind nach dem Einebenen unterschiedliche mikrostrukturelle Erscheinungen mit verschiedenen mechanischen Eigenschaften im Bauteil vorhanden, die nur durch eine Wärmebehandlung homogenisiert werden können. Außerdem findet das Widerstandsschweißen Anwendung, bei dem kein Schweißzusatzwerkstoff (abweichendes Material im Vergleich zum Grundmaterial) aufgeschmolzen wird, um die zu fügenden Bauteile oder Halbzeuge zu verbinden.
-
In der Druckschrift
DE 10 2010 033 929 A1 wird eine Schweißverbindung von Rohren offenbart, bei der eine Nahtnachbehandlung ebenfalls im kalten Zustand durch Hämmern erfolgt.
-
Nachteil dieser Lösung ist die notwendige Wärmebehandlung zur Initiierung von Rekristallisationsvorgängen im kalt umgeformten Bereich und zum Abbau von Eigenspannungen. Dieser Prozess ist nicht nur zeit- und kostenintensiv, sondern reduziert die mechanischen Eigenschaften, durch Kornvergröberung im Grundmaterial.
-
In der Druckschrift
DE 2 205 299 A wird ein Schweißnahtherstellungsverfahren beschrieben, bei dem durch ein Schweißumformverfahren nach dem Schutzgas- oder Unterpulverschweißverfahren das Schweißgut noch während seiner Abkühlung verformt wird. Das Schweißgut wird noch während seiner Abkühlung im Temperaturbereich von 600–950 °C, vorzugsweise bei 700–850 °C in einer oder mehreren Stufen verformt, wobei die Verformung durch Walzen, Schmieden, Ziehen oder Pressen erfolgt. Dadurch sollen die die mechanischen Eigenschaften beeinflussenden Kerben im Schweißnahtübergang entfernt werden und es soll ein feinkörniges Gefüge entstehen, welches unter anderem eine verbesserte Zähigkeit aufweist.
-
Nachteilig ist der erforderliche große Schweißnahtquerschnitt. Ein weiterer Nachteil besteht darin, dass die Umformung lediglich im Bereich der Schweißnaht bis zur Schweißnahtkerbe erfolgt. Durch den Abstand zwischen Schweißdüse und Umformzone geht zu viel Wärme verloren, die in Kombination der empfohlenen Umformung von max. 50 % (idealerweise geringer, dafür mehrfach) kann die dynamische Rekristallisation nicht in den Bereichen der WEZ und der Schweißnaht (auch im Bereich der Schweißwurzel) ablaufen. Somit ist entweder das Gefüge nicht überall feinkörnig oder eine abschließende Wärmebehandlung wäre notwendig, um Rekristallisation zu erzwingen.
-
Ein Verfahren zum thermischen Fügen wenigstens zweier metallischer Bauteile wird in der Druckschrift
DE 10 2009 006 304 A1 offenbart. Dabei werden die zu schweißenden Bauteile vor dem thermischen Energieeintrag mittels einer mechanischen Vorbehandlung plastisch verformt.
-
Nachteilig ist, dass eine Kaltumformung der späteren Wärmeeinflusszone (WEZ) vor dem eigentlichen Fügeprozess notwendig ist, um durch die Schweißwärme beim Fügen eine Rekristallisation in der WEZ zu erzwingen. Eine Umformung nach dem thermischen Energieeintrag findet nicht statt, wodurch das Schweißnahtgefüge in ein feinkörniges Material überführt werden könnte.
-
Es sind weiterhin Lösungen bekannt, bei welchen ein Bauteil durch Auftragaschweißen bearbeitet wird, wobei auf ein Bauteil mehrere Schweißlagen aufgebracht werden.
-
Beispielsweise wird in
DE 10 2011 087 A1 ein derartiges Verfahren beschrieben, bei dem vor dem Aufbringen einer Schweißlage die vorher aufgebrachte Schweißlage durch einen Umformprozess zumindest zum Teil plastisch verformt wird, wodurch ein feinkörniges Gefüge erzeugt werden soll. Dabei liegt die Temperatur der Schweißlage während des Umformprozesses, der sich unmittelbar an den Schweißprozess anschließt, bevorzugt zwischen 600°C bis 800°C, so dass die erstarrte Materialschmelze noch nicht vollständig abgekühlt ist. Der Umformprozess erfolgt bevorzugt durch Hämmer, Stempel oder Walzen. Der Nachteil dieses Verfahrens ist, dass es sich um ein mehrlagiges Schweißverfahren handelt. Außerdem wird die erste Schweißlage zum Teil umgeformt (spricht für geringe Umformgrade) und erst die Wärme der nachfolgenden Schweißlage genutzt, um Rekristallisationsprozesse in der umgeformten, ersten Schweißlage zu initiieren. Damit erfährt die letzte Lage keine Rekristallisationsvorgänge.
-
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zur umforminduzierten Schweißnahtbehandlung zu entwickeln mit welchem nach dem Schutzgasschweißen die Schweißnaht und das Grundmaterial in der Wärmeeinflusszone durch unmittelbare Umformung hinsichtlich ihrer mechanischen Eigenschaften verbessert werden.
-
Diese Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmale des ersten Patentanspruchs gelöst.
-
Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unteransprüchen. Das Verfahren zur umforminduzierten Schweißnahtbehandlung wird insbesondere beim Schweißen mit Zusatzwerkstoff zum Fügen von Bauteilen durchgeführt, wobei nach dem Schweißvorgang eine umformende Bearbeitung der Schweißnaht (auch bezeichnet als Schweißraupe) unter Ausnutzung des beim Schweißen eingebrachten Wärmeeintrages erfolgt, und erfindungsgemäß während des Abkühlens der Schweißnaht sowohl die Schweißnaht als auch das an die Schweißnaht beidseitig angrenzende Grundmaterial einer Umformung unterzogen wird.
-
Die Umformung der Schweißnaht und des an die Schweißnaht angrenzenden Bereichs des Grundmaterials wird nach dem Schweißen bei einer Temperatur oberhalb der Rekristallisationstemperaturdurchgeführt, so dass sich sowohl in der Schweißnaht (bis in die Schweißwurzel, als auch in dem angrenzenden Grundmaterial der Bauteile, welches durch die Schweißtemperatur beaufschlagt wurde, ein feinkörniges Gefüge einstellt.
-
Die Temperatur sollte dabei zumindest im Bereich der Schweißnaht und in dem Bereich der Bauteile, der an die Schweißnaht angrenzt (Wärmeeinflusszone), bei der dem Schweißvorgang folgenden Umformung mindestens das 0,5-fache, insbesondere das 0,6-fache der Schmelztemperatur des Grundmaterials, bevorzugt 1000°C bis 1100 °C, besonders bevorzugt 1050 °C z. B. bei Stahllegierungen oder bevorzugt 850 °C bis 950°C, besonders bevorzugt 900°C z. B. bei Titanlegierungen betragen.
-
Hat sich das zwischen dem Schweißen und dem Umformen die Schweißnaht und der angrenzende Bauteilwerkstoff zu sehr abgekühlt, ist es möglich, eine zusätzliche Erwärmung des Bauteiles zumindest im Schweißnahtbereich und dem an die Schweißnaht angrenzenden Bauteilbereich auf eine Temperatur oberhalb der Rekristallisationstemperatur vorzunehmen. Dies kann beispielsweise mit einer zusätzlichen Erwärmungseinrichtung (beispielsweise durch eine induktive Erwärmung) zwischen der Schweißposition und der Umformposition erfolgen.
-
Die Umformung wird bevorzugt durch Walzen realisiert, wobei durch das Walzen die Schweißnaht bei flächigen Schweißungen eingeebnet und bei winkligen Ausführungen mit einem konkaven Radius versehen wird.
-
Das Verfahren wird bevorzugt zum Schweißen von Rohren, Profilen oder Blechen eingesetzt, wobei bevorzugt als Schweißverfahren das Schutzgasschweißen Anwendung findet.
-
Mit der erfindungsgemäßen Lösung ist es möglich, die Schweißnähte nach dem Metall-Schutzgasschweißen als auch das Grundmaterial in der Wärmeeinflusszone durch unmittelbare Umformung (unter Ausnutzung des Wärmeeintrages) während des Abkühlens der Schweißraupe bzgl. der mechanischen Eigenschaften zu verbessern. Bei Kehlnähten ist neben eventuellen Schweißfehlern die Kerbwirkung und der vorhandene Härteabfall in der Wärmeeinflusszone ein ausschlaggebender Versagensgrund, weshalb mit einer modifizierten Walze eine Rundung bei der Warmumformung erzeugt werden soll. Beim Fügen von Grobblechen sollen eher die Einebnung der Schweißraupe und die Beeinflussung der Wärmeeinflusszone durch Rekristallisation im Vordergrund stehen.
-
Grundsätzlich ist dieses Verfahren für Stahlbaubetriebe mit großen Schweißlängen, z.B. im Bereich von Schiffsbau, Schwermaschinenbau, Träger- und Profilschweißen, Konstruktion, Brückenbau, Großrohre, Rohrleitungsbau von Interesse. Vorteile der Erfindung gegenüber aktuellen Verfahren sind die Verbesserung der Schweißnahtstruktur bzgl. Festigkeits- und Zähigkeitseigenschaften (Umwandlung von Guss- in Umformstruktur) und Verminderung der Kerbwirkung durch optimale Radienbildung und somit Steigerung der Betriebszuverlässigkeit. Die Tailored Blanks können neu/anders dimensioniert werden, weil die Kerbwirkung, die zu einer Überdimensionierung führt, minimiert werden kann und somit für im Wesentlichen ähnliche Bauteilfestigkeiten kleiner und/oder dünner dimensionierte Schweißkonstruktionen denkbar sind. Die Erhöhung der Effektivität durch Einsparung notwendiger Wärmebehandlungsmaßnahmen verkürzt die Prozesskette mit gleichzeitig optimaleren Eigenschaftsprofil stellt das ressourcenschonende Merkmal dar. Durch das neue Verfahren, welches sowohl bei der Vormontage bei automatisierten Schweißprozessen als auch bei einer Vor-Ort-Montage genutzt werden kann, wird die Schweißnaht eingeebnet und bei Blechen, die im Winkel zueinander gefügt wurden, mit einem Radius versehen (Überführung der konvexen Schweißnahtgeometrie in eine konkave). Dadurch sinkt die Kerbwirkung im Bereich der Fügezone gravierend und zusätzlich kann die inhomogene Mikrostruktur im Bereich der Wärmeeinflusszone durch Rekristallisationsprozesse in ein feinkörniges Gefüge überführt werden, woraus bessere mechanische Eigenschaften resultieren. Als mögliche Schweißverfahren können u. a. Gasschmelzschweißverfahren bei großen Querschnitten zur Anwendung kommen, da so die Schweißwärme relativ lange im Werkstoff verbleiben kann und so die Warmumformung problemlos realisierbar ist. Zudem bildet sich bei dieser Variante wenig Martensit, da die Abkühlung bei großen Volumina langsam abläuft und zugleich der thermische Verzug minimiert werden kann. Damit reduziert sich der Bedarf einer zusätzlichen Wärmebehandlung zur Homogenisierung des Gefüges. ln Deutschland werden pro Jahr etwa 8 % der jährlichen Stahlproduktion (entspricht Geschweißte Rohre bieten im Vergleich zu nahtlosen Rohren die Vorteile der hohen Maßgenauigkeit (geringe bis keine Exzentrizität), der sehr hohen Oberflächengüte als auch der geringen Wandstärken (Bandmaterial als Halbzeug), weshalb viele längsnahtgeschweißte Präzisionsrohre im Automobilebereich eingesetzt werden. Bislang werden geschweißte Rohre aus un- bis niedriglegierten Stahlsorten nach dem Biegen U-0-Biegen von Bändern und Schweißen einer mehrfachen Wärmebehandlung unterzogen und teilweise gehämmert, um eine Homogenisierung des Gefüges (grobkörniges Gefüge mit geringen Festigkeiten) im gesamten Rohr als auch eine Einebnung der Schweißnahtüberhöhung sicherzustellen. Dadurch soll gewährleistet werden, dass diese Rohre durch Ziehen auf Endmaß weiterverarbeitet werden können ohne die Ziehwerkzeuge oder das Rohr durch unterschiedliche Querschnittsgeometrie oder spröde Werkstoffeigenschaften zu schädigen. Alternativ könnten auch die bislang eingesetzten, thermo-mechanisch behandelten Bleche mit den höheren Grundfestigkeiten ersetzt werden, da dort die Schweißnaht im Nachgang noch zur Einebnung kaltumgeformt (Hämmern, Kugelstrahlen) werden muss, wobei durch die Kaltverfestigung auch Eigenspannungen induziert werden. Das neue Verfahren macht sich eine Verfahrenskombination aus Schweißen (vorzugsweise dem Schweißverfahren mit einem größeren Wärmeeintrag. wie z. B. Gasschmelzschweißen) und Warmumformung zunutze und führt somit zu einer Prozesskettenverkürzung, was vorrang 1g für Herstellung von Großrohre zur Anwendung kommen soll. Die Einebnung und Gefügehomogenisieren durch Rekristallisationseffekte (gleiche Korngrößen über den gesamten Rohrquerschnitt) erfolgt bei der erfindungsgemäßen Lösung unter Ausnutzung der Schweißwärme nicht nur im Bereich der Schweißnaht sondern auch in dem an die Schweißnaht angrenzenden Grundmaterial. Somit entfallen unter anderem die bisher nach dem Stand der Technik erforderlichen energie- und zeitintensiven Wärmebehandlungen. Die so gefertigten Großrohre können direkt der Weiterverarbeitung oder Adjustage zugeführt werden. Zusätzlich werden eventuell entstehende Fehlstellen in der Naht (Mikrolunker oder Poren) durch den Warmumformprozess verschlossen und eliminiert, wodurch die bislang auf Grund von Dichtheitsproblem aussortierten Rohre verhindert werden können und die Ausschussquote deutlich sinkt. Durch einen hohen Wärmeeintrag und die hinreichend großen Dimensionen, kann die Bildung von Schweißmartensit vermieden werden, wodurch auch keine weitere Wärmebehandlung zur Gefüge- und Eigenschaftshomogenisierung notwendig wird.
-
Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen und zugehörigen Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
-
1 eine dreidimensionale Darstellung einer Anlage zur Durchführung des Verfahrens,
-
2 eine Seitenansicht der Anlage gemäß 1,
-
3 eine Darstellung des Radius im Bereich der Schweißnaht,
-
4 eine Prinzipdarstellung in der Seitenansicht mit angetragenen Positionen A-A und B-B.
-
5 Schliffbilder der Schweißnaht vor und nach der Umformung.
-
In 1 ist eine dreidimensionale Darstellung und in 2 eine Seitenansicht einer Anlage zur Durchführung des Verfahrens dargestellt, die hier zum stoffschlüssigen Fügen von Bauteilen 1 in Form von zwei Blechen durch Längsnahtschweißen eingesetzt wird. Die beiden Bleche / Bauteile 1 liegen in einer sich horizontal erstreckenden Ebene x/z und werden über eine Transportvorrichtung 2 (nur in 1 dargestellt) in Form eines Rollenbandes in x-Richtung = Vorschubrichtung dem Schweiß- und Unformaggregat 3 zugeführt. Dieses weist eine Schweißdüse 4 und ein Umformaggregat 5 auf. Das Umformaggregat 5 besitzt ein im Wesentlichen u-förmiges oberes Gestell 6, an dem eine obere Arbeitswalze 7 und eine über der oberen Arbeitswalze 7 angeordnete obere Stützwalze 8 jeweils um eine nicht bezeichnete horizontale Achse drehbar gelagert sind, wobei die Arbeitswalze 7 mittels eines nicht dargestellten Antriebes angetrieben wird und die Stützwalze 8 nur mit dieser mitläuft. Die Schweißdüse 4 sowie die obere Arbeitswalze 7 und die obere Stützwalze 8 sind bevorzugt höhenverstellbar an dem oberen Gestell 5 angeordnet.
-
Die Schweißdüse 4 ist über einen Arm 4.1 an dem oberen Gestell 5 befestigt, wobei der Arm 4.1 an seinem unteren Bereich in Richtung zur oberen Arbeitswalze 7 gebogen ist, so dass ein relativ geringer Abstand a (bevorzugt etwa 100 mm, insbesondere weniger als 300 mm) der Schweißdüse 4 zum Umformbereich der oberen Arbeitswalze 7 vorhanden ist. Über den Arm 4.1 werden Schutzgas und die Elektrode (nicht dargestellt) der Schweißdüse 4 zugeführt. Unterhalb der Bleche / Bauteile 1 und fluchtend zu dem oberen Gestell 5 ist ein unteres Gestell 9 angeordnet, welches eine untere Arbeitswalze 10 aufweist, die an der Unterseite der Bleche / Bauteile 1 anliegt und durch eine untere Stützwalze 11 abgestützt ist.
-
Es ist möglich, auch die untere Arbeitswalze 10 anzutreiben, alternativ kann diese durch den Vorschub der Bauteile 1 auch mitlaufen. Auch die untere Stützwalze 11 läuft mit der unteren Arbeitswalze 10 mit.
-
Der Außendurchmesser der oberen und unteren Arbeitswalze 7, 10 wird kleiner gewählt als der Durchmesser der oberen und unteren Stützwalzen 8, 11, so dass die Schweißdüse 4 soweit wie möglich an die obere Arbeitswalze 7 heran reichen kann.
-
Der oberste Punkt des Außendurchmessers der unteren Arbeitswalze liegt dabei im Wesentlichen auf der Höhe der Auflage der Transportvorrichtung 2, so dass die Unterseite 1.1 der Bauteile auf der unteren Arbeitswalze 10 anliegt. Die obere Arbeitswalze 7 ist im den Betrag der Blechdicke b der Bauteile 1 von der unteren Arbeitswalze 10 beabstandet. Die mit der Schweißdüse 4 erzeugte Schweißnaht S, durch deren Höhe im Bereich vor der Arbeitswalze 7 eine Dicke b1 (Dicke im Bereich der Schweißnaht vor der Umformung) zu verzeichnen ist, welche höher ist als die Blechdicke b (s. 2), läuft durch die Vorschubbewegung der Bauteile 1 in x-Richtung unter der Arbeitswalze 7 hindurch und wird dadurch auf die Blechdicke b eingeebnet, wodurch der „Materialüberschuss“ der Schweißnaht S auch seitlich verdrängt wird und dadurch der an die Schweißnaht beidseitig angrenzende Bereich der Bauteile einer Umformung und somit einer bereits vorgenannt beschriebenen Gefügeänderung unterzogen wird. Ebenfalls in der Schweißnaht S bis in ihre Wurzel durch die wirkende Umformung eine Gefügeveränderung erzeugt. Die Gefügehomogenisierung durch Rekristallisationseffekte erfolgt bei der erfindungsgemäßen Lösung unter Ausnutzung der Schweißwärme im Bereich der Schweißnaht und auch in dem an die Schweißnaht angrenzenden Grundmaterial. Die Temperaturen der Schweißnaht und des Grundmaterials, welches durch die Schweißnaht erwärmt (Wärmeeinflusszone) wurde, sollten dabei für Stahlwerkstoffe je nach Legierungskonzept zwischen 950 und 1150 °C, bevorzugt bei 1050 °C und für die nachfolgend aufgeführten Grundwerkstoffe bei mindestens folgenden Temperaturen liegen. Für alle Stähle sollten vorzugsweise die obigen Temperaturen gelten. Es ist jedoch auch möglich, das Verfahren auch für Nichteisen-Metalle anzuwenden, dabei sind die Temperaturen anders zu wählen. Prinzipiell könnte gelten mindestens 0,5·Schmelztemperatur, insbesondere mindestens 0,6·Schmelztemperatur.
-
3 zeigt zwei Bauteile 1, die in einem Winkel von 90° miteinander verschweißt wurden. Die obere Arbeitswalze 7 ist verjüngt sich in ihren Durchmesser nach beiden Seiten und weist in ihrer Mitte einen Radius 7.1 auf, so dass die obere Arbeitswalze 7 die Schweißnaht S einebnen kann.
-
4 zeigt eine Prinzipdarstellung des Verfahrensablaufes in der Seitenansicht mit angetragenen Schnitten A-A nach dem Schweißen mit der Schweißnaht S und vor dem Umformen und B-B nach dem Umformen und dem Einebnen der Schweißnaht S bis auf die Dicke b der geschweißten Bauteile 1 unter Verwendung einer oberen Arbeitswalze 7 und einer unteren Arbeitswalze 10.
-
In 5 sind die Schliffe im Bereich der Schweißnaht im Bereich der Positionen A-A und B-B dargestellt. Dabei zeigt im Bereich der Position A-A das Bild 1. – links oben – das Gefüge der Schweißnaht im Bereich der Oberfläche der Schweißnaht, und das Bild 2. – links unten – das unumgeformte Schweißnahtgefüge im Kernbereich der Schweißnaht. Es ist ersichtlich, dass das Gefüge der nicht umgeformten Schweißnaht sowohl an deren Oberfläche als auch in deren Kernbereich (Wurzel) in Form eines Gussgefüges ausgebildet ist. Das Bild 3. – rechts oben – zeigt aus der Position B-B einen Schliff des umgeformten Schweißnahtgefüges im Bereich der Oberfläche und das Bild 4 – rechts unten – einen Schliff des Kernbereiches der umgeformten Schweißnaht – bzw. des umgeformten Schweißnahtgefüges. Es ist ersichtlich, dass in der Position B-B und somit nach dem Umformen der Schweißnaht in dieser ein fernkörniges Gefüge vorliegt.
-
Die Größe bzw. Dimensionierung der Schweißnaht und der damit durch das Walzen zu realisierende Umformgrad, der auch eine Umformung des Materials der an die Schweißnaht angrenzenden Bauteilbereiche gewährleistet, wird beispielsweise in Vorversuchen ermittelt.
-
Bezugszeichenliste
-
- 1
- Bauteile
- 2
- Transportvorrichtung
- 3
- Schweiß- und Umformaggregat
- 4
- Schweißdüse
- 5
- Umformaggregat
- 6
- oberes Gestell
- 7
- obere Arbeitswalze
- 7.1
- Radius
- 8
- obere Stützwalze
- 9
- unteres Gestell
- 10
- untere Arbeitswalze
- 11
- untere Stützwalze
- a
- Abstand
- b
- Blechdicke
- b1
- Dicke im Bereich der Schweißnaht vor der Umformung
- S
- Schweißnaht
-
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 1515222 A [0005]
- DE 102010033929 A1 [0006]
- DE 2205299 A [0008]
- DE 102009006304 A1 [0010]
- DE 102011087 A1 [0013]
