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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eine Bauteils oder Halbzeugs sowie eine Vorrichtung, insbesondere zur Durchführung eines solchen Verfahrens.
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Es ist bekannt, Halbzeuge oder Bauteile durch Schweißverfahren herzustellen. Beispielsweise können Rohre oder rohrförmige Halbzeuge durch Verschweißen entlang einer Längsnaht hergestellt werden.
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Die Herstellung einer Schweißverbindung geht jedoch häufig mit Beeinträchtigungen des Gefüges, insbesondere innerhalb der Schweißzone des jeweiligen Werkstücks, einher. So kann es beim Schweißen von Werkstoffen, die unter Einfluss von Wärme mit Atmosphärengasen reagieren, insbesondere mit Sauerstoff, Stickstoff oder Wasserstoff, zu Gefügebeeinträchtigungen kommen. Es können sich spröde Phasen bilden, die je nach Anzahl und Größe sowohl die Korrosionsbeständigkeit als auch die Dehnbarkeit der Schweißverbindung beeinträchtigen. Dies gilt beispielsweise für Titan, Zirkonium oder Tantallegierungen. Aber auch Stahllegierungen können in ihrem Gefüge durch Schweißprozesse und durch Reaktion mit Atmosphärengasen beeinträchtigt werden. Dies gilt insbesondere für hochlegierte Stähle.
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Schließlich kann die durch das Schweißen bedingte Erwärmung des Werkstoffs Gefügebeeinträchtigungen, wie zum Beispiel Grobkornbildung, Martensitbildung und damit einhergehender Aufhärtung, zur Folge haben. Geschweißte Halbzeuge oder Bauteile mit derart beeinträchtigtem Gefüge sind jedoch in ihrer Weiterverarbeitbarkeit beschränkt. Beispielsweise führen die voranstehend erwähnten Gefügebeeinträchtigungen dazu, dass geschweißte Halbzeuge nicht oder nur in geringem Umfang umgeformt werden können.
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Es ist aus dem Stand der Technik bekannt, Werkstücke in abgeschlossenen Behältern unter Schutzgas oder im Vakuum zu schweißen. Die Evakuierung der atmosphärischen Gase ist jedoch zeit- und kostenintensiv. Des Weiteren schränken die jeweiligen Schutzgas- oder Vakuumkammern die jeweiligen Bauteilabmessungen ein. Schließlich können durch das Schweißen unter Schutzgas oder im Vakuum in jeweils dazu vorgesehenen Behältern lediglich die durch Reaktion mit Atmosphärengasen bedingten Gefügebeeinträchtigungen verhindert oder reduziert werden. Beeinträchtigungen die auf den beim Schweißen erfolgenden Wärmeeintrag zurückzuführen sind, lassen sich auch durch das Schweißen unter Schutzgas oder im Vakuum nicht verringern.
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Weiterhin ist es aus dem Stand der Technik bekannt, geschweißte Halbzeuge oder Bauteile einer Wärmenachbehandlung oder einer Vorwärmung zu unterziehen. So ist in der Druckschrift
DE 100 47 492 A1 ein Verfahren zum Schweißen metallischer Werkstoffe mit induktiver Vorwärmung bekannt, bei dem übliche Schweißwerkzeuge wie zum Beispiel Lichtbogenbrenner oder Rollenelektroden mit Induktoren gekoppelt werden. Durch eine derartige Wärmebehandlung soll mittels derartiger Induktoren ein Aufhärten von Schweißverbindungen verhindert oder zumindest verringert werden.
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Je nach verwendetem Werkstoff und Schweißverfahren kann jedoch auch durch eine aus dem Stand der Technik bekannte Wärmevor- oder Nachbehandlung ein Aufhärten der Schweißverbindung nicht oder nur in ungenügendem Maße sichergestellt werden. Insbesondere lässt sich bei der Herstellung einer Schweißverbindung auch durch eine Wärmevor- und/oder Nachbehandlung eine Grobkornbildung und/oder Martensitbildung nicht immer vermeiden. Je nach verwendetem Werkstoff und Schweißverfahren kann somit trotz Wärmebehandlung eine Gefügebeeinträchtigung erfolgen, sodass die Möglichkeiten der Weiterverarbeitung begrenzt sind.
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Vor dem oben dargelegten Hintergrund besteht die Aufgabe der vorliegenden Erfindung darin, ein Verfahren zum Herstellen eines Halbzeugs oder Bauteils anzugeben, mit dem ein Werkstück durch Schweißen gefügt oder beschichtet wird und hierbei die Gefahr von Gefügebeeinträchtigungen reduziert wird. Ebenso bestand die Aufgabe darin, eine Vorrichtung zur Durchführung eines solchen Verfahrens anzugeben.
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In Bezug auf das Verfahren ist diese Aufgabe durch den Gegenstand von Anspruch 1 und in Bezug auf die Vorrichtung durch den Gegenstand von Anspruch 10 gelöst worden.
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Bei einem erfindungsgemäßen Verfahren zum Herstellen eines Bauteils oder Halbzeugs wird zumindest eine Werkstück durch Schweißen gefügt oder beschichtet, wobei vor und/oder nach dem Schweißen zumindest ein die Schweißzone bildender Werkstückabschnitt zur Beibehaltung oder Anpassung der Gefügestruktur auf eine Temperatur unterhalb der jeweils vorherrschenden Umgebungstemperatur gekühlt wird. Durch eine derartige Kühlung können Gefügebeeinträchtigungen gezielt vermieden werden beziehungsweise jeweils gewünschte Gefügestrukturen gezielt erzeugt oder begünstigt werden. Dabei kann durch ein Kühlen vor dem Schweißen das Überschreiten von kritischen Temperaturen während des Schweißprozesses verhindert oder zumindest der beim Schweißen erhitzte Bereich starker begrenzt werden. Alleine hierdurch lassen sich bereits Verbesserungen der Gefügestruktur des jeweiligen Bauteils erzielen. Weiterhin erlaubt ein Kühlen nach dem Schweißen eine rasche Temperatursenkung der Schweißzone, wodurch insbesondere die Grobkornbildung beziehungsweise Martensitbildung innerhalb der Gefügestruktur unterbunden werden kann. Der Zustand der Gefügestruktur kann auf diese Weise „eingefroren” werden. Eine Aushärtung der Schweißzone kann auf diese Weise wirksam unterbunden werden. Das erfindungsgemäße Verfahren erstreckt sich dabei sowohl auf das Verbindungsschweißen als auch auf das Auftragsschweißen.
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Die durch das erfindungsgemäße Verfahren hergestellten Bauteile oder Halbzeuge weisen innerhalb der jeweiligen Schweißzone eine verbesserte Gefügestruktur auf, die insbesondere eine verbesserte Verformbarkeit für nachfolgende Prozesse gewährleistet. Beispielsweise lassen sich Rohre oder rohrförmige Halbzeuge, die nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt werden, in besonders günstiger Weise durch nachfolgende Umformverfahren, beispielsweise Innenhochdruckumformung, zu dem jeweils gewünschten Bauteil umformen, ohne dass es zu Beschädigungen innerhalb der Schweißzone kommt. Die Gebrauchseigenschaften von Bauteilen oder Halbzeuge, die nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt werden, sind daher verbessert.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird die Kühlung auf eine Temperatur von mindestens 10°C unterhalb der Umgebungstemperatur vorgenommen, vorzugsweise auf mindestens 50°C unterhalb der Umgebungstemperatur. Noch weiter bevorzugt kann die Kühlung auf mindestens 100°C unterhalb der Umgebungstemperatur oder auf mindestens 150°C unterhalb der Umgebungstemperatur vorgenommen werden. Beispielsweise bei der Verwendung von flüssigem Stickstoff kann eine Kühlung auf bis zu minus 196°C erfolgen, wodurch sich die Gefügestruktur innerhalb der Schweißzone besonders stark beeinflussen lässt.
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In weiter bevorzugter Weise kann der die Schweißzone bildende Werkstückabschnitt vor und/oder nach dem Schweißen auf eine Temperatur oberhalb der jeweils vorherrschenden Umgebungstemperatur erwärmt werden. Dies schließt eine Kühlung vor und/oder nach dem Schweißen nicht aus. So kann der die Schweißzone bildende Werkstückabschnitt vor dem Schweißen vorgekühlt und/oder vorgewärmt und/oder nach dem Schweißen nachgekühlt und/oder nachgewärmt werden. Auf diese Weise kann eine größtmögliche Flexibilität in der Beeinflussung der Gefügestruktur innerhalb der Schweißzone erreicht werden. Ein etwaiges Vorkühlen, Vorwärmen, Nachkühlen und/oder Nachwärmen lässt sich so an die jeweiligen Werkstückeigenschaften anpassen, um letztlich die gewünschte Gefügestruktur innerhalb der Schweißzone zu erhalten.
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Es besteht dabei die Möglichkeit, dass vor dem Schweißen sowohl ein Vorwärmen als auch ein Vorkühlen erfolgt. Dabei kann ein etwaiges Vorwärmen vor und/oder nach der Vorkühlung erfolgen. Auch durch eine derartige Maßnahme lassen sich die Gefügeeigenschaften der Schweißzone in gewünschter Weise beeinflussen. Ebenso kann nach dem Schweißen sowohl eine Nachwärmung als auch eine Nachkühlung erfolgen. Dabei kann die Nachwärmung vor und/oder nach der Nachkühlung erfolgen. Auch im Nachgang zum Schweißen gestattet das Durchführen einer Nachwärmung sowie einer Nachkühlung, unabhängig von der Reihenfolge, die Gefügeeigenschaften je nach verwendetem Werkstoff günstig zu beeinflussen.
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In bevorzugter Weise wird das Kühlen mittels Wärmeströmung, Wärmeleitung und/oder Wärmestrahlung vorgenommen. In besonders bevorzugter Weise kann das Kühlen durch Beströmen mit einem fließfähigen Kältemittel erfolgen. Ein derartiges Kältemittel kann mit verhältnismäßig geringem Aufwand auf die Schweißzone aufgebracht werden, bevorzugt beidseitig der Schweißzone, wobei sich zusätzlich die jeweils gewünschte Temperatur leicht einstellen lässt. In besonders bevorzugter Weise kann als Kältemittel ein Schutzgas eingesetzt werden, besonders bevorzugt ein inertes Schutzgas. Durch die Verwendung von Schutzgas als Kältemittel lassen sich nicht nur temperaturbedingte Gefügebeeinträchtigungen vermeiden, sondern auch solche, die durch Reaktion mit Atmosphärengasen bedingt sind. Ebenso ist es möglich, ein gesondertes Kältemittel mit Schutzgas zu vermischen, um einerseits Reaktionen mit Atmosphärengasen zu vermeiden und gleichzeitig die gewünschte Kühlwirkung zu erzielen.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des vorliegenden Verfahrens erfolgt das Erwärmen mittels Wärmeströmung, Wärmeleitung, Wärmestrahlung und/oder induktiv. Beispielsweise kann auch eine Beströmung mit einem fließfähigen Wärmemittel erfolgen, beispielsweise mit erwärmtem Schutzgas. Eine induktive Erwärmung ist insofern von Vorteil, als diese mit geringem apparativem Aufwand bewerkstelligt werden kann und gleichzeitig eine Erwärmung mit hoher Präzision vorgenommen werden kann. Sowohl die Temperatur als auch der Erwärmungsbereich lassen sich hierdurch präzise einstellen.
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In weiter bevorzugter Weise ist die Größe und/oder Form des zu kühlenden und/oder zu erwärmenden Werkstückabschnitts an die Geometrie des Werkstücks und/oder die gewünschte Gefügestruktur angepasst. Auf diese Weise besteht die Möglichkeit, flexibel auf die jeweiligen Werkstückgegebenheiten sowie die gewünschte Gefügestruktur einzugehen. Dabei kann die Größe und/oder Form des Kühlbereichs beispielsweise durch die Anzahl und/oder Form aktiver Gasdüsen für ein fluidförmiges Kältemittel eingestellt werden. Sofern eine intensive Kühlung über einen verhältnismäßig großflächigen Bereich gewünscht ist. wird die Anzahl aktiver Gasdüsen erhöht, wohingegen bei einer geringfügigen oder nur punktuellen Kühlung mit lediglich wenig aktiven Gasdüsen gearbeitet werden kann. Demgegenüber besteht die Möglichkeit, die Größe und/oder Form eines etwaigen Erwärmungsbereichs durch die Anzahl und/oder Form aktiver Induktoren einzustellen. Eine Anpassung an die jeweils vorliegenden Bedingungen kann so mit nur geringem Aufwand erreicht werden.
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In weiter bevorzugter Weise erfolgt das Schweißen und/oder Kühlen und/oder Erwärmen teilmechanisch, vollmechanisch oder automatisiert, bevorzugt mittels stationärer Schweißvorrichtung. Dabei wird unter einem teilmechanischen Schweißen verstanden, dass die Brenner beziehungsweise Werkstückführung und auch die Werkstückhandhabung von Hand erfolgt, wohingegen die Schweißzusatzvorschub mechanisch erfolgt. Bei einem vollmechanischen Schweißen erfolgt sowohl die Brenner- beziehungsweise Werkstückführung und auch der Schweißzusatzvorschub mechanisch. Lediglich die Werkstückhandhabung erfolgt von Hand. Ein automatisiertes Schweißen geht einher mit einer mechanischen Brenner- beziehungsweise Werkstückführung, einem mechanischen Schweißzusatzvorschub sowie einer mechanischen Werkstückhandhabung. In Bezug auf das Kühlen und/oder Erwärmen richtet sich der Grad der Mechanisierung oder Automatisierung nach der Führung etwaiger Kühl- beziehungsweise Wärmeeinheiten beziehungsweise der Zuführung eines Kühl- oder Wärmemittels. Insbesondere bei vollmechanischen oder automatisierten Verfahren kann eine hohe Reproduzierbarkeit sichergestellt werden, sodass die gewünschten Gefügeeigenschaften in der Schweißzone mit hoher Genauigkeit eingestellt werden können.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung erfolgt das Schweißen im Schmelz-, Laserstrahl-, Lichtbogen-, Plasma-, oder Elektronenstrahlschweißverfahren. Derartige Verfahren erlauben eine Verschweißung mit hoher Prozesssicherheit und erlauben mit verhältnismäßig geringem Aufwand eine Kühlung und/oder Erwärmung gemäß des vorliegenden Verfahrens. In weiter bevorzugter Weise besteht das Werkstück aus einer Titan-, Zirkonium-, Tantal- oder Stahllegierung. Bei der Stahllegierung handelt es sich beispielsweise um einen hochlegierten Stahl. Bei dem Schweißen derartiger Werkstoffe wird in bevorzugter Weise Schutzgas, insbesondere als Kältemittel und/oder als Wärmemittel, verwendet, um eine Reaktion mit Atmosphärengasen zu vermeiden.
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In weiter bevorzugter Weise erfolgt nach dem Schweißen und/oder Nachkühlen und/oder Nachwärmen ein Umformen, insbesondere im Innenhochdruckumformverfahren. Durch Umformverfahren lassen sich mit nur wenigen Prozessschritten komplexe Geometrien formen, die für das jeweils gewünschte Bauteil erforderlich sein können. Das Innenhochdruckumformen gewährleistet besonders hohen Gestaltungsfreiraum hinsichtlich der gewünschten Bauteilgeometrie.
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Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung weist eine Vorrichtung, insbesondere zur Durchführung eines voranstehend beschriebenen Verfahrens wenigstens eine Temperiereinheit auf, die dazu eingerichtet ist, ein Werkstück vor und/oder nach dem Schweißen zumindest entlang eines die jeweilige Schweißzone bildenden Werkstückabschnitts auf eine Temperatur unterhalb der vorherrschenden Umgebungstemperatur zu kühlen. Mit einer solchen Vorrichtung lässt sich ein voranstehend beschriebenes Verfahren auf besonders einfache Art und Weise ausführen. Durch die Kühlung der Schweißzone mittels der Temperiereinheit kann die Gefügestruktur innerhalb der Schweißzone gezielt beeinflusst werden. Die Gebrauchseigenschaften, insbesondere hinsichtlich einer nachfolgenden Umformoperation des Werkstücks, können so verbessert werden.
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Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung der Vorrichtung ist zumindest eine Temperiereinheit vorgesehen, die dazu eingerichtet ist, ein Werkstück vor und/oder nach dem Schweißen zumindest eines entlang die jeweilige Schweißzone bildenden Werkstückabschnitts auf eine Temperatur oberhalb der vorherrschenden Umgebungstemperatur zu erwärmen. Auf diese Weise ist es möglich, flexibel eine Kühlung und/oder eine Erwärmung der jeweiligen Schweißzone vorzusehen. So kann es beispielsweise wünschenswert sein, vor dem Schweißen entweder eine Kühlung und/oder eine Erwärmung vorzunehmen und nach dem Schweißen ebenfalls eine Kühlung und/oder Erwärmung. Ebenso kann es wünschenswert sein, vor dem Schweißen sowohl ein Kühlen als auch ein Erwärmen vorzunehmen. Selbiges gilt für die Nachbehandlung nach dem Schweißen.
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Nach einer bevorzugten Ausgestaltung der Vorrichtung ist die Temperiereinheit sowohl zur Erwärmung als auch zur Kühlung eingerichtet. Hierdurch können mit nur wenigen Komponenten alle erforderlichen Funktionen der jeweiligen Vorrichtung bereitgestellt werden. Ebenso ist es möglich, eine Mehrzahl von Temperiereinheiten vorzusehen, wobei bevorzugt zumindest eine Temperiereinheit als Kühleinheit und zumindest eine weitere Temperiereinheit als Wärmeeinheit ausgebildet ist. Auf diese Weise lassen sich die jeweils gewünschten Wärme- beziehungsweise Kühlfunktionen durch unterschiedliche Komponenten bereitstellen, wodurch die Vor- und Nachbearbeitungsflexibilität weiter verbessert wird.
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Gemäß einer Ausgestaltung der Vorrichtung weist die Temperiereinheit zumindest eine Düse für ein fließfähiges Kältemedium, insbesondere eine Schutzgasdüse, und/oder Induktoren zur induktiven Erwärmung auf. Dabei ist die geometrische Form der Temperiereinheit in bevorzugter Weise an das jeweilige Werkstück und/oder die Geometrie der jeweiligen Schweißzone angepasst. Es kann schließlich von Vorteil sein, wenn die Temperiereinheit sowohl Düsen für ein Kältemedium als auch Induktoren zur induktiven Erwärmung aufweist, wodurch ein kompakter Aufbau der Vorrichtung sichergestellt werden kann.
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Ein voranstehend beschriebenes Verfahren beziehungsweise eine voranstehend beschriebene Vorrichtung eignet sich insbesondere für die Herstellung von Bauteilen oder Halbzeugen in Anwendungen, bei denen Sonderwerkstoffe verschweißt werden, beziehungsweise verhältnismäßig große Bauteil- oder Halbzeugabmessungen erforderlich sind. Hierzu zählen beispielsweise der Behälterbau, der Anlagenbau, der Flugzeugbau, der Reaktorbau sowie der Turbinenbau. Durch die vorliegende Erfindung wird insbesondere eine geeignete Gefügestruktur sichergestellt, die insbesondere durch eine gezielte Kühlung vor und/oder nach dem Schweißen sichergestellt werden kann. Durch Verwendung von Schutzgas als fließfähiges Kältemedium wird eine ausreichende lokale Schutzabdeckung sichergestellt, sodass eine aufwändige Evakuierung von Schutzgas oder Vakuumkammern nicht mehr erforderlich ist. Eine hierüber hinausgehende Nachbehandlung der Schweißnähte ist bei Durchführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens beziehungsweise bei Einsatz einer erfindungsgemäßen Vorrichtung nicht mehr notwendig.
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Weitere Ausgestaltungen der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus Kombinationen der in den Ansprüchen, der Beschreibung sowie den Figuren offenbarten Merkmale. Die vorliegende Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen und zugehörigen Zeichnungen näher erläutert.
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Es zeigen:
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1 eine schematische Perspektivdarstellung einer Vorrichtung gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.
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2 eine schematische Schnittdarstellung einer Vorrichtung gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung.
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3 eine Schnittdarstellung einer Vorrichtung gemäß einer Ausführungsform der Erfindung quer zur Längserstreckung des zu schweißenden Werkstücks.
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4 eine Seitenansicht einer Vorrichtung entlang einer Längserstreckung des zu schweißenden Werkstücks.
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1 und 2 zeigen Perspektivdarstellungen einer Vorrichtung zum Laserschweißen von Rohren gemäß der vorliegenden Erfindung. Ferner sind in den 3 und 4 Seitenansichten der Vorrichtung aus unterschiedlichen Blickrichtungen dargestellt.
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Die Laserstrahlschweißvorrichtung 1 weist eine Temperiereinheit 2 auf, die dazu eingerichtet ist, ein Werkstück 4 vor und/oder nach dem Schweißen zumindest entlang eines die jeweilige Schweißzone 6 bildenden Werkstückabschnitts auf eine Temperatur unterhalb der vorherrschenden Umgebungstemperatur zu kühlen. Dabei weist die Temperiereinheit 2 gemäß der vorliegenden Ausführungsform zwei ringförmige Elemente 8 und 10 auf, welche das zu schweißende Werkstück umschließen. Ferner weist die Temperiereinheit auch ein Stiftelement 12 auf, welches in das längs zu verschweißende Rohr 4 hineinragt.
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Die als Schutzgasdüsen zur Beströmung des Werkstücks 4 ausgebildeten Elemente 8, 10 und 12, insbesondere zur Beströmung entlang eines die Schweißzone 6 bildenden Werkstückabschnitts, sind in 1–4 ring- bzw. zylinderförmig ausgeführt. Die Geometrie der Schutzgasdüsen ist von der Geometrie der zu schweißenden Halbzeuge/Bauteile abhängig und kann entsprechend angepasst werden. Ferner sind die Schutzgasdüsen 8 und 10 und/oder 12 mit Induktoren zur induktiven Erwärmung ausgestattet und/oder leiten ein unterkühltes Medium, z. B. gekühlte Luft, Stickstoff o. ä. zur Schweißzone. in bevorzugter Weise sind die Schutzgasdüsen und/oder die Induktoren lediglich in einem der Schweißzone zugeordneten Bereich angeordnet. Ebenso ist es möglich, die Elemente 8 und 10 sowie 12 ringsherum mit Schutzgasdüsen und/oder Induktoren auszustatten und/oder der Schweißzone 6 ein unterkühltes Medium zuzuführen, um hinsichtlich unterschiedlicher Anwendungsfälle eine größtmögliche Flexibilität sicherzustellen.
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Ferner ist die Vorrichtung 1 mit einer Lasereinheit 14 ausgestattet, über welche die erforderliche Laserleistung für das Laserstrahlschweißen bereitgestellt wird. Ferner ist die Vorrichtung 2 mit einer Zuführeinrichtung 16 ausgestattet, über welches der jeweilige Schweißzusatz 18 automatisiert der jeweiligen Schweißstelle zugeführt werden kann.
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Die voranstehend beschrieben Vorrichtung gestattet eine vollautomatisierte Verschweißung des Werkstücks 4 entlang einer Längsschweißnaht mit vor- und/oder nachgelagerter Kühlung und/oder Erwärmung der Schweißzone. Die Gefügestruktur innerhalb der Schweißzone lässt sich auf diese Weise in besonders vorteilhafter Weise beeinflussen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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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.
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Zitierte Patentliteratur
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