DE102016117914B4

DE102016117914B4 - Verfahren zum Herstellen eines Bauteils oder Halbzeugs sowie Vorrichtung zur Durchführung desselben

Info

Publication number: DE102016117914B4
Application number: DE102016117914.0A
Authority: DE
Inventors: Gunnar Bürkner; Frank Riedel; Tibor Paizs
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 2016-09-22
Filing date: 2016-09-22
Publication date: 2019-09-05
Anticipated expiration: 2036-09-23
Also published as: DE102016117914A1

Abstract

Verfahren zum Herstellen eines Bauteils oder Halbzeugs, bei dem zumindest ein Werkstück durch Schweißen gefügt oder beschichtet wird, wobei vor und nach dem Schweißen zumindest ein die Schweißzone (6) bildender Werkstückabschnitt zur Beibehaltung der Gefügestruktur eines an die Schweißzone (6) angrenzenden Werkstückabschnitts oder zur Anpassung der Gefügestruktur der Schweißzone (6) oder des an die Schweißzone (6) angrenzenden Werkstückabschnitts gekühlt wird, dadurch gekennzeichnet, dass ein fließfähiges Kältemittel zur gleichzeitigen Kühlung und Schutzgasabdeckung des die Schweißzone (6) bildenden Werkstückabschnitts eingesetzt wird, wobei das fließfähige Kältemittel dem die Schweißzone (6) bildenden Werkstückabschnitt über wenigstens eine der Schweißzone (6) vorgeschaltete Temperiereinheit (2; 10) mit wenigstens einer Schutzgasdüse und zusätzlich über wenigstens eine der Schweißzone (6) nachgeschaltete Temperiereinheit (2; 8) mit wenigstens einer Schutzgasdüse, die gesondert von der vorgeschalteten Temperiereinheit (2; 10) ausgebildet und davon beabstandet ist, zugeführt wird, und der die Schweißzone (6) bildende Werkstückabschnitt vor und nach dem Schweißen über einen Induktor in der der Schweißzone (6) vorgeschalteten Temperiereinheit (2; 10) und über einen Induktor in der der Schweißzone (6) nachgeschalteten Temperiereinheit (2; 8) induktiv erwärmt wird.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eine Bauteils oder Halbzeugs sowie eine Vorrichtung, insbesondere zur Durchführung eines solchen Verfahrens.
Es ist bekannt, Halbzeuge oder Bauteile durch Schweißverfahren herzustellen. Beispielsweise können Rohre oder rohrförmige Halbzeuge durch Verschweißen entlang einer Längsnaht hergestellt werden.
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.
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.
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.
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.
Weiterer verwandter Stand der Technik ist in der WO 88/ 06 505 A1, EP 2 511 037 A1 , US 5 393 949 A , DE 101 37 776 C1 und DE 1 691 149 U offenbart.
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.
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.
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 9 gelöst worden.
Bei einem erfindungsgemäßen Verfahren zum Herstellen eines Bauteils oder Halbzeugs wird zumindest eine Werkstück durch Schweißen gefügt oder beschichtet, wobei vor und nach dem Schweißen zumindest ein die Schweißzone bildender Werkstückabschnitt zur Beibehaltung der Gefügestruktur eines an die Schweißzone angrenzenden Werkstückabschnitts oder zur Anpassung der Gefügestruktur der Schweißzone oder des an die Schweißzone angrenzenden Werkstückabschnitts gekühlt wird, wobei ein fließfähiges Kältemittel zur gleichzeitigen Kühlung und Schutzgasabdeckung des die Schweißzone bildenden Werkstückabschnitts eingesetzt wird, wobei das fließfähige Kältemittel dem die Schweißzone bildenden Werkstückabschnitt über wenigstens eine der Schweißzone vorgeschaltete Temperiereinheit mit wenigstens einer Schutzgasdüse und zusätzlich über wenigstens eine der Schweißzone nachgeschaltete Temperiereinheit mit wenigstens einer Schutzgasdüse, die gesondert von der vorgeschalteten Temperiereinheit ausgebildet und davon beabstandet ist, zugeführt wird, und der die Schweißzone bildende Werkstückabschnitt vor und nach dem Schweißen über einen Induktor in der der Schweißzone vorgeschalteten Temperiereinheit und über einen Induktor in der der Schweißzone nachgeschalteten Temperiereinheit induktiv erwärmt 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 stärker 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.
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.
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.
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.
Erfindungsgemäß erfolgt das Kühlen durch Beströmen mit einem fließfähigen Kältemittel. 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. Erfindungsgemäß wird als Kältemittel ein Schutzgas eingesetzt, 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.
Erfindungsgemäß erfolgt das Erwärmen induktiv. 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.
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.
In weiter bevorzugter Weise erfolgt das Schweißen und/oder Kühlen und/oder Erwärmen teilmechanisch, vollmechanisch oder automatisiert. 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.
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.
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.
Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung weist eine Vorrichtung, insbesondere zur Durchführung eines voranstehend beschriebenen Verfahrens wenigstens zwei Temperiereinheiten auf, die dazu eingerichtet sind, ein Werkstück vor und nach dem Schweißen zumindest entlang eines die jeweilige Schweißzone bildenden Werkstückabschnitts zu kühlen, wobei jede Temperiereinheit konfiguriert ist, ein fließfähiges Kältemittel zur gleichzeitigen Kühlung und Schutzgasabdeckung des die Schweißzone bildenden Werkstückabschnitts über wenigstens eine Schutzgasdüse zuzuführen, und wobei jeder Temperatureinheit ein Induktor zugeordnet ist, der konfiguriert ist, den die Schweißzone bildenden Werkstückabschnitt induktiv zu erwärmen, wobei wenigstens eine der Temperiereinheiten der Schweißzone vorgeschaltet ist und wenigstens eine der Temperiereinheiten der Schweißzone nachgeschaltet ist. 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.
Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung der Vorrichtung ist zumindest eine der Temperiereinheiten dazu eingerichtet, ein Werkstück 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.
Erfindungsgemäß 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. Erfindungsgemäß ist eine Mehrzahl von Temperiereinheiten vorgesehen. Auf diese Weise lassen sich die jeweils gewünschten Wärme- beziehungsweise Kühlfunktionen durch unterschiedliche Komponenten bereitstellen, wodurch die Vor- und Nachbearbeitungsflexibilität weiter verbessert wird.
Gemäß einer Ausgestaltung der Vorrichtung ist die geometrische Form der Temperiereinheit in bevorzugter Weise an das jeweilige Werkstück und/oder die Geometrie der jeweiligen Schweißzone angepasst.
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.
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.
Es zeigen:

1 eine schematische Perspektivdarstellung einer Vorrichtung gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.
2 eine schematische Schnittdarstellung einer Vorrichtung gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung.
3 eine Schnittdarstellung einer Vorrichtung gemäß einer Ausführungsform der Erfindung quer zur Längserstreckung des zu schweißenden Werkstücks.
4 eine Seitenansicht einer Vorrichtung entlang einer Längserstreckung des zu schweißenden Werkstücks.

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.
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.
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.
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.
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.

Claims

Verfahren zum Herstellen eines Bauteils oder Halbzeugs, bei dem zumindest ein Werkstück durch Schweißen gefügt oder beschichtet wird, wobei vor und nach dem Schweißen zumindest ein die Schweißzone (6) bildender Werkstückabschnitt zur Beibehaltung der Gefügestruktur eines an die Schweißzone (6) angrenzenden Werkstückabschnitts oder zur Anpassung der Gefügestruktur der Schweißzone (6) oder des an die Schweißzone (6) angrenzenden Werkstückabschnitts gekühlt wird, dadurch gekennzeichnet, dass ein fließfähiges Kältemittel zur gleichzeitigen Kühlung und Schutzgasabdeckung des die Schweißzone (6) bildenden Werkstückabschnitts eingesetzt wird, wobei das fließfähige Kältemittel dem die Schweißzone (6) bildenden Werkstückabschnitt über wenigstens eine der Schweißzone (6) vorgeschaltete Temperiereinheit (2; 10) mit wenigstens einer Schutzgasdüse und zusätzlich über wenigstens eine der Schweißzone (6) nachgeschaltete Temperiereinheit (2; 8) mit wenigstens einer Schutzgasdüse, die gesondert von der vorgeschalteten Temperiereinheit (2; 10) ausgebildet und davon beabstandet ist, zugeführt wird, und der die Schweißzone (6) bildende Werkstückabschnitt vor und nach dem Schweißen über einen Induktor in der der Schweißzone (6) vorgeschalteten Temperiereinheit (2; 10) und über einen Induktor in der der Schweißzone (6) nachgeschalteten Temperiereinheit (2; 8) induktiv erwärmt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlung auf eine Temperatur von mindestens 10 °C unterhalb der Umgebungstemperatur vorgenommen wird, vorzugsweise auf mindestens 50 °C unterhalb der Umgebungstemperatur, weiter bevorzugt auf mindestens 100 °C unterhalb der Umgebungstemperatur, besonders bevorzugt auf mindestens 150 °C unterhalb der Umgebungstemperatur.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der die Schweißzone (6) bildende Werkstückabschnitt vor und/oder nach dem Schweißen auf eine Temperatur oberhalb der jeweils vorherrschenden Umgebungstemperatur erwärmt wird und/oder wobei vor dem Schweißen der die Schweißzone (6) bildende Werkstückabschnitt vorgekühlt und/oder vorgewärmt wird und/oder wobei nach dem Schweißen der die Schweißzone (6) bildende Werkstückabschnitt nachgekühlt und/oder nachgewärmt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass als Kältemittel inertes Schutzgas eingesetzt wird.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Größe und/oder Form des zu kühlenden und/oder zu erwärmenden Werkstückabschnitts an die Geometrie und/oder Form des Werkstücks und/oder die gewünschte Gefügestruktur angepasst ist, wobei die Größe des Kühlbereichs vorzugsweise durch die Anzahl und/oder Form aktiver Gasdüsen für das fluidförmige Kältemittel eingestellt wird und/oder wobei die Größe und/oder Form des Erwärmungsbereichs durch die Anzahl und/oder Form aktiver Induktoren eingestellt wird.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Schweißen und/oder Kühlen und/oder Erwärmen teilmechanisch, vollmechanisch oder automatisiert erfolgt.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Schweißen im Schmelz-, Laserstrahl-, Lichtbogen-, Plasma- oder Elektronenstrahlschweißverfahren erfolgt und/oder wobei das Werkstück aus einer Titan-, Zirkonium-, Tantal- oder Stahllegierung besteht.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass nach dem Schweißen und/oder Nachkühlen und/oder Nachwärmen ein Umformen erfolgt, insbesondere ein Innenhochdruckumformen.
Vorrichtung (1), zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der vorstehenden Ansprüche, mit wenigstens zwei Temperiereinheiten (2; 8, 10), die dazu eingerichtet sind, ein Werkstück vor und nach dem Schweißen zumindest entlang eines die jeweilige Schweißzone (6) bildenden Werkstückabschnitts zu kühlen, wobei jede Temperiereinheit (2; 8, 10) konfiguriert ist, ein fließfähiges Kältemittel zur gleichzeitigen Kühlung und Schutzgasabdeckung des die Schweißzone (6) bildenden Werkstückabschnitts über wenigstens eine Schutzgasdüse zuzuführen, und wobei jeder Temperiereinheit (2; 8, 10) ein Induktor zugeordnet ist, der konfiguriert ist, den die Schweißzone (6) bildenden Werkstückabschnitt induktiv zu erwärmen, wobei wenigstens eine der Temperiereinheiten (2; 8, 10) der Schweißzone (6) vorgeschaltet ist und wenigstens eine der Temperiereinheiten (2; 8, 10) der Schweißzone (6) nachgeschaltet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine der Temperiereinheiten (2; 8, 10) dazu eingerichtet ist, ein Werkstück zumindest entlang eines die jeweilige Schweißzone (6) bildenden Werkstückabschnitts auf eine Temperatur oberhalb der vorherrschenden Umgebungstemperatur zu erwärmen.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die geometrische Form der Temperiereinheit (2; 8, 10) bevorzugt an das jeweilige Werkstück angepasst ist.