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Stand der Technik
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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer mehrlagigen Verbundbramme aus mindestens zwei Vorkomponenten, wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfasst:
- -- in einem ersten Schritt werden die Vorkomponenten bereitgestellt,
- -- in einem zweiten Schritt, nach dem ersten Schritt, wird mithilfe einer Schweißanordnung eine Schweißnaht zwischen den Vorkomponenten ausgebildet. Ferner betrifft die vorliegende Erfindung eine Verfahren zur Herstellung eines Werkstoffverbunds sowie eine Schweißanordnung zur Erzeugung einer Schweißnaht zwischen Vorkomponenten.
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Oft stellen die Eigenschaftsprofile von Werkstoffen, insbesondere auch Stahlwerkstoffen, einen Kompromiss zwischen verschiedenen Anforderungen, die sich aus der Herstellung und dem Einsatz von Bauteilen ergeben, dar. So ist beispielsweise bei verschleißbeanspruchten Bauteilen eine hohe Härte bzw. Festigkeit hinsichtlich einer maximalen Lebensdauer gefordert, während diese aus fertigungstechnischer Sicht bei der Herstellung derartiger Bauteile häufig limitiert werden muss, sodass die Lebensdauer ebenfalls limitiert wird. Beispielhaft, mit Blick auf den automobilen Leichtbau, ist ein gleichzeitiges Maximieren gegenläufiger Eigenschaften, wie der Festigkeit und des Umformvermögens (Duktilität), in einem Bauteil erforderlich. Das Erreichen einer Steigerung gegenläufiger Eigenschaften in einem Konstruktionswerkstoff ist mit einem monolithischen Werkstoff nahezu unmöglich. Deshalb werden in diesem Zusammenhang häufig mehrlagige Stahlwerkstoffverbunde verwendet. Solche Werkstoffverbunde werden insbesondere durch Warmwalzplattieren, aus mehrlagigen, auch als Verbundbrammen bezeichneten, Ausgangsblöcken gefertigt, die zu Warmband des Werkstoffverbundes ausgewalzt werden. Die Herstellung solcher Verbundbrammen stellt einen zusätzlichen Fertigungsschritt dar, der auf der Kostenseite dem erreichbaren technischen Zusatznutzen gegenübergestellt werden muss. Um ein wirtschaftlich vorteilhaftes Produkt erzeugen zu können, ist es daher vorteilhaft, alle Teilfertigungsschritte durch technische Möglichkeiten hinsichtlich ihrer Wirtschaftlichkeit zu optimieren.
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Eine Möglichkeit der Herstellung einer Verbundbramme wird beispielsweise in der
DE 10 2005 006 606 B3 beschrieben, wobei mindestens zwei im Wesentlichen quaderförmige Platten, mit ihren oberflächenbehandelten Oberflächen aufeinandergelegt werden und miteinander zu einer Verbundbramme verschweißt werden. Die Verbundbramme wird dann auf eine Warmwalzanfangstemperatur erwärmt und zu einem coilfähigen walzplattierten Warmband warmgewalzt.
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Aufgrund der Abmessungen der Vorkomponenten/Verbundlagen erfolgt die Schweißung typischerweise abweichend von der Wannenlage PA. Die dabei nicht vorhandene geometrische Fixierung des Schmelzbades und der Hilfsmittel schränkt die Anwendbarkeit von Verfahren mit hoher Abschmelzleistung, wie beispielsweise des Unterpulverschweißens (UP-Schweißen), stark ein. Auch beim Metall-Schutzgas-Schweißen (MSG-Schweißen) kann es bei zu großem Schmelzbad zu Bindefehlern und bei zu großer Leistung des Lichtbogens zu tiefen Einbrandkerben kommen. Des Weiteren besteht bei zu hoher Wärmeeinbringung die Gefahr der Überhitzung des Schmelzbades, welche sich beispielsweise in der Bildung von Poren äußern kann. Aufgrund der Dicke der Verbundbrammen und deren chemischer Zusammensetzung besteht zudem die Gefahr der Bildung von Bereichen hoher Härte und Kaltrissen, typischerweise in der Wärmeeinflusszone der Schweißnaht. Diesem muss üblicherweise durch das Vorwärmen der Vorkomponenten/Verbundlagen Rechnung getragen werden. Eine hohe Wärmeeinbringung/Streckenenergie ist ferner zur Vermeidung dieser unerwünschten Eigenschaften vorteilhaft. Es besteht somit häufig ein Zielkonflikt zwischen hoher Streckenenergie und großem Schmelzbad und damit der Wirtschaftlichkeit und der Prozessstabilität bzw. der Vermeidung von Ungänzen.
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Offenbarung der Erfindung
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Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zur Herstellung einer mehrlagigen Verbundbramme bereitzustellen, mit dem Kosten, Herstellungsaufwand und die Gefahr der Ausbildung von Bindefehlern und Poren reduziert werden können.
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Erfindungsgemäß wird die Aufgabe gelöst durch ein Verfahren zur Herstellung einer mehrlagigen Verbundbramme aus mindestens zwei Vorkomponenten, wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfasst:
- -- in einem ersten Schritt werden die Vorkomponenten bereitgestellt,
- -- in einem zweiten Schritt, nach dem ersten Schritt, wird mithilfe einer Schweißanordnung eine Schweißnaht zwischen den Vorkomponenten ausgebildet, dadurch gekennzeichnet, dass die Schweißanordnung eine Schweißeinrichtung und eine Wärmeeinbringeinrichtung umfasst, wobei mithilfe der Schweißeinrichtung eine Schweißraupe der Schweißnaht ausgebildet wird, wobei die Schweißeinrichtung und die Wärmeeinbringeinrichtung im zweiten Schritt relativ zu den Vorkomponenten in eine Schweißrichtung eine Relativbewegung ausführen, wobei die Schweißeinrichtung und die Wärmeeinbringeinrichtung in Schweißrichtung in einem Abstand zueinander angeordnet sind, wobei der Abstand der Schweißeinrichtung und der Wärmeeinbringeinrichtung derart gewählt ist, dass die Schweißraupe mithilfe der Wärmeeinbringeinrichtung erwärmt wird, nachdem die Schweißraupe erstarrt ist.
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Hierdurch ist es erfindungsgemäß möglich, die Abkühlzeit der Schweißraupe mithilfe der Wärmeeinbringvorrichtung, die die Schweißraupe lokal erneut erwärmt, zu erhöhen. Gleichzeitig kann die Schmelzbadgröße vergleichsweise gering gehalten werden, was die Gefahr der Ausbildung von Bindefehlern und Poren reduziert. Weiterhin ist es vorteilhaft möglich, dass die untere Nahtflanke eine Stützwirkung auf das Schmelzbad ausübt. Aufgrund des vergleichsweise kleinen Schmelzbades (bei der Ausbildung der Schweißraupe) ist die Anforderung an diese Stützwirkung geringer als dies bei einem großen Schmelzbad der Fall wäre. Erfindungsgemäß ist es möglich, dass die Schweißeinrichtung in Schweißrichtung vor der Wärmeeinbringeinrichtung angeordnet ist. Erfindungsgemäß ist es insbesondere vorgesehen, dass die Schweißraupe mithilfe der Wärmeeinbringeinrichtung in einem Bereich lokal erwärmt wird, nachdem die Schweißraupe in diesem Bereich bereits erstarrt ist. Es ist denkbar, dass ein kontinuierlicher Schweißprozess bereitgestellt wird.
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Ein weiterer Vorteil ergibt sich dadurch, dass die Schweißeinrichtung und die Wärmeeinrichtung in einem Abstand angeordnet sind. Somit ist eine räumliche Trennung der beiden Punkte gegeben, an denen Wärme in das Material eingebracht wird. Insofern ist der Punkte der Wärmeeinbringung durch die Schweißeinrichtung und der Punkt der Wärmeeinbringung durch die Wärmeeinbringeinrichtung getrennt, wodurch der Grad der Abkühlung im Nahtbereich eingestellt werden kann.
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Die Relativbewegung, die die Schweißeinrichtung und die Wärmeeinbringeinrichtung im zweiten Schritt relativ zu den Vorkomponenten in die Schweißrichtung ausführen, kann beispielsweise dadurch erreicht werden, dass die Vorkomponenten an einer stationären Schweißanordnung vorbeibewegt werden, als auch dadurch, dass die Schweißeinrichtung und die Wärmeeinbringeinrichtung an unbeweglich angeordneten Vorkomponenten bzw. der zu erzeugenden Schweißnaht entlang bewegt werden. Auch eine Kombination aus beidem, also aus einer Bewegung sowohl der Schweißanordnung als auch der Vorkomponenten, ist denkbar.
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Erfindungsgemäß ist es bevorzugt möglich, dass die Vorkomponenten vollumfänglich verschweißt werden.
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Es ist erfindungsgemäß denkbar, dass die mehrlagige Verbundbramme aus mehr als zwei Vorkomponenten, beispielsweise aus drei oder mehr Komponenten, gefertigt wird.
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Bevorzugt ist es erfindungsgemäß denkbar, dass es sich bei den Vorkomponenten um Stahlvorkomponenten handelt, wobei die mehrlagige Verbundbramme ein Stahlausgangsblock ist.
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Vorteilhafte Weiterbildungen und Ausführungsformen ergeben sich aus den Unteransprüchen.
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Beim Schweißen ist es grundsätzlich das Ziel, eine dauerhafte Verbindung zwischen zwei Bauteilen/Komponenten zu schaffen, die die an sie gestellten Anforderungen, beispielsweise an die mechanische Belastbarkeit, dauerhaft erträgt. Die Vorgehensweise und das gewählte Schweißverfahren hängen von der Geometrie der Verbindung, der chemischen Zusammensetzung und der Gefüge der Grundwerkstoffe, der Zugänglichkeit und der Wirtschaftlichkeit ab. Dabei besteht die Absicht, die Schweißverbindung unter möglichst hoher Wirtschaftlichkeit und Prozesssicherheit zu erzeugen. Der Wirtschaftlichkeit ist eine möglichst hohe Abschmelzleistung zuträglich. Diese bewirkt ein hohes eingebrachtes Nahtvolumen in kurzer Zeit. Bekannte Hochleistungs-Schweißprozesse, wie beispielsweise das UnterpulverSchweißen (UP-Schweißen) oder das MSG-Mehrdrahtschweißen, weisen jedoch diverse Nachteile auf, die ihre Anwendung in vielen Situationen umständlich, teuer oder gar unmöglich machen.
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Die erfindungsgemäßen Vorteile ergeben sich insbesondere gegenüber der Anwendung von bekannten UP-Schweißverfahren. Die Anwendbarkeit des UP-Schweißens ist insbesondere in Zwangslagen, wie beispielsweise PC, generell stark eingeschränkt, da das für den Prozess notwendige Pulver mit aufwendigen technischen Hilfsmitteln am Ort des Prozesses gehalten werden muss und nicht, wie bei der üblicherweise für diesen Prozess angewendeten Lage PA, einfach aufgeschüttet werden kann. Außerdem ist für den UP-Prozess ein hohes Schmelzbadvolumen typisch. Dieses kann jedoch häufig nicht oder nur eingeschränkt erreicht werden, beispielsweise in Zwangslagen wie PC, da die durch das Werkstück gegebene Stützwirkung wesentlich geringer als bei der Position PA ist und es damit zu einem „Weglaufen“ des Schmelzbades aus der Nahtfuge kommen kann. Weiterhin kann sich die verfahrensübliche Einbringung von diffusiblem Wasserstoff besonders bei Werkstoffen mit hohem Kohlenstoffäquivalent CET und großen Blechdicken negativ auf die Kaltrisssicherheit auswirken.
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Die erfindungsgemäßen Vorteile ergeben sich insbesondere auch gegenüber der Anwendung von bekannten MSG-Mehrdrahtschweißverfahren, wie beispielsweise dem Tandem- oder Doppeldrahtschweißen. Bei bekannten MSG-Mehrdrahtschweißverfahren schmelzen mehrere Schweißdrähte in einem gemeinsamen und somit großen Schmelzbad. MSG-Mehrdrahtschweißen wird üblicherweise zur Erreichung hoher Schweißgeschwindigkeiten eingesetzt. Bei Anwendung des Mehrdrahtschweißens mit einer für das MSG-Eindrahtschweißen üblichen Geschwindigkeit besteht allerdings die Gefahr der Bildung von Bindefehlern durch vorlaufendes Schweißgut und die Gefahr der Überhitzung des Schmelzbades. Damit eignet sich das MSG-Mehrdrahtschweißen zwar zur Erhöhung der Abschmelzleistung pro Zeiteinheit, der maximal in einer Lage erzielbare Schweißnahtquerschnitt unterscheidet sich aber nicht wesentlich von bekannten MSG-Eindrahtschweißverfahren. Die Wärmeeinbringung korrespondiert mit der Abschmelzleistung. Auch hier besteht aufgrund der hohen Schweißgeschwindigkeit trotz der hohen Abschmelzleistung kein deutlicher Unterschied zwischen Eindraht- und Mehrdrahttechnik.
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Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist es vorgesehen, dass der zweite Schritt, insbesondere die Ausbildung der Schweißnaht, in einer Zwangslage ausgeführt wird, bevorzugt in PC, d.h. waagerechtes Schweißen an einer senkrechten Wand. Hierdurch ist es insbesondere möglich, die Abmessungen der Vorkomponenten bzw. der zu erstellenden Verbundbramme zu berücksichtigen. Es ergeben sich besonders vorteilhafte Anwendungsmöglichkeiten zur Erzeugung von Verbundbrammen, die beispielsweise mit bekannten UP-Schweißverfahren oder MSG-Mehrdrahtschweißverfahren mit nur einem Schmelzbad nicht erzielbar wären.
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In der Schweißtechnik werden die Einflussgrößen elektrische Leistung, thermischer Wirkungsgrad des Verfahrens und Schweißgeschwindigkeit durch den Begriff „Wärmeeinbringen“ beschrieben. Es gilt:
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Hierbei ist:
- Q=Wärmeeinbringen in J/mm,
- U=elektrische Spannung in V,
- I=Stromstärke in A, v=Schweißgeschwindigkeit in mm/s, und
- eta=relativer thermischer Wirkungsgrad.
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Zur Vermeidung hoher Aufhärtung und Reduzierung der Kaltrissgefahr ist ein hohes Wärmeeinbringen vorteilhaft. Ausschlaggebende Größe bei großen Blechdicken und hohem Kohlenstoffäquivalent ist dabei die Neigung zu Kaltrissen, welche im Stahl-Eisen-Werkstoffblatt SEW088 beschrieben ist. Die darin angegebene Formel zur Festlegung der Mindestvorwärmtemperatur berücksichtigt die für die Rissneigung verantwortlichen Einflussgrößen:
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Hierbei beschreiben die einzelnen Symbole folgendes:
- T0: die Mindestvorwärmtemperatur zur Vermeidung von Rissen in °Celsius
- CET: Kohlenstoffäquivalent (min. 0,18; max. 0,45)
- d: Blechdicke in mm (min. 10; max. 90)
- HD: diffusibeler Wasserstoff in cm^(3)/100g deponierten Schweißguts (min. 1; max. 20)
- Q: Wärmeeinbringung in kJ/mm (min. 1; max. 4).
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Bei der Herstellung von Verbundbrammen werden als mindestens eine der Vorkomponenten üblicherweise Bleche mit einer Dicke > 90 mm verwendet, was grundsätzlich eine höhere Vorwärmtemperatur, als die in SEW088 für die Blechdicke von 90 mm beschriebene, erfordert. Aus der oben angegebenen Formel ist ersichtlich, dass bei gegebener Blechdicke und gegebenem CET, die Minimierung von HD und die Maximierung von Q zur Reduzierung der Mindestvorwärmtemperatur und damit zur Verbesserung der Wirtschaftlichkeit und Prozesssicherheit beitragen können. HD kann durch die Wahl des Prozesses und die Einhaltung bestimmter Randbedingungen, wie beispielsweise der Trockenhaltung der Fügepartner, reduziert werden. Hierbei ist insbesondere das MSG-Schweißen dem UP-Schweißen vorzuziehen. Q kann durch Erhöhung der elektrischen Leistung und Verringerung der Schweißgeschwindigkeit gesteigert werden. Dies bewirkt eine erhöhte Zeit für die Abkühlung der Naht und begünstigt in geringem Maße die Diffusion von Wasserstoff aus dem Nahtbereich in die Umgebung und bewirkt eine erhöhte Abkühlzeit t8/5. Mit sinkender Abkühlrate, also steigender t8/5-Zeit, geht die Gefügeumwandlung von diffusionslosen Vorgängen wie der Bildung von Martensit, zu diffusionsgesteuerten Vorgängen über, in deren Folge sich z.B. Ferrit oder Perlit bilden. Hiermit sinkt in den betroffenen Bereichen die Härte und damit die Gefahr der Bildung von Kaltrissen.
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Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist es vorgesehen, dass der Abstand der Schweißeinrichtung und der Wärmeeinbringeinrichtung derart gewählt ist, dass die Schweißraupe mithilfe der Wärmeeinbringeinrichtung erwärmt wird, bevor die Schweißraupe auf oder unter 800°C abgekühlt ist, wobei insbesondere die Wärmeeinbringung für die Schweißraupe durch die Wärmeeinbringeinrichtung derart erhöht wird, dass eine t8/5-Zeit der Schweißraupe - insbesondere im Vergleich zu einer Ausbildung der Schweißraupe ohne eine Erwärmung mithilfe der Wärmeeinbringeinrichtung - erhöht ist. Hierdurch kann die Härte des Gefüges vorteilhaft verringert werden und dennoch ein kosteneffizienter Prozess bereitgestellt werden. Dies kann besonders vorteilhaft dadurch erzielt werden, dass die Wärmeeinbringeinrichtung unmittelbar hinter der Schweißeinrichtung angeordnet ist, insbesondere derart, dass die Wärmeeinbringeinrichtung die Schweißraupe unmittelbar nach deren (lokalem) Erstarren erwärmt (insbesondere (deutlich) oberhalb 800°C). Es ist entsprechend möglich, dass die Abkühlzeit t8/5 erhöht wird und dennoch ein vergleichsweise kleines Schmelzbad vorliegt.
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Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist es bevorzugt, dass der Abstand der Schweißeinrichtung und der Wärmeeinbringeinrichtung derart gewählt ist, dass die Schweißraupe mithilfe der Wärmeeinbringeinrichtung eine Temperatur zwischen 800°C und 500°C bei einer Abkühlung der Schweißraupe zweifach durchläuft. Hierdurch ist es möglich, die Abkühlzeit der Schweißraupe zu verlängern, was, im Vergleich zur Anwendung von nur einer Schweißeinrichtung ohne eine zusätzliche Wärmeeinbringeinrichtung, eine Verringerung der Härte im Bereich der Schweißraupe bewirkt. Die Erwärmung der Schweißraupe mithilfe der Wärmeeinbringeinrichtung findet dabei bevorzugt statt, nachdem die Schweißraupe auf eine Temperatur oberhalb von 500°C abgekühlt ist, beispielsweise auf eine Temperatur zwischen 500°C und 600 °C.
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Es ist gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung bevorzugt, dass der Abstand der Schweißeinrichtung und der Wärmeeinbringeinrichtung derart gewählt ist, dass die Schweißraupe mithilfe der Wärmeeinbringeinrichtung erwärmt wird, nachdem die Schweißraupe auf eine Temperatur unterhalb von 500°C abgekühlt ist, wobei die Schweißraupe mithilfe der Wärmeeinbringeinrichtung bevorzugt auf eine Temperatur auf oder oberhalb einer Anlasstemperatur erwärmt wird. Hierdurch ist es vorteilhaft möglich, die Härte der Schweißraupe zu verringern, bevor diese auf eine Temperatur abgekühlt ist, die für die Entstehung von Kaltrissen notwendig bzw. verantwortlich ist. Insbesondere ist es denkbar, dass die Schweißraupe mithilfe der Wärmeeinbringeinrichtung auf eine Temperatur auf oder oberhalb einer Anlasstemperatur erwärmt wird.
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Es ist gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung vorgesehen, dass mindestens eine, insbesondere alle, der Vorkomponenten brammenförmig ist.
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Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist es bevorzugt, dass die Wärmeeinbringeinrichtung eine weitere Schweißeinrichtung umfasst, wobei mithilfe der weiteren Schweißeinrichtung eine weitere Schweißraupe der Schweißnaht ausgebildet wird, wobei die weitere Schweißeinrichtung insbesondere eine Metall-Schutzgas-Schweißeinrichtung, MSG-Schweißeinrichtung, ist. Hierdurch ist es gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung möglich, eine mehrlagige Schweißnaht auszubilden. Die weitere Schweißeinrichtung bildet dabei insbesondere eine weitere Schweißlage auf einer mithilfe der Schweißeinrichtung ausgebildeten Schweißlage, insbesondere Schweißraupe, aus. Somit kann die durch die weitere Schweißeinrichtung zugeführte Wärmeenergie bei der Ausbildung der weiteren Schweißraupe gleichzeitig die Schweißraupe erwärmen. Der Abstand der Schweißeinrichtung und der weiteren Schweißeinrichtung wird dabei vorteilhafterweise derart gewählt, dass die Schweißraupe mithilfe der weiteren Schweißeinrichtung erwärmt wird, nachdem die Schweißraupe in diesem Bereich erstarrt ist.
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Es ist gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung besonders bevorzugt, dass ein Schmelzbad der Schweißraupe separat von einem weiteren Schmelzbad der weiteren Schweißraupe ausgebildet wird. Hierdurch ist es möglich, dass die Schweißeinrichtung und die weitere Schweißeinrichtung kein gemeinsames und daher großes Schmelzbad ausbilden. Entsprechend kann die Gefahr der Ausbildung von Bindefehlern und Poren reduziert werden.
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Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist es vorgesehen, dass die Wärmeeinbringeinrichtung die Schweißraupe unter Verbrennung von Gasen, unter Verwendung elektrischer Lichtbögen, unter Verwendung von Induktion und/oder unter Verwendung von Teilchen- oder optischer Strahlung erwärmt.
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Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist es vorgesehen, dass die Schweißeinrichtung eine Metall-Schutzgas-Schweißeinrichtung, MSG-Schweißeinrichtung, umfasst. Dadurch kann die Schweißraupe durch ein MSG-Schweißverfahren ausgebildet werden.
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Es ist gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung bevorzugt, dass zur Ausbildung der Schweißraupe und/oder zur Ausbildung der weiteren Schweißraupe ein oder mehrere austenitische und/oder ein oder mehrere ferritische Zusatzwerkstoffe verwendet werden.
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Es ist denkbar, die Ausbildung der Schweiß und/oder die Ausbildung der weiteren Schweiß unter Verwendung einer Kombination von Zusatzwerkstoffen durchzuführen, wobei sich zur Vermeidung von Kaltrissen im Bereich der Schweiß, also insbesondere der Wurzellage, die Verwendung von austenitischen Zusatzwerkstoffen besonders empfiehlt.
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Ein weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zur Herstellung eines Werkstoffverbunds, insbesondere Stahlwerkstoffverbunds, auf Grundlage einer gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche hergestellten Verbundbramme, wobei in einem dritten Schritt, nach dem zweiten Schritt, die Verbundbramme zu Warmband des Werkstoffverbunds ausgewalzt wird.
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Ferner ist ein Gegenstand der vorliegenden Erfindung eine Schweißanordnung zur Erzeugung einer Schweißnaht zwischen Vorkomponenten, wobei die Schweißanordnung eine Schweißeinrichtung und eine Wärmeeinbringeinrichtung umfasst, wobei die Schweißeinrichtung und die Wärmeeinbringeinrichtung zur Ausführung einer Relativbewegung relativ zu den Vorkomponenten in eine Schweißrichtung ausgeführt sind, wobei die Schweißeinrichtung und die Wärmeeinbringeinrichtung in Schweißrichtung in einem Abstand zueinander angeordnet sind, wobei die Schweißeinrichtung zur Ausbildung einer Schweiß konfiguriert ist, wobei der Abstand der Schweißeinrichtung und der Wärmeeinbringeinrichtung derart gewählt ist, dass die Schweiß mithilfe der Wärmeeinbringeinrichtung erwärmbar ist, nachdem die Schweiß erstarrt ist.
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Für das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung einer Verbundbramme sowie die erfindungsgemäße Schweißanordnung können die Merkmale, Ausgestaltungen und Vorteile Anwendung finden, die im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Herstellung einer mehrlagigen Verbundbramme oder im Zusammenhang mit einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Herstellung einer mehrlagigen Verbundbramme beschrieben worden sind.
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Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Zeichnungen, sowie aus der nachfolgenden Beschreibung von bevorzugten Ausführungsformen anhand der Zeichnungen. Die Zeichnungen illustrieren dabei lediglich beispielhafte Ausführungsformen der Erfindung, welche den Erfindungsgedanken nicht einschränken.
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Figurenliste
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- 1 zeigt eine schematische Darstellung einer Schweißanordnung zur Erzeugung eine Schweißnaht zwischen Vorkomponenten bzw. ein Verfahren zur Herstellung einer mehrlagigen Verbundbramme gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
- 2 zeigt einen ersten Temperaturverlauf einer Schweißraupe gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Verfahrens im Vergleich zu einem zweiten Temperaturverlauf gemäß dem Stand der Technik.
- 3 zeigt einen dritten Temperaturverlauf einer Schweißraupe gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Verfahrens.
- 4 zeigt einen vierten Temperaturverlauf einer Schweißraupe gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Verfahrens.
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Ausführungsformen der Erfindung
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In 1 ist eine schematische Darstellung einer Schweißanordnung 10 zur Erzeugung einer Schweißnaht 20 zwischen Vorkomponenten 2, 3 bzw. ein Verfahren zur Herstellung einer mehrlagigen Verbundbramme 1 während eines zweiten Schritts gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung gezeigt. Die beiden Vorkomponenten 2, 3 wurden zuvor in einem ersten Schritt übereinander und angrenzend aneinander angeordnet. Die Schweißanordnung 10 umfasst eine Schweißeinrichtung 11 und eine Wärmeeinbringeinrichtung 12, die eine weitere Schweißeinrichtung 14 aufweist. Sowohl die Schweißeinrichtung 11 als auch die weitere Schweißeinrichtung 14 sind als MSG-Schweißeinrichtungen ausgebildet. Die Schweißeinrichtung 11 und die weitere Schweißeinrichtung 14 bewegen sich im zweiten Schritt relativ zu den Vorkomponenten 2, 3 in eine Schweißrichtung 100 (dargestellt durch den Pfeil 100). Die beiden Schweißeinrichtungen 11, 14 sind dabei in einem Abstand 13 in Schweißrichtung 100 voneinander beabstandet angeordnet, wobei die Schweißeinrichtung 11 in Schweißrichtung 100 vor der weiteren Schweißeinrichtung 14 angeordnet ist. Die Schweißeinrichtung 11 erzeugt eine Schweißraupe 21 in Form einer Wurzellage der Schweißnaht 20. Die weitere Schweißeinrichtung 14 bildet eine weitere Schweißraupe 22 aus. Durch den Abstand 13, ist das Schmelzbad 23 der Schweißraupe 21 unterhalb bzw. neben der weiteren Schweißeinrichtung 14 bereits lokal erstarrt, so dass die weitere Schweißeinrichtung 14 ein eigenes weiteres Schmelzbad 24 ausbildet. Vorteilhafterweise erzeugen die Schweißeinrichtung 11 und die weitere Schweißeinrichtung 14 somit kein gemeinsames Schmelzbad, sondern separate Schmelzbäder 23, 24. Die weitere Schweißeinrichtung 14 erwärmt den unter bzw. neben ihr angeordneten Bereich der dort bereits erstarrten Schmelzraupe 21 wieder und verlängert somit die Abkühlzeit der Schmelzraupe 21. Die Ausbildung der Schweißnaht 10 findet insbesondere in einer Zwangslage, besonders bevorzugt in PC, statt.
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In 2 ist ein erster Temperaturverlauf 41 einer Schweißraupe 21 gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Verfahrens im Vergleich zu einem zweiten Temperaturverlauf 42 gemäß dem Stand der Technik für einen festen örtlichen Punkt einer Schweißraupe 21 gezeigt. Dargestellt ist eine Temperaturachse „T“ in °Celsius (°C) und eine Zeitachse „t“ in Sekunden (s). Der aus dem Stand der Technik bekannte zweite Temperaturverlauf 42 entspricht dem Temperaturverlauf einer Schweißraupe, die mit einem einzelnen Brenner mit einem MSG-Schweißverfahren erzeugt wurde. Im Gegensatz dazu beschreibt der erste Temperaturverlauf 41 den Temperaturverlauf einer Schweißraupe 21 gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung, wobei eine Schweißeinrichtung 11 (insbesondere ein Brenner) und zusätzlich eine von der Schweißeinrichtung 11 in einem Abstand 13 (in Schweißrichtung 100 nach hinten versetzt) angeordnete Wärmeeinbringeinrichtung 12 verwendet wird. Insbesondere umfasst die Wärmeeinbringeinrichtung 12 dabei eine weitere Schweißeinrichtung 14, die im Abstand 13 zu der Schweißeinrichtung 11 angeordnet ist. Sowohl die Schweißeinrichtung 11 als auch die weitere Schweißeinrichtung 14 sind als MSG-Schweißeinrichtungen ausgebildet. Die Schweißeinrichtung 11 erzeugt die Schweißraupe 21 bzw. Schweißlage. Die weitere Schweißeinrichtung 14 bringt eine weitere Schweißraupe 22 bzw. weitere Schweißlage auf. Bei dem ersten Ausführungsbeispiel ist der erste Temperaturverlauf 41 für einen Fall gezeigt, bei dem die weitere Schweißeinrichtung 14 derart hinter der Schweißeinrichtung 11 angeordnet ist, dass die Schweißraupe 21 unmittelbar nach dem Erstarren (und bevor die Schweißraupe 21 unter 800°C abgekühlt ist) durch die weitere Schweißeinrichtung 14 erwärmt wird. Hierdurch verlängert sie die t8/5-Zeit des ersten Temperaturverlaufs 41, berechenbar durch den vierten Zeitpunkt t4 (=Zeitpunkt, bei dem die Schweiß 21 gemäß erstem Ausführungsbeispiel auf 500°C abgekühlt ist) und den zweiten Zeitpunkt t2 (=Zeitpunkt, bei dem die Schweiß 21 gemäß erstem Ausführungsbeispiel auf 800°C abgekühlt ist), insbesondere gemäß t8/5 = t4 - t2, im Vergleich zur t8/5-Zeit des aus dem Stand der Technik bekannten zweiten Temperaturverlaufs 42, berechenbar durch den dritten Zeitpunkt t3 (=Zeitpunkt, bei dem die Schweiß gemäß Stand der Technik auf 500°C abgekühlt ist) und den ersten Zeitpunkt t1 (=Zeitpunkt, bei dem die Schweiß gemäß Stand der Technik auf 800°C abgekühlt ist), insbesondere gemäß t8/5 = t3 - t1. Somit ist es gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung möglich, eine erhöhte t8/5-Zeit zu erzielen, als dies mit einem bekannten Verfahren, welches lediglich einen Brenner verwendet, der Fall wäre. Entsprechend kann die Härte und damit die Rissempfindlichkeit reduziert werden.
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In 3 ist ein dritter Temperaturverlauf 43 einer Schweißraupe 21 gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Verfahrens gezeigt. Dargestellt ist eine Temperaturachse „T“ in °Celsius (°C) und eine Zeitachse „t“ in Sekunden. Zum Vergleich ist der aus dem Stand der Technik bekannte zweite Temperaturverlauf 42 (Schweißnaht, die mit lediglich einem Brenner erzeugt wird) als gestrichelte Linie dargestellt. Im zweiten Ausführungsbeispiel werden eine Schweißeinrichtung 11 (insbesondere ein Brenner) und zusätzlich eine von der Schweißeinrichtung 11 in einem Abstand 13 (in Schweißrichtung 100 nach hinten versetzt) angeordnete weitere Schweißeinrichtung 14 einer Wärmeeinbringeinrichtung 12 verwendet. Sowohl die Schweißeinrichtung 11 als auch die weitere Schweißeinrichtung 14 sind als MSG-Schweißeinrichtungen ausgebildet. Die Schweißeinrichtung 11 erzeugt die Schweißraupe 21. Die weitere Schweißeinrichtung 14 bringt eine weitere Schweißraupe 22 bzw. weitere Schweißlage auf und erwärmt dabei lokal die Schweißraupe 21. Beim zweiten Ausführungsbeispiel ist die weitere Schweißeinrichtung 14 in Schweißrichtung 100 derart hinter der Schweißeinrichtung 11 angeordnet (bzw. der Abstand 13 ist derart gewählt), dass die Schweißraupe 21 auf eine Temperatur zwischen 500°C und 800°C abgekühlt ist, bevor die Schweißraupe 21 mithilfe der weiteren Schweißeinrichtung 14 erwärmt wird. Durch die weitere Schweißeinrichtung 14 wird die Schweißraupe 21 dann auf eine Temperatur auf oder unter 800°C (und oberhalb von 500°C) erwärmt. Auf diese Weise wird ein Teilabschnitt des Temperaturbereichs zwischen 800°C und 500°C bei der Abkühlung der Schweißraupe 21 zweifach durchlaufen, wie am dritten Temperaturverlauf 43 ersichtlich. Die Schweißraupe 21 ist gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung demnach erst am Zeitpunkt t5 auf 500°C abgekühlt. Die für das Durchlaufen des Temperaturbereichs 800°C bis 500°C benötige Zeit kann somit durch den fünften Zeitpunkt t5 und den ersten Zeitpunkt t1 durch t5 - t1 berechnet werden. Im Vergleich dazu ist die für das Durchlaufen des Temperaturbereichs 800°C bis 500°C benötige Zeit für den aus dem Stand der Technik bekannten zweiten Temperaturverlauf 42 durch t3 - t1 gegeben und somit geringer als im zweiten Ausführungsbeispiel.
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In 4 ist ein vierter Temperaturverlauf 44 einer Schweißraupe 21 gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Verfahrens gezeigt. Dargestellt ist eine Temperaturachse „T“ in °Celsius (°C) und eine Zeitachse „t“ in Sekunden. Im dritten Ausführungsbeispiel werden eine Schweißeinrichtung 11 und zusätzlich eine von der Schweißeinrichtung 11 in einem Abstand 13 (in Schweißrichtung 100 nach hinten versetzt) angeordnete weitere Schweißeinrichtung 14 einer Wärmeeinbringeinrichtung 12 verwendet. Sowohl die Schweißeinrichtung 11 als auch die weitere Schweißeinrichtung 14 sind als MSG-Schweißeinrichtungen ausgebildet. Die Schweißeinrichtung 11 erzeugt die Schweißraupe 21. Die weitere Schweißeinrichtung 14 bringt eine weitere Schweißraupe 22 bzw. weitere Schweißlage auf und erwärmt dabei lokal die Schweißraupe 21. Beim dritten Ausführungsbeispiel ist die weitere Schweißeinrichtung 14 in Schweißrichtung 100 derart hinter der Schweißeinrichtung 11 angeordnet (bzw. der Abstand 13 ist derart gewählt), dass die Schweißraupe 21 mithilfe der Wärmeeinbringeinrichtung 12 erwärmt wird, nachdem die Schweißraupe 21 lokal auf eine Temperatur unterhalb von 500°C (und beispielsweise unterhalb der Anlasstemperatur 50) abgekühlt ist. Die Schweißraupe kühlt also nach ihrer Aufbringung zuerst in einem ersten Zeitpunkt t1 auf eine Temperatur von 800°C ab, in einem dritten Zeitpunkt t3 auf eine von Temperatur 500°C ab und danach unter 500°C ab, bevor sie (wieder-)erwärmt wird. Die Erwärmung findet dann auf eine Temperatur oberhalb der Anlasstemperatur 50 statt. Somit kann eine Verringerung der Härte im Bereich der Schweißraupe 21 erreicht werden, bevor diese auf eine Temperatur abgekühlt ist, die für die Entstehung von Kaltrissen notwendig bzw. verantwortlich ist. Nach dem Erwärmen kühlt die Schweißraupe dann weiter ab.
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Bei den beschriebenen Ausführungsbeispielen wird die Erzeugung der Schweißraupe 21 und der weiteren Schweißraupe 22 bevorzugt in einer Zwangslage ausgeführt, insbesondere in PC, also abweichend von der Wannenlage PA. Der Abstand 13 der Schweißeinrichtung 11 und der weiteren Schweißeinrichtung 14 ist in den dargestellten Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung jeweils derart gewählt, dass die Schweißraupe 21 mithilfe der weiteren Schweißeinrichtung 14 (und somit mithilfe der Wärmeeinbringvorrichtung 12) (wieder-) erwärmt wird, nachdem die Schweißraupe 21 erstarrt ist. Somit ist es möglich, dass das durch die Schweißeinrichtung 11 beim Erzeugen der Schweißraupe 21 ausgebildete Schmelzbad 23 separat von dem weiteren Schmelzbad 24 der weiteren Schweißraupe 22 ausgebildet ist.
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Bei den beschriebenen Ausführungsbeispielen ist es sowohl denkbar, dass austenitische als auch ferritische Zusatzwerkstoffe verwendet werden. Es ist auch möglich, den Prozess unter Verwendung einer Kombination von Zusatzwerkstoffen durchzuführen, wobei sich zur Vermeidung von Kaltrissen im Bereich der Schweißraupe 21 (bzw. Wurzellage) die Verwendung von austenitischen Zusatzwerkstoffen besonders empfiehlt.
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Alternativ zu der in den vorherigen Ausführungsbeispielen beschriebenen Verwendung eines weiteren MSG-Schweißeinrichtung 14 zur Ausbildung der weiteren Schweißraupe 22 und zur Erwärmung der Schweißraupe 21, ist es denkbar, eine alternative Wärmequelle als Wärmeeinbringeinrichtung 12 zu verwenden, beispielsweise eine Verbrennung von Gasen, Verwendung elektrischer Lichtbögen, Verwendung von Induktion und/oder Teilchen- oder optische Strahlung.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Verbundbramme
- 2
- Vorkomponente
- 3
- Vorkomponente
- 10
- Schweißanordnung
- 11
- Schweißeinrichtung
- 12
- Wärmeeinbringeinrichtung
- 13
- Abstand
- 14
- weitere Schweißeinrichtung
- 20
- Schweißnaht
- 21
- Schweißraupe
- 22
- weitere Schweißraupe
- 23
- Schmelzbad
- 24
- weiteres Schmelzbad
- 41
- erster temperaturverlauf
- 42
- zweiter Temperaturverlauf
- 43
- dritte Temperaturverlauf
- 44
- vierter Temperaturverlauf
- 50
- Anlasstemperatur
- 100
- Schweißrichtung
- t1
- erster Zeitpunkt
- t2
- zweiter Zeitpunkt
- t3
- dritter Zeitpunkt
- t4
- vierter Zeitpunkt
- t5
- fünfter Zeitpunkt
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102005006606 B3 [0003]