DE10231784A1 - Verfahren zum Hochgeschwindigkeits-Fügen metallischer Bauteile mittels kombiniertem Wärmeleitungs- und Tiefschweißen - Google Patents

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Abstract

Verfahren zur Erzeugung einer Schmelzschweißverbindung mittels Strahlschweißverfahren hoher Energiedichte, bei dem durch geeignete Modulation der Strahlleistung und/oder Energiedichteverteilung am Auftreffpunkt eine fehlerfreie (randkerbenfrei, nahteinschnürungsfrei) Schmelzschweißverbindung erreicht wird. Eine optimale Glättung der Nahtoberraupe wird erfindungsgemäß dadurch gewährleistet, dass die Kombination des Wärmeleitungsmodus und des Tießschweißmodus in einer Prozesszone unter Ausbildung einer nahtfehlerunterdrückenden Nahtform erfolgt.

Description

  • Das Hochgeschwindigkeits-Schweißen mittels Strahlschweißverfahren ist dadurch gekennzeichnet, dass die erzielbaren Schweißgeschwindigkeiten durch materialspezifische, geschwindigkeitsabhängige Nahtfehler begrenzt sind. Mit Überschreiten einer materialabhängigen Schweißgeschwindigkeit treten bei überwiegendem Tiefschweißen aufgrund der Thermoströme in der Schmelze zunächst Randkerben entlang der Schweißnaht auf, die bei weiterer Geschwindigkeitserhöhung tiefer werden, zu Nahtaufwölbung und schließlich zu einem Abriss der Schmelze führen (sog.: Humping).
  • Bei bisherigen Anwendungen zum schweißtechnischen Fügen metallischer Bauteile; bevorzugt Bleche bis 3 mm Dicke, kommen Schweißverfahren zum Einsatz, die aufgrund ihrer Energiedichte entweder im Tiefschweißmodus oder im Wärmeleitmodus arbeiten. Beim Tiefschweißen kann die erforderliche Nahttiefe erzielt werden, es treten aber materialabhängig Nahtfehler wie Randkerben oder Humping (Nahteinschnürung unter Bildung von Schmelzebuckeln) auf, die nur durch eine Reduzierung der Schweißgeschwindigkeit oder Verringerung der Energiedichte hin zum Wärmeleitungsschweißen eliminiert werden können.
  • Um die Nachteile des Wärmeleitungsschweißen (geringe Einschweißtiefe, breite Naht, erhöhte Wärmebeeinflussung des Grundwerkstoffs) zu Vermeiden wird ein Schweißverfahren vorgeschlagen, bei dem die Vorteile der beiden Schweißmodi kombiniert werden. Dies erfolgt durch die Nutzung zweier kombinierter Strahlschweißverfahren z.B. Laserstrahl (CO2-, Nd-YAG-, Doidenlaser) oder Elektronenstrahl oder durch geeignete Energieverteilung in der Prozesszone hervorgerufen durch Strahloszillation und/oder Defokussierung eines Strahlanteils oder durch die Nutzung der spezifischen Eigenschaften der Strahlschweißverfahren, z. B. die breite Prozesszone des Diodenlasers und insbesondere die spezifische Energieverteilung des Elektronenstrahls an Atmosphäre (NV-EBW). Hierdurch bildet sich eine Schweißnaht aus, die sich aus einem „Wärmeleitungsanteil" und einen „Tiefschweißanteil" zusammensetzt (1). Die entstehende Schweißnahtgeometrie kann als „T-Form" bezeichnet werden (2). Das „T" (2) setzt sich zusammen aus einem breiten Querbalken „b" und einem Steg „s" der im Falle einer Durchschweißung über die gesamte Blechdicke in seiner Höhe der Blechdicke „s" entspricht. Die Breite des Querbalken b ist erfindungsgemäß stets ≥ der Höhe des Tiefschweißanteils s bzw. der Blechdicke s bei einer vollständigen Durchschweißung..
  • Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren wird zeitsparend, prozesssicher und kostengünstig eine Nahtform erzeugt, die eine glatte, randkerbenfreie Nahtoberraupe gewährleistet.
  • Insbesondere bei Aluminiumlegierungen sind damit Schweißgeschwindigkeiten von mehr als 50 m/min möglich. Stahl- und Magnesiumlegierungen können mit über 20 m/min verschweißt werden.

Claims (11)

  1. Verfahren zur Erzeugung einer Schmelzschweißverbindung mittels Strahlschweißverfahren hoher Energiedichte (Laserstrahl, Elektronenstrahl) bei dem durch geeignete Modulation der Strahlleistung und/oder Energiedichteverteilung am Auftreffpunkt eine fehlerfreie, glatte Schmelzschweißverbindung erreicht wird; dadurch gekennzeichnet, dass es zur Ausbildung einer angenähert T-förmigen Nahtgeometrie kommt, bei der der Queranteil an der Nahtoberseite mindestens die gleiche Breite aufweist, wie die Tiefe der Naht.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Energiedichteverteilung am Auftreffpunkt erreicht wird, durch eine statische oder dynamische Fokusverlagerung über oder unter die Blechoberfläche.
  3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Energiedichteverteilung am Auftreffpunkt erreicht wird, durch eine Reduzierung der Beschleunigungsspannung beim Elektronenstrahlschweißen und insbesondere beim Elektronenstrahlschweißen an Atmosphäre (NV-EBW).
  4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Energiedichteverteilung am Auftreffpunkt erreicht wird, durch die Kombination zweier Strahlen hoher Energiedichte, wobei ein Strahl im Tiefschweißmodus genutzt wird und der andere Strahl durch geringere Energiedichte im Wärmeleitmodus.
  5. Verfahren nach Anspruch 1 bis 4, dadurch, gekennzeichnet, dass die Nahttiefe erzeugt wird durch den Tiefschweißeftekt.
  6. Verfahren nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Nahtoberraupe erzeugt wird durch Wärmeleitungschweißen.
  7. Verfahren nach Anspruch 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Schweißnahtbeeinflussung in einer Prozesszone erfolgt.
  8. Verfahren nach Anspruch 1 bis 7 dadurch gekennzeichnet, dass sich die Nahtgeometrie der Tiefschweißung V-förmig oder I-förmig ausbildet.
  9. Verfahren nach Anspruch 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Erzeugung der Schweißnaht erfolgt durch Elektronenstrahlschweißen.
  10. Verfahren nach Anspruch 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Erzeugung der Schweißnaht erfolgt durch Elektronenstrahlschweißen an Atmosphäre.
  11. Verfahren nach Anspruch 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Erzeugung der Schweißnaht erfolgt durch Laserstrahlschweißen.
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