DE112013003670T5

DE112013003670T5 - Hybridschweißsystem und Verfahren zum Schweißen unter Verwendung einer zwischen einem Laser und einem Lichtbogenschweißgerät angeordneten Drahtzuführungsvorrichtung

Info

Publication number: DE112013003670T5
Application number: DE201311003670
Authority: DE
Inventors: Dechao Lin; Brian Lee Tollison; Srikanth Chandrudu Kottilingam; David Edward Schick; Yan Cui
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 2012-07-26
Filing date: 2013-06-19
Publication date: 2015-04-30
Also published as: JP2015526295A; GB2518330B; GB2518330A; WO2014018194A1; GB201501200D0; US20140027414A1

Abstract

Es werden ein Hybridschweißsystem mit einer Hybridschweißvorrichtung und ein Verfahren zum Schweißen bereitgestellt. Die Hybridschweißvorrichtung (10) enthält einen Laser (30), ein Lichtbogenschweißgerät (40) mit einer nicht-abschmelzenden Elektrode und eine Drahtzuführungsvorrichtung (5). Das Lichtbogenschweißgerät (40) liefert einen Lichtbogen (48) ohne Zuführung eines Schweißdrahtes. Die Drahtzuführungsvorrichtung (50) ist eingerichtet und angeordnet, um einen Draht (52) einem Behandlungsbereich (60) zuzuführen, der zwischen den Projektionen des Laserstrahles (32) und des Lichtbogens (40) angeordnet ist. Der Laser (30) und das Lichtbogenschweißgerät (40) sind eingerichtet und angeordnet, um Energie auf wenigstens zwei benachbarte Komponenten (70) zu richten, um ein gemeinsames Schmelzbad (60) zu bilden. Der Draht (52) wird von der Drahtzuführungsvorrichtung (50) in das gemeinsame Schmelzbad (60) zugeführt, das durch den Laser (30) und den Lichtbogen (40) erzeugt wird.

Description

GEBIET DER ERFINDUNG
Diese Erfindung bezieht sich allgemein auf die Verbindungstechnologie und speziell auf ein Hybridschweißsystem und eine Hybridschweißvorrichtung und ein Verfahren zum Verbinden von Komponenten unter Anwendung der Hybridschweißtechnologie.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Laser-Lichtbogen-Hybridschweißen ist ein Verfahren zum Verschweißen von zwei Stücken aus Metall, das typischerweise das Laserstrahlschweißen mit dem elektrischen Lichtbogenschweißen kombiniert, z. B. auf der gleichen Seite einer Verbindung zwischen den Metallstücken, um gleichzeitig sowohl einen Laserstrahl als auch einen Lichtbogen auf eine Schweißzone zu richten, um einen gemeinsames Bad aus geschmolzenem Metall zu erzeugen, das unter Bildung einer Schweißnaht erstarrt.
Elektrische Lichtbogenschweißgeräte der Laser-Lichtbogen-Hybridschweißvorrichtung umfassen Schweißgeräte mit abschmelzenden Elektroden, wie, darauf jedoch nicht beschränkt, ein Gas-Metall-Lichtbogenschweißgerät (GMAW), Flussmittelkern-Lichtbogenschweißgerät (FCAW), und Schweißgeräte, die nicht-abschmelzende Elektroden mit Drahtzuführung aufweisen, wie, darauf nicht beschränkt, Gas-Wolfram-Lichtbogenschweißgerät (GTAW) mit Drahtzuführung und Plasma-Lichtbogenschweißgerät (PAW) mit Drahtzuführung.
Obwohl eine Laser-Lichtbogen-Hybridschweißvorrichtung mit einem Lichtbogenschweißgerät mit abschmelzender Elektrode, z. B. ein GMAW, eine hohe Abschmelzleistung und Schweißgeschwindigkeit bis zu 120 Zoll pro Minute bei niedriggekohltem Stahl, gering legiertem Stahl, Baustahl und korrosionsbeständigem Stahl gestatten kann, ist das Auftreten von Spritzern eine unerwünschte Nebenwirkung. Das Auftreten von Spritzern erfolgt entlang der Schweißlinie und ist ein Resultat der Metallübertragung, die von der abschmelzenden Elektrode zu dem Schmelzbad während des Schweißprozesses auftritt. Vor dem Gebrauch der geschweißten Komponenten muss die Schweißlinie der Komponenten gereinigt werden, um die Spritzer zu entfernen. Der Reinigungsschritt ist ein zusätzlicher Verarbeitungsschritt, der zusätzliche Zeit und Arbeit erfordert. Obwohl Laser-Lichtbogen-Hybridschweißvorrichtungen, die einen Laser und eine nicht-abschmelzende Elektrode einschließen, z. B. GTAW und PAW, einen Prozess mit weniger Spritzern als ein GMAW ermöglichen, können die Schweißgeschwindigkeiten sinken, weil, wenn der Draht im Falle der Laserführung der Front des Laserstrahles zugeführt wird, ein Teil der Laserleistung zum Schmelzen des zugeführten Drahtes benutzt wird, so dass die Laserleistung verringert wird, die zum Substrat zum tiefen Eindringen gelangt, wobei in diesem Fall Laserenergie zum Aufschmelzen des Schweißzusatzwerkstoffs verbraucht wird. Wird der Draht im Falle der Lichtbogenführung zu der Front des elektrischen Lichtbogenschweißgerätes zugeführt, dann muss der Lichtbogen des GTAW oder PAW zusätzlich die zugeführten Drähte aufschmelzen, was die Schweißgeschwindigkeit ebenfalls begrenzt.
Es existiert daher in der Technik ein Bedarf an einer verbesserten Schweißvorrichtung und einem entsprechenden Verfahren zum Schweißen, das Spritzerfreiheit und hohe Schweißgeschwindigkeiten gestattet. Ein Hybridschweißsystem und eine Hybridschweißvorrichtung und ein Verfahren zum Schweißen, die nicht an den obigen Nachteilen leiden, sind daher in der Technik erwünscht.
KURZDARSTELLLUNG DER ERFINDUNG
Gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung wird ein Hybridschweißsystem bereitgestellt. Das Hybridschweißsystem enthält eine Hybridschweißvorrichtung, wobei die Hybridschweißvorrichtung einen Laser und ein elektrisches Lichtbogenschweißgerät mit einer nicht-abschmelzenden Elektrode aufweist. Der Laser und das elektrische Lichtbogenschweißgerät mit der nicht-abschmelzenden Elektrode sind eingerichtet und angeordnet, um Energie zu wenigstens zwei benachbarten Komponenten zum Bilden eines geteilten Schmelzbades zu richten. Das Hybridschweißsystem enthält eine Drahtzuführungsvorrichtung, die zwischen dem Laser und dem elektrischen Lichtbogenschweißgerät mit nicht-abschmelzender Elektrode angeordnet ist. Die Drahtzuführungsvorrichtung ist eingerichtet und angeordnet, um einen Draht dem geteilten Schmelzbad zuzuführen, um ein gemeinsames Schmelzbad zu bilden. Das gemeinsame Schmelzbad ist wirksam, um die wenigstens zwei benachbarten Komponenten ohne Spritzerbildung und mit einer hohen konstanten Schweißgeschwindigkeit zu verbinden.
Gemäß einer weiteren beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung wird ein Verfahren zum Schweißen wenigstens zweier benachbarter Komponenten bereitgestellt. Das Verfahren enthält ein Bereitstellen einer Hybridschweißvorrichtung, Richten von Energie auf eine oder beide der benachbarten Komponenten, Bereitstellen einer Drahtzuführungsvorrichtung und Zuführen des Drahtes. Die Hybridschweißvorrichtung enthält einen Laser und ein elektrisches Lichtbogenschweißgerät mit einer nicht-abschmelzenden Elektrode. Der Laser und das elektrische Lichtbogenschweißgerät mit der nicht-abschmelzenden Elektrode sind eingerichtet und angeordnet, um Energie zu wenigstens zwei benachbarten Komponenten zum Bilden eines geteilten Schmelzbades zu leiten. Das Verfahren enthält ein Leiten von Energie zu einer oder beiden der benachbarten Komponenten mit der Hybridschweißvorrichtung zum Bilden des geteilten Schmelzbades. Das Verfahren enthält ein Bereitstellen einer Drahtzuführungsvorrichtung, die zwischen dem Laser und dem elektrischen Lichtbogenschweißgerät mit der nicht-abschmelzenden Elektrode angeordnet ist. Die Drahtzuführungsvorrichtung ist eingerichtet und angeordnet, um einen Draht dem geteilten Schmelzbad zuzuführen, um ein gemeinsames Schmelzbad zu bilden. Das Verfahren enthält ein Zuführen des Drahtes in das geteilte Schmelzbad, um ein gemeinsames Schmelzbad zu bilden. Das gemeinsame Schmelzbad ist wirksam, um die wenigstens zwei benachbarten Komponenten ohne Spritzerbildung und bei einer hohen konstanten Schweißgeschwindigkeit zu verbinden.
Weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Offenbarung ergeben sich aus der folgenden detaillierteren Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen in Verbindung mit der beigefügten Zeichnung, die beispielhaft die Prinzipien der Offenbarung veranschaulicht.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNG
1 ist eine perspektivische Ansicht einer schematischen Darstellung des Hybridschweißsystems und der Hybridschweißvorrichtung der vorliegenden Offenbarung.
2 ist eine schematische Draufsicht von 1, wobei die Hybridschweißvorrichtung weggelassen ist.
3 ist ein Fließdiagramm des Schweißverfahrens unter Benutzung des Hybridschweißsystems der vorliegenden Offenbarung.
4 ist eine schematische Ansicht der Schweißvorrichtung von Bezugsbeispiel 1.
5 ist eine entlang der Richtung 5-5 von 4 aufgenommene Querschnittsansicht einer Schweißnaht, die durch die Schweißvorrichtung des Bezugsbeispiels 1 erzeugt wurde.
6 ist eine Draufsicht der Spritzer, die durch die Schweißvorrichtung des Bezugsbeispiels 1 erzeugt wurden.
7 ist eine schematische Ansicht der Schweißvorrichtung von Bezugsbeispiel 2.
8 ist eine entlang der Richtung 8-8 von 7 aufgenommene Querschnittsansicht einer unvollständigen Schweißnaht, die durch die Schweißvorrichtung des Bezugsbeispiels 2 erzeugt wurde.
9 ist eine schematische Ansicht der Hybridschweißvorrichtung der vorliegenden Offenbarung.
10 ist eine in der Richtung 10-10 von 9 aufgenommene Querschnittsansicht einer Schweißnaht mit vollständiger Durchdringung, die durch die Hybridschweißvorrichtung der vorliegenden Offenbarung erzeugt wurde.
11 ist eine Draufsicht der spritzerfreien Schweißnaht, die unter Anwendung der vorliegenden Offenbarung erhalten wurde.
Wo immer möglich, werden gleiche Bezugsziffern in allen Figuren benutzt, um die gleichen Teile zu repräsentieren.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Es sind ein Hybridschweißsystem und ein Verfahren zum Schweißen geschaffen, die nicht an den Nachteilen des Standes der Technik leiden und einen verringerten gesamten Wärmeeintrag bei hohen Schweißgeschwindigkeiten ergeben und die im Wesentlichen spritzerfrei funktionieren.
Ein Vorteil einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung schließt das Erhalten spritzerfreier Schweißnähte mit vollständiger Durchdringung und Schweißnahtreparaturen in Stahl mit geringem Kohlenstoffgehalt, niedrig legiertem Stahl, Baustahl, korrosionsbeständigem Stahl, Superlegierungen und anderen Stahllegierungen ein. Ein anderer Vorteil der vorliegenden Offenbarung ist die Nutzung minimalen Wärmeeintrags zum Verbinden benachbarter Komponenten. Noch ein anderer Vorteil der vorliegenden Offenbarung sind höhere Schweißgeschwindigkeiten und ein geringerer gesamter Wärmeeintrag. Noch ein anderer Vorteil der vorliegenden Offenbarung ist ein spritzerfreier Hochgeschwindigkeits-Schweißprozess, der einem Laser und elektrischen Lichtbogen mit nicht-abschmelzender Elektrode gestattet zu führen, um die Schweißnaht zu bilden. Noch ein anderer Vorteil der vorliegenden Offenbarung ist die Verhinderung des Verlustes von Laserleistung aufgrund des Schmelzens von Draht.
1 veranschaulicht schematisch ein Hybridschweißsystem 10 mit einer Hybridschweißvorrichtung 20 gemäß der vorliegenden Offenbarung. Die Hybridschweißvorrichtung 20 schließt einen Laser 30 und eine Lichtbogenschweißvorrichtung 40 mit nicht-abschmelzender Elektrode ein. Die Hybridschweißvorrichtung 20 schließt eine Drahtzuführungsvorrichtung 50 zur Zuführung eines Drahtes 52 ein. Die Drahtzuführungsvorrichtung 50 ist eingerichtet und angeordnet, um den Draht 52 einem gemeinsam geteilten Schmelzbad 80 (siehe 2) zuzuführen, das zwischen einem Laserstrahl 32 und einem Lichtbogen 48 des Lichtbogenschweißgerätes 40 mit nicht-abschmelzender Elektrode gebildet wird, um ein gemeinsames Schmelzbad 60 zu bilden. In einer Ausführungsform sind der Draht 52 und die Drahtzuführungsvorrichtung 50 auf halbem Wege zwischen dem Lichtbogenschweißgerät 40 mit nicht-abschmelzender Elektrode und dem Laser 30 angeordnet. In einer anderen Ausführungsform sind der Draht 52 und die Drahtzuführungsvorrichtung 50 näher an dem Lichtbogenschweißgerät 40 mit nicht-abschmelzender Elektrode als an dem Laser 30 angeordnet. Der Laser 30 und das Lichtbogenschweißgerät 40 mit nicht-abschmelzender Elektrode sind eingerichtet und angeordnet, um Energie in Richtung auf wenigstens zwei benachbarten Komponenten 70 zu richten, um ein gemeinsam geteiltes Schmelzbad 80 zu bilden. Der Draht 52 der Drahtzuführungsvorrichtung 50 wird in das gemeinsam geteilte Schmelzbad 80 geführt, um ein gemeinsames Schmelzbad 60 (siehe 2) zu bilden, das funktionsfähig ist, um eine Schweißnaht 92 mit vollständiger Durchdringung zu schaffen, um wenigstens zwei benachbarte Komponenten 70 mit einer hohen konstanten Schweißgeschwindigkeit von wenigstens 80 Zoll pro Minute (ipm) ohne Spritzerbildung entlang der Schweißlinie 91 verbinden.
In einer Ausführungsform ist der Laser 30 ausgewählt aus einem Nd:YAG-Laser, einem CO₂-Laser, einem Faserlaser und einem Scheibenlaser. Das Lichtbogenschweißgerät 40 ist aus Schweißgeräten, die nicht-abschmelzende Elektroden aufweisen, mit Drahtzuführung ausgewählt, wie, darauf jedoch nicht beschränkt, einem Gas-Wolfram-Lichtbogenschweißgerät (GTAW) mit Drahtzuführung und einem Plasma-Lichtbogenschweißgerät (PAW) mit Drahtzuführung.
Die Komponenten 70 umfassen irgendwelche Materialien, die verbindbar oder schweißbar sind, schließen jedoch allgemein Materialien ein, wie, darauf jedoch nicht beschränkt, Aluminium, Titan, Stahl, korrosionsbeständigen Stahl, Messing, Kupfer, Nickel, Beryllium-Kupfer, Superlegierung, Legierungen daraus und Kombinationen davon. Das Hybridschweißsystem 10 ist besonders geeignet zum Einsatz bei korrosionsbeständigen Stahllegierungen, wie, darauf jedoch nicht beschränkt, Stahl mit geringem Kohlenstoffgehalt, niedrig legiertem Stahl, Baustahl, korrosionsbeständigem Stahl und Kombinationen davon.
In 2 wurde die Hybridschweißvorrichtung 20 weggelassen, um das gemeinsame Schmelzbad 60, das gemeinsam geteilte Schmelzbad 80 und den Lichtbogenbereich 46 zu zeigen. Das gemeinsam geteilte Schmelzbad 80 ist der Bereich zwischen dem Laserstrahl 32 und dem Lichtbogenbereich 46 des Lichtbogenschweißgerätes 40 mit nicht-abschmelzender Elektrode. Die kombinierte Energie von dem Strahl 32 des Lasers 30 und dem Lichtbogenschweißgerät 40 wird in Richtung der ausgerichteten Komponenten 70 dem geteilten Schmelzbad 80 zugeführt. Das gemeinsame Schmelzbad 60 wird gebildet, nachdem der Draht dem gemeinsam geteilten Schmelzbad 80 zugeführt worden ist, und das gemeinsame Schmelzbad 60 funktioniert, um eine Schweißnaht 92 mit vollständiger Durchdringung zur Verbindung der Komponenten 70 bei einer hohen konstanten Schweißgeschwindigkeit zu schaffen. Wie hierin benutzt, bezieht sich „(gemeinsam) geteiltes Schmelzbad” 80 auf das geschmolzene Material, das durch den Schweißlichtbogen 48 (siehe 1) des Lichtbogenschweißgerätes 40 mit nicht-abschmelzender Elektrode, das einen Teil der Ränder der Komponenten 70 umfasst, und Energie von dem Laser 30 erzeugt wird. Wie hierin benutzt, bezieht sich „gemeinsames Schmelzbad” 60 auf das geschmolzene Material, das durch den Schweißlichtbogen 48 (siehe 1) des Lichtbogenschweißgerätes 40, das einen Teil der Ränder der Komponenten 70 umfasst, Energie von dem Laser 30 und den Draht 52 von der Drahtzuführungsvorrichtung 50 erzeugt wird. Das geschmolzene Material wird durch den Strahl 32 des Lasers 30 weiter mit Energie versehen, wodurch das geschmolzene Material veranlasst wird, tiefer in die Komponenten 70 einzudringen. In einer Ausführungsform ist das geteilte Schmelzbad 80 größer als das gemeinsame Schmelzbad 60. In einer anderen Ausführungsform kann das gemeinsame Schmelzbad 60 größer sein als das geteilte Schmelzbad 80. Der Lichtbogenbereich 46 ist die Zone um den elektrischen Lichtbogen 48 von dem elektrischen Schweißgerät 40 herum, das zusätzliche Energie oder Wärme zu der ersten Oberfläche 72 der Komponenten 70 liefert. Im Allgemeinen werden irgendwelche Materialien innerhalb des Lichtbogenbereiches 46 mit Energie versehen oder geschmolzen. Der Lichtbogenbereich 46 unterstützt das Aufschmelzen des Drahtes 52 und fügt zusätzliche Energie zu dem Laserstrahl 36 hinzu, um das gemeinsame Schmelzbad 60 zu bilden. Der Draht 52 wird von dem Lichtbogenbereich 46 und dem Laserbereich 32 aufgeschmolzen und wird mit den anderen geschmolzenen Materialien in dem geteilten Schmelzbad 80 vermischt, um ein gemeinsames Schmelzbad 60 in der Schweißrichtung 90 zu bilden. Die vermischten geschmolzenen Materialien des gemeinsamen Schmelzbades 60 bilden nach dem Abkühlen ein kontinuierliches Stück oder eine Schweißnaht 92 (siehe 9) mit vollständiger Durchdringung, die die Komponenten 70 verbindet.
Materialien für den Draht 52 werden in Abhängigkeit von den erwünschten Schweißnahtcharakteristika ausgewählt, wie Schweißnahtfestigkeit, Schweißnahtchemie und Schweißnahthärte. Geeignete Beispiele von Materialien für den Draht 52 umfassen, darauf jedoch nicht beschränkt, Aluminium, Eisen, Kobalt, Kupfer, Nickel, korrosionsbeständigen Stahl, Kohlenstoffstahl, Titan, Gold, Silber, Palladium, Platin, Legierungen daraus und Kombinationen davon. Der Draht 52 ist aus einem Kaltdraht oder vorerhitztem Hitzdraht ausgewählt. In einer Ausführungsform hat der Draht 52 einen Durchmesserbereich von etwa 0,63 mm (etwa 0,025 inches oder 25 mils) bis etwa 1,58 mm (etwa 0,062 inches oder 62 mils) oder alternativ von etwa 0,8 mm (etwa 0,03 inches oder 30 mils) bis etwa 1,4 mm (etwa 0,055 inches oder 55 mils) oder alternativ von etwa 0,9 mm (etwa 0,035 inches oder 35 mils) bis etwa 1,3 mm (etwa 0,051 inches oder 51 mils).
In einer Ausführungsform führt das Lichtbogenschweißgerät 40 mit nicht-abschmelzender Elektrode den Laser 30 in der Schweißnahtrichtung 90. In einer anderen Ausführungsform führt der Laser 30 in Schweißrichtung 90 (siehe 9). Wie in 2 gezeigt, beträgt der Abstand 26 zwischen dem Laserstrahl 32 und dem Lichtbogenbereich 46 etwa 1,0 mm bis etwa 12 mm.
Das Lichtbogenschweißgerät 40 mit nicht-abschmelzender Elektrode erzeugt den Lichtbogen 48 und den Lichtbogenbereich 46 zum Aufschmelzen eines Teiles des Materials der Komponenten 70. Der Laser 30 liefert zusätzliche Energie, um zu gestatten, dass die Schweißnaht tiefer in die Komponente 70 eindringt. Der Draht 52 trägt zusätzliches Material zu der Schweißnaht bei, und die Drahtzuführungsvorrichtung 50 gestattet das unabhängige Zuführen des Drahts 52 in das geteilte Schmelzbad 80 zum Bilden des gemeinsamen Schmelzbades 60. In einer Ausführungsform wird der Draht 52 in das geteilte Schmelzbad 80 hinein geliefert. Das geteilte Schmelzbad 80 ist zwischen der Projektion des Lichtbogens 48 und dem Fleck 32, wo der Laserstrahl auftrifft, nicht unter dem Lichtbogen gebildet. In einer Ausführungsform, bei der das Lichtbogenschweißgerät 40 führt und der Laser 30 nachfolgt, wird der Draht zu einer Stelle, die sich nahe an dem Umfang des Lichtbogens befindet, nicht aber unter den Lichtbogen geliefert. Der Abstand zwischen dem Draht 52 und dem Lichtbogenzentrum liegt in einem Bereich von etwa 1 mm bis etwa 10 mm oder alternativ etwa 2 mm bis etwa 9 mm oder alternativ etwa 3 mm bis etwa 8 mm. In einer anderen Ausführungsform, bei der der Laser 30 führt und das Lichtbogenschweißgerät 40 nachfolgt, wird der Draht zu einer Stelle, die sich nahe an dem Laserstrahl 32 befindet, nicht aber unter den Laser geliefert. Der Abstand zwischen dem Draht 52 und dem Zentrum des Laserstrahles 32 liegt in einem Bereich von etwa 1 mm bis etwa 10 mm oder alternativ etwa 2 mm bis etwa 9 mm oder alternativ etwa 3 mm bis etwa 8 mm. Die Leistung des Lichtbogenschweißgerätes 40 kann durch Verringern des Lichtbogens 48 des Lichtbogenschweißgerätes 40 vermindert werden. Wird die Leistung mit dem Lichtbogenschweißgerät 40 mit nicht-abschmelzender Elektrode vermindert, bleibt der Lichtbogen 48 stabil. Der Draht 52 wird mit der Drahtzuführungsvorrichtung 50 aufgebracht, um in dem geteilten Schmelzbad 80 zusätzliches Material bereitzustellen, um das gemeinsame Schmelzbad 60 zu bilden, um eine Schweißraupe 92 zu bilden. Der gesamte Wärmeeintrag vom dem Lichtbogenschweißgerät 40 mit nicht-abschmelzender Elektrode und der gesamte Wärmeeintrag zum Fertigstellen der Schweißnaht sind verringert. Der Draht 52 von der Drahtzuführungsvorrichtung 50 wird unabhängig zugeführt, was die Spritzerbildung entlang der Schweißlinie und im Material während des Verbindens der Komponenten 70 verringert.
Wie in dem Fließdiagramm von 3 gezeigt, ist ein Verfahren 300 zum Verschweißen von wenigstens zwei benachbarten Komponenten 70 unter Anwendung des Hybridschweißsystems 10 geschaffen. Das Verfahren 300 schließt das Bereitstellen einer Hybridschweißvorrichtung 20, Schritt 301, ein. Das Verfahren 300 schließt weiter das Bereitstellen von Komponenten 70, Schritt 303, (siehe 1) ein. Die Komponenten 70 sind einander benachbart (siehe 2), und die Komponenten 70 schließen irgendwelche Materialien ein, die verbindbar oder schweißbar sind, schließen jedoch allgemein Materialien ein, wie, darauf jedoch nicht beschränkt, Aluminium, Titan, Stahl, korrosionsbeständigen Stahl, Messing, Kupfer, Nickel, Beryllium-Kupfer, Superlegierung, Legierungen daraus und Kombinationen davon. Die Hybridschweißvorrichtung 20 schließt einen Laser 30 und ein Lichtbogenschweißgerät 40 mit nicht-abschmelzender Elektrode ein, wie, darauf jedoch nicht beschränkt, ein GTAW oder PAW. Das Hybridschweißsystem 10 schließt auch eine Drahtzuführungsvorrichtung 50 zum Zuführen von Draht 52 (siehe 1 und 2) ein. Die Drahtzuführungsvorrichtung 50 ist zwischen dem Lichtbogenschweißgerät 40 mit nicht abschmelzender Elektrode und dem Laser 30 angeordnet. Die Drahtzuführungsvorrichtung 50 ist eingerichtet und angeordnet, um den Draht 52 dem geteilten Schmelzbad 80 und dem Lichtbogenbereich 46 des Lichtbogenschweißgerätes 40 (siehe 2) zuzuführen. Das Verfahren 300 schließt das Zuführen von Energie von der Hybridschweißvorrichtung 20 zu den Komponenten 70 ein, um ein geteiltes Schmelzbad 80 (siehe 2) zu bilden, Schritt 305. Das Verfahren 300 schließt das Bereitstellen einer Drahtzuführungsvorrichtung 50 ein, die zwischen Laser 30 und dem Lichtbogenschweißgerät 40 mit nicht-abschmelzender Elektrode (siehe 1) angeordnet ist, Schritt 307. Die Drahtzuführungsvorrichtung 50 ist eingerichtet und angeordnet, um den Draht 52 dem geteilten Schmelzbad 80 zuzuführen, um ein gemeinsames Schmelzbad 60 (siehe 2) zu bilden. Das Verfahren 300 schließt das Zuführen von Draht 52 in das geteilte Schmelzbad 80 ein, um das gemeinsame Schmelzbad 60 (siehe 2) zu bilden, Schritt 309. Das gemeinsame Schmelzbad 60 ist wirksam, um wenigstens zwei benachbarte Komponenten 70 ohne Spritzerbildung zu verbinden (siehe 11).
Die folgenden Baispiele sollen die vorliegende Offenbarung weiter veranschaulichen, und die Beispiele sollen die Offenbarung in keiner Weise beschränken.
BEISPIELE
Bezugsbeispiel 1
Wie in den 4 und 5 gezeigt, umfasst das erste Bezugsbeispiel das Verbinden von zwei benachbarten Komponenten 70 unter Einsatz einer Schweißvorrichtung. Die Schweißvorrichtung schließt einen Laser 30 mit einem Strahl 32 und ein Lichtbogenschweißgerät 43 mit einer abschmelzenden Elektrode ein. In diesem Bezugsbeispiel ist das Lichtbogenschweißgerät 43 mit abschmelzender Elektrode ein GMAW-Brenner mit einer abschmelzenden Elektrode 45 und einer die abschmelzende Elektrode zuführenden Vorrichtung 47 zum Zuführen der abschmelzenden Elektrode 45 ein. Die geschweißten Komponenten waren 1/8 Zoll dicker korrosionsbeständiger Stahl (SS304, mit einer chemischen Zusammensetzung von etwa 8–11% Ni, etwa 17,5–20% Cr, etwa 2% Mn, Rest Fe, erhältlich von Grainger Industrial Supply, Greer, South Carolina) mit einer Scherkante. Die Schweißgeschwindigkeit war auf 80 Zoll (inches) pro Minute (ipm) eingestellt. Die Leistung des Lasers 30 war auf 4,0 kW eingestellt und die GMAW-Brenner 43-Einstellung betrug 230 ipm mit einem korrosionsbeständigen Stahl als Schweißzusatz (SS308L, mit einer chemischen Zusammensetzung von etwa 9–11% Ni, etwa 19,5–22% Cr, etwa 1,0–2,5% Mn, Rest Fe) und einem Draht mit einem Durchmesser von 0,889 mm (0,035 Zoll). Wie in 5 gezeigt, hatte die Schweißnaht 92, obwohl eine Schweißnaht 92 mit vollständiger Durchdringung, einschließlich einer oberen Schweißraute 96 und einer unteren Schweißraute 98, erhalten wurde, einen Fehler von Überlappungen 99. Dieser Fehler ist durch nicht richtig ausgewählte Lichtbogen-Schweißparameter verursacht. Die geringe Drahtzuführungsgeschwindigkeit von 230 ipm der abschmelzenden Elektrode 45 des GMAW-Brenners 43 ergab keinen stabilen GMAW-Lichtbogen, was zur Bildung von Spritzern 88 als auch Überlappungsfehlern führte, wie in 6 gezeigt.
Bezugsbeispiel 2
Wie in den 7 und 8 gezeigt, umfasst das zweite Bezugsbeispiel das Verbinden von zwei benachbarten Komponenten 70 unter Anwendung einer Schweißvorrichtung. Die Schweißvorrichtung schließt einen Laser 30 mit einem Strahl 32, ein Lichtbogenschweißgerät 40 mit nicht-abschmelzender Elektrode und eine Drahtzuführungsvorrichtung 50 ein. Die Drahtzuführungsvorrichtung 50 liegt vor dem Laser 30. Das Lichtbogenschweißgerät 40 mit nicht-abschmelzender Elektrode ist ein GTAW-Brenner 41. Die Drahtzuführungsvorrichtung 50 führt den Draht 52 vor dem Laser 30 und dem GTAW-Brenner 41 zu. Wie in 7 gezeigt, führt die Drahtzuführungsvorrichtung 50 den Laser 30 in Schweißnahtrichtung 90. In diesem Bezugsbeispiel waren die geschweißten Komponenten 70 1/8 Zoll (inch) dicker korrosionsbeständiger Stahl (SS304) mit einer Scherkante. Die Schweißgeschwindigkeit war auf 80 ipm eingestellt. Die Leistung des Lasers 30 war auf 4 kW (maximale Einstellung) eingestellt, und die GTAW-Brenner 41-Einstellung betrug 218 A/18 V (maximale Einstellung). Die Geschwindigkeit der Drahtzuführung der Drahtzuführungsvorrichtung 50 betrug 230 ipm mit einem Schweißzusatzwerkstoff-308L-Draht 52, der einen Durchmesser von etwa 0,889 mm (0,035 Zoll) aufwies. Die aus diesem Beispiel erhaltene unvollständige Schweißnaht ist in 8 gezeigt. Die erhaltene Schweißraute 93 ist, wie gezeigt, keine Schweißnaht mit vollständiger Durchdringung, weil sich die Schweißnaht nicht von der ersten Oberfläche 72 der Komponente 70 bis zu der zweiten Oberfläche 74 der Komponente 70 erstreckt. Es ist nur eine obere Schweißraute 96 ausgebildet. Das Problem in diesem Bezugsbeispiel ist, dass der Laser Energie für die Durchdringung verloren hat, was darauf zurückzuführen ist, dass der Laser den Draht aufschmelzen muss.
Beispiel 3 – Vorliegende Offenbarung
Wie in den 9 und 10 gezeigt, wird ein Beispiel der vorliegenden Offenbarung angegeben. Die vorliegende Offenbarung verbindet zwei benachbarte Komponenten 70 unter Anwendung der Hybridschweißvorrichtung 20. In der vorliegenden Offenbarung waren die geschweißten Komponenten 70 aus 1/8 Zoll (inch) dickem korrosionsbeständigem Stahl (SS304) mit einer Scherkante. Die Hybridschweißvorrichtung 20 schließt den Laser 30 und das Lichtbogenschweißgerät 40 mit nicht-abschmelzender Elektrode und die Drahtzuführungsvorrichtung 50 zwischen dem Laser 30 und dem Lichtbogenschweißgerät 40 mit nicht-abschmelzender Elektrode ein. In dieser Ausführungsform ist die Lichtbogenschweißvorrichtung 40 mit nicht-abschmelzender Elektrode ein GTAW-Brenner 41. Die Leistung des Lasers 30 wurde auf 3,6 kW eingestellt, und der GTAW-Brenner wurde auf 200 A/18 V eingestellt. Wie in 9 gezeigt, führt der Laser 30 in Schweißrichtung 90. Die Schweißgeschwindigkeit betrug 80 ipm. Die Zuführungsgeschwindigkeit des Drahtes 52 betrug 230 ipm mit einem Schweißzusatzwerkstoff SS308L mit einem Durchmesser von 0,889 mm (0,035 Zoll) und war zu einem geteilten Schmelzbad 80 gerichtet, das das gemeinsame Schmelzbad 60 (siehe 2) bildete. Wie in 10 gezeigt, wurde eine Schweißnaht 92 mit vollständiger Durchdringung, einschließlich einer oberen Schweißraute 96 und einer unteren Schweißraute 98, ohne Spritzerbildung entlang der Schweißnahtlinie 92 (siehe 11) erhalten. Wie in 11 gezeigt, verbindet die Schweißnaht 92 mit vollständiger Durchdringung die erste Oberfläche 72 und die zweite Oberfläche 74 (siehe 10) der Komponenten ohne Spritzerbildung 94 entlang der Schweißnahtlinie und mit weniger Leistung sowohl von dem Laser 30 als auch von dem Lichtbogenschweißgerät 40 mit nicht-abschmelzender Elektrode (GTAW).
Im Bezugsbeispiel 1, bei der Schweißgeschwindigkeit von 80 ipm, konnte der Laser mit 4,0 kW Leistung in Kombination mit dem Lichtbogenschweißgerät GMAW mit einer Drahtzuführung von 230 ipm eine vollständig durchgedrungene Schweißnaht, aber mit einer Überlappung und mit Spritzerfehlern schaffen, weil der Lichtbogen bei dieser geringen Drahtzuführungsgeschwindigkeit nicht stabil ist. Im Bezugsbeispiel 2, bei einer identischen Schweißgeschwindigkeit von 80 ipm, kann der Laser mit 4,0 kW Leistung in Kombination mit dem Lichtbogenschweißgerät GTAW bei einer Drahtzuführung von 230 ipm, wobei der Draht vor dem Laserstrahl zugeführt wird, keine vollständig durchgedrungene Schweißnaht schaffen, weil die Laserleistung beim Schmelzen des Drahtes verloren ging. In der vorliegenden Erfindung wird bei der identischen Schweißgeschwindigkeit von 80 ipm, mit einem Laser mit 3,6 kW Leistung und in Kombination mit einem Lichtbogenschweißgerät GTAW bei einer Drahtzuführung von 230 ipm, wobei der Draht zu einer Position geliefert wird, die in der Mitte zwischen dem Laser und dem Lichtbogen liegt, eine vollständig durchgedrungene Schweißnaht ohne irgendwelche Fehler erhalten.
Während die Erfindung unter Bezugnahme auf eine bevorzugte Ausführungsform beschrieben wurde, sollte dem Fachmann klar sein, dass verschiedene Änderungen vorgenommen und Äquivalente anstelle von Elementen davon eingesetzt werden können, ohne vom Umfang der Erfindung abzuweichen. Zusätzlich können viele Modifikationen ausgeführt werden, um eine besondere Situation oder ein besonderes Material an die Lehren der Erfindung anzupassen, ohne deren wesentlichen Umfang zu verlassen. Es ist daher beabsichtigt, dass die Erfindung nicht auf die besondere Ausführungsform beschränkt ist, die als beste Art der Ausführung der Erfindung offenbart ist, sondern die Erfindung alle Ausführungsformen einschließt, die in den Umfang der beigefügten Ansprüche fallen.

Claims

Hybridschweißsystem, das aufweist: eine Hybridschweißvorrichtung, wobei die Hybridschweißvorrichtung einen Laser und ein Lichtbogenschweißgerät mit einer nicht-abschmelzenden Elektrode aufweist, wobei der Laser und das Lichtbogenschweißgerät mit der nicht-abschmelzenden Elektrode eingerichtet und angeordnet sind, um Energie wenigstens zwei benachbarten Komponenten zuzuführen, um ein geteiltes Schmelzbad zu bilden; und eine Drahtzuführungsvorrichtung, die zwischen dem Laser und dem Lichtbogenschweißgerät mit der nicht-abschmelzenden Elektrode angeordnet ist, wobei die Drahtzuführungsvorrichtung eingerichtet und angeordnet ist, um einen Draht dem geteilten Schmelzbad zuzuführen, um ein gemeinsames Schmelzbad zu bilden, wobei das gemeinsame Schmelzbad wirksam ist, um die wenigstens zwei benachbarten Komponenten ohne Spritzerbildung und bei einer hohen konstanten Schweißgeschwindigkeit zu verbinden.
Hybridschweißsystem nach Anspruch 1, worin der Laser ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus: einem Nd:YAG-Laser, einem CO₂-Laser, einem Faserlaser und einem Scheibenlaser.
Hybridschweißsystem nach Anspruch 1, worin das Lichtbogenschweißgerät mit der nicht-abschmelzenden Elektrode ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus einem Gas-Wolfram-Lichtbogenschweißgerät und einem Plasma-Lichtbogenschweißgerät.
Hybridschweißsystem nach Anspruch 1, worin die hohe konstante Schweißgeschwindigkeit etwa 760 mm/min bis etwa 3050 mm/min beträgt.
Hybridschweißsystem nach Anspruch 1, worin der Draht ein Kaltdraht oder ein vorerhitzter Hitzdraht ist.
Hybridschweißsystem nach Anspruch 1, worin der Draht in das geteilte Schmelzbad geliefert wird.
Hybridschweißsystem nach Anspruch 1, worin der Draht einen Durchmesser im Bereich von 0,63 mm bis 1,58 mm (etwa 25 mils bis etwa 62 mils) aufweist.
Hybridschweißsystem nach Anspruch 1, worin die zu schweißenden wenigstens zwei benachbarten Komponenten Materialien enthalten, die ausgewählt sind aus der Gruppe bestehend aus Titan, Nickel, Eisen, Kobalt, Chrom, Stahl, Superlegierungen davon, Legierungen davon und Kombinationen davon.
Hybridschweißsystem nach Anspruch 1, worin das Lichtbogenschweißgerät mit der nicht-abschmelzenden Elektrode bei einem verminderten Energieniveau betrieben wird.
Hybridschweißsystem nach Anspruch 1, worin das Lichtbogenschweißgerät mit der nicht-abschmelzenden Elektrode einen stabilen Lichtbogen aufweist.
Hybridschweißsystem nach Anspruch 1, worin der Draht der Drahtzuführungsvorrichtung in der Mitte zwischen einem Lichtbogen des Lichtbogenschweißgerätes mit der nicht-abschmelzenden Elektrode und einem Strahl des Lasers angeordnet ist.
Hybridschweißsystem nach Anspruch 1, worin der Draht der Drahtzuführungsvorrichtung näher an dem Lichtbogen des Lichtbogenschweißgerätes mit der nicht-abschmelzenden Elektrode als an dem Strahl des Lasers angeordnet ist.
Hybridschweißsystem nach Anspruch 1, worin der Laser während des Schweißens führt, wobei der Draht dem Laser folgt und das Lichtbogenschweißgerät mit der nicht abschmelzenden Elektrode dem Draht der Drahtzuführungsvorrichtung folgt.
Hybridschweißsystem nach Anspruch 1, worin das Lichtbogenschweißgerät während des Schweißens führt, wobei der Draht dem Lichtbogenschweißgerät mit der nicht-abschmelzenden Elektrode folgt und der Laser dem Draht der Drahtzuführungsvorrichtung folgt.
Verfahren zum Schweißen von wenigstens zwei benachbarten Komponenten, das aufweist: Bereitstellen einer Hybridschweißvorrichtung, wobei die Hybridschweißvorrichtung einen Laser und ein Lichtbogenschweißgerät mit einer nicht-abschmelzenden Elektrode aufweist, wobei der Laser und das Lichtbogenschweißgerät mit der nicht-abschmelzenden Elektrode eingerichtet und angeordnet sind, um Energie auf die wenigstens zwei benachbarten Komponenten zu richten, um ein geteiltes Schmelzbad zu bilden, Richten von Energie auf eine oder beide der benachbarten Komponenten mit der Hybridschweißvorrichtung, um das geteilte Schmelzbad zu bilden, Bereitstellen einer Drahtzuführungsvorrichtung, die zwischen dem Laser und dem Lichtbogenschweißgerät mit der nicht abschmelzenden Elektrode angeordnet ist, wobei die Drahtzuführungsvorrichtung eingerichtet und angeordnet ist, um einen Draht dem geteilten Schmelzbad zuzuführen, um ein gemeinsames Schmelzbad zu bilden, und Zuführen des Drahtes in das geteilte Schmelzbad, um ein gemeinsames Schmelzbad zu bilden, wobei das gemeinsame Schmelzbad wirksam ist, um die wenigstens zwei benachbarten Komponenten ohne Spritzerbildung und bei einer hohen konstanten Schweißgeschwindigkeit zu verbinden.
Verfahren nach Anspruch 15, worin der Laser ein Hochleistungsdichte-Laserstrahl ist, der ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus einem Nd:YAG-Laser, einem CO₂-Laser, einem Faserlaser und einem Scheibenlaser.
Verfahren nach Anspruch 16, worin das Lichtbogenschweißgerät mit der nicht-abschmelzenden Elektrode ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus einem Gas-Wolfram-Lichtbogenschweißgerät und einem Plasma-Lichtbogenschweißgerät.
Verfahren nach Anspruch 15, worin das Lichtbogenschweißgerät mit der nicht-abschmelzenden Elektrode bei einem verringerten Energieniveau betrieben wird.
Verfahren nach Anspruch 15, worin die hohe konstante Schweißgeschwindigkeit etwa 760 mm/min bis etwa 3050 mm/min beträgt.
Verfahren nach Anspruch 15, worin der Draht der Drahtzuführungsvorrichtung auf dem halben Wege zwischen einem Lichtbogen des Lichtbogenschweißgerätes mit der nicht-abschmelzenden Elektrode und einem Strahl des Lasers angeordnet ist.