DE112014005891T5

DE112014005891T5 - Schweissverfahren und Schweisssystem

Info

Publication number: DE112014005891T5
Application number: DE112014005891.2T
Authority: DE
Inventors: David Yang; Jing Zhang; Li Sun; Blair E. Carlson
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2014-01-20
Filing date: 2014-01-20
Publication date: 2016-09-22
Also published as: CN105899320B; US20160355902A1; CN105899320A; WO2015106455A1

Abstract

Ein Schweißverfahren beinhaltet die folgenden Schritte: (a) Bestimmen einer Martensit-Temperungstemperatur der mindestens zwei Werkstücke, basierend, zumindest teilweise, auf der chemischen Zusammensetzung und Mikrostruktur der zwei Werkstücke; (b) Zuführen einer ausreichenden Energiemenge zu den Werkstücken, um die Werkstücke an einer Zielstelle zu schmelzen und dabei ein Schmelzbad zu bilden; (c) Bestimmen, mittels des Steuergeräts, einer Zieltemperatur und eines Kühlbereichs eines Kühlmittels, basierend, zumindest teilweise, auf der Martensit-Temperungstemperatur und dem HAZ-Umfang; und (d) Kühlen des ersten und zweiten Werkstücks mit dem Kühlmittel, sodass die Temperatur der Werkstücke in den Wärmeeinflusszonen nicht die Martensit-Temperungstemperatur erreicht, um die Entfestigung in den Wärmeeinflusszonen abzumildern. Die vorliegende Erfindung bezieht sich zudem auf ein Schweißsystem zum Minimieren der HAZ-Entfestigung.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Offenbarung bezieht sich auf ein Schweißverfahren und ein Schweißsystem.
HINTERGRUND
Schweißen ist ein Prozess, der Werkstoffe, gewöhnlich Metalle, durch Verschmelzung zusammenfügt. Das erfolgt oftmals durch Schmelzen der Werkstücke zur Bildung eines Bades von geschmolzenem Material (das Schmelzbad), das beim Abkühlen eine feste Verbindung ausbildet, wobei Druck, manchmal im Zusammenwirken mit Wärme, oder allein, zur Anwendung kommt, um die Schweißverbindung zu bilden. Als nicht einschränkendes Beispiel kann ein Laserstrahl zwischen zwei Metallwerkstücke gerichtet werden, der Wärme zwischen den Werkstücken erzeugt. Die Werkstücke bestehen gänzlich oder teilweise aus einem Grundwerkstoff, wie Stahl. Es entsteht ein Schmelzbad, in dem die Temperatur über dem Schmelzpunkt der Grundwerkstoffe liegt, die der Wärme ausgesetzt sind. Mitunter wird ein Füllstoff zugesetzt, um die Zusammensetzung der Schweißverbindung zu ändern. Als Nächstes kühlt das Schmelzbad ab und bildet eine Schweißnaht.
ZUSAMMENFASSUNG
Viele verschiedene Energiequellen können zum Schweißen genutzt werden, darunter Laser, Lichtbogen, Elektronenstrahl usw. Während des Schweißvorgangs wird Energie bei mindestens zwei Werkstücken zugeführt, unter Nutzung einer geeigneten Energiequelle, um Wärme im Überschneidungsbereich zwischen den beiden Werkstücken zu erzeugen. Als nicht einschränkendes Beispiel strahlt beim Laserschweißen der Laserschweißkopf zielgerichtet Energie auf den Überschneidungsbereich zwischen den beiden Werkstücken ab. Als Ergebnis schmilzt der Grundwerkstoff der Werkstücke an der Zielstelle (manchmal zusammen mit dem Füllstoff) und bildet damit das Schmelzbad. Der nicht geschmolzene Bereich des Grundwerkstoffs rund um das Schmelzbad wird ebenfalls der vom Schweißkopf erzeugten Wärme ausgesetzt und wird daher als Wärmeeinflusszone (heat-affected zone, HAZ) bezeichnet. Die Wärme in der HAZ kann die Mikrostruktur des Grundwerkstoffs ändern, wodurch die mechanischen Eigenschaften des Grundwerkstoffs in der HAZ geändert werden. Die HAZ bezieht sich daher auf einen Bereich im Grundwerkstoff, der nicht geschmolzen ist, und dessen Mikrostruktur und Eigenschaften durch den Schweißvorgang verändert werden. In den meisten Fällen können die Auswirkungen des Schweißvorgangs auf die HAZ nachteilig sein – abhängig von den Grundwerkstoffen und der Wärmezufuhr des Schweißverfahrens. Beispielsweise wird die HAZ von hochfesten Stählen nach dem Schweißvorgang oftmals entfestigt. Als Folge daraus nimmt die Härte des Grundwerkstoffs in der HAZ im Verhältnis zur Härte des Grundwerkstoffs ab. Ausmaß und Umfang der Entfestigung hängen primär vom Grundwerkstoff ab, sowie von der Menge und Konzentration der Wärme, die bei dem thermischen Schweißvorgang zugeführt wird. Es ist daher von Nutzen, die Wärmeentwicklung in der HAZ zu kontrollieren, um die Entfestigung in der HAZ zu minimieren.
Ein Schweißverfahren zur Minimierung der Entfestigung in der HAZ wurde entwickelt, bei dem die Abkühlgeschwindigkeit in der HAZ im Verhältnis zu normalen Schweißbedingungen mittels einer externen Kühleinheit erhöht wird. Der Begriff normale Schweißbedingungen bezieht sich auf die Abkühlung von Schweißverbindungen bei Raumtemperatur. In einer Ausführungsform beinhaltet das Schweißverfahren die folgenden Schritte: (a) Bestimmen, mittels eines Steuergeräts, der Temperatur des Martensit-Temperns (d. h. der Martensit-Temperungstemperatur), welches eine Hauptursache für die HAZ-Entfestigung ist, basierend, zumindest teilweise, auf der chemischen Zusammensetzung und der Mikrostruktur des Grundwerkstoffs (z. B. Metall) des ersten und zweiten Werkstücks; (b) Zufuhr einer ausreichenden Energiemenge zu den Werkstücken, um die Werkstücke an einer Zielstelle zu schmelzen und dabei ein Schmelzbad zu bilden; (c) Bestimmen, mittels des Steuergeräts, einer Zieltemperatur und eines Kühlbereichs eines Kühlmittels, basierend, zumindest teilweise, auf der Martensit-Temperungstemperatur und dem HAZ-Umfang; und (d) Kühlen der Werkstücke, sodass die Temperatur der Werkstücke in den HAZ nicht die Martensit-Temperungstemperatur erreicht, um die Entfestigung in den HAZ zu minimieren. Die HAZ sind die im Umkreis des Schmelzbades liegenden Bereiche der Werkstücke, auf welche die Wärme einwirkt, die von der den Werkstücken an der Zielstelle zugeführten Energie stammt. Der Begriff „Martensit-Temperungstemperatur“ bezeichnet die Temperatur, bei der sich angelassenes Martensit im Grundwerkstoff bildet.
Die vorliegende Offenbarung bezieht sich auch auf ein Schweißsystem zum Minimieren der HAZ-Entfestigung. In einer Ausführungsform beinhaltet das Schweißsystem eine Energiequelle, konfiguriert zur Zufuhr von Energie, und einen Schweißkopf, gekoppelt mit der Energiequelle. Der Schweißkopf ist so konfiguriert, dass er den Werkstücken ausreichend Energie zuführt, um die Werkstücke an einer Zielstelle zu schmelzen und ein Schmelzbad zu bilden. Das Schweißsystem beinhaltet des Weiteren ein Steuergerät, programmiert zum Ausführen folgender Anweisungen: (a) Bestimmen einer Martensit-Temperungstemperatur für die Werkstücke, basierend, zumindest teilweise, auf der chemischen Zusammensetzung und Mikrostruktur des Grundwerkstoffs; und (b) Bestimmen einer Zieltemperatur und eines Kühlbereichs, basierend, zumindest teilweise, auf der Martensit-Temperungstemperatur und dem HAZ-Umfang. Das Schweißsystem beinhaltet des Weiteren ein Kühlsystem, konfiguriert zum Fördern eines Kühlmittels in geeigneter Menge und Kühlkraft zur Kühlung der Werkstücke, sodass die Temperatur der Werkstücke in den HAZ nicht die Martensit-Temperungstemperatur erreicht, um die Entfestigung in den HAZ zu minimieren, indem die Martensit-Temperungstemperatur und ihre Haltedauer in den HAZ des Werkstücks durch die Erhöhung der Abkühlgeschwindigkeit mittels der externen Zusatzkühlung reduziert bzw. verkürzt werden.
Die oben genannten Funktionen und Vorteile sowie andere Funktionen und Vorteile der vorliegenden Erfindung gehen aus der folgenden detaillierten Beschreibung der bestmöglichen praktischen Umsetzung der dargestellten Erfindung in Verbindung mit den zugehörigen Zeichnungen hervor.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist eine schematische Darstellung eines Schweißsystems gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung;
2A ist eine schematische Draufsicht auf zwei mit einer Stoßverbindung zusammengefügte Werkstücke;
2B ist eine schematische Seitenansicht von zwei mit einer Stoßverbindung zusammengefügten Werkstücken;
2C ist eine schematische Draufsicht auf zwei mit einer Überlappungsverbindung zusammengefügte Werkstücke;
2D ist eine schematische Seitenansicht von zwei mit einer Überlappungsverbindung zusammengefügten Werkstücken;
2E ist eine schematische Seitenansicht von drei mit einer Überlappungsverbindung zusammengefügten Werkstücken;
3 ist ein Ablaufdiagramm mit der Darstellung eines Schweißverfahrens gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung; und
4 ist eine Grafik mit der Darstellung von Härtetestergebnissen einer mit dem Schweißverfahren von 3 angefertigten Schweißnaht;
5 ist eine Grafik ähnlich der Grafik von 4, aber sie zeigt die Härtetestergebnisse für die Aluminiumlegierung 6061;
6 ist eine schematische Darstellung eines Schweißsystems gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung, worin das Schweißsystem einen Kanal beinhaltet;
7 ist eine schematische Darstellung des Kanals des in 6 gezeigten Schweißsystems;
8 ist eine schematische Darstellung eines Schweißsystems gemäß einer weiteren Ausführung der vorliegenden Offenbarung; und
9 ist eine schematische Darstellung eines Schweißsystems gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
Mit Bezugnahme auf die Zeichnungen, in denen gleiche Nummern auf den verschiedenen Ansichten entsprechend gleiche Teile bezeichnen, stellt 1 schematisch ein Schweißsystem 100 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung dar. Das Schweißsystem 100 kann dazu verwendet werden, mindestens zwei Werkstücke 10, 12 aus dem gleichen oder aus verschiedenen Werkstoffen zu schweißen. Die Werkstücke 10, 12 können beispielsweise Bleche sein. In der vorliegenden Offenbarung kann das Werkstück 10 als ein erstes Werkstück bezeichnet werden, und das Werkstück 12 kann als ein zweites Werkstück 12 bezeichnet werden. Die Grundwerkstoffe des ersten und zweiten Werkstücks 10, 12 können mindestens eine Legierung enthalten. Als nicht einschränkende Beispiele können die Grundwerkstoffe eine eisenbasierte Legierung (z. B. Stahl), eine Aluminiumlegierung oder Magnesium sein. Beispielsweise kann der Grundwerkstoff ein moderner hochfester Stahl (advanced high-strength steel, AHSS) sein. AHSS-Stähle weisen eine andere Mikrostruktur auf als Ferrit-Perlit-Stähle (z. B. Martensit, Bainit, Austenit und/oder Restaustenit) in ausreichenden Mengen, um spezielle mechanische Eigenschaften auszubilden, wie eine hohe Aufhärtbarkeit sowie eine ultrahohe Streckgrenze und Zugfestigkeit. AHSS-Stähle beinhalten, unter anderem, Dualphasen-Stähle (DP), Stähle mit umwandlungsinduzierter Plastizität (transformation-induced plasticity, TRIP), Complexphasen-Stähle (CP) und martensitische Stähle (MS) sowie presshärtenden Stähle (PHS). DP-Stähle beinhalten eine ferritische Matrix, die eine harte martensitische Zweitphase in Form von Inseln enthält. CP-Stähle beinhalten relativ geringe Mengen von Martensit, Restaustenit und Perlit innerhalb der Ferrit-/Bainit-Matrix. MS-Stähle haben eine martensitische Matrix, die geringe Mengen an Ferrit und/oder Bainit enthält. Die Mikrostruktur von TRIP-Stählen ist Restaustenit, eingebettet in eine primäre Ferritmatrix. AHSS-Stähle werden nach ihrem metallurgischen Typ und ihrer Festigkeit in Megapascal (MPa) benannt (z. B. DP, TRIP, CP usw.) und vermarktet. Beispielsweise bezieht sich DP980 auf einen Dualphasen-Stahltyp mit einer Mindest-Streckgrenze von 980 MPa. AHSS-Stähle können im Fahrzeugbau für PKW und LKW verwendet werden.
Mit weiterem Bezug auf 1 beinhaltet das Schweißsystem 100 ein Steuergerät 102. „Steuergerät“, „Modul“, „Steuerung“, „Controller“, „Steuereinheit“, „Prozessor“ und ähnliche Begriffe beziehen sich auf eine oder mehrere Kombinationen von einem oder mehreren anwendungsspezifischen integrierten Schaltkreisen (ASIC), Zentraleinheiten (vorzugsweise Mikroprozessoren) und dazugehörige Memory und Speicher (ROM, programmierbare ROM, Direktzugriff, Festplattenlaufwerke, usw.), die eines oder mehrere Software- oder Firmware-Programme oder -routinen, logische Verknüpfungsschaltungen, Eingabe/Ausgabe-Stromkreise und -geräte, entsprechende Signal-Konditionierungs- und Puffer-Schaltungen und andere Komponenten ausführen, um die beschriebene Funktionalität bereitzustellen. „Modul“ „Software“, „Firmware“, „Programme“, „Befehle“, „Routinen“, „Codes“, „Algorithmen“ und ähnliche Begriffe beziehen sich auf von Steuereinheiten ausführbare Befehlssätze. Als nicht-einschränkendes Beispiel kann das Steuergerät 102 mindestens einen Prozessor mit dazugehörigem Speicher beinhalten. Ungeachtet seiner spezifischen Konfiguration kann das Steuergerät 102 den gesamten Betrieb des Schweißsystems 100 basierend auf Befehlen steuern, die in einem internen oder externen Speicher gespeichert sind.
Das Schweißsystem 100 beinhaltet des Weiteren einen Schweißkopf 104 und a Roboter-Steuereinheit 106 zur Steuerung von Bewegungen und Betrieb des Schweißkopfs 104 im Verhältnis zum ersten und zweiten Werkstück 10, 12. Die Roboter-Steuereinheit 106 kann eine numerische Steuereinheit (CNC) sein, die in der Lage ist, die Bewegung und Position des Schweißkopfs 104 zu steuern. Zu diesem Zweck ist die Roboter-Steuereinheit 106 mechanisch mit dem Schweißkopf 104 gekoppelt und steht in elektronischer Verbindung mit dem Steuergerät 102. Die Roboter-Steuereinheit 106 kann daher Eingaben (d. h. Steuerbefehle) vom Steuergerät 102 empfangen und kann dann den Schweißkopf 104 im Verhältnis zum ersten und zweiten Werkstück 10, 12 stoppen oder bewegen.
Zusätzlich zur Roboter-Steuereinheit 106 beinhaltet das Schweißsystem 100 eine Energiequelle 108, konfiguriert zur Zufuhr von Energie E (z. B. eine Gasflamme, ein Lichtbogen, Laser, ein Elektronenstrahl, Reibung oder Ultraschall). Die Energiequelle 108 ist mit dem Schweißkopf 104 gekoppelt, und der Schweißkopf 104 kann die Energie E (z. B. eine Gasflamme, ein Lichtbogen, Laser, ein Elektronenstrahl, Reibung oder Ultraschall) von der Energiequelle 108 auf das erste und zweite Werkstück 10, 12 richten. Die Roboter-Steuereinheit 106 steht in elektronischer Verbindung mit der Energiequelle 108 und kann daher die Energiequelle 108 aktivieren bzw. deaktivieren. Bei Aktivierung der Energiequelle richtet der Schweißkopf 104 Energie E von der Energiequelle 108 auf das erste und zweite Werkstück 10, 12. Bei Deaktivierung der Energiequelle hört der der Schweißkopf 104 auf, Energie E von der Energiequelle 108 auf das erste und zweite Werkstück 10, 12 zu richten.
Das Schweißsystem 100 beinhaltet des Weiteren eine Datenerfassungseinheit 112 und mindestens einen Temperatursensor 110 zur Erfassung der Temperatur des ersten und zweiten Werkstücks 10, 12 und zur Erzeugung eines Temperatursignals S, das die Temperatur des ersten und zweiten Werkstücks 10, 12 an und in der Nähe der Zielstelle T anzeigt. Der Temperatursensor 110 steht in elektronischer Verbindung mit der Datenerfassungseinheit 112 und kann ein Pyrometer, eine Wärmekamera oder eine Kombination beider Geräte sein. Der Temperatursensor 110 kann auch ein Kontakt-Temperatursensor, wie ein Thermoelement, sein. Die Datenerfassungseinheit 112 empfängt Eingaben (z. B. ein Temperatursignal S) vom Temperatursensor 110 und speichert Temperaturdaten des ersten und zweiten Werkstücks 10, 12. Dementsprechend beinhaltet die Datenerfassungseinheit 112 einen Speicher zur Speicherung der vom Temperatursensor 110 empfangenen Daten. Das Steuergerät 102 steht in elektronischer Verbindung mit der Datenerfassungseinheit 112 und kann Daten über die Werkstücktemperatur von der Datenerfassungseinheit 112 empfangen.
Das Schweißsystem 100 kann dazu benutzt werden, um das erste und zweite Werkstück 10, 12 zusammenzuschweißen. Zu diesem Zweck aktiviert die Roboter-Steuereinheit 106 die Energiequelle 108, wenn der Schweißkopf 104 eine Zielstelle T an einem Überschneidungsbereich zwischen dem ersten und zweiten Werkstück 10, 12 erreicht hat. Bei Aktivierung der Energiequelle 108 führt diese dem Schweißkopf 104 Energie E zu, und der Schweißkopf 104 richtet die Energie E auf die Zielstelle T, die sich in einem Überschneidungsbereich zwischen dem ersten und zweiten Werkstück 10, 12 befindet. Der Schweißkopf 104 muss dem ersten und zweiten Werkstück 10, 12 eine Menge an Energie E zuführen, die ausreicht, um die Grundwerkstoffe des ersten und zweiten Werkstücks 10, 12 an der Zielstelle T zu schmelzen. Mit anderen Worten, die vom Schweißkopf 104 zugeführte Energie E muss genügend Wärme erzeugen können, um die Grundwerkstoffe des ersten und zweiten Werkstücks 10, 12 an der Zielstelle T zu schmelzen. Ein Füllstoff kann dem geschmolzenen Bad zugesetzt werden (z. B. an einer Stelle am Überschneidungsbereich zwischen dem ersten und zweiten Werkstück 10, 12). Der Begriff „Schmelzbad“ bezieht sich auf ein Bad von geschmolzenem Grundwerkstoff und kann geschmolzenen Füllstoff enthalten. Das Schmelzbad W kühlt dann ab und bildet eine Schweißverbindung 14 (2A und 2B), welche das erste und zweite Werkstück 10, 12 mittels einer Schweißnaht 16 zusammenfügt, wie eine maßgeschneiderte geschweißte Platine, eine Überlappungsnaht, eine Kehlnaht oder einen T-Stoß. 2A zeigt ein Beispiel einer maßgeschneiderten geschweißten Platine. Wie aus 2A ersichtlich, verbindet die Schweißnaht 16 mindestens zwei Werkstücke 10, 12, die sowohl mit einer Stoß- als auch mit einer Überlappungsnaht zusammengeschweißt sind. 2C und 2D zeigen Werkstücke 10, 12, zusammengefügt mit einer Überlappungsnaht 14A. 2E zeigt drei Werkstücke 10, 12, 13 zusammengefügt mit einer Überlappungsnaht 14A.
Mit weiterem Bezug auf 1 ist der Bereich des ersten und zweiten Werkstücks 10, 12 rund um das Schmelzbad W ebenfalls von der Wärme beeinflusst, trotzdem er nicht direkt der Energie E ausgesetzt ist, und wird daher als Wärmeeinflusszone (HAZ) bezeichnet. Im Besonderen bezieht sich die HAZ auf einen Bereich des ersten und zweiten Werkstücks 10, 12 rund um das Schmelzbad W, in dem die Mikrostruktur des Grundwerkstoffs durch die von der Energie E erzeugte Wärme geändert wird, die dem ersten und zweiten Werkstück 10, 12 an der Zielstelle T zugeführt wird. Als Konsequenz der Änderung der Mikrostruktur kann sich der Grundwerkstoff an der HAZ entfestigen. Die HAZ-Entfestigung verursacht Änderungen der Festigkeit, Härte, Duktilität und Formbarkeit des Grundwerkstoffs. Beispielsweise kann die Härte der HAZ geringer sein als die Härte des Grundwerkstoffs BM (nach Beendigung des Schweißvorgangs).
Um die HAZ-Entfestigung zu minimieren, werden die HAZ während des Schweißvorgangs gekühlt. Das Kühlen der Werkstücke 10, 12 vor dem Schweißvorgang vermindert die HAZ-Entfestigung ebenfalls. Zu diesem Zweck kann ein Kühlsystem 114 genutzt werden, das die HAZ vor, bei oder nach dem Schweißvorgang kühlt. Das Kühlsystem 114 kann ein externes Gerät oder Teil des Schweißsystems 100 sein. Ungeachtet dessen steht das Kühlsystem 114 in elektronischer Verbindung mit dem Steuergerät 102 und beinhaltet einen Kühlregler 116 und Leitungen 120 zur Förderung von Kühlmittel C, wie Wasser. Die Leitungen 120 können Röhren, wie Kupferröhren, oder andere Komponenten sein die zur Förderung des Kühlmittels C geeignet sind. Die Leitungen 120 (z. B. Kupferröhren) können neben dem ersten und zweiten Werkstück 10, 12 geführt werden, sodass das durch die Leitungen 120 strömende Kühlmittel C das erste und zweite Werkstück 10, 12 kühlen kann. Der Kühlregler 116 ist mit einer Kühlmittelquelle 118 fluidgekoppelt, um Kühlmittel C von der Kühlmittelquelle 118 aufzunehmen. Beispielsweise kann das Kühlmittel C jeder Fluidtyp sein (z. B. Flüssigkeit oder Gas), und der Kühlregler 116 kann eine Kühlflüssigkeit (z. B. Kaltwasser) oder ein Kühlgas (z. B. Kältegas) sein. Mit anderen Worten steht die Kühlmittelquelle 118 in Fluidverbindung (z. B. Flüssigkeits- oder Gasverbindung) mit dem Kühlsystem 114. Die Kühlmittelquelle 118 enthält Kühlmittel (z. B. Wasser). Der Kühlregler 116 kann die Temperatur des Kühlmittels C (d. h. Kühlmittel- oder Zieltemperatur) regeln. Zu diesem Zweck kann der Kühlregler 116 ein Kühlgerät 122, wie ein Kälteaggregat, enthalten. Das Kühlgerät 122 leitet Wärme vom Kühlmittel C ab, und der Kühlregler 116 kann den Leitungen 120 Kühlmittel C zuführen, das eine kontrollierte Temperatur aufweist. Der Kühlregler 116 kann zudem den Durchsatz des Kühlmittels C (d. h. den Kühlmitteldurchsatz) regeln, das den Leitungen 120 zugeführt wird. Zu diesem Zweck kann der Kühlregler 116 mindestens ein Regelventil 124 beinhalten, konfiguriert zur Regelung des Durchsatzes des Kühlmittels C. Zusätzlich zum Durchsatz kann der Kühlregler 116 die Position der Kühlstelle bestimmen, indem er beispielsweise das Kühlmittel C durch einige (aber nicht alle) Leitungen 120 leitet. Zu diesem Zweck kann der Kühlregler 116 zusätzliche Ventile (nicht dargestellt) beinhalten, die den Fluss des Kühlmittels C durch die Leitungen 120 steuern.
3 stellt ein Schweißverfahren 200 zum Zusammenfügen von mindestens zwei Werkstücken 10, 12 dar (2A). Insbesondere zeichnet sich das Schweißverfahren 200 dadurch aus, dass es die mechanischen Eigenschaften der Schweißverbindung 14 (2A) durch die Kühlung des ersten und zweiten Werkstücks 10, 12 verbessert, und so die HAZ-Entfestigung minimiert. Wie weiter oben erörtert, ist es von Nutzen, die HAZ-Entfestigung während des Schweißvorgangs zu minimieren, um die mechanischen Eigenschaften (z. B. Festigkeit, Härte, Duktilität und Formbarkeit) der Schweißverbindungen 14 zu verbessern (2A). Versuche mit Laserschweißverfahren an DP980-Stahl haben ergeben, dass die Kühlung der HAZ der Werkstücke 10, 12 unter Nutzung des vorliegend offenbarten Schweißverfahrens 200 Schweißverbindungen 14 mit erhöhter Festigkeit und Duktilität ergibt, im Vergleich zu Schweißverbindungen, bei denen die HAZ nicht gemäß dem Schweißverfahren 200 gekühlt werden. Siehe untenstehende Tabelle A. Zusätzlich dazu wird die Formbarkeit der unter Nutzung des Schweißverfahrens 200 gefertigten maßgeschneiderten geschweißten Platine verbessert, im Vergleich zur Formbarkeit von maßgeschneiderten geschweißten Platinen, die mittels eines Schweißverfahrens gefertigt werden, das keine Kühlung der HAZ beinhaltet. Siehe untenstehende Tabelle B. Des Weiteren wird die Härte der unter Nutzung des Schweißverfahrens 200 gefertigten maßgeschneiderten geschweißten Platine verbessert, im Vergleich zur Härte von maßgeschneiderten geschweißten Platinen, die mittels eines Schweißverfahrens gefertigt werden, das keine Kühlung der HAZ beinhaltet. Siehe Grafiken in 4 und 5. In 4 bezeichnet HV die Härte nach der Vickers-Härteskala, D bezeichnet den Abstand von der Schweißnahtmitte, X bezeichnet Datenpunkte bei Nutzung konventioneller Schweißverfahren, Y bezeichnet Datenpunkte bei Nutzung des Schweißverfahrens 200, WJ bezeichnet die Schweißnaht, HAZ die Wärmeeinflusszonen, und BM den Grundwerkstoff rund um die HAZ. 5 ist eine Grafik ähnlich der von 4, zeigt jedoch die Ergebnisse der Härtetests für die Aluminiumlegierung 6061.

Muster Zugfestigkeit (MPa) Gesamtdehnung (%)

Grundwerkstoff DP980 1009 13,6

DP980-Stoßnähte Ohne Kühlung 952 5,6

Mit Kühlung 1004 12,7

Tabelle A

Muster Wölbungshöhenbegrenzung (mm)

Grundwerkstoff DP980 27,54

DP980-Stoßnähte Ohne Kühlung 10,49

Mit Kühlung 16,78

Tabelle B
Das Schweißverfahren 200 beginnt bei Schritt 202. Schritt 202 beinhaltet die Bestimmung der chemischen Zusammensetzung des ersten und zweiten Werkstücks 10, 12. Insbesondere beinhaltet Schritt 202 die Bestimmung der chemischen Zusammensetzung des Grundwerkstoffs, aus denen das erste und zweite Werkstück 10, 12 besteht. Das erste und zweite Werkstück 10, 12 können die gleiche oder unterschiedliche chemische Zusammensetzungen aufweisen. Die chemische Zusammensetzung des ersten und zweiten Werkstücks 10, 12 kann vom Lieferanten des ersten und zweiten Werkstücks 10, 12 angegeben werden und bereits im Speicher des Steuergeräts 102, beispielsweise in einer Nachschlagetabelle, abgelegt sein. Außerdem kann die chemische Zusammensetzung der Werkstücke 10, 12 auch durch andere Methoden bestimmt werden, so wie Röntgenfluoreszenz (XRF) und DES (nicht einschränkend). Demzufolge kann das Steuergerät 102 die chemische Zusammensetzung des ersten und zweiten Werkstücks 10, 12 durch Erhebung der entsprechenden Informationen aus seinem Speicher bestimmen.
Das Schweißverfahren 200 geht dann zu Schritt 204 über. Schritt 204 beinhaltet die Bestimmung der Martensit-Temperungstemperatur des ersten und zweiten Werkstücks 10, 12 durch das Steuergerät 102, basierend, zumindest teilweise, auf der chemischen Zusammensetzung und Mikrostruktur des ersten und zweiten Werkstücks 10, 12. Insbesondere beinhaltet Schritt 204 die Berechnung der Martensit-Temperungstemperatur des Grundwerkstoffs, aus dem das erste und zweite Werkstück 10, 12 besteht, durch das Steuergerät 102.
Das Schweißverfahren 200 geht dann zu Schritt 206 über. Schritt 206 beinhaltet die Zuführung einer Menge an Energie E zum ersten und zweiten Werkstück 10, 12, die ausreicht, um die Grundwerkstoffe des ersten und zweiten Werkstücks 10, 12 an der Zielstelle T zu schmelzen und dabei das Schmelzbad W zu erzeugen. Wie weiter oben erörtert, liegt die Zielstelle T im Überschneidungsbereich zwischen dem ersten und zweiten Werkstück 10, 12. Mittels des Schweißkopfs 104, der Roboter-Steuereinheit 106 und der Energiequelle 108 kann dem ersten und zweiten Werkstück 10, 12 Energie E (z. B. Laser) zugeführt werden. Daher kann Schritt 206 auch die Positionierung des Schweißkopfs 104 in einem Überschneidungsbereich zwischen dem ersten und zweiten Werkstück 10, 12 über der Zielstelle T beinhalten, sowie die anschließende Aktivierung der Energiequelle 108 mittels der Roboter-Steuereinheit 106, um Energie E zum ersten und zweiten Werkstück 10, 12 an der Zielstelle T zuzuführen. Schritt 206 kann des Weiteren den Zusatz von Füllstoff zum Grundwerkstoff an der Zielstelle T beinhalten, wenn der Grundwerkstoff seinen Schmelzpunkt erreicht hat. Mit anderen Worten, Schritt 206 kann den Zusatz eines Füllstoffs zum Schmelzbad beinhalten. Schritt 206 kann Teil eines Schmelzschweißverfahrens sein. Als nicht einschränkende Beispiele kann das Schmelzschweißverfahren ein Lichtbogenschweißverfahren (z. B. Wolfram-Inertgas-Schweißen [Tungsten Inert Gas, TIG], Plasmaschweißen, Wolfram-Schutzgas-Schweißen [Gas Tungsten Arc Welding, GTAW]) sein, oder ein Laserschweißverfahren, Widerstandspunktschweißverfahren, Festkörperschweißverfahren (z. B. Reibrührschweißen), Ultraschallschweißverfahren oder eine Kombinationen dieser Verfahren, wie Laser-Lichtbogen-Hybrid-Schweißen, sein.
Als Nächstes geht das Schweißverfahren 200 zu Schritt 208 über. Schritt 208 beinhaltet die Bestimmung der Temperatur des ersten und zweiten Werkstücks 10, 12 durch das Steuergerät 102 (d. h. der gemessenen Temperatur), um die Lage der Wärmeeinflusszonen (HAZ) in den Grundwerkstoffen des ersten und zweiten Werkstücks 10, 12 festzustellen. Zu diesem Zweck kann der Temperatursensor 110 die Temperatur des ersten und zweiten Werkstücks 10, 12 bei und im Umkreis der Zielstelle T erfassen (1). Der Temperatursensor 110 generiert dann ein Temperatursignal S, das die Temperatur an verschiedenen Stellen des ersten und zweiten Werkstücks 10, 12 anzeigt. Das Steuergerät 102 empfängt das Temperatursignal S über die Datenerfassungseinheit 112. Zur Feststellung der Lage der HAZ kann das Steuergerät 102 die Bereiche des ersten und zweiten Werkstücks 10, 12 feststellen, in denen die Temperatur des Grundwerkstoffs eine Temperaturschwelle erreicht oder überschreitet. Als nicht einschränkende Beispiele kann die Temperaturschwelle der unteren kritischen Temperatur eines untereutektoiden Stahls (Ac1) oder der oberen kritischen Temperatur (Ac3) eines untereutektoiden Stahls entsprechen. In dieser Offenbarung bezieht sich der Begriff „untere kritische Temperatur eines untereutektoiden Stahls (Ac1)“ auf eine Temperatur, bei der während des Erwärmens die austenitische Umwandlung beginnt. Der Begriff „obere kritische Temperatur (Ac3) eines untereutektoiden Stahls“ bezieht sich auf die Temperatur, bei der während des Erwärmens die Umwandlung von Ferrit in Austenit beendet ist. Das Steuergerät 102 kann bestimmen, dass die HAZ des Grundwerkstoffs in Bereichen liegen, in denen die gemessene Temperatur zwischen einer unteren Temperaturschwelle und einer oberen Temperaturschwelle liegt. Die untere Temperaturschwelle kann die untere kritische Temperatur (Ac1) oder die Start-Temperatur einer martensitischen Umwandlung (Ms) des Grundwerkstoffs sein. Die obere Temperaturschwelle kann die obere kritische Temperatur (Ac3) oder der Schmelzpunkt des Grundwerkstoffs sein. Die HAZ beinhalten keine Bereiche des Grundwerkstoffs, in denen der Grundwerkstoff während des Schweißvorgangs schmilzt.
Anschließend geht das Schweißverfahren 200 zu Schritt 210 über. Schritt 210 beinhaltet die Bestimmung der zum Kühlen des ersten und zweiten Werkstücks 10, 12 geeigneten Kühlparameter durch das Steuergerät 102, bis die Temperatur des ersten und zweiten Werkstücks an den HAZ unter die in Schritt 204 bestimmte Martensit-Temperungstemperatur heruntergeregelt ist. Dementsprechend beinhaltet Schritt 210 die Bestimmung der Kühlparameter für die HAZ durch das Steuergerät 102, basierend, zumindest teilweise, auf der Martensit-Temperungstemperatur. Die Kühlparameter können, unter anderem, die Zieltemperatur und den Zieldurchsatz des durch die Leitungen 120 strömenden Kühlmittels C beinhalten, sowie die zu kühlenden Stellen im ersten und zweiten Werkstück 10, 12. Die Zieltemperatur des Kühlmittels C wird auch als Kühlmitteltemperatur bezeichnet, und der Durchsatz des durch die Leitungen 120 strömenden Kühlmittels C wird als Kühlmitteldurchsatz bezeichnet. Demzufolge beinhaltet Schritt 210 die Bestimmung der Kühlmitteltemperatur, durch das Steuergerät 102, basierend, zumindest teilweise, auf der in Schritt 204 bestimmten Martensit-Temperungstemperatur und dem HAZ-Umfang. Der Begriff „HAZ-Umfang“ bezieht sich auf die Fläche der HAZ. Außerdem beinhaltet Schritt 210 die Bestimmung des Kühlmitteldurchsatzes, durch das Steuergerät 102, basierend, zumindest teilweise, auf der in Schritt 204 bestimmten Martensit-Temperungstemperatur. Des Weiteren beinhaltet Schritt 210 die Bestimmung der zu kühlenden Stellen im ersten und zweiten Werkstück 10, 12 durch das Steuergerät 102, basierend, zumindest teilweise, auf der in Schritt 208 bestimmten Lage der HAZ. In der vorliegenden Offenbarung bezieht sich der Begriff „zu kühlende Stellen“ auf die Bereiche im ersten und zweiten Werkstück 10, 12, die zur Minimierung der HAZ-Entfestigung zu kühlen sind. Die Kühlparameter können auch einen Kühlbereich beinhalten. Der Begriff „Kühlbereich“ bezeichnet die Temperaturdifferenz zwischen dem Kühlmittel C, das in die Leitungen 120 eintritt, und dem Kühlmittel C, das aus dem Leitungen 120 austritt. Schritt 210 beinhaltet auch die Bestimmung des Kühlbereichs.
Als Nächstes geht das Schweißverfahren 200 zu Schritt 212 über. Schritt 212 beinhaltet die Kühlung des ersten und zweiten Werkstücks 10, 12 (mittels des Kühlsystems 114), sodass die Temperatur des ersten und zweiten Werkstücks 10, 12 an den HAZ unter die Martensit-Temperungstemperatur geregelt wird, um die Entfestigung an den HAZ zu minimieren. Wie weiter oben erörtert, sind die HAZ die Bereiche des ersten und zweiten Werkstücks 10, 12 im Umkreis des Schmelzbades W, auf welche die von der Energie E stammende Wärme einwirkt, die dem ersten und zweiten Werkstück 10, 12 an der Zielstelle T zugeführt wird. Zur Kühlung des ersten und zweiten Werkstücks 10, 12 fördert das Kühlsystem 114 Kühlmittel C (z. B. Kaltwasser) durch die Leitungen 120, um die HAZ des ersten und zweiten Werkstücks 10, 12 zu kühlen. Insbesondere fördert das Kühlsystem 114 Kühlmittel C mit der Kühlmitteltemperatur und dem Kühlmitteldurchsatz, die in Schritt 210 bestimmt wurden, zu den Leitungen 120. Das Kühlsystem 114 ist konfiguriert, um das Kühlmittel C aufzunehmen und das Kühlmittel C zu den Leitungen 120 zu fördern, die neben den in Schritt 210 bestimmten zu kühlenden Stellen geführt werden. Demzufolge kann das Kühlsystem 114 vorwiegend im Umkreis der HAZ des ersten und zweiten Werkstücks 10, 12 kühlen. Es wird auch erwogen, dass das Kühlsystem nur die HAZ des ersten und zweiten Werkstücks 10, 12 kühlen kann. Schritt 212 (d. h. Kühlen) und Schritt 206 (d. h. Zufuhr von Energie E) können gleichzeitig ausgeführt werden. Schritt 212 (d. h. Kühlen) kann auch vor oder nach Schritt 206 (d. h. Zufuhr von Energie E) ausgeführt werden.
6 zeigt eine weitere Ausführungsform des Schweißsystems 100. In dieser Ausführungsform dienen die Leitungen 120, die Röhren oder Klemmräder sein können, zum Kühlen und Festklemmen der Werkstücke 10, 12. Das Schweißsystem 100 beinhaltet des Weiteren mindestens einen Kanal 121, der Kühlmittel C zu den Leitungen 120 fördert. Die Schweißrichtung WD dieser Ausführungsform unterscheidet sich von den anderen Ausführungsformen. Wie in 7 beschrieben, beinhaltet der Kanal 121 einen ersten Bereich 123 zum Zuführen des Kühlmittels A, und einen zweiten Bereich 125 Abführen des verbrauchten Kühlmittels H (z. B. Warmwasser).
8 zeigt eine weitere Ausführungsform des Schweißsystems 100. In dieser Ausführungsform weist das Schweißsystem 100 die gleiche Schweißrichtung WD auf. Die Energie E wird zwischen den Leitungen 120 zugeführt, die zum Kühlen und Festklemmen benutzt werden können. In dieser Ausführungsform ist das Element 120 ein Rad, und Kühlmittel wird durch den Kanal im Innern des Rades geleitet. Die Energie wird zwischen zwei Räder gerichtet. Die Räder bewegen sich in dieselbe Richtung wie die Schweißrichtung WD.
9 zeigt eine weitere Ausführungsform des Schweißsystems 100. In dieser Ausführungsform beinhaltet das Schweißsystem 100 einen Phasenklemmmechanismus 130 zum Festklemmen der Werkstücke 10, 12. Der Phasenklemmmechanismus kann ebenfalls Kühlmittel enthalten, um die HAZ zu kühlen. Das Schweißsystem 100 kann Phasenwechselmaterial in der Klammer beinhalten. Das Phasenwechselmaterial kann auch Wärme ableiten um die HAZ zu kühlen. Zusätzlich dazu kann Phasenwechselmaterial in jede Klammer rund um die HAZ eingefügt werden, um die HAZ zu kühlen.
Während die besten Arten zur Ausführung der Erfindung detailliert beschrieben wurden, werden die mit der hier beschriebenen Technik vertrauten Fachleute diverse alternative Ausgestaltungen und Ausführungen erkennen, mit denen die Erfindung im Rahmen der nachfolgend aufgeführten Ansprüche ausgeführt werden kann.

Claims

Schweißverfahren, umfassend: die Bestimmung, durch ein Steuergerät, einer Martensit-Temperungstemperatur von mindestens zwei Werkstücken, basierend, zumindest teilweise, auf einer chemischen Zusammensetzung und Mikrostruktur der mindestens zwei Werkstücke; die Zufuhr einer ausreichenden Energiemenge zu den mindestens zwei Werkstücken, um die mindestens zwei Werkstücke an einer Zielstelle zu schmelzen und damit ein Schmelzbad zu erzeugen, wobei die Zielstelle in einem Überschneidungsbereich zwischen den mindestens zwei Werkstücken liegt; die Bestimmung, durch das Steuergerät, einer Zieltemperatur eines Kühlmittels, basierend, zumindest teilweise, auf der Martensit-Temperungstemperatur; und die Kühlung der mindestens zwei Werkstücke mit dem Kühlmittel, sodass eine Temperatur der mindestens zwei Werkstücke an den Wärmeeinflusszonen unter die Martensit-Temperungstemperatur geregelt wird, um die Entfestigung an den Wärmeeinflusszonen zu minimieren, worin jede Wärmeeinflusszone ein Bereich der mindestens zwei Werkstücke im Umkreis des Schmelzbads ist, der Wärme ausgesetzt, die von der den mindestens zwei Werkstücken an der Zielstelle zugeführten Energie stammt.
Schweißverfahren nach Anspruch 1, worin die Kühlung der mindestens zwei Werkstücke und die Zufuhr einer ausreichenden Energiemenge zu den mindestens zwei Werkstücken simultan erfolgen.
Schweißverfahren nach Anspruch 1, worin die Kühlung der mindestens zwei Werkstücke nach der Zufuhr der ausreichenden Energiemenge zu den mindestens zwei Werkstücken erfolgt.
Schweißverfahren nach Anspruch 1, worin die Kühlung der mindestens zwei Werkstücke vor der Zufuhr der ausreichenden Energiemenge zu den mindestens zwei Werkstücken erfolgt.
Schweißverfahren nach Anspruch 1, worin die Kühlung mittels eines Kühlsystems erfolgt, das zur Förderung des Kühlmittels konfigurierte Leitungen beinhaltet.
Schweißverfahren nach Anspruch 1, des Weiteren umfassend die Bestimmung eines Durchsatzes des durch die Leitungen strömenden Kühlmittels, basierend, zumindest teilweise, auf der Martensit-Temperungstemperatur.
Schweißverfahren nach Anspruch 6, des Weiteren umfassend die Bestimmung einer Kühlstelle, basierend, zumindest teilweise, auf einer Stelle der Wärmeeinflusszonen in den mindestens zwei Werkstücken, worin die Kühlstelle ein Bereich in den mindestens zwei Werkstücken ist, der Kühlung benötigt, um die Entfestigung in den Wärmeeinflusszonen zu minimieren.
Schweißverfahren nach Anspruch 7, worin die Kühlung der mindestens zwei Werkstücke hauptsächlich die Kühlung der Wärmeeinflusszonen der mindestens zwei Werkstücke beinhaltet.
Schweißverfahren nach Anspruch 8, des Weiteren umfassend die Bestimmung einer Temperatur der mindestens zwei Werkstücke, um die Lage der Wärmeeinflusszonen in den mindestens zwei Werkstücke festzustellen.
Schweißverfahren nach Anspruch 1, worin zumindest eines der mindestens zwei Werkstücke aus Aluminiumlegierung besteht.
Schweißverfahren nach Anspruch 1, worin die Zufuhr einer ausreichenden Energiemenge Teil eines Schmelzschweißverfahrens ist, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Lichtbogenschweißen, Laserschweißen, Widerstandspunktschweißen, Festkörperschweißen, Ultraschallschweißen und einer Kombination dieser Verfahren.
Schweißverfahren nach Anspruch 1, worin die Zufuhr einer ausreichenden Energiemenge Teil eines Reibrührschweißverfahrens ist.
Schweißverfahren nach Anspruch 1, worin die Zufuhr einer ausreichenden Energiemenge Teil eines Laser-Lichtbogen-Hybrid-Schweißverfahrens ist.
Schweißverfahren nach Anspruch 1, des Weiteren umfassend die Zugabe eines Füllstoffs zum Schmelzbad.
Schweißsystem, umfassend: eine Energiequelle, konfiguriert zur Zufuhr von Energie; einen Schweißkopf, gekoppelt mit der Energiequelle und konfiguriert, um eine ausreichenden Energiemenge zu den mindestens zwei Werkstücken zu leiten, um die mindestens zwei Werkstücke an einer Zielstelle zu schmelzen und damit ein Schmelzbad zu erzeugen, wobei die Zielstelle in einem Überschneidungsbereich zwischen den mindestens zwei Werkstücken liegt; ein Steuergerät, programmiert: zur Bestimmung einer Martensit-Temperungstemperatur der mindestens zwei Werkstücke, basierend, zumindest teilweise, auf der chemischen Zusammensetzung der mindestens zwei Werkstücke; zur Bestimmung einer Temperatur eines Kühlmittels, basierend, zumindest teilweise, auf der Martensit-Temperungstemperatur; und ein Kühlsystem, konfiguriert zur Leitung des Kühlmittel zur Kühlung der mindestens zwei Werkstücke, sodass die Temperatur an den Wärmeeinflusszonen der mindestens zwei Werkstücke unter die Martensit-Temperungstemperatur geregelt wird, um die Entfestigung an den Wärmeeinflusszonen zu minimieren, worin jede Wärmeeinflusszone ein Bereich im Umkreis des Schmelzbads der mindestens zwei Werkstücke ist, welcher der von der Energie stammenden Wärme ausgesetzt ist, die den mindestens zwei Werkstücken an der Zielstelle zugeführt wird.
Schweißsystem nach Anspruch 15, worin das Kühlsystem zur Kühlung der mindestens zwei Werkstücke konfiguriert ist, während der Schweißkopf die Energie von der Energiequelle zu den mindestens zwei Werkstücken leitet.
Schweißsystem nach Anspruch 15, worin das Kühlsystem Leitungen hat, konfiguriert zum Fördern eines Kühlmittels.
Schweißsystem nach Anspruch 17, worin das Steuergerät zur Bestimmung eines Durchsatzes des durch die Leitungen strömenden Kühlmittels konfiguriert ist, basierend, zumindest teilweise, auf der Martensit-Temperungstemperatur.
Schweißsystem nach Anspruch 18, worin das Kühlsystem ein Regelventil beinhaltet, konfiguriert zur Regelung des Durchflusses des Kühlmittels.
Schweißsystem nach Anspruch 18, worin das Steuergerät zur Bestimmung einer Kühlstelle konfiguriert ist, basierend, zumindest teilweise, auf der Lage der Wärmeeinflusszonen in den mindestens Werkstücken, worin die Kühlstelle ein Bereich in den mindestens zwei Werkstücken ist, der Kühlung benötigt, um die Entfestigung in den Wärmeeinflusszonen zu minimieren.