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Technisches Gebiet
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Die vorliegende Erfindung betrifft die Laser-Bearbeitung, vorzugsweise ein gepulstes Drahtvorschubverfahren für Laser-Gas-Metall-Lichtbogen (GMA)-Hybridschweißen mit einem Fülldraht. Beim schnellen Laser-GMA-Hybridschweißen wird das gepulste Drahtvorschubverfahren verwendet, wobei eine Phasendifferenz zwischen einer Wellenform einer gepulsten Drahtvorschubgeschwindigkeit und einer Wellenform von Impuls-GMA 180° beträgt, um einen zusätzlichen Fülldraht zuzuführen und die Stabilität der Zuführung des zusätzlichen Fülldrahtes zu verbessern.
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Stand der Technik
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Laser-GMA (umfassend MIG-Lichtbogen und MAG-Lichtbogen)-Hybridschweißen ist eine moderne und effiziente Schweißtechnologie. Im Vergleich zu traditionellem Metall-Inertgasschweißen (MIG-Schweißen) und Metall-Aktivgasschweißen (MAG-Schweißen) hat das Laser-GMA-Hybridschweißen nicht nur eine hohe Schweißgeschwindigkeit, wenig Wärmeeintrag, geringen Schweißverzug und einen tiefen Einbrand, sondern trägt auch zum einseitigen Schweißen und beidseitigen Formen, zur Verfeinerung der Schweißverbindung und zur Verbesserung der Leistung der Schweißverbindung bei. Insbesondere ist das stabile Laser-GMA-Hybridschweißen bei der hohen Schweißgeschwindigkeit günstig für Schweißen von Mittel- und Dünnblech. Außerdem wird beim Laser-GMA-Hybridschweißen die Schweißgeschwindigkeit so weit wie möglich erhöht, um den Schweißverzug wirksam zu vermeiden. In diesem Fall wird die Leistung des GMA im Allgemeinen für eine Erhöhung einer Abschmelzmenge an einem Fülldraht erhöht, um ferner eine Abschmelzleistung zu verbessern. Dieses obengenannte Verfahren für die Erhöhung der Abschmelzmenge an dem Fülldraht führt jedoch häufig zur Überhitzung eines Schmelzbades, was eine Schweißnahtbildung beeinträchtigt, sogar Bruch und Hinterschneidungen der Schweißnähte verursacht und ferner die Leistung der Schweißverbindung beeinträchtigt.
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Um die oben genannten Probleme zu lösen, schlägt
CN201410092005.1 ein Verfahren zum Laser-GMA-Hybridschweißen vor. Ohne die Leistung des GMA zu erhöhen, verbessert dieses Verfahren erheblich die Abschmelzleistung in einem Schweißprozess basierend auf inhärenten Eigenschaften des Laser-GMA-Hybridschweißens, wie Energiekonzentration, einem hohen thermischen Wirkungsgrad und hoher Temperatur des Schmelzbads, indem ein zusätzlicher Fülldraht zugeführt und durch Überschusswärme aufgeschmolzen wird. Im Vergleich zu einem traditionellen Laser-GMA-Hybridschweißen erhöht dieses Verfahren die Abschmelzleistung des zusätzlichen Fülldrahts unter der gleichen Schweißgeschwindigkeit um 50 - 100 Prozent (%), ohne den Wärmeeintrag beträchtlich zu erhöhen. Des Weiteren spielen die Zuführungsart des zusätzlichen Fülldrahtes und eine stabile Zuführung bei diesem Verfahren eine entscheidende Rolle. Um die Stabilität des Schweißprozesses zu verbessern, wird der zusätzliche Fülldraht dem Schmelzbad zugeführt und durch die Überschusswärme des Schmelzbads aufgeschmolzen. Gemäß
CN201410092005.1 kann der zusätzliche Fülldraht von der Vorderseite, der Mitte und der Rückseite des Lasers und des GMA dem Schmelzbad zugeführt werden. Wird der zusätzliche Fülldraht jedoch von der Mitte zwischen dem Laser und dem GMA oder in der Nähe vom GMA dem Schmelzbad zugeführt, erhitzt der GMA, insbesondere ein gepulster GMA, den zusätzlichen Fülldraht aufgrund eines großen Wirkungsbereichs und der hohen Leistung des GMA bei Spitzenstrom, wobei es leicht möglich ist, dass der zusätzliche Fülldraht schmilzt, bevor dieser dem Schmelzbad zugeführt wird, große Tropfen bildet und ins Schmelzbad fällt, und ferner zum instabilen Schweißprozess und zu einer schlechten Schweißnahtbildung führt.
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Darstellung der Erfindung
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein gepulstes Drahtvorschubverfahren für Laser-GMA-Hybridschweißen mit einem Fülldraht vorzuschlagen, wobei beim Laser-GMA-Hybridschweißen Impuls-GMA verwendet wird, eine Lichtbogenschweißstromquelle und ein Drahtvorschub synchron und kooperativ gesteuert werden, und ein zusätzlicher Fülldraht mittels des gepulsten Drahtvorschubverfahrens zugeführt wird, wobei eine Phasendifferenz zwischen einer Wellenform einer gepulsten Drahtvorschubgeschwindigkeit und einer Wellenform vom Impuls-GMA 180° beträgt, eine Drahtvorschubgeschwindigkeit für den zusätzlichen Fülldraht 0 beträgt, wenn sich der Impuls-GMA auf Spitzenstrom befindet, und der zusätzliche Fülldraht wieder zugeführt wird, wenn der Impuls-GMA auf Grundstrom abfällt, um sicherzustellen, dass der zusätzliche Fülldraht einem Verbund-Schmelzbad zugeführt wird, statt einen grobkörnigen tropfenförmigen Werkstoffübergang aufgrund der Erwärmung durch den Impuls-GMA zu bilden.
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Die Aufgabe wird durch ein gepulstes Drahtvorschubverfahren für Laser-GMA-Hybridschweißen mit einem Fülldraht gelöst:
- (1) Im erfindungsgemäßen gepulsten Drahtvorschubverfahren für das Laser-GMA-Hybridschweißen mit dem Fülldraht wird ein Laserstrahl mit einem Impuls-GMA paraxial verbunden, ein zusätzlicher Fülldraht wird einem Verbund-Schmelzbad zugeführt und durch die Überschusswärme des Verbund-Schmelzbads aufgeschmolzen.
- (2) Im erfindungsgemäßen gepulsten Drahtvorschubverfahren für das Laser-GMA-Hybridschweißen mit dem Fülldraht wird der Impuls-GMA verwendet, eine Lichtbogenschweißstromquelle sowie ein Drahtvorschubsystem für den zusätzlichen Fülldraht sind miteinander in Kommunikation und werden synchron und kooperativ gesteuert, der zusätzliche Fülldraht wird durch das gepulste Drahtvorschubverfahren zugeführt, wobei eine Phasendifferenz zwischen einer Wellenform einer gepulsten Drahtvorschubgeschwindigkeit und einer Wellenform des Impuls-GMA 180° beträgt; wenn sich der Impuls-GMA in Grundstrom befindet, wird der zusätzliche Fülldraht mit einer Drahtvorschubgeschwindigkeit Vε zugeführt, wenn der Grundstrom endet, wird der zusätzliche Fülldraht nicht mehr zugeführt, bis der Impuls-GMA von Spitzenstrom auf den Grundstrom abfällt, wird der zusätzliche Fülldraht weiterhin mit der Drahtvorschubgeschwindigkeit Vε zugeführt.
- (3) Im erfindungsgemäßen gepulsten Drahtvorschubverfahren für das Laser-GMA-Hybridschweißen mit dem Fülldraht beträgt ein Abstand zwischen einer Drahtvorschubdüse für den zusätzlichen Fülldraht und einer Oberfläche des Verbund-Schmelzbads 5 - 10 Millimeter (mm), um zu verhindern, dass der zusätzliche Fülldraht, hervorragend aus der Drahtvorschubdüse, aufgrund der Erwärmung durch den Impuls-GMA schmilzt oder verbiegt, wenn sich der Impuls-GMA im Spitzenstrom befindet und der zusätzliche Fülldraht nicht mehr zugeführt wird; wobei die Drahtvorschubdüse für den zusätzlichen Fülldraht aus Keramik oder Wolfram ist, wobei die Drahtvorschubdüse mit Argongas gekühlt wird, und wobei die Drahtvorschubdüse den zusätzlichen Fülldraht mit einem Durchmesser Φ von 0,8 - 1,6 mm durchlässt.
- (4) Im erfindungsgemäßen gepulsten Drahtvorschubverfahren für das Laser-GMA-Hybridschweißen mit dem Fülldraht schwingt der zusätzliche Fülldraht mit einer bestimmten Schwingungsfrequenz und einer bestimmten Schwingungsamplitude senkrecht zu Schweißrichtungen, um eine gute Streichfähigkeit des Schweißguts nach der Zuführung des zusätzlichen Fülldrahtes sicherzustellen, wobei die Schwingungsfrequenz 0 - 100 Hertz (Hz) und die Schwingungsamplitude 0 - 5 mm beträgt, wobei die Schwingungsfrequenz und die Schwingungsamplitude mit einer Schweißgeschwindigkeit, der Drahtvorschubgeschwindigkeit, Laserleistung und Lichtbogenleistung mittels Prozessprüfungen abgestimmt sind; wenn die Drahtvorschubgeschwindigkeit für den zusätzlichen Fülldraht klein ist, schwingt der zusätzliche Fülldraht nicht, wobei die Schwingungsfrequenz sowie die Schwingungsamplitude 0 betragen.
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Vorteile der vorliegenden Erfindung
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- (1) Der zusätzliche Fülldraht wird mittels des gepulsten Drahtvorschubverfahrens zugeführt, und die Wellenform der gepulsten Drahtvorschubgeschwindigkeit ist an die Wellenform des Impuls-GMA angepasst, wodurch sichergestellt wird, dass der zusätzliche Fülldraht dem Verbund-Schmelzbad zugeführt wird, wenn der Grundstrom endet, und wodurch vermieden wird, dass der zusätzliche Fülldraht den grobkörnigen tropfenförmigen Werkstoffübergang aufgrund der Erwärmung durch den Impuls-GMA bildet. (2) Erfindungsgemäß wird der zusätzliche Fülldraht stabiler dem Verbund-Schmelzbad zugeführt sowie verschweißt und bildet eine gleichmäßige und gute Schweißnaht. (3) Verglichen mit einem traditionellen Laser-GMA-Hybridschweißen erhöht das Laser-GMA-Hybridschweißen mit dem Fülldraht mittels des erfindungsgemäßen gepulsten Drahtvorschubverfahrens die Abschmelzleistung in der Schweißnaht um 50 - 100%.
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Figurenliste
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- 1 schematische Darstellung von Laser-GMA-Hybridschweißen mit einem Fülldraht, wobei Pfeile Schweißrichtungen anzeigen und in der Praxis das GMA-Hybridschweißen entweder in Schweißrichtung 1 oder in Schweißrichtung 2 durchgeführt wird; und
- 2 Diagramm einer Wellenform von Schweißstrom und einer Wellenform einer gepulsten Drahtvorschubgeschwindigkeit für einen zusätzlichen Fülldraht, wobei eine Phasendifferenz zwischen der Wellenform der gepulsten Drahtvorschubgeschwindigkeit und einer Wellenform von Impuls-GMA 180° beträgt.
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Ausführung der Erfindung
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Ausführungsbeispiel 1 Aluminiumprofil 6005 A
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In dem Ausführungsbeispiel werden Laser-MIG-Hybrid-Schweißprüfungen mit einem Fülldraht mittels zwei Drahtvorschubverfahren, nämlich eines erfindungsgemäßen gepulsten Drahtvorschubverfahrens und eines nicht-gepulsten Drahtvorschubverfahrens, unter Verwendung vom Aluminiumprofil 6005A als Grundmaterial durchgeführt, und Schweißnähte, die mittels der zwei Drahtvorschubverfahren gebildet wurden, werden verglichen.
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In den Schweißprüfungen kommt das Aluminiumprofil 6005A mit einem Zustand T6 und Abmessungen von 1000×500×120 mm zum Einsatz, eine Blechdicke eines Schweißbereichs beträgt 4 mm, ein Stumpfstoß wird für eine Schweißverbindung verwendet und eine Schweißfuge beträgt 30°. Außerdem besteht ein zusätzlicher Fülldraht aus der Aluminiumlegierung ER5087 mit einem Durchmesser Φ von 1,2 mm. Beim Laser-MIG-Hybridschweißen wird MIG-Impulslichtbogen verwendet, räumlich befindet sich ein Laserstrahl vor dem MIG-Impulslichtbogen, wobei ein Abstand zwischen dem Laserstrahl und dem MIG-Impulslichtbogen 5 mm beträgt, und der zusätzliche Fülldraht wird aus einer Mitte zwischen dem Laser und dem MIG-Impulslichtbogen zugeführt.
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Die Schweißparameter sind wie folgt: eine Schweißgeschwindigkeit beträgt 3,6 Meter pro Minute (m/min), eine Laserleistung P beträgt 4,500 Watt (W) sowie ein durchschnittlicher Schweißstrom 205 Ampere (A) beträgt, und ein Faserlaser und industrielles reines Argon kommen als Laser und als Schutzgas zum Einsatz, wobei ein Schutzgasdurchsatz 20 Liter pro Minute (l/min) beträgt. Darüber hinaus beträgt beim Laser-MIG-Hybridschweißen mit dem nicht-gepulsten Drahtvorschubverfahren eine Drahtvorschubgeschwindigkeit 5,0 m/min, eine Schwingungsfrequenz 5 Hz und eine Schwingungsamplitude 2 mm; beim Laser-MIG-Hybridschweißen mit dem erfindungsgemäßen gepulsten Drahtvorschubverfahren beträgt eine maximale Drahtvorschubgeschwindigkeit 10,0 m/min, eine minimale Drahtvorschubgeschwindigkeit 0 m/min, die Schwingungsfrequenz 5 Hz, und die Schwingungsamplitude 2 mm.
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Durch den Vergleich der Schweißnähte, die mittels der zwei Drahtvorschubverfahren gebildet wurden, wird festgestellt, dass die mittels des erfindungsgemäßen gepulsten Drahtvorschubverfahrens gebildete Schweißnaht gleichmäßiger als die mittels des nicht-gepulsten Drahtvorschubverfahrens gebildete Schweißnaht ist, was hauptsächlich darauf zurückzuführen ist, dass während der Zuführung des zusätzlichen Fülldrahts vom MIG-Impulslichtbogen aufgeschmolzen wird und große Tropfen bildet.
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Ausführungsbeispiel 2 Stahl Q235
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In dem Ausführungsbeispiel wird eine Laser-MAG-Hybrid-Schweißprüfung mit einem Fülldraht mittels eines erfindungsgemäßen gepulsten Drahtvorschubverfahrens unter Verwendung vom Stahl Q235 als Grundmaterial durchgeführt.
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Der Stahl Q235 hat einen niedrigen Kohlenstoffgehalt und Abmessungen von 450×120×8 mm, die Schweißfuge beträgt 30° und eine Stegflanke beträgt 4 mm. Als zusätzlicher Fülldraht kommt ein Schutzgasschweißen-Fülldraht ER50-6 mit dem Durchmesser Φ von 1,2 mm zum Einsatz.
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Beim Laser-MAG-Hybridschweißen wird ein MAG-Impulslichtbogen verwendet, und räumlich befindet sich der MAG-Impulslichtbogen vor dem Laserstrahl, wobei ein Abstand zwischen dem Laserstrahl und dem MAG-Impulslichtbogen 6 mm beträgt, der Faserlaser als Laser verwendet wird, und das Schutzgas aus 80% Ar und 20% Kohlendioxid (CO2) besteht, wobei der Schutzgasdurchsatz 20 l/min beträgt. Erfindungsgemäß beträgt die Schweißgeschwindigkeit 1,2 m/min, die Laserleistung P 6,800 W, und der Schweißstrom 200 A, die maximale Drahtvorschubgeschwindigkeit 7,0 m/min, die minimale Drahtvorschubgeschwindigkeit 0 m/min, die Schwingungsfrequenz 5 HZ, und die Schwingungsamplitude 3 mm.
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In dem Ausführungsbeispiel ist eine beim Laser-MAG-Hybridschweißen gebildete Schweißnaht gut und gleichmäßig.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- zu schweißendes Werkstück
- 2
- Laserstrahl
- 3
- GMA-Schweißpistole
- 4
- Gas-Metall-Lichtbogen (GMA)
- 5
- zusätzlicher Fülldraht
- 6
- Schweißnaht
- 7
- hochtemperaturbeständige Drahtvorschubdüse
- 8
- Wellenform des Schweißstroms
- 9
- Wellenform der gepulsten Drahtvorschubgeschwindigkeit für den zusätzlichen Fülldraht
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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